遼寧省不同尺度農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)變化特征

董艷青

(盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124010)

遼寧作為全國農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)灌溉用水量較大，同時(shí)位于東北地區(qū)，其水資源量較為短缺，人均水資源占有量遠(yuǎn)低于全國平均值，因此如何提高農(nóng)田灌溉效率，節(jié)約農(nóng)業(yè)用水量，是遼寧地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉生產(chǎn)研究的重要課題[1]。而要提高農(nóng)業(yè)灌溉水的利用效率，首先需要科學(xué)、準(zhǔn)確的對其灌溉水有效利用系數(shù)進(jìn)行測定，通過對其灌溉水有效利用系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行研究，有助于提高區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水能力，保障農(nóng)業(yè)用水的可持續(xù)發(fā)展，促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展[2]。農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)由于數(shù)據(jù)采集工作量較大，測算精度不高，一直是國內(nèi)農(nóng)業(yè)用水研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[3]。近些年來，對于農(nóng)田灌溉水有效系數(shù)研究取得了一定研究成果[4- 13]，但研究均存在以點(diǎn)代面，尤其在遼寧地區(qū)，對于區(qū)域不同尺度下的研究成果還較少。為此從時(shí)空尺度出發(fā)，本文首次采用首尾測算分析方法，在遼寧省選取典型大、中、小型灌區(qū)進(jìn)行農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的測算，并基于測算結(jié)果對全省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，研究成果對于遼寧省乃至東北其他省份農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的測算方法均具有參考價(jià)值。

1 農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算方法

本文基于毛灌和凈灌2種用水量指標(biāo)來建立首尾測算方法，凈灌溉水量通過直接和間接的觀測方法進(jìn)行觀測；毛灌溉水量主要結(jié)合灌區(qū)計(jì)量設(shè)施進(jìn)行觀測[14]。農(nóng)作物被利用的水量為凈灌溉水量，由于灌區(qū)面積較大因此很難進(jìn)行觀測，需要選用典型田塊進(jìn)行農(nóng)作物被利用水量的觀測，再結(jié)合灌溉調(diào)查的實(shí)際面積，對凈灌溉水量進(jìn)行計(jì)算，典型田塊農(nóng)作物被利用水量的觀測方法如圖1所示。凈灌溉水量計(jì)算主要為直接量測和觀測分析方法。

圖1 典型田塊凈灌溉水量觀測方法

(1)直接量測方法分別針對旱作物和水稻進(jìn)行2種類型的量測，其中旱作物量測方法主要基于典型田塊土壤含水率的變化進(jìn)行測算，測算方程為：

(1)

式中,w田凈i—凈灌溉年畝均水量，m3/畝;H—濕潤層土壤厚度，mm;θg2—灌溉前后土壤體積含水率，%。而對于水稻作物而言，其灌溉方式分為淹水和濕潤概況兩種方式，淹水灌溉方式下針對灌溉前后水面深度的變化，進(jìn)行灌溉水量的測算，測算方程為：

w田凈i=0.667(h2-h1)

(2)

式中，h1、h2—灌溉前后的水面深度，mm。而采用濕潤灌溉方式下水稻凈灌溉水量主要通過灌溉前后的土壤體積含水率變化得到，其測算方程為：

(3)

式中，w田凈—凈灌溉水量年畝均量，m3/畝；n—年內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉的次數(shù)，次。

(2)采用觀測方法下作物凈灌溉水量則對作物蓄水量ET0進(jìn)行測算，水稻秧田凈灌溉定額的計(jì)算方程為：

M水稻1=0.667[ETc1+H1(θνb1-θν1)+F1-P1]

(4)

式中，M水稻1—育秧期水稻凈灌溉定額，m3/畝；ETc1—育秧期水稻蒸發(fā)量，mm；H1—秧田期間水稻犁地的深度，m；θνb1—育秧期間水稻田間土壤含水率觀測值，%；θν1—育秧期初始水稻田間土壤含水率觀測值，%；P1—育秧期水稻降水量有效值，mm；F1—育秧期田間滲漏量，mm。泡田期水稻凈灌溉定額計(jì)算方程為：

M水稻2=0.667[ETc2+H2(θνb2-θν2)+h0+F2-P2]

(5)

式中，M水稻2—泡田期期水稻凈灌溉定額，m3/畝；H2—泡田期間水稻犁地的深度，m；θνb2—泡田期間水稻田間土壤含水率觀測值，%；θν2—泡田期間初始水稻田間土壤含水率觀測值，%;h0—水稻在移栽秧苗時(shí)候需水深度，mm;F2—泡田期間田間滲漏量，mm；P2—育秧期水稻降水量有效值，mm。生育期水稻凈灌溉定額計(jì)算方程為：

M水稻3=0.667[ETc3+F3-P3+(hc-hs)]

(6)

式中，M水稻3—生育期期水稻凈灌溉定額，m3/畝；F3—生育期間田間滲漏量，mm；P3—生育期水稻降水量有效值，mm；hc—水稻在生育期需水深度，mm;hs—水稻在收割時(shí)候田間水深，mm。淹水灌溉方式下水稻凈灌溉定額計(jì)算方程為：

M水稻=M水稻1+M水稻2+M水稻3

(7)

在毛灌溉水量和凈灌溉水量計(jì)算的基礎(chǔ)上，本文首次采用首尾分析測算方法對灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水有效系數(shù)進(jìn)行測算，其測算步驟如圖2所示，其測算方程為：

圖2 灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉水有效系數(shù)測算步驟

(8)

式中，W凈、W毛—凈灌溉水量和毛灌溉水量，m3/畝。

2 遼寧省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算

2.1 典型灌區(qū)選取

本文綜合考慮遼寧省農(nóng)作物結(jié)構(gòu)及區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉水源特點(diǎn)選取大型灌區(qū)11個(gè)、中型灌區(qū)13個(gè)，小型灌區(qū)13個(gè)，選取的灌區(qū)基本情況見表1。

表1 選取的典型灌區(qū)基本情況

2.2 觀測內(nèi)容及方法

2.2.1典型田塊選取

典型田塊主要按照農(nóng)作物在灌區(qū)種植措施進(jìn)行選取，畦田作為最小種植單元的典型田塊，面積控制區(qū)間為8～60m2；方便觀測設(shè)施安裝和觀測的緊鄰道路的田塊可作為典型田塊；灌區(qū)管理或者水管員作為田塊的責(zé)任方一般可降低試驗(yàn)觀測所產(chǎn)生的糾紛，從而保證連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。

2.2.2凈灌溉水量觀測

對于旱地作物類采用鉆土烘干方法進(jìn)行凈灌溉水量的觀測，主要觀測步驟為：按照“米”字型布設(shè)5個(gè)典型田塊，如圖3所示，各觀測點(diǎn)按縱向分4層進(jìn)行土樣的鉆取。土壤濕計(jì)劃潤深度按照農(nóng)作物的鉆土深度進(jìn)行確定，田間土壤體積含水率取5個(gè)觀測點(diǎn)的均值，每次灌水結(jié)束后的24h后進(jìn)行土壤含水率的觀測。玉米計(jì)劃濕潤深度一般為40cm、牧草計(jì)劃濕潤深度一般在30～40cm之間、果樹計(jì)劃濕潤深度一般在30～40cm之間，其他旱作物計(jì)劃濕潤深度通過其根系深度進(jìn)行確定。

圖3 典型田塊部署方式

水稻主要種植在遼寧省的中型灌區(qū)，其淹灌期凈灌溉水量通過水尺進(jìn)行觀測，其主要觀測步驟為：同樣按照“米”字型布設(shè)5個(gè)典型田塊，觀測水面為各典型田塊的田間水層，固定樁安裝在水尺的底部，穩(wěn)定水尺使其較難下沉，木樁埋深應(yīng)不低于0.6m。鐵釘作為木樁在水平位置的標(biāo)記，可將鐵釘卡在水尺的0刻度處后讀取水尺的讀數(shù)，扒地結(jié)束后在固定木樁的位置進(jìn)行水尺的安裝，水尺安裝及讀數(shù)方式如圖4所示。每次灌水前后進(jìn)行一次水尺觀測，灌水結(jié)束后的24h為灌水后水面穩(wěn)定的時(shí)間。

圖4 水尺安裝及讀數(shù)方式

2.3 樣點(diǎn)灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算

按照首尾測算分析方法對選取的典型樣點(diǎn)灌區(qū)的農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)進(jìn)行了測算，各尺度灌區(qū)測算結(jié)果見表2—4。

表2 選取的典型大型樣點(diǎn)灌區(qū)農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)測算結(jié)果

從測算結(jié)果可看出，選取的11個(gè)典型大型灌區(qū)其農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)總體在0.4425～0.5340之間；13個(gè)典型中型灌區(qū)的農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)總體在0.5070～0.5559之間；13個(gè)典型小型灌區(qū)的農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)總體在0.5833～0.7130之間。從變化規(guī)律可看出，小型灌區(qū)的農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)最高，其次為中型灌區(qū)，大型灌區(qū)的農(nóng)田灌溉有效利用系最低，這主要是因?yàn)榇笮凸鄥^(qū)的滲漏損失以及作物蒸發(fā)損失都要高于中型和小型灌區(qū)，使得其農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)較低。

表3 選取的典型中型樣點(diǎn)灌區(qū)農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)測算結(jié)果

表4 選取的典型小型樣點(diǎn)灌區(qū)農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)測算結(jié)果

2.4 遼寧省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)變化分析

典型樣本灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算結(jié)果符合遼寧省農(nóng)田灌溉水利用實(shí)際情況。遼寧省從2007年開始對大型、中型、小型灌區(qū)的農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)進(jìn)行測算，且每年組織測算成果的整編，本文基于該成果對各尺度灌區(qū)農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)變化進(jìn)行分析，結(jié)果見表5。

表5 遼寧省不同尺度灌區(qū)2007—2019年農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)變化分析

從大型灌區(qū)2007—2019年農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)變化可看出，其呈現(xiàn)較為明顯的線性遞增變化趨勢，從2007年的0.5431增加到2019年的0.6275，其增幅達(dá)到15.5%，這主要因?yàn)閺?006年開始遼寧省對大中型灌區(qū)進(jìn)行節(jié)改造，灌區(qū)渠系襯砌率都得顯著增加，尤其是遼寧11座大型灌區(qū)，灌溉有效面積得到相應(yīng)增加，使得大型灌區(qū)農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)呈現(xiàn)線性遞增變化。中型灌區(qū)從2007年開始通過節(jié)水改造，其農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)也增加明顯，但從2013年以后其遞增幅度有所減小，主要受中型灌區(qū)農(nóng)田灌溉用水量增加所致。小型灌區(qū)總體變化較為穩(wěn)定，這主要是因?yàn)樾⌒凸鄥^(qū)由于沒有固定的節(jié)水改造資金投入，其渠系襯砌率沒有明顯變化，使得其農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)變化穩(wěn)定。從全省灌區(qū)2007—2019年農(nóng)田灌溉有效利用系數(shù)均值可看出，全省均值從0.5082增加到0.5605，農(nóng)田灌溉有效面積得到增加。

3 結(jié)論及建議

(1)遼寧省農(nóng)業(yè)灌溉用水主要用于大型和中型灌區(qū)，但各灌區(qū)末級渠系襯砌率均不高，因此在大中型灌區(qū)改造時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對末級渠系進(jìn)行襯砌率的改造，有條件的區(qū)域可適當(dāng)采用輸水管道進(jìn)行灌溉，繼續(xù)重點(diǎn)加強(qiáng)對高耗水、高產(chǎn)出的蔬菜及設(shè)施農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用力度。

(2)提高灌溉水利用率對于遼寧省降水量偏少的旱作區(qū)尤為重要，建議在旱作區(qū)采用地膜覆蓋或者秸稈覆蓋方式保持土壤濕度，降低蒸發(fā)無效量，對于水田應(yīng)盡量增加田間蓄水能力。

(3)灌溉水量可按照作物種植面積進(jìn)行相應(yīng)匹配，按量計(jì)費(fèi)，也可根據(jù)農(nóng)戶實(shí)際需求進(jìn)行水權(quán)下放，并允許剩余水量進(jìn)行水權(quán)轉(zhuǎn)讓，從而一定程度提高農(nóng)業(yè)用水效率。