農業灌溉試驗的灌溉水量調節技術研究

王建軍

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

0 引言

水是農業發展必不可少的自然資源，水資源灌溉效果直接影響農業產值。目前我國的人均水資源嚴重不足，由水資源不足造成的經濟發展和環境建設問題也越來越多，因此，需要從農業灌溉著手，調節灌溉水量，降低灌溉耗水總量。截至2021年9月，我國農田有效灌溉面積達到0.69億hm，但應用節水灌溉調節工程的僅占總灌溉面積的1/2，其中滿足節水灌溉高效性要求的更是少之又少。這也證明現有的灌溉水量調節技術的調節效果有限，無法滿足目前的灌溉需求。

我國將現有的灌溉區域劃分大型灌溉區、中型灌溉區、小型灌溉區3種，其中大型灌溉區有400多處，中型灌溉區有5 000多處，小型灌溉區有1 000多萬處。不同類型灌溉區的灌溉面積不同，使用的灌溉水量調節技術自然存在一定的差異。為了滿足農業灌溉的可持續發展需求，降低農業灌溉總耗水量，需要根據農業生產現狀設計一種新的灌溉水量調節技術，保證高效灌溉調節，為后續的農業灌溉發展奠定基礎。

1 農業灌溉水量調節技術優化設計

1.1 多目標優化配置灌溉水資源

不同作物在不同生長階段所需的灌溉水資源總量存在一定的差異。為了提高農業灌溉水量的調節效果，筆者使用多目標優化配置原則進行灌溉水資源配置。首先，需要尋找一個初始灌溉水量調節向量，組成一個初始向量函數。該函數必須滿足目前的灌溉水資源配置調節。此時設計的水資源多目標配置框架如圖1所示。

圖1 水資源多目標配置框架

由圖1可知，可以將該水資源多目標配置框架看成一個目標方程，存在一個初始決策變量和若干個約束條件，此時存在的目標函數()、決策變量、約束條件g()如下所示：

公式（1）～（3）中：(),(),…,f()代表目標函數項，,…,x代表目標函數向量，代表決策變量。結合上述計算式可以對灌溉水資源進行定量分析。

經過進一步研究發現，進行灌溉水量調節求解較困難，無法進行有效的多目標規劃，因此，筆者使用帕累托最優概念進行理想化資源分配。假設存在一個基礎的水資源調節灌溉群體，且可分配的資源始終呈動態變化狀態，此時可以結合Pareto解集完成灌溉水資源多目標優化。

Pareto解集是一種最優解支配解集，能快速進行多目標優化分配，得到2個不同的可行解，此時該解集內部的數據存在相互支配關系。因此，各個求解目標都是等價的，無法進行統一比較。該解集的描述式如式（4）所示：

公式（4）中：λ代表解集目標，代表最優解矢量，X代表交叉解。該解集可以有效地在目標空間中映射，形成一個Pareto前沿面，在該前沿面進行決策可以成功得出一個有效、滿意的灌溉水資源配置解，完成灌溉水資源的多目標優化配置。

1.2 計算農業灌溉總需水量

各個農業灌溉區種植的作物不同，其需水規律也存在一定的差異。為了提高灌溉水量調節的有效性，需要統一計算農業灌溉所需的總水量。研究表明，各個灌溉區灌溉需水量存在較多的影響因素。基于此，筆者繪制了灌溉總需水量影響示意圖，如圖2所示。

圖2 灌溉需水量影響示意圖

由圖2可知，作物的種植起始時間及各個種植區域的適宜水層上限、土壤含水量下限、最大蓄水深度、計劃濕潤層深均對作物總需水量有較大的影響。因此，筆者使用均值求解法進行灌溉需水量求解。首先，結合水面蒸發總量與作物吸水系數，計算需水量，如公式（5）所示：

公式（5）中：代表作物吸水系數，代表相同時間段水面的蒸發總量，單位為mm。在自然條件不同的情況下，作物的需水量存在一定的差異。因此，在進行灌溉水量調節時需要計算標準的灌溉定額M，單位為mm，如公式（6）所示：

公式（6）中：代表某時間段的滲漏量，單位為mm；代表某時間段的灌溉水量，單位為mm。在實際灌溉過程中，該灌溉定額應該始終處于最大值，且應該滿足農業灌溉水量調節的平衡方程（），如公式（7）所示：

公式（7）中：H代表灌溉區水層深度，單位為mm；代表有效降雨量，單位為mm；代表深層滲透量，單位為mm；W代表排水總量，單位為m/s。結合上述計算式可以構建灌溉需水量調節模型，如公式（8）所示：

使用該調節模型可以成功計算灌溉區域的需水總量，進行高效的灌溉水量調節，降低灌溉水量調節難度。

1.3 設計灌溉水量調節優化方案

根據農業灌溉總需水量的計算結果，設計灌溉水量調節優化方案。在設計灌溉水量調節優化方案前，需要判斷灌溉區域的實時水面蒸發情況，確定初始水層深度，再結合不同工作環境制訂恒定非均勻灌溉水量調節框架，如圖3所示。

圖3 灌溉水量調節優化方案框架

由圖3可知，在進行灌溉調節初期，可以根據灌水定額及灌溉調節單元數量進行灌溉水量調節模擬，再根據區域供水計劃和灌溉水流量構建相關的調節模擬模型，最后結合灌溉面積和閘下水位完成灌溉水量調節優化。在上述方案應用過程中，需要考慮灌溉水量調節區域的實際情況，可以將每個調節區域看作一個調節單元進行調節，調節后還需要進行調節驗證，即每個調節單元的調節參數均需要大于標準調節參數。這樣才能最大限度地降低灌溉水量調節的難度，提高灌溉水量調節的有效性，降低灌溉耗水總量。

2 實例分析

2.1 概況及準備

為了驗證設計的農業灌溉水量調節技術的調節效果，選取景泰川提灌工程進行實例分析，劃分了10個不同大小的灌溉區域，測試不同區域的灌溉總耗水量。

景泰川提灌工程屬于Ⅱ型提灌工程，位于甘肅省，整體揚程、流量均較大，運行梯級也較高。該工程的建設使用使整個灌溉區域改變了原有的沙丘荒蕪灌溉環境，給灌溉區的人們帶來了一定的生活保障。景電二期工程平田整地、渠系配套、植樹造林等10多項田間工程獲得了聯合國世界糧食計劃署援助，工程建設質量和效益得到了世界糧食計劃署和國家多部委的充分肯定。除此之外，景電工程相關人員在建管過程中總結形成了一整套高揚程電力提灌工程運行管理制度，工程效益明顯提升，水資源利用率排在全國前列；制造并使用直徑達1.4 m的砼預應力管，實現高揚程電力提灌泵站遠程開停機控制；成功在西北高寒地區運用碎砂石換填施工技術增加凍深，解決渠道凍脹難題；使用了北方多泥沙明渠一體化遠程智能閘門測控量水設備，實現灌區水資源高效管理和節水灌溉，優化水資源配置。

為提高景泰川提灌工程的灌溉性能，相關部門近幾年進行了小規模的支渠、干渠改造，加大了灌溉水量調節力度。景泰川提灌工程分不同的工期，二期工程于1994年竣工，平均提水高度約460 m，灌溉總面積也達到了34 700 hm。二期工程始于左岸二泵站，跨越大沙河，途徑六泵站、七泵站，進入灌區。該灌區共涵蓋若干條渠道，修建了若干個泵站。景泰川提灌工程渠道的主要參數如表1所示。

表1 景泰川提灌工程渠道參數

由表1可知，該提灌工程共含5個干渠，存在不同規格的石渠斷面。為了提高灌溉有效性，規劃了4種不同類型的過水斷面，如圖4所示。

圖4 過水斷面類型

由圖4可知，不同石渠的斷面面積不同。由于景泰川提灌工程處于黃土高原向沙漠高原的過渡地帶，氣溫干旱，日照時間較長，因而，其溫差也較大，平均降雨量小，凍土深度較深。為了提高灌溉水量調節試驗的有效性，試驗進行了特征斷面選取，在78個基礎特征斷面中提取與灌溉調節試驗最擬合的灌溉斷面，并將該斷面劃分成不同的灌溉區域進行灌溉編號。選取的灌溉水量調節區域及其面積如表2所示。

表2 灌溉面積

由表2可知，劃分的灌溉面積存在一定的差異，符合試驗的需求，可以作為后續應用效果評估的基礎。

2.2 應用效果與討論

結合景泰川提灌工程的灌溉概況，在劃分的10個不同的灌溉區域分別使用設計的農業灌溉水量調節技術和常規的農業灌溉水量調節技術進行灌溉水量調節，記錄兩種方法在不同灌溉區域的灌溉耗水總量，結果如表3所示。

表3 兩種農業灌溉水量調節技術灌溉耗水總量

由表3可知，筆者設計的農業灌溉水量調節技術在不同灌溉區域的灌溉耗水總量較低，而常規的農業灌溉水量調節技術灌溉耗水總量則較高，證明設計的農業灌溉水量調節技術的灌溉效果好，符合綠色可持續發展要求，有一定的應用價值。

3 結語

農業是我國的基礎產業，農業灌溉效果直接影響糧食總產值，對我國的經濟發展也有重要意義。隨著我國人均水資源占有量的降低，常規的農業灌溉水量調節技術已經逐漸無法滿足可持續發展需要，灌溉耗水總量較高。因此，筆者結合農業灌溉現狀設計了一種新的農業灌溉水量調節技術，并進行實證分析。結果表明，采用筆者設計的農業灌溉水量調節技術，不同區域調節后的灌溉總耗水量均較低，證明其調節效果較好，有一定的應用價值，可滿足農業綠色可持續發展要求。