石榴在高效节水灌溉中的需水量计算分析

李明杰

(玛纳斯县水利局，新疆 玛纳斯 832200)

1 引言

本工程属于中低产田地改造农业高效节水灌溉项目，计划实施600 亩的石榴种植基地。该地降雨少、蒸发量大，干旱缺水，现状农业灌溉仍然采用深灌、串灌等大水漫灌形式，造成水资源不必要的浪费。近年来，随着农业生产的发展，灌溉用水量增加，供需水矛盾日益尖锐，形势迫使农业必须走高效节水的道路。项目区石榴需要水分最多的时期是花芽分化期、开花坐果期、果核硬化后的果实膨大和油脂形成期，占总需水量的70%左右。石榴与其他落叶果树不同，一旦缺水，并不及时从树叶或果实的形态上显露出开始缺水的确切症状。可是当出现树叶萎靡或果皮皱缩等缺水症状时，果树的生长和果实发育已受到严重损害，即使有条件及时灌水，也不能恢复其正常的生长发育，不仅当年产量欠收，也影响到下一年产量。因此，正确的灌水时期和灌水量，主要根据石榴的需水规律、年降水量和土壤水分状况等综合而定[1]。

2 灌溉设计

2.1 设计参数

根据石榴作物生长情况，制定设计参数如下：

土壤容重1.40 g/cm3，田间持水率30%，适宜土壤含水率上限θmax取田间持水量的90%，下限θmin取田间持水量的70%，灌溉水利用系数η 取值0.9。

2.2 作物需水量

依据《灌溉与排水工程设计规范》[2]及《水工设计手册（第2版）》（第9 卷灌排、供水），作物需水量受气候条件、土壤含水量与农业措施等因素的影响，各地相差悬殊，应直接采用当地或自然条件类似的邻近地区的灌溉试验资料确定。在缺乏实测资料的地区，可利用当地气象资料采用下式计算[3]：

式中：ETc为阶段日平均作物需水量，mm/d；Kw为土壤水分修正系数；Kc为作物系数；ET0为阶段日平均参照作物需水量，mm/d。

参照作物需水量ET0按修正的彭曼公式计算：

式中：P0为标准大气压，P0=1013.25 hPa；P 为计算地点平均气压，hPa；Δ 为平均气温时饱和水汽压随温度的变率；γ 为温度计常数，0.66 hPa/℃；Rn为太阳净辐射，以所能蒸发的水层深度计，mm/d；Ea为干燥力，mm/d。

根据所在县城气象资料，代入修正的彭曼公式计算出每月ET0，计算结果见表1。

表1 1 月～12 月ET0 计算值

2.3 作物耗水强度

2.3.1 设计耗水强度

依据《水工设计手册(第2 版)》(第9 卷灌排、供水)，作物耗水强度为：

式中：Ea为作物耗水强度，mm/d；ETc为作物需水量，mm/d；Kr为作物遮阴率对耗水量的修正系数，若计算出Kr大于1 时，取Kr=1；Gc为作物遮阴率，又称作作物覆盖率。

2.3.2 灌溉补充强度

当有其他来源补充作物耗水强度时，滴灌只是补充作物耗水不足部分，即：

式中：Ia为灌溉补充强度，mm/d；Ea为设计耗水强度，mm/d；P0为有效降雨量，mm/d；S 为根层土壤或地下水补给的水量，对干旱地区S=0。

《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)规定[4]，设计耗水强度应取典型年灌溉季节月平均作物耗水强度的峰值作为设计耗水强度。经计算，石榴种植最大补充灌溉强度见表2。

表2 石榴灌溉最大补充强度计算表

2.4 灌水定额

2.4.1 土壤湿润比

影响土壤湿润比的因素很多，如毛管的布置方式、灌水器的类型和布置形式、土壤种类和结构等。毛管和灌水器的布置方式为单行直线毛管布置，土壤湿润比采用下式计算：

式中：p 为土壤湿润比，%；Dw为土壤水分水平扩散直径或湿润带宽度，m；Sc为灌水器或出水点间距，m；Sl为毛管有效间距，m。

2.4.2 最大灌水定额

式中：mmax为最大灌水定额，mm；γ 为土壤容重，1.4g/cm3；z 为计划土壤湿润层深度，m，大田作物为0.4 m～0.6 m，果树为1.0 m～1.5 m；p 为计划土壤湿润比，经济林果100%；θmax、θmin分别为土壤适宜含水率的上下限(占干土重量的百分比)，一般为田间持水率W 的85%、60%(田间最大持水率25%)。石榴种植最大灌水定额计算见表3。

表3 石榴种植最大灌水定额计算表

2.4.3 设计灌水周期

式中：mmax为最大灌水定额，mm；Tmax为最大灌水周期，d，取整数；Ia为作物耗水强度，mm/d。项目区各种作物灌水周期计算及取值见表4。

2.4.4 设计净灌水定额

式中：m 为设计净灌水定额，mm；T 为取整后灌水周期，d；石榴种植设计灌水定额计算结果见表4。

表4 石榴种植灌水周期及设计净灌水定额计算表

2.5 灌溉制度成果

2.5.1 一次灌水延续时间一次灌水延续时间采用下式计算：

式中：t 为一次灌水延续时间，h；m 为设计净灌水定额，mm；Sc为灌水器间距，m；Sl为毛管间距，m；η 为灌溉水利用系数，η=0.9；q 为灌水器流量，L/h。

一次灌水延续时间取整数。计算结果见表5。

表5 一次灌水延续时间计算取值表

2.5.2 灌溉制度

通过计算的耗水强度Ia、灌溉周期T 及灌水定额m，确定每种作物月灌水次数及作物一年的净灌溉定额。灌溉定额为作物全生育周期或一年内各次灌水量的总和。计算公式如下：

式中：M 为作物全生育期或一年的灌溉定额，m3/亩。

在确定作物年灌水总和时，应充分考虑该地区降雨对作物的水量补充，根据《微灌工程技术规范》（GB/T 50485—2009），高效节水项目区设计保证率为90%，故需对所在县降雨量数据进行排频，选取P=90%的代表年份进行降雨量分析。根据所在县气象站资料，选取1975 年、1984 年、2009 年、2012 年四个典型年的降雨数据进行分析计算该县P=90%时的平均降雨量。所在地区P=90%平均降雨量见图1。

图1 所在县P=90%年平均降雨量

根据各个时段的降雨量，求得该时段内的有效降雨，有效降雨其值与一次降雨量、降雨强度、降雨延续时间、土壤性质、地面覆盖及地形因素等有关。在无实测资料地区，有效降雨可以根据《水工设计手册》(第二版第9 卷灌排、供水)中的推荐参数取值[5]。当降雨量小于5 mm 时，有效降雨量为0 mm；当降雨量在5 mm～50 mm 时，降雨入渗系数按0.8 考虑；当降雨量在50 mm～100 mm 时，降雨入渗系数按0.75 考虑。通过分析，该地区P=90%有效降雨见图2。

图2 该地区P=90%有效降雨量

根据有效降雨量，分析作物各个时段的灌溉需水量，不同种作物的灌水次数及作物一年的灌溉定额见表6。

表6 石榴灌溉制度表

2.5.3 万亩综合用水定额

灌溉用水量是灌溉面积上需要水源供给的灌溉水量[6]，与灌溉面积、作物组成，各种作物的灌溉制度、水利用系数等因素有关。灌区内作物种植种类仅为石榴，作物种类单一。根据公式计算的石榴种植基地万亩综合用水净定额为135.0 m3/亩。

3 灌溉供需水量分析

3.1 灌溉需水量分析

石榴种植基地高效节水灌区种植面积为600 亩，万亩综合用水净定额为135.0 m3/亩，灌溉水利用系数为0.90，可计算出石榴P=90%的毛灌溉需水量为7.29 万m3，需水量过程值见表7。

表7 石榴P=90%的灌溉需水量过程值 单位：m3/亩

3.2 灌溉供水水源

现状2019 年，项目区主要供水水源为上干坝乍水库。水库位于上干坝乍村小组上游2.0 km 处，水库所在流域属金沙江水系蜻蛉河支流拉麦河，径流面积3.59 km2。水库总库容为19.2 万m3，兴利库容18.0 万m3，调洪库容1.2 万m3。水库目前实际灌溉面积250 亩，为常规作物灌溉。常规作物净定额参照石榴种植基地高效节水灌溉项目中的成果，为135 m3/亩，灌溉水利用系数为0.6，P=75%时可供灌溉供水量14.4 万m3，P=90%时可供灌溉供水量17.28 万m3。

实施高效节水后，灌区内常规作物改种高效节水作物石榴，种植面积600 亩，P=90%的毛灌溉需水量为7.29 万m3。现状供水水源的供水能力有保障。

4 结论及建议

现状作物灌水形式粗狂，对水资源浪费严重，灌溉水利用率较低，为了节约水资源，是经济作物石榴得到更好的生长，保持农业与经济作物的可持续发展，推广高效节水灌溉是十分必要的，本文结合600 亩石榴作物，进行微灌灌溉设计，求得了石榴全生长期的灌溉水水量，从而进行供需水量分析，旨在为更好的推进该地区高效节水项目建设提供理论支持，也促使了该地区经济繁荣发展。