水利灌溉用量計(jì)算及影響因素測(cè)試與分析

劉漢文

（河南省白龜山水庫(kù)運(yùn)行中心，河南 平頂山 467000）

自古以來(lái)，水利工程和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)就息息相關(guān)，通過(guò)人工興建水庫(kù)和溝渠進(jìn)行農(nóng)田的水利灌溉是增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效手段。從水利資源儲(chǔ)備情況看，我國(guó)是一個(gè)水資源大國(guó)，水資源儲(chǔ)備總量位居世界第6 位。但因?yàn)槲覈?guó)人口基數(shù)大，人均水資源儲(chǔ)備就處在較低水平了，排名在世界100 多名以外，所以從這一點(diǎn)來(lái)看，我國(guó)的水資源又比較匱乏。再來(lái)看我國(guó)的農(nóng)業(yè)情況。我國(guó)耕地面積在世界總耕地面積中占比超過(guò)7%，這就形成了耕地面積大而人均水資源少的矛盾，進(jìn)而使我國(guó)的農(nóng)業(yè)耕種面臨更大的供水量不足的壓力[1]。為了更好地實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉，必須要充分掌握氣象變化規(guī)律，尤其是降水量的情況，進(jìn)而綜合農(nóng)田灌溉總需水量與自然降水量的差值，就可以找到通過(guò)水利工程進(jìn)行灌溉的水量計(jì)算依據(jù)[2]。通過(guò)水利灌溉滿足農(nóng)業(yè)耕種的用水需求可以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的長(zhǎng)期問(wèn)題，也是老百姓米袋子充實(shí)的重要保障[3]。基于此，該文通過(guò)降水量、農(nóng)田需水量和水利灌溉用量的計(jì)算，并綜合分析各種影響因素，旨在為農(nóng)田水利灌溉提供有借鑒價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。

1 農(nóng)田水利灌溉的影響因素分析

農(nóng)田水利灌溉是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受到很多因素的影響，其主要因素如圖1 所示。

圖1 農(nóng)田水利灌溉的影響因素

該文將農(nóng)田水利灌溉的影響因素劃分為7 個(gè)大類：第一類是引水總量，第二類是田畝參數(shù)，第三類是氣象條件，第四類是灌溉方式，第五類是引渠結(jié)構(gòu)，第六類是土壤條件，第七類是作物種類。

引水總量，即通過(guò)引水方式從水源地為農(nóng)田灌溉提供的用水總量。為農(nóng)田提供灌溉的水源可以是自然的河流、湖泊，也可以是水利工程中的水庫(kù)或池塘。這個(gè)引水總量可以等同于灌溉用水總量，其具體數(shù)值與農(nóng)田需水總量和區(qū)域內(nèi)降水量有關(guān)并且會(huì)因這2 個(gè)數(shù)據(jù)的變化而變化。

田畝參數(shù)，即農(nóng)田相關(guān)的參數(shù)，包括農(nóng)田坡度、農(nóng)田寬度、農(nóng)田高度和農(nóng)田表面的粗糙率等。不同的田畝參數(shù)對(duì)灌溉水量也有影響，例如農(nóng)田之間的田埂高度越大，蓄水量就越大，反之則會(huì)產(chǎn)生水量流失，增加對(duì)灌溉水量的需求。而農(nóng)田坡度越高，處在高位的農(nóng)田會(huì)因坡度造成的水量流失而產(chǎn)生更多的灌溉水量需求。

氣象條件，是影響農(nóng)田灌溉水量的最重要的因素，它屬于宏觀層面的因素，很難通過(guò)人為力量加以改變。在農(nóng)田所處的地理區(qū)域內(nèi)，一年四季的溫度變化、降水量變化對(duì)農(nóng)田灌溉水量均有十分重要的影響。如果溫度和蒸發(fā)率較高，就會(huì)產(chǎn)生更多的灌溉水量需求。如果降水豐富，就可以減少水利工程的灌溉水量引導(dǎo)。

灌溉方式，是影響灌溉水量需求的微觀因素，但對(duì)灌溉質(zhì)量有重要影響。傳統(tǒng)的灌溉方式是地面灌溉，但無(wú)法保證灌溉均勻，臨近灌溉溝渠的位置可以得到更多的灌溉，相對(duì)較遠(yuǎn)的位置得到的灌溉則不足。目前常用的方式是噴淋灌溉，這種方式可以取得更加均勻的灌溉效果，還可以在一定程度上節(jié)約灌溉用水總量。

引渠結(jié)構(gòu)，會(huì)在很大程度上受農(nóng)田的既有形狀和農(nóng)田所在區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。比較普遍的有直線形溝渠、弧線形溝渠和自然邊緣形態(tài)溝渠等，但溝渠的總體長(zhǎng)度越長(zhǎng)，揮發(fā)時(shí)間就越長(zhǎng)，進(jìn)而需要更多的灌溉水量。另外，土質(zhì)結(jié)構(gòu)的溝渠吸水能力較強(qiáng)，也會(huì)導(dǎo)致灌溉水量的增加，水泥混凝土結(jié)構(gòu)的溝渠則更有利于避免對(duì)灌溉水的浪費(fèi)。

土壤條件，是自然形成的土質(zhì)結(jié)構(gòu)。如果土壤中含砂率較高，就會(huì)導(dǎo)致滲漏加速，大量灌溉水流入地下，無(wú)法發(fā)揮灌溉的作用。如果土壤原有含水率較高，所需的灌溉水量就比較少。

作物種類，是農(nóng)作物自身水量需求引發(fā)的對(duì)灌溉水量的需求，主要分為2 種，即旱地作物和非旱作物。旱地作物的需水量較少，非旱作物的需水量較多。

2 水利工程灌溉用量的計(jì)算方法

從上述農(nóng)田水利灌溉的7 類影響因素的分析可知，某一地區(qū)的農(nóng)業(yè)耕種模式穩(wěn)定以后，田畝參數(shù)、灌溉方式、引渠結(jié)構(gòu)、土壤條件和作物種類也都相對(duì)固定下來(lái)，對(duì)水利灌溉用量的影響不大。因此，對(duì)農(nóng)田水利灌溉影響最大的就是引水總量（灌溉用量）、需水總量和降水總量。這三者之間密切相關(guān)，可以形成由此及彼的計(jì)算關(guān)系。

農(nóng)田需水總量主要取決于作物的需水量，而作物需水量與作物吸收水量密切相關(guān)。根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，農(nóng)作物吸收水分以后，90%以上的水量用于蒸發(fā)和蒸騰，以維系農(nóng)作物自身的生長(zhǎng)。因此基本可以用農(nóng)作物蒸發(fā)蒸騰總水量近似代替農(nóng)田需水總量，其計(jì)算如公式（1）所示。

式中：ET0為農(nóng)田耕作的農(nóng)作物的蒸發(fā)蒸騰總水量；Δ為水汽飽和以后形成的氣壓和環(huán)境溫度之間的斜率參數(shù)；R為農(nóng)作物頂部受到的太陽(yáng)的凈輻射量；G為農(nóng)田所在區(qū)域的土壤熱通率；T為農(nóng)田環(huán)境的每日平均氣溫；u為農(nóng)田環(huán)境的每日平均風(fēng)俗；s為水汽飽和的最大值；a為水汽飽和的最小值；γ為農(nóng)田還擊功能的干濕表系數(shù)。

根據(jù)公式（1）可以進(jìn)一步得到農(nóng)田需水總量的近似計(jì)算方法，如公式（2）所示。

式中：ET為農(nóng)田需水總量；k為近似計(jì)算系數(shù)；ET0為農(nóng)田耕作的農(nóng)作物的蒸發(fā)蒸騰總水量。

在農(nóng)作物生長(zhǎng)周期內(nèi)，農(nóng)作物的用水主要由自然環(huán)境的降水提供。但是自然環(huán)境的絕對(duì)降水量不等同于農(nóng)作物的吸收量，因?yàn)橛邢喈?dāng)一部分降水會(huì)被無(wú)效化。因此必須要計(jì)算有效降水量，其具體計(jì)算如公式（3）所示。

式中：Pθ為能夠?yàn)檗r(nóng)作物生長(zhǎng)提供支撐的有效降水量；P為農(nóng)田環(huán)境的自然降水量；α為農(nóng)作物的有效利用系數(shù)。

如果忽略一些微觀因素的影響，就可以得到水利工程灌溉用水量、農(nóng)田需水總量和有效降水量之間的關(guān)系，如公式（4）所示。

式中：Q為水利工程灌溉用水量；ET為農(nóng)田需水總量；Pθ為能夠?yàn)檗r(nóng)作物生長(zhǎng)提供支撐的有效降水量。

3 水利工程灌溉用量的測(cè)試分析

上述系統(tǒng)地分析了農(nóng)田水利灌溉的7 類影響因素，進(jìn)而明確了需水總量、降水量和水利工程灌溉水量之間的關(guān)系，接下來(lái)將通過(guò)具體的測(cè)試來(lái)分析水利工程的灌溉水量。

該文在試驗(yàn)地區(qū)共選擇了9 塊農(nóng)田區(qū)域進(jìn)行水利工程灌溉用量的測(cè)算試驗(yàn)。這一區(qū)域近3 年的農(nóng)田需水總量見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地9 塊農(nóng)田近3 年的需水總量

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，參與測(cè)算試驗(yàn)的農(nóng)田區(qū)域一共有9 塊，其中面積最大的達(dá)10412000m2（15618 畝），面積最小的為1211333m2（1817 畝）。所以，農(nóng)田需水量會(huì)因各農(nóng)田區(qū)域面積的不同而存在差異。

為了直觀地顯示表1 中的需水總量變化，該文將9 塊農(nóng)田近3 年的需水量數(shù)據(jù)繪制成柱狀圖形式，如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)地9 塊農(nóng)田近3 年的需水總量柱狀圖【縱軸單位】

從圖2 可以看出，5 號(hào)農(nóng)田、8 號(hào)農(nóng)田和9 號(hào)農(nóng)田因?yàn)槊娣e較多，所以其需水總量也比較大。3 號(hào)農(nóng)田、4 號(hào)農(nóng)田因?yàn)槊娣e較小，所以需水總量也比較少。從9 塊農(nóng)田2020—2022 年間的總體情況看，需水總量都有輕微的減少，但總體上變化不大。其中，9 號(hào)農(nóng)田區(qū)域近3 年的需水總量基本穩(wěn)定在1400 萬(wàn)m3 以上，8 號(hào)農(nóng)田區(qū)域近3 年的需水總量基本穩(wěn)定在1200 萬(wàn)m3 以上，5 號(hào)農(nóng)田區(qū)域近3 年的需水總量基本穩(wěn)定在900 萬(wàn)m3 以上，而3 號(hào)農(nóng)田區(qū)域、4 號(hào)農(nóng)田區(qū)域近3 年的需水總量則基本穩(wěn)定在200 萬(wàn)m3 以下。

進(jìn)一步觀察試驗(yàn)地區(qū)9 塊農(nóng)田區(qū)域的有效降水量，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)地9 塊農(nóng)田近3 年的有效降水量

為了直觀地顯示表2 中的有效降水量變化，該文將9塊農(nóng)田近3 年的有效降水量數(shù)據(jù)繪制成柱狀圖形式，如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)地9 塊農(nóng)田近3 年的有效降水量柱狀圖【縱軸單位】

從圖3 可以看出，5 號(hào)農(nóng)田、8 號(hào)農(nóng)田和9 號(hào)農(nóng)田因?yàn)槊娣e較大，所以其有效降水總量也比較大。3 號(hào)農(nóng)田、4號(hào)農(nóng)田因?yàn)槊娣e較小，所以其有效降水總量也比較少。從9 塊農(nóng)田2020—2022 年間的總體情況看，2021 年地區(qū)降水量較少，進(jìn)而導(dǎo)致有效降水量明顯低于2020 年和2022 年。對(duì)面積最大的9 號(hào)農(nóng)田區(qū)域而言，因2020 年降水豐富，其有效降水量超過(guò)了900 萬(wàn)m3；2022 年降水適中，其有效降水量也在700 萬(wàn)m3 以上；2021 年降水較少，其有效降水量低于560 萬(wàn)m3。對(duì)面積較小的3 號(hào)農(nóng)田區(qū)域、4 號(hào)農(nóng)田區(qū)域而言，2022 年的有效降水量和2020 年的有效降水量差距不大，但2021 年的有效降水量則明顯減少。

最后，根據(jù)試驗(yàn)地區(qū)9 塊農(nóng)田區(qū)域的需水總量和有效降水量計(jì)算其水利灌溉用量，見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)地9 塊農(nóng)田近3 年的水利灌溉用量

為了直觀地顯示表3 中的水利灌溉用量變化，該文將9 塊農(nóng)田近3 年的水利灌溉用量數(shù)據(jù)繪制成柱狀圖形式，如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)地9 塊農(nóng)田近3 年的水利灌溉用量柱狀圖【縱軸單位】

從圖4 可以看出，5 號(hào)農(nóng)田、8 號(hào)農(nóng)田和9 號(hào)農(nóng)田因?yàn)槊娣e較大，所以其水利灌溉量也比較大。3 號(hào)農(nóng)田、4 號(hào)農(nóng)田因?yàn)槊娣e較小，所以其水利灌溉量也比較少。從9 塊農(nóng)田2020—2022 年間的總體情況看，2021 年地區(qū)降水量較少，進(jìn)而導(dǎo)致水利灌溉用量明顯高于2020 年和2022 年。其中，面積最大的9 號(hào)農(nóng)田區(qū)域在2021 年的水利灌溉用量需求最大，超過(guò)了900 萬(wàn)m3，這與2021 年的降水大幅度減少有關(guān)；其在2020 年的水利灌溉用量需求最少，不足580 萬(wàn)m3，這與2020 年的降水較豐沛有關(guān)。對(duì)面積較小的3 號(hào)農(nóng)田區(qū)域、4 號(hào)農(nóng)田區(qū)域而言，其在2021 年的水利灌溉用量需求也明顯高于2022 年和2020 年。

4 結(jié)論

水利工程灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的重要保障條件。該文首先分析了影響農(nóng)田水利灌溉的7 類影響因素，包括引水總量、田畝參數(shù)、氣象條件、灌溉方式、引渠結(jié)構(gòu)、土壤條件和作物種類。其次提出了農(nóng)田需水總量、有效降水量和水利灌溉用量的計(jì)算方法。最后對(duì)9 塊農(nóng)田區(qū)域進(jìn)行測(cè)算試驗(yàn)，數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示：5 號(hào)農(nóng)田、8 號(hào)農(nóng)田和9 號(hào)農(nóng)田因?yàn)槊娣e較大，所以其水利灌溉量也比較大。在2020—2022 年間，2021 年地區(qū)降水量較少，進(jìn)而導(dǎo)致水利灌溉用量明顯高于2020 年和2022 年。