曹 琦，庄 杨，徐焯俊

（1.常州市城市防洪工程管理处,江苏 常州 213022；2,江苏大禹水务有限公司,江苏 常州 213022）

0 引言

农业生产离不开水资源,随着经济的快速发展,部分水资源充裕地区也陷入了水质性缺水的怪圈,过去有些学者甚至着手研究劣质水、微咸水灌溉的可行性,试图在利弊权衡中寻找农业生产与灌溉用水的平衡点。目前,大部分地区已经意识到保障农业用水的重要性,但我国大部分地区灌溉用水管理粗放、水资源浪费、水肥利用效率低下,要进一步减轻了农业生产的用水压力,必须从制定科学合理的节水灌溉制度和提升生产者节水意识着手。

提升灌溉水利用系数的动力来源应该是提升工程措施和改良管理制度并重,贯穿其中的思想是节约农业用水,稳步提升农田灌溉水有效利用系数。调查数据显示,我国灌溉水有效利用系数每提高0.05,对应可节约150 亿m3~200 亿m3的水资源[1]。相比旱作物,水稻是农业用水、用肥大户,我国水稻种植面积约占粮食作物种植面积的30%,产量近粮食总产量一半,用水量占了农业用水量的60%[2],推广稻田节水技术具有不可忽视的意义。针对水稻灌区的节水技术种类丰富,单灌溉模式就主要有控制灌溉、间歇灌溉、湿润灌溉、浅灌深蓄等,其中控制灌溉最为常见,它主要以节水减排为切入点,结合水稻各生育阶段的不同水分需求,以不对水稻的生理机能、干物质积累量、产量产生负面影响为灌溉指标的选择标准[3],对水稻进行有促、有控、有调的灌溉水量调整,充分发挥作物的水分自我调节能力,利用根层土壤含水量与水稻之间的互相反馈作用,最大程度地减少灌溉用水量。

国土二调成果显示,常州市农作物播种面积247.59 万亩,其中粮食作物播种面积140.87 万亩,多年平均农业用水量为10.79 亿m3,约占总用水量的40%。虽然常州地处太湖水域,水资源充足,但2022年的大旱给我们敲响了警钟,推广节水灌溉,能未雨绸缪节约水资源,而且非必要不覆盖水层的模式能增加土壤氧含量,抑制嫌气性细菌,降低根层土壤中有毒有害物质的产生效率,加快有机质的分解,提高土壤肥力；另外还有效加大了稻田蓄雨水能力,提升降雨有效利用率,降低降雨产生的地面径流量,减轻排涝压力,同时有效减少农业尾水排放和稻田的过度渗漏,控制农田氮磷排放,降低农业面源污染排放风险,是实现农业经济、社会、环境三者综合效益最大化的有效途径。

本文选取溧阳后六灌区为常规灌研究对象,检测淹灌模式下的农田有效水利用系数,分析现行灌溉制度的合理性,再结合昆山试验基地多年累积的控灌数据,分析推广控制灌溉对节约水资源、降低农业生产成本的实际作用。

1 常规灌指导指标

截至2021年底,常州市有小型灌区3844 个,绝大部分灌区灌溉制度缺失,常年根据农户种植经验采用传统淹灌,虽然满足《江苏省农业灌溉用水定额》（苏水节[2019] 17）的要求,但与控制农业生产成本,实现农作物增产、减排的长期发展需求并不匹配。

根据彭世彰,俞双恩等人的研究成果[4],长江中下游地区常规灌指导指标见表1。

生育期返青期6 d~8 d分蘖期30 d 拔节孕穗期30 d 抽穗开花期30 d~35 d乳熟期20 d黄熟期前期 中期 后期 前期 后期蓄雨水上限/mm 50 70 70 90 120 120 100 60 自然落干灌水上限/cm 3.0 5.0 5.0 θs 6.0 6.0 5.0 3.0 自然落干灌水下限/cm 1.0 2.0 2.0 0.7θs 3.0 3.0 2.0 1.0 自然落干田间水分状态 浅水 浅水 浅水 晒田 浅水 浅水 浅水 浅水 自然落干images/BZ_97_207_1789_1193_1829.png

2 样点灌区灌水情况

后六灌区位于常州溧阳市东部平原区,提水灌溉,设计灌溉面积为0.06 万亩,2021年有效灌溉面积0.0423 万亩,田面平整,土壤类型为粘质土,作物类型为水稻（南粳46）,采用防渗渠道输水地面灌溉的形式,地下水埋深为-1.04 m~-3.97 m。将后六灌区划分5 个典型田块,1 号田块32.61 亩,2 号田块141.86 亩,3 号田块102.54 亩,4 号田块90.11 亩,5号田块56.11 亩,监测水稻全生育期灌水情况。

图1 后六灌区平面布置图

2.1 灌溉水有效利用系数测算

在样点灌区采用水位变化法,计算常规灌模式下的亩均净灌溉用水量,由此推求灌区的净灌溉水量；检测渠首流量结合泵站运行情况,计算灌区毛灌溉用水量,得出样点灌区的农田灌溉水有效利用系数。

初始灌水前在田块适当的测量位置打入水尺,其上端与地面相平,灌水结束20 min 后,以水尺上端为起点,测定水深,此水深为不考虑入渗损失的灌溉水深H1。另外选择固定点,用无底的铁筒防止侧渗,铁筒下沿埋入地面以下10 cm~40 cm（埋深按水稻生育阶段调整）,灌水前在桶内布设防冲塑料布,打入水尺,灌溉开始后,迅速向铁筒内注水,桶内水层厚度为H（H 为次灌溉田间灌水深度）,灌水结束20 min 后,测定筒内水位,此时水位与H 的差值即为灌水过程中的入渗水量H2。H1与H2的和即为某次灌溉的田块实际灌水深度,将其视为典型田块单次灌溉净水深。

后续在田间持有水层时灌水,只需灌水前在田块适当的测量位置打入水尺,其上端与田间水层相平,灌水结束20 min后,以水尺上端为起点,测定水深,此水深为灌溉净水深。

典型田块亩均净灌溉用水量计算公式为：

式中：n 为典型田块灌水总次数；hij为典型田块单次灌溉净水深度,cm。

由表2 可知,灌区亩均净灌溉水量为395.87 m3/亩,符合溧阳市灌溉用水定额（平水年和设计年水稻基本用水定额分别为445 m3/亩、495 m3/亩）的标准。根据W净=A×Wj（其中A 为灌区水稻总面积,亩）,估算出后六灌区水稻全生育期净灌溉用水量为16.76 万m3。

表2 2021年后六灌区测算分析表

在输水渠道渠首采用旋桨式流速仪进行流量实测,计算方法按《灌溉渠道系统量水规范》,样点灌区为纯水稻种植区,毛灌溉水量可近似看做渠首流量与泵站开关机时间的乘积。

其中：Qi为单次灌水渠首流量,m3/s；Ti为单次灌水时间,h；n 为灌水次数；W 为灌区毛灌溉用水总量,m3。

综上,灌水期间,泵站提水总量为26.61 万m3,因灌区渠道旁有总面积约为70.4 亩的蟹塘2 座,在蟹塘边设有水尺,测量每次开机灌水期间蟹塘水深变化情况,得到累计水深变化为升高0.467 m,由此可估算灌区的其他用水量约为2.21 万m3（即表2 中扣除水量）,水稻生育期毛灌溉水量为24.40 万m3。后六灌区2021年灌溉水有效利用系数为0.687,与发达国家相比有很大的进步空间。

2.2 灌溉习惯合理性分析

2021年为丰水年，溧阳市6 月~10 月降雨量约为1029.5 mm,降雨天数54 天左右（其中20 mm 以上降雨量的天数为10 天）。将表2 的灌水情况与表1 的建议灌溉指标进行比较,得到图2。

图2 灌区灌水情况与常规灌指导指标对比图

由图2 可知,2021年后六灌区水稻全生育期的16 次灌水有4 次灌水量较少,其中发生在8 月10 日、11 日的两次灌水,灌水量明显低于指导指标下限,这是因为7 月24 日~28 日台风烟花期间的降水（254 mm）补充了田间水,并且8 月11 日~16 日受冷暖峰交汇影响发生的降雨量高达233.5 mm,根据表1 中列明的常规灌模式下稻田蓄雨水上限值,一般降雨小于20 mm 时处在稻田容蓄降雨能力范围内,利用率较高,因此虽然强降雨期间灌水较少,大部分降雨仍旧转变成农业尾水排出稻田。另外,有6 次灌溉量超出表1 建议的灌水上限,势必引起农田渗漏量、废尾水增加,降低灌溉水有效利用系数。

综上,灌区虽已经对农田灌溉执行总量控制和定额管理,但农业生产人员节水意识不强,管理随意性较大,2020年同为丰水年,水稻生育期溧阳市降雨量为1015 mm,灌区灌水总量为22.54 万m3,这更证实灌溉习惯的随意性。因此改良地区灌溉制度,执行控制灌溉,可以有效节约农业生产耗费的水资源,提升灌溉水和降雨的有效利用。

3 推广水稻控制灌溉前景分析

河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室昆山试验研究基地同处太湖流域,多年平均降水量600 mm,年蒸发量1365.9 mm。试验田水稻品种同为南粳46,耕层土壤质地为重壤土,根层土壤饱和含水率（θs）平均为50.2%,基于水稻生长环境的相似性,该试验基地的控灌试验结论对常州市具有极强的参考价值。2014年~2018年,试验基地根据表3 控灌模式开展水稻种植试验。

表3 水稻控制灌溉各生育期阶段根层土壤水分控制指标[3]

试验期用TDR（Trase system 1，Soil Moisture Equipment,USA）观测土壤含水量（θ）,观测时间为每天上午8∶00,如需灌水,根据根层实际含水率和饱和含水率的差值计算实际灌水量Irri=10 H（θs-θ）（式中,H 为根层深度,mm；θs表示饱和含水率,%）。灌水期间采用水表量测灌溉水量,如发生超灌或突发降雨需排水,则打开排水口,得到表4。

表4 降雨、灌水量稻季平均值（2014年~2018年）

试验基地控灌模式下的水稻田多年平均净灌溉定额仅需270.15 m3/亩。据统计,2021年常州市水稻灌区实灌面积约为84.93 万亩,其中提水渠道灌区60.49 万亩,平均净灌溉定额395.53 m3/亩；提水管灌灌区0.13 万亩,平均净灌溉定额394.00 m3/亩。假设在全市水稻提水灌区执行表3 的控灌,在其他灌溉条件不变的情况下,最多每年可节约7600 万m3的灌溉水,按照大溪灌区往年农业水价测算报告,不考虑年型和供水运行成本费用的情况下,末级渠系平均水价约为0.116 元/m3,提水灌区控管后,共计可节省水稻灌溉成本881 万元。

常州市大部分灌区的灌溉设施和计量水表已经满足推广控制灌溉的基础条件,只需加测耕地土壤初始含水率、以及水稻生育期各阶段的根系层土壤饱和含水率,同时在田间加设TDR 探头跟踪检测根系层土壤含水率,保证其不低于灌水下限,原则上可实现控制灌溉。

4 结语

选取溧阳后六灌区为常规灌研究对象,检测淹灌模式下的农田有效水利用系数,分析现行灌溉制度的合理性。结果表明：后六灌区2021年灌溉水有效利用系数为0.687,与发达国家相比还有很大的进步空间；结合昆山试验基地多年累积的控灌数据分析得出,推广控灌技术可在保障灌溉效率的基础上有效节约水资源,降低灌溉成本；改良地区灌溉制度,执行控制灌溉,可以有效节约农业生产耗费的水资源,提升灌溉水和降雨的有效利用。