农田水利工程灌溉用水利用系数测算

李旭东

(巴州天宝水利工程设计有限公司，新疆 库尔勒 841000)

1 概 述

伴随我国水资源紧缺现状越发严重，水资源合理规划和高效利用十分重要[1]。按照现有的水资源使用配比情况，农田水利工程灌溉用水比例高达75%，且具备水资源利用效率低特点，造成的水资源浪费情况较为严重。为此，农田水利工程用水的合理开发与高效利用对节省水资源尤为重要[2-4]。灌溉用水利用系数可用于表征灌溉用水效率，体现灌溉工程状况、灌溉技术水平以及用水管理水平等，是作为农田水利工程灌溉用水利用程度和灌溉节水潜力的正确评价指标，在区域农业水资源管理和节水灌溉发展效果评价中发挥重要作用[5-6]。

为贯彻我国水资源管理制度，充分挖掘农田水利工程的节水潜力，科学有效指导灌溉用水节水改造，提出农田水利工程灌溉用水利用系数测算方法，通过选取灌溉区样点和样点典型田块，观测样区灌溉水量，采用首尾测算法获取农田水利工程灌溉用水利用系数，全面掌控农田水利工程用水情况，为农田水利工程优化提供可靠依据[7]。

2 灌溉用水利用系数测算方法

2.1 灌溉区样点选择

根据农田水利工程灌溉面积分布和灌溉区节水改造情况，遵循代表性和可行性的原则，选取灌溉区样点[8]，选取原则为：

1)灌溉区代表性。依据农田水利工程所在水系流域特点，结合水利普查统计结果，选择降雨量、土壤类型、农作物种植比例等因素均具备显著代表性的区域为灌溉区样点[9]。

2)灌溉面积和作物代表性。根据农田水利工程用水性质，将灌溉区域划分为水旱轮作、菜田等类型，依照不同作物的面积分布情况，选择各类型的灌溉区样点。

3)灌溉区软件硬件水平代表性。软件水平包括由管理人员配置、规章制度等构成的组织管理机构，由节水灌溉模式、节水模式面积和比例等构成的节水灌溉技术，以及依照等级测试评估管理水平；硬件水平有渠道衬砌率、相关建设配套率，以及工程的节水灌溉工程面积等。

在有效保障灌溉区样点选择的代表性基础上，以具备一定技术力量和量测条件的灌溉区测试可行性为原则，进行灌溉区样点选择[10-11]。

2.2 灌溉区样点灌溉水量观测

1)毛灌溉用水量观测。采用电量估算法和手持式声学多普勒流量计等测定方法，通过多次测量构建水位-流量关系曲线，并实施定期率定[12]。

2)净灌溉用水量观测。采用水位变化法和水量平衡法计算净灌溉用水量。

水位变化法：水位变化法测算公式为：

li=le-ls

(1)

其中：li、le、ls分别为所灌溉水的深度、灌溉结束和灌溉开始时的田面水深，mm。

水量平衡法：作物的净灌溉用水量由泡田水量、蒸发量和渗透水量组成，作物全生命周期内的净灌溉定额Y的计算公式为:

Y=ETc+Fd+Yo-Pe-Ge

(2)

其中：ETc、Yo分别为作物蒸发量、作物的泡田定额；Fd、Pe、Ge分别为作物全生命周期内的渗透水量、有效降水量、地下水利用量，mm。

2.3 样点典型田块选择

灌溉区样点典型田块选择依据样点的地轮廓、面积、作物种类、灌溉方式的代表性以及进出口有量水设施情况，以获取田块在单位面积下的平均净灌溉用水量为目的，其获取方式包括直接测量法和观测分析法两种[13]。

1)直接测量法。在获取田块每次灌水前后的土壤含水率基础上，采用式(3)计算获取田块在单位面积下的平均净灌溉用水量：

(3)

式中：βg1、βg2分别为田块灌前、灌后的土壤含水率；ζ为土壤容重，g/cm3。

2)观测分析法。在获取田块面积和田块进、排水量基础上，采用式(4)计算田块在单位面积下的平均净灌溉用水量：

(4)

式中：Q进、Q出分别为田块进、排水量，m3/hm2；B田为田块面积，hm2。

直接测量法适用于大中型灌溉区样点，观测分析法可有效针对设备不足等情况的小型灌溉区样点，采用水量平衡方程确定净灌溉定额[14]。

2.4 农田水利工程灌溉用水利用系数测算

利用灌溉区样点典型田块为代表，采用双作物系数法划分作物蒸发量为作物蒸腾和土壤蒸发，利用水量平衡方程计算作物净灌溉定额[15]。每种作物单位面积田块的平均净灌溉定额Qi计算公式如下：

(5)

式中：Q田净,i、B田i为田块i在单位面积下的年平均净灌溉用水量(m3/hm2)及田块i的面积大小(hm2)。

同一灌溉区样点区域内作物的净灌溉定额Q样净计算公式为：

(6)

其中：m、Bi分别为灌溉区样点田块数量、样点区域内的作物面积，hm2。

利用灌溉样区j内作物的净灌溉定额Q样净,j，采用首尾测定法测算灌溉区样点的灌溉用水利用系数ηj，公式如下：

(7)

其中：Qa,j为灌溉区样点j的渠首引入水量。

在有效获取样点j灌溉用水利用系数ηj基础上，根据灌溉区样点的灌溉面积的加权平均获取农田水利工程的灌溉用水利用系数η，公式如下：

(8)

式中：Ba、N为农田水利工程的总灌溉面积、总样点数量。

3 实例分析

3.1 测算结果分析

以江苏省某农田水利工程为例，验证本文方法的有效性。该地区的年降水量均值为1 358.5 mm，10年内的最大、最小年降水量分别为1 749.5和680.2 mm。降水量主要集中在5-9月份。年平均蒸发水量为850.5 mm。该地区的农田水利工程体系较为成熟，主要以防洪排涝为主的引水排水实现农田水利工程的抗旱灌溉。该地区的灌溉区样点选择具有代表性，且满足水利部门发布的《全国灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》标准，研究区2018年灌溉区样点的数量和面积占比情况见表1。

表1 灌溉区样点的数量和面积所占比例

充分考虑灌溉区样点的代表性，在研究区农田水利工程中选取3个大型灌溉区，分别命名为A1-A3；8个中型灌溉区，分别命名为B1-B8；4个小型灌溉区，分别命名为C1-C4；5个纯井灌溉区，分别命名为D1-D5。采用本文方法测算获取的2018年各灌溉区的灌溉用水利用系数,结果见表2。

分析表2所示的研究区2018年各灌溉区的灌溉用水利用系数结果可知，本文方法可有效测算农田水利灌溉用水利用系数。其中大型、中型、小型、纯井灌溉区的灌溉用水利用系数分别为0.567 8、0.570 3、0.600 1和0.814 6，由于渠道干支渠部分损失导致大型灌溉区和中型灌溉区的灌溉用水利用系数偏小；而小型灌溉区和纯井灌溉区的在输水过程中的损失水量较小，计算得到的灌溉用水利用系数偏大。利用灌溉区样点灌溉面积加权法计算出江苏省2018年的农田灌溉用水利用系数均值为0.637 2，相比该地2017年农田灌溉用水利用系数均值0.615 8和2016年农田灌溉用水利用系数均值0.602 2均有所上升。表明江苏省对农田水利工程的改造显著提升了渠系防渗效果，有效提升了水资源的利用率。

表2 各灌溉区的灌溉用水利用系数测算结果

3.2 不同因素对灌溉用水利用系数的影响分析

3.2.1 不同水源类型对灌溉用水利用系数的影响

以江苏省的大型、中型、小型灌溉区为研究区域，研究不同水源类型对灌溉用水利用系数的影响，结果见图1。

图1 水源类型对灌溉用水利用系数的影响结果

从图1可以看出，同一规模灌溉区内，不同水源类型对农田灌溉用水利用系数的影响有所差异。其中大型灌溉区中，提水灌溉区比自留引水灌溉区的农田灌溉用水利用系数高0.003 3；中型灌溉区中，提水灌溉区比自留引水灌溉区的农田灌溉用水利用系数高0.002 7；小型灌溉区中，提水灌溉区比自留引水灌溉区的农田灌溉用水利用系数高0.002 1。通过上述数据可以看出，提水灌溉区相比自留引水灌溉区的农田灌溉用水利用系数高，原因在于相对于自留引水灌溉区，提水灌溉区的运行费用较高，其较高的提水成本会让农民对用水管理更加重视；相反，自留引水灌溉区运行成本低、水资源取用方便管理相对较为宽松，造成农民的水资源浪费现象严重，因此自留引水灌溉区的农田灌溉用水利用系数相对较低。

3.2.2 不同土壤类型对灌溉用水利用系数的影响

为避免灌溉渠规模影响，以江苏省的中型灌溉区中8个灌溉区样点中6个气候因素相近的灌溉区样点为研究对象，研究不同土壤类型对灌溉用水利用系数的影响，结果见表3。

表3 不同土壤类型对灌溉用水利用系数的影响

从表3中可以看出，灌溉区样点B2的土壤渗透强度比B3小0.125 mm·d-1，其农田灌溉用水利用系数比B3高0.044 0；灌溉区样点B4的土壤渗透强度比B6小0.317 mm·d-1，其农田灌溉用水利用系数比B6高0.022 5；灌溉区样点B7的土壤渗透强度比B8大0.085 mm·d-1，其农田灌溉用水利用系数比B6低0.039 0。综上可知，土壤渗透强度越大，其农田灌溉用水利用系数越小，二者呈显著负相关。原因在于，水资源输送过程中，土壤渗透强度越大，水资源的渗漏现象越严重，农田作物吸收到的水资源越少，因此导致农田灌溉用水利用系数减小。

4 结 论

随着水资源的日渐紧缺，水资源利用效率成为农业发展的关注重点，科学的灌溉用水利用系数计算，可通过合理的水资源配置，显著提升水资源利用率。以江苏省某农田水利工程为例，验证本文方法有效性，实验结果如下：

1)本文方法可有效测算农田水利灌溉用水利用系数。其中大型、中型、小型和纯井灌溉区的灌溉用水利用系数分别为0.567 8、0.570 3、0.600 1和0.814 6。江苏省2018年的农田灌溉用水利用系数均值为0.637 2，相比2017和2016年分别提升0.021 4和0.035 0。

2)不同水源类型对灌溉用水利用系数的影响为：提水灌溉区的农田灌溉用水利用系数高于自留引水灌溉区；不同土壤类型对灌溉用水利用系数的影响为：土壤渗透强度越大，农田灌溉用水利用系数越小。