不同空间尺度下灌区灌溉水利用效率研究<br/>----以察尔森灌区为例

不同空间尺度下灌区灌溉水利用效率研究
----以察尔森灌区为例

2017-03-22黄永江屈忠义

节水灌溉 2017年1期

黄永江，屈忠义

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

灌溉水利用效率是灌入田间对作物有效的水量与从水源引入的取水总量(扣除经排水渠排除的水量)之比，是评价灌区农业用水效率的重要指标，也是灌区水利工程建设及用水管理的基本参数，一个区域灌溉水利用效率的高低直接影响着该区域农业灌水量的多少和水资源的配置，合理测算及评价不同空间尺度下灌溉水利用效率是进行区域水资源合理配置和制定节水灌溉发展宏观决策的重要依据，在农业节水工作中具有非常重要的地位[1-4]。2005年底，水利部启动了全国农业灌溉水利用效率的测算与分析工作。各省、区、市的水利管理部门和科研院所纷纷开展了农业灌溉水利用效率的测算工作，其中张芳等[5]依据河南省己有的灌溉用水管理、观测与灌溉试验等资料，按照不同类型灌区的灌溉用水量进行加权平均，从而推算出河南省平均灌溉水利用率为55.4%；王小军等[6]对广东省的灌溉水利用率进行了测算分析，推算出全省平均灌溉水利用率为39.9%；张亚平[7]对陕西省的现状灌溉水利用率进行了测算分析，推算出陕西省的灌溉水利用率平均值为50.3%；梁天雨等[8]对内蒙古黄河南岸灌区灌溉水有效利用系数进行了测算，推算出内蒙古黄河南岸灌区的灌溉水利用系数为0.535。所有这些测试分析大多依据首尾测算分析法，由于首尾法强调以年为水量分析的时段,并且无法直观反应水量在各个环节的损失率, 为使灌区建设和节水工作更具有针对性和有效性，许多专家和学者都认为对灌区灌溉用水不同环节的水利用效率进行测试分析是非常必要的，而目前针对某一灌区不同空间尺度下灌溉水利用效率的变化分析研究还较少[9-12]，特别是针对内蒙古东部地表水灌区的灌溉水利用效率系统测试分析与研究尚鲜见报道。

本文以内蒙古自治区察尔森灌区2013-2014实测数据为依据，分析察尔森灌区不同空间尺度下灌溉水利用效率变化规律，合理评价察尔森灌区现状工程条件下不同尺度灌溉水利用效率，科学指导察尔森灌区节水改造工程建设，提高灌溉水资源综合利用效率与效益，同时为内蒙古东部其他地表水灌区进行灌溉水利用效率分析与评价提供参考。

1 察尔森灌区基本情况

察尔森灌区位于内蒙古自治区东部兴安盟境内洮儿河的河谷平原中，北起察尔森水库坝下科尔沁右翼前旗察尔森镇，南至吉林省白城地区边界，东西两翼为低山丘陵区，灌区南北长74 km，东西宽2～15 km，地理坐标为东经121°51′～122°35′，北纬46°26′～45°45′。灌区年平均降水量408 mm，年平均蒸发量1 836～1 960 mm，多年平均引水量为4.215亿m3，灌区由好田、义勒力特、乌兰哈达、斯力很、国光、哈达那拉、生态草原(不灌溉)等7个灌域组成，设有总干渠、干渠、支渠及斗渠共4级渠系级别，现有总干渠6条，干渠16条，支渠7条，斗渠212条，各类渠系建筑物194座，经过多年建设，灌区渠系工程状况较好，渠道衬砌率高。灌区总土地面积7 531 hm2，总耕地面积4 711 hm2，草场面积3 187 hm2。

2 灌溉水利用效率测算

2.1 观测内容

现状条件下，察尔森灌区主要作物为水稻，种植比例高达95%以上。本次测试，在灌区上、中、下游选择6个典型田间测试点，在作物生育期各个阶段及灌水前后量测水面高度及土壤参数，每天早、晚8点观测渗漏桶和蒸发桶桶内水位，在试验田块取水口设置梯形堰量水设施，在实际灌水条件下量测试验田块的每轮毛灌水量，逐日测试田间雨量筒、蒸发皿(早晚8点测试)数值。

2.2 田间水利用效率测算

2.2.1 实测法

通过灌前灌后测试典型田块的田面水位变化，计算净灌溉定额(表1，表2)，计算公式如下：

M=10 005(h2-h1)/1 000

(1)

式中：M为净灌水定额，m3/hm2；h1为灌水前测定的田面水位，mm；h2为灌水后测定的田面水位，mm。

表1 察尔森灌区水稻生育期净灌溉定额(实测法)Tab.1 The net irrigation norm in rice growth period in Chaersen irrigation district(the practical measurement method)

表2 察尔森灌区田间水利用效率(实测法)Tab.2 The field water use efficiency in Chaersen irrigation district(the practical measurement method)

2.2.2 水量平衡法

察尔森灌区各灌域主要分布在乌兰浩特市周边，各灌域的气象条件变异不大，因此，本次采用乌兰浩特气象站的水文气象资料计算参考作物蒸发蒸腾量ET0，ET0乘作物系数Kc得到实际作物蒸发蒸腾量。采用FAO-56中降雨量与有效降雨量的经验公式计算灌区有效降雨量。地下水补给量依据《内蒙古河套灌区灌溉排水与盐碱化防治》给出的经验公式计算[13]。再根据其他观测值，依据水量平衡原理计算得出水稻的净灌溉定额(表3，表4)。

mi=ETc+S+m0-Pe-Ge

(2)

式中:mi为净灌溉定额，mm;ETc为蒸发蒸腾量，mm;S为渗漏量，mm;m0为泡田定额，mm;Pe为有效降雨量，mm;Gg为地下水利用量，mm。

表3 察尔森灌区水稻生育期净灌溉定额(水量平衡法)Tab.3 The net irrigation norm in rice growth period in Chaersen irrigation district(the principle of water balance)

表4 察尔森灌区田间利用水效率(水量平衡法)Tab.4 The field water use efficiency in Chaersen irrigation district(the principle of water balance)

根据表3，表4测算结果可知，实测法得出的田间水利用效率为85.6%，水量平衡法得出的田间水利用效率为85.4%，两种方法的测算结果相近，这说明所得结果可信。

2.3 渠道水利用效率测算

本次试验采用典型渠道测试法[14]，根据所选典型渠道测流断面的实测资料,首先计算典型渠段的损失水量δ典渠段、根据流量加权计算典型渠段不同过水流量下的单位长度输水损失率σ典渠段、然后通过修正得到典型渠道单位长度损失率σ典渠道，利用该级各典型渠道的长度L典渠道加权平均，得到该级渠道的渠道水平均单位长度输水损失率σ渠道，进而计算各级渠道的渠道水利用系数η渠。具体计算公式如下：

δ典段=W损失/W首

(3)

σ典渠道=[k2+(k1-1)(1-k2)]δ典渠段/L典渠段

(4)

σ渠道=∑σ典渠道jL典渠道j/∑L典渠道j

(5)

δ渠=σ渠道L渠

(6)

η道=1-δ渠

(7)

式中：W首为测试渠段首部流量，m3/s；W损失为测试渠段损失流量，m3/s；L典渠段为典型渠段的长度，km；k1为输水系数，k1=1+Qe/Q0，Q0为渠首流量，Qe为渠尾出流流量；k2为分水系数，实际渠道的分水情况是很复杂的，为便于应用,简化为线性分水，即假定换算到单位渠长上的分水量自渠首至渠尾呈直线变化，如果实际渠道接近均匀分水，即上下游控制面积区别不大，则k2=0.5，测算中，k2均取0.5；L典渠道j为典型渠道的长度，km；L渠为该级渠道的平均长度，km。

根据典型渠段的实测数据，求得各级渠道的渠道水利用效率见表5。

表5 察尔森灌区渠道水利用效率Tab.5 The channel water use efficiency in Chaersen irrigation district

2.4 不同空间尺度下灌溉水利用效率计算

察尔森灌区各灌域渠系并非全为四级分布，有些灌域存在越级取水现象，因此，本次在灌溉水利用效率进行空间尺度转化时，首先由田间尺度的灌溉水利用效率计算值，根据各灌域的实际渠系分布级别，应用表5所得各级别渠道的渠道水利用效率，采用连乘方式分别得到斗渠、支渠以及干渠尺度的灌溉水利用效率和各灌域尺度的灌溉水利用效率，将所得各灌域尺度的灌溉水利用效率按各灌域的实际毛灌溉引水量(扣除排水量)加权得到灌区尺度的灌溉水利用效率，计算结果见表6和表7。

表6 察尔森灌区各灌域灌溉水利用效率 %

3 不同空间尺度下两种方法测算结果的对比分析

两种方法所得不同空间尺度之间数据表明(如图1)，随着空间尺度的减小，灌溉水利用效率逐步提高，符合一般的规律。从不同尺度间灌溉水利用效率变化率的比较表明，灌区(总干)到干渠尺度变化较小，支渠到斗渠尺度次之，变化较大的在斗渠到田间尺度以及支渠到干渠尺度，其中以斗渠到田间尺度变化最大，这表明目前影响察尔森灌区灌溉水利用效率的主要因素是斗渠及干渠工程的建设质量和管理运行水平。

表7 察尔森灌区不同空间尺度下灌溉水利用效率 %

为了验证察尔森灌区典型渠道测试法所测算灌溉水利用效率的合理性，应用《全国灌溉用水有效利用系数测算分析技术指南》所推荐的首尾测定法对察尔森灌区的灌溉水利用效率进行了计算，计算结果见表8。

表8 察尔森灌区灌溉水利用效率(首尾法)Tab.8 The irrigation water use efficiency in Chaersen irrigation district(the head-tail method)

从表8可看出，首尾法的计算结果略大于典型渠道测试法，这主要是因为察尔森灌区各灌域之间存在回归水的多次利用，即某一灌域从渠首引入的总水量在流经该灌域时并非全部被利用，会有部分水通过该灌域的输水渠道进入与之相邻的下一灌域而被利用，首尾法在一定程度上考虑了回归水的利用，而典型渠道测试法不能考虑回归水的利用。