刘超凡，许 健，景 明，吕 望

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450000)

随着我国经济的快速发展、人口的增长、人民生活水平和城市化水平的提高，以及生态文明对水资源需求的增加，经济社会对水资源的需求愈来愈多，要求越来越高，如何更加合理高效开发利用水资源是摆在水利科技人员面前的资源性课题。目前，我国北方大部分灌区仍然以大水漫灌为主，水资源利用率较低，蒸发渗漏较大，水资源利用效率和效益不高，加之现状农田水利工程完好率较低，高新节水技术推广缓慢，导致我国灌溉水利用系数仍然处于较低水平，与发达国家70%—80%的程度还是有很大差距，节水潜力有很大的空间。

众多学者认为，灌溉水利用系数是灌入田间可被作物利用的水量(净灌溉水量)与灌溉系统取用灌溉总水量(毛灌溉水量)的比值，目前这种定义灌溉水利用系数的方法被普遍接受。通常情况下，系数与灌区自然条件、灌溉工程条件、灌水制度、灌溉技术等因素有关，是目前科学分析用水效率、评价节水灌溉、发展节水措施、提高用水管理水平的一项重要综合指标。高峰等提出：为了克服传统方法中工作量大且耗费大量人力、物力来完成，可以用首尾测算法、典型渠道测量相结合完善。

本文研究了农田灌溉水有效利用系数相关的关键参数，测算了研究区渠道水利用系数和田间水利用系数，为使测算结果更具代表性，在使用首尾测算法对样点灌区分析基础上，采用传统法(综合测定法)对样点灌区进行测算，与前者进行对比分析。

1 试点材料与研究方法

1.1 试点基本资料

克拉玛依市地处准噶尔盆地西北缘的冲洪积扇前倾斜平原地带，加依尔山南麓。地貌单一，多为广阔平坦的戈壁，干旱少雨蒸发量大，年降雨量多年平均值为105.3mm，年均蒸发量3545.2mm，多年平均相对湿度48%，多风沙且强度大，全年主导风向为西北风，无霜期197～298d，平均日照时数2705.6h，有效积温3600℃以上。除独山子区以外，克拉玛依全境基本不产流，水资源需求压力大。根据统计，全市农田有效灌溉面积2.67万hm2左右，农业用水在国民经济用水总量中占有较大比重，灌溉过程相对复杂。

1.2 研究方法

1.2.1首尾测算分析法

根据《全国灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》采用首尾测算法，公式如下：

(1)

式中，η—灌区灌溉水有效利用系数；W净—灌区净灌溉用水总量，m3；W毛—灌区毛灌溉用水总量，m3。

1.2.2灌区净灌溉用水量分析

1.2.2.1 典型田块某次平均净灌溉用水量

(2)

式中，w田净i—典型田块某次平均净灌溉用水量，m3/hm2；γ—典型田块H土层内土壤干容重，g/cm3；γ水—水的容重，一般可取1，g/cm3；H—计划湿润土层深度,cm；θg1—某次灌水前典型田块H土层内土壤质量含水率，%；θg2—某次灌水后典型田块H土层内土壤质量含水率，%；θv1—某次灌水前典型田块H土层内土壤体积含水率，%；θv2—某次灌水后典型田块H土层内土壤体积含水率，%。

1.2.2.2 典型田块某种作物年平均净灌溉用水量

(3)

式中，wi—样点灌区同片区或同灌溉类型第i种作物的平均净灌溉用水量，m3/hm2；w田l—同片区或同灌溉类型第i种作物第l个典型田块平均净灌溉用水量，m3/hm2；A田l—同片区或同灌溉类型第i种作物第l个典型田块灌溉面积，hm2；N—同片区或同灌溉类型第i种作物典型田块数量，个。

1.2.2.3 灌区年净灌溉用水总量

(4)

式中，W样净—样点灌区年净灌溉用水总量，m3；Wij—样点灌区j个片区内第i种作物平均净灌溉用水量，m3/hm2；Aij—样点灌区j个片区内第i种作物灌溉面积，hm2；m—样点灌区j个片区内的作物种类，种；n—样点灌区片区数量，个；大型灌区n=3，中型灌区n=2，小型灌区n=1。

1.2.3综合测算法

根据周和平在2013年提出综合法与首尾测算法，其计算公式为：

η灌溉=η渠系×η田间

(5)

2 结果与分析

据统计，2018年小拐灌区种植有粮食、棉花、甜菜、蔬菜、瓜果菜、饲草料等，在种植结构上，以棉花为主，占94.17%。

2.1 首尾测算法分析灌区灌溉水利用系数

在克拉玛依市选取三处样点灌区，此次研究小拐灌区，并根据典型地块选取原则选取6处典型地块，在典型地块里安装实时监测仪器对地块实时监测，各项数据监测周期不低于1次/6h。

由式(2)可以获得某次灌溉亩均净灌溉水量，根据监测仪器的监测将每次灌水所得亩均净灌溉水量累加，得到这块典型地块的年亩均净灌溉水量；再由式(3)得出某种作物的年亩均净灌溉水量，由该灌区对应的种植结构以及相对应的面积占比推算出灌区该种作物年亩均净灌溉水量；最后由式(4)即可推算出整个灌区年净灌溉水量。然后由计量仪器以及当地水务部门统计资料获得灌区年毛灌溉水量，最后由式(1)计算得出灌区灌溉水利用系数。

在整个计算过程中，在对典型地块某次灌溉亩均净灌溉水量研究时，利用SigmaPlot软件绘制出灌溉前后土壤体积含水率随时间深度变化情况，如图1所示。

图1 灌溉前后土壤体积含水率随时间深度变化情况

灌溉前，土壤体积含水率随着深度呈现以下规律：在接近地表处由于地面蒸发、太阳辐射等因素，地表土壤体积含水率较低；但随着深度的增加，土壤体积含水率增大，这是因为在此时作物消耗水量小且土壤保温保湿作用明显；灌溉后，地表由于地面来水，地表体积含水率迅速增大，但随着深度的增加，作物不断消耗水量以及地表水未能很快渗漏至地表以下，致使随着深度的增加，土壤体积含水率逐渐减小。

在某一确定深度，随着作物生长，例如在深度为60mm的土层，在灌溉前土壤体积含水率高，灌水后由于作物的消耗，体积含水率下降；经过40d作物生长再次灌水时作物生长消耗土壤水，灌溉后体积含水率仍略低于灌前；再随着灌溉次数增多，以及作物不同生育时期对水分的消耗能力不同，从地表渗透到深层土壤水已比灌溉后的土壤水多；随时间变化过程中，灌前体积含水率的波峰波谷均比灌溉后的波峰波谷提前一些。

由上是对每次灌溉过程分析，完整的一个生育周期里，根据墒情监测仪器监测的数据以及公式计算出的净灌溉水量、毛灌溉水量、田间水利用系数如图2所示。

图2 小拐灌区不同典型地块灌溉水量与田间水利用系数

由图2可见，从现蕾期开始，棉花对水分的消耗逐渐开始增大，在花铃期棉花对水分的消耗达到最大；此时对应的灌溉水量、毛灌溉水量也从现蕾期开始逐渐增大，在花铃期毛灌溉水量值也达到最大值，自此之后灌溉水量逐渐减少，至吐絮期结束后完全停止灌水。

通过净灌溉水量变化及棉花生长时间的变化，模拟出下式：

(6)

经过回归分析：式(6)决定系数R2=0.925。并绘制如图3所示典型地块全生育期净灌溉水量与时间的关系。

图3 典型地块全生育期净灌溉水量与时间的关系

从图3看出，净灌溉水量也是随着作物生长周期逐渐增大，到达峰值后开始降低，最终完全停止，与棉花的生长周期基本保持一致。

通过前述由典型地块到样点灌区灌溉水利用系数的推算过程，最终计算得出小拐灌区年净灌溉水量为2678.579万m3，年毛灌溉水量为3695.141万m3。则由式(1)计算得出小拐灌区灌溉水利用系数为0.725。

2.2 综合测算法测算样点灌区灌溉水利用系数

由式(5)得知，综合测算法中需要测定样点灌区渠系水利用系数与田间水利用系数，灌区田间水利用系数可由典型地块田间水利用系数加权平均计算得出；渠系水利用系数计算时，采用损失系数法，其具体计算方法不再阐述。首先在小拐灌区由典型渠道选取原则选取上中下游各段典型渠段，其次由典型渠段计算渠系水利用系数，然后推算各级渠道水利用系数，最后由各级渠道系数连乘计算得出渠系水利用系数。计算得出2018年小拐灌区渠系水利用系数为0.857，小拐灌区田间水利用系数为0.844。综合测算法最终得出小拐灌区灌溉水利用系数为0.723。

3 讨论

通过结果分析，发现在典型地块中，土壤体积含水率是随着深度与时间存在一定变化规律，在对净灌溉水量研究时，净灌溉水量也会随着生长时间的变化呈现出与作物生长周期保持一致的规律，这对指导作物在不同生育期灌溉水量的控制具有一定的作用，要根据作物在不同时期的需水量变化指导灌溉，不仅可以促进作物更好的发展，避免无效灌水，提高灌溉水利用系数。而且对高效节水农业也具有直接明显的作用。通过两种方法对同一灌区进行灌溉水利用系数计算时，首尾测算法计算得出小拐灌区灌溉水利用系数为0.725，综合测算法测算得出灌溉水利用系数为0.723，综合测算法相对首尾测算法相对误差为0.28%。但首尾测算法较综合测算法有很大优势：首先，测算工作任务较首尾测算法重，成型灌区的渠道至少分为干、支、斗、农4级渠道，大型灌区的渠系构成更为复杂，且每一级渠道的渠道断面结构、衬砌方式等差异较大，同时，受灌区自然地理和田间工程布局等多方影响，测定入田水量需要投入大量工作。其次，面对传统法(综合测定法)较为苛刻的要求，一般渠道工况不完全具备测定条件，渠系水的测定测算便很难完成。渠道水利用系数测定需要测定渠段顺直，渠段上下断面之间不能有分流，且要具备测定期间稳定的流量。以上条件在渠道行水灌溉期间难以全面配套实现。再次，传统方法测算的精确性和可靠性较低。由于测算工作繁杂，灌区组织一次测定工作需要多人参加，受技术力量和测流人员技能等多方影响，各级渠道水利用系数以及田间水利用系数测定的人为误差呈现累计现象，测算结果往往偏差较大。最后，传统方法测定难以反映灌区实际情况。采用传统方法测算时，一般在灌溉期间测定一次，作为整个灌溉全年的农田灌溉水有效利用系数。而每次灌溉的渠道运行工况、作物灌溉需水量、实际灌溉面积等存在较大差别，单次测定难以真实反映灌区灌溉周期的用水效率情况。

4 结语

我国作为农业大国，大型灌区农业工程设施相对比较完整，具有一定的抗灾害的能力，因此，加强对灌区建设是保护生态坏境一项重要措施，并且可以有效的提高灌区用水效率和效益。经过研究，得出土壤体积含水率与深度时间之间的关系；并且刻画出典型地块净灌溉水量与生长天水之间的联系。详细分析两种测算方法的差异与优劣势。同比北疆地区同类型灌区，整体上小拐灌区节水农业效果明显，灌溉水利用系数高。