祁縣高效節水灌溉工程中灌溉水利用系數的測算

趙曉棟

（山西萬水水利勘測設計咨詢有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

灌溉水利用系數取值大小往往與灌區自然地理條件、用水管理制度、灌溉技術水平等有關，也是評價灌區灌溉水利用程度和效率的基本指標。通過科學測算和分析灌溉水利用系數，有助于合理評價灌區灌溉水利用程度及節水潛力，為灌區灌溉水資源節約使用及灌區可持續發展提供借鑒指導。

1 工程概況

祁縣地處山西省太原盆地中部以東的汾河東側，祁縣高效節水灌溉示范區主要包括城趙鎮灌區和東觀鎮灌區，其中城趙鎮高效節水灌溉項目區位于汾河及昌源河以南，京昆高速路以東，其南北長約5.45 km，東西寬約2.32 km，屬河谷盆地，灌區內地形整體平坦，并主要呈現出北高南低，東高西低的漸變趨勢。區內海拔753～763 m，地面坡度基本在0.13%～0.40%。目前項目區內水利設施大多存在標準低，老化失修，輸水能力低等問題，并且灌溉基礎設施建設年代久遠、與現狀供水需求極不匹配，灌溉技術落后，缺乏科學有效的管理，導致灌區水資源在灌溉過程中漏損、浪費較為嚴重，既嚴重影響了當地農作物產量和質量，更嚴重阻礙了灌區農業經濟結構調整及可持續農業的發展。

2 數據與方法

2.1 基礎數據

祁縣城趙鎮豐固村、苗家堡村、修善村、原東村、城趙村、城趙莊6村及東觀鎮白圭村通過采用高效節水灌溉技術改善灌溉面積867.13 hm2。工程設計水平年確定為2020年。通過高效節水灌溉技術的應用，并嚴格遵守《灌溉與排水工程設計規范》的相關技術要求，設計灌溉保證率按照低壓管灌75%，小管出流灌、滴灌、微噴灌85%進行控制。

2.2 研究方法

主要采用首尾測算法進行城趙鎮高效節水灌溉項目區灌溉水利用系數測算，該方法僅進行最終灌溉至作物計劃潤濕層水量和渠首總引水量測算，無需測算輸配水及灌溉過程中灌溉水量損失，從而計算灌區灌溉水利用系數。應用該方法能避開渠系水有效利用系數測算這一難題，大大減少測算工作量。結合灌區特殊的自然條件和作物種類，選擇典型區域直接進行渠首引入或取用的毛灌溉水量、實際田間灌溉用水量等的測量，并通過下式進行灌區灌溉水有效利用系數計算：

式中：ηw—城趙鎮高效節水灌溉項目區灌溉水有效利用系數；Wj—城趙鎮高效節水灌溉項目區凈灌溉用水總量（m3）；Wa—項目區毛灌溉用水總量（m3）。

3 過程與結果

灌區規模、地理位置、管理水平、工程現狀、實際可供水量等因素均對灌區灌溉水有效利用系數有不同程度的影響，為準確確定灌區灌溉用水實際利用程度，在進行其灌溉水利用系數測算的過程中必須確定典型樣點灌區，通過首尾測算法測算出典型樣點灌區灌溉水有效利用系數，再通過加權平均進行全部灌區灌溉水有效利用系數的測算。

城趙鎮高效節水灌溉項目區地處暖溫帶季風氣候區，項目區內灌溉水資源主要為地下水資源，基本無地表水資源可利用。全區農業用水主要是梨樹田用水，所以，此次灌區灌溉水利用系數測算以梨樹田灌溉用水為主要對象，測定時間為4-11月，即梨樹的一個全生育周期。

結合灌區灌溉設施現狀、水源條件、種植結構、作物種類、管理水平及灌區分布情況，將典型樣點灌區選擇在修繕村北和苗家堡村東的梨樹集中種植區，修繕村北種植區地塊南北寬200 m，東西長420 m，面積8 hm2；苗家堡村東地塊南北寬176 m，東西長470 m，面積8.9 hm2。工程所在區域土質主要為中壤土，根據地質勘查資料，土壤實際容重1.40 g/cm3，田間土壤持水量取值在24%～26%之間，凍土層深度均值為0.80 m。兩個地塊主要種植梨樹，部分地塊夾雜大田作物，梨樹種植方向為南北向，行距3.50 m，株距2.50 m；根據調查，梨樹耗水高峰期在每年的7月份，且每年7月梨樹日耗水量均值在4～5 mm/d范圍。項目區西南向現有蓄水池可提供水源。

3.1 毛灌溉用水總量

灌區在一個灌溉年度內從水源地取用于農業灌溉的總水量即為毛灌溉用水總量，其值為水源地總取水量中減除因防洪搶險、工程保護等原因而發生的渠道棄水量、灌區退水量等的余額。在進行城趙鎮高效節水灌溉項目區典型樣點灌區毛灌溉用水量測算時，必須借助渠首流量實測值進行渠首水量估算，對于通過節制閘控制自流引水的情況下，必須進行開關閘時間及對應水位記錄，基于此進行不同水位差所對應過閘流量率定以及毛灌溉水量推算。

3.2 凈灌溉用水總量

典型樣點灌區梨樹灌水方式均為田間水層淹灌，故其凈灌溉需水量由坐果需水量、泡田需水量、全生育周期蒸發水量、滲漏量等構成。以梨樹需水量標準灌溉用水定額與實測灌溉用水定額兩者測定值的定額評比結果為典型灌區凈灌溉用水總量。

3.2.1 標準灌溉用水定額

通過田測和坑測相結合的方法測試梨樹標準灌溉定額，并主要采用灌區常用且高產的淺濕調控灌溉技術。灌區梨樹不同生長期內土壤水分及水層控制指標詳見表1。

表1 灌區梨樹土壤水分及水層控制指標表

灌區梨樹全生育周期內凈灌溉定額按照下式確定：

式中：M—梨樹全生育周期內凈灌溉定額（mm）；ETc—梨樹蒸騰需水量（mm）；Fd—梨樹全生育周期內滲漏量（mm）；M0—泡田水量（mm）；Pe—梨樹全生育周期內有效雨量（mm）；Ge—梨樹全生育周期內地下水利用量（mm）。

以上各參數中，①泡田水量定額通常應用設置于泡田試驗田塊進水口處的三角量水堰，進行泡田用水全過程測定后的數據進行測算。②田間設置水層的情況下，梨樹蒸騰量以灌區附近蒸發站所在日蒸發量數據為準；田間未設置水層情況下，每日進行灌區周圍地下水位井觀測，間隔5 d進行1次土壤含水率觀測，如遇降雨、灌水及生育階段轉換期，必須加測。通過取土鉆按照20 cm厚度分層取土，直至地下水埋深，并通過烘干法進行土壤水分消耗量計算，據此推算典型樣點灌區梨樹實際蒸騰量，公式如下：

式中：ET1-2—典型樣點灌區梨樹實際蒸騰量（mm）；Ri—第i層土層所對應的土壤干容重（g/cm3）；Hi—第i層土層土壤的實際層厚（cm）；Wi-1—第i層土層在檢測初的實際含水率（%）；Wi-2—第i層土層在檢測完畢的實際含水率（%）；M—時段內灌水量定額（mm）；P—時段內降水量（mm）；K—時段內地下水補給量（mm）；C—時段內排水量（mm）。

③觀測時段內有效雨量按照農田灌溉水量平衡原理及下式確定：

式中：P0—研究時段內有效雨量（mm）；ET—研究時段內蒸騰量（mm）；F—灌區灌溉水量滲漏量（mm）；h1—研究時段開始時水層深度（mm）；h2—研究時段結束時水層深度（mm）。

3.2.2 實測灌溉用水定額

通過水位變化法進行典型樣點灌區實測灌溉用水定額測算，公式如下：

式中：h1—灌區灌水深度（mm）；he—灌溉結束后田間水深（mm）；hs—灌溉開始時田間水深（mm）。

該灌區典型區域灌溉前必須將木樁打入各田塊中適當位置，并使木樁上端頭與起始水位齊平，待灌溉完畢1/2 h后進行木樁上端頭與實際水面線之間距離H1的測定，結果就是灌溉水深度。灌溉開始前在各田塊另外確定測點，并將無底圓柱形鐵筒埋在地面以下20 cm處，使鐵筒側壁與土壤密切貼合。灌溉開始前在鐵筒內打入木樁，并使木樁上端頭與鐵筒上端齊平，超出地面的高度就是灌區灌水深度設計值H。在測量出H實際值后應迅速加水直至水面線與木樁頂端齊平后結束灌水，并在灌水結束1/2 h后測定木樁上端頭到鐵筒內實際水面線距離，該距離就是土層滲水量H2。根據以上測量結果，該灌區特定土壤條件下灌溉水實際深度H為H1和H2之和。

3.2.3 凈灌溉用水量

通過標準灌溉定額評價法進行典型灌區灌溉用水量計算，具體而言，就是比較灌區內測點灌溉定額實際值和標準值，如果實際值低，則應采用灌溉定額實際值，相反，則采用灌溉定額標準值。根據所確定出的灌溉應用水定額，通過下式進行典型灌區凈灌溉用水總量計算：

式中：W—典型灌區第i種作物單位面積凈灌溉用水量（m3/hm2）；Mi—典型灌區第i種作物灌水量定額（mm）；Ai—典型灌區第i種作物實際灌溉面積（hm2）。

根據以上方法可以進行2021年城趙鎮高效節水灌溉項目區各典型灌區灌溉水有效利用系數值，結果詳見表2。

表2 典型樣點灌區2021年灌溉水利用系數表

3.3 全灌區灌溉水利用系數

根據前述首尾測算法基本原理，城趙鎮高效節水灌區灌溉水利用系數應當為全項目區凈灌溉用水量和毛灌溉水量之比，公式表示如下：

式中：ηW′—城趙鎮高效節水項目區灌溉水利用系數；W′j—項目區凈灌溉用水量（萬m3）；W′a—項目區毛灌溉用水量（萬m3）。

應用以上方法所得到的城趙鎮高效節水灌區2021年灌溉水利用系數為0.58，該結果表明灌區灌溉水利用水平提升空間較大，必須通過完善管理制度、優化灌溉措施等提升灌區灌溉水利用程度。

4 結論

綜上所述，采用首尾測算法測算具體灌區灌溉水利用系數的過程中僅需要已知灌區渠首引進水量、典型作物最終消耗水量，從而使測算過程大大簡化，測算結果可信度可基本保證。為保證測算過程的嚴謹性，必須結合灌區實際情況合理選擇典型樣點灌區，保證其具有代表性，并通過單個權重體現其代表性的變動程度；凈灌溉定額的確定必須準確，以確保在此基礎上所測算出的灌溉水利用系數的準確性。