张毕元，吕爱斌，周 栋

(1.湖北省咸宁市水文水资源勘测局，湖北 咸宁 437100；2.湖北省黄石市水文水资源勘测局，湖北 黄石 435000)

0 引言

我国是一个农业大国，每年农业用水占用水总量的比重约为70%，而农业用水90%以上都是用于农田灌溉，因此，农业节水对于节约水资源、节水型社会建设都具有重要的意义。农田灌溉水有效利用系数是反映灌区工程状况、用水管理水平、灌溉技术的一项综合指标，也是指导节水灌溉和大中型灌区续建配套及节水改造健康发展的重要参考。系数的测算虽然是一项基础工作，但它却是落实最严格水资源管理制度、实施国家节水行动，推进水资源消耗总量和强度双控行动、全面建设节水型社会的重要内容。水利部于“十一五”期间就开始对我国农田灌溉水有效利用系数进行了跟踪测算分析，多年来，传统的测算分析方法测定工作量大、测算的硬件条件设施对于基层单位而言难以得到保障，且技术要求较高，实施难度较大。本文介绍了首尾测算分析法的原理，以及毛灌量及净灌量的计算方法，将该方法应用到案例大型灌区陆水灌区，计算案例的分析成果及结论建议对其它灌区系数测算具有一定的现实指导意义[1]。

1 首尾测算方法简介

根据灌溉水有效利用系数的定义，首尾测算分析法是用灌入田间可被农作物吸收利用的水量(净灌溉用水量)与灌区从水源取用的灌溉总水量(毛灌溉用水量)的比值来计算灌区灌溉水有效利用系数[2]，计算的公式如下：

(1)

式中：η为灌区灌溉水有效利用系数；W净为灌区净灌溉用水总量，单位m3；W毛为灌区毛灌溉用水总量，单位m3。

由上述公式(1)可见首尾测算分析法主要涉及两大参数的测定：一是毛灌溉用水量，它的推求是以整个灌区作为观测对象，观测统计进入灌区的用于灌溉的年总用水量，该值一般是通过测定灌区主干渠的年总径流量及辅助水源的灌溉水量得到；二是净灌溉用水量，它先以选定的典型田块作为观测对象，得到某种作物的亩均净灌溉用水量，再根据不同的作物实际灌溉面积，计算求得灌区的净灌溉用水量。整个样点灌区的农田灌溉水有效利用系数为净灌溉用水量与毛灌溉用水量的比值[3]。

1.1 毛灌量的计算公式

灌区毛灌溉用水总量是指灌区全年从水源(一个或多个)取用的用于农田灌溉的总水量，该部分水量通过渠首计量点结合其他水源用水分析获得[4]。样点灌区年毛灌溉用水总量的计算公式如下：

(2)

式中：M样毛为样点灌区年毛灌溉用水总量，单位m3；W样毛i为样点灌区第i个水源取水量，单位m3；n为样点灌区水源数量，个。

1.2 净灌量的计算公式

作物年亩均净灌溉用水量w田净是指某种作物在灌溉周期内每亩的净灌溉量，w田净的计算公式如下：

(3)

式中：w田净为某典型田块某作物年亩均净灌溉用水量，m3/亩；i为灌溉方式划分，水稻灌溉分为湿润灌溉和淹水灌溉，i=2。

①淹水灌溉

根据典型田块每次灌溉前后田间水深的变化来确定淹水灌溉亩均净灌溉用水量[5]，计算公式如下：

(4)

式中：h1为某次灌水前典型田块田面水深，mm；h2为某次灌水后典型田块田面水深，mm；m为作物灌溉周期内的灌水次数。

②湿润灌溉

根据典型田块灌溉前后计划湿润层土壤含水率的变化确定某次亩均净灌溉用水量[6]，计算公式如下：

(5)

式中：w田净1为典型田块某次亩均净灌溉用水量，m3/亩；H为灌水期内典型田块土壤计划湿润层深度，mm；γ为典型田块H土层内土壤干容重，g/cm3；γ水为水的容重，一般可取1，g/cm3；θg1为某次灌水前典型田块H土层内土壤质量含水率，%；θg2为某次灌水后典型田块H土层内土壤质量含水率，%。

2 灌区概况

陆水灌区位于东经113°32′～114°13′，北纬29°28′～29°59′之间，地处鄂东南、长江中游南岸，是一个以陆水水库为主要水源的大型灌区，跨赤壁、嘉鱼两市、县，自然面积863.8 km2，人口37.34万人，灌区设计灌溉面积38.2万亩，有效灌溉面积27.4万亩，实际灌溉面积22.3万亩。

灌区内渠系工程包括干、支、斗、农四级渠道。现状骨干渠道由赤壁南、北干渠，嘉鱼、鬼咀、米埠等干渠以及所属支渠组成，其中赤壁南北干渠位于赤壁市境内，嘉鱼、龟咀、米埠等干渠位于嘉鱼县境内。陆水灌区分了南北两片，分别建立了南、北两条干渠。南干渠建于1970年，全长63.0 km，止于松柏湖，渠道设计流量12.0 m3/s，加大流量15.0 m3/s。北干渠建于1972年，全长69.0 km，从渠首至神山但家湾止，渠道规划设计流量12.0 m3/s，加大流量15.0 m3/s。北干渠设计灌溉面积19.73万亩。其中：赤壁13.05万亩、嘉鱼6.68万亩。南干渠共有支渠23条，长75.7 km；北干渠共有支渠16条，长91.0 km。

3 计算案例

陆水灌区作物种植超播种面积10%以上的作物主要是油菜和一季水稻，因油菜旱作物一般不灌溉或是极少灌溉，故此次测定的主要对象为中稻。根据《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》的要求，大型灌区样点田块应至少在上、中、下游综合作物种类、灌溉方式、灌溉制度等有代表性的斗渠控制范围内分别选取，每种需观测的作物种类至少选取3个典型田块，陆水灌区2020年度灌溉系数的测算分别在上、中、下游各选取3块典型田块，共计9块。

3.1 毛灌量的推求

陆水灌区包含南、北干渠，根据前期的调查分析，灌区范围还有辅助水源小型水库及塘堰在2020年度进行了补充灌溉，小型水库10座，塘堰涉及到赤壁市9个各乡镇共计302个。故此总结得到的陆水灌区毛灌溉用水量的计算公式如下：

W毛=W南干渠+W北干渠+W塘坝+W小型水库

(6)

W南干渠、W北干渠分别为陆水灌区南、北干渠从库区流入渠道的年总水量，渠首处均有流量监控站点，2020年南干渠总径流量为959.00万m3，北干渠总径流量为4879.80万m3。

W塘坝为灌区内塘坝的毛灌溉水量，根据2018年全省小微水体调查项目数据得到陆水灌区内各乡镇的塘坝容积信息，然后选定1～2个典型塘堰委托观测、调查分析，得到2020年塘坝水利用系数为1.0。据此计算求得的塘坝毛灌量为430.96万m3。

表1 陆水灌区塘坝毛灌量的计算

W小型水库为灌区内小型水库的毛灌溉水量，陆水灌区内共计有10个小型水库具有单独的灌溉能力。各小型水库毛灌量的推求步骤：①分别记录各水库灌溉时间段；②利用赤壁市水利工程动态管理系统平台，查询各水库灌溉时间周期的水位变化过程；再根据水库的水位库容关系曲线，推算出相应灌溉时段蓄水量的变化；③将灌溉时段的各蓄水量变化累计即可得到水库的毛灌溉水量。用上述方法推求的10个小型水库总毛灌溉用水量为256.69万m3。

根据式(6)求得的陆水灌区毛灌溉用水量为6526.45万m3。

3.2 净灌量的推求

水稻净灌溉用水量分为淹水灌溉和湿润灌溉，分别按照式(4)、(5)进行推求，对应计算结果见表2。

表2 净灌溉用水量的计算

表中∑(h2-h1)为水稻淹水灌溉多次灌水前后的水深差累计值，w1为淹水灌溉的亩均净灌溉用水量，H为土壤计划湿润层深度，本次计算取80 mm，r为土壤干容重，取1.4 g/cm3，θ1、θ2分别为湿润灌溉前、后田间土壤计划湿润层的含水率。w2为湿润灌溉的亩均净灌溉用水量。田块的年亩均净灌溉用水量w田净为w1与w2之和。

根据公式3，求得陆水灌区中稻的亩均净灌溉用水量为153.77 m3/亩，陆水灌区有灌溉面积为22.3万亩，故陆水灌区净灌溉用水量为3429.06万m3。

3.3 灌区灌溉水有效利用系数的计算

根据上述公式，陆水灌区的毛灌溉用水量为6526.45万m3，净灌溉用水量为3429.06万m3，灌溉水有效利用系数为0.5254。

3.4 合理性分析

赤壁市陆水灌区2017年的灌溉系数为0.5007，2018年的灌溉系数为0.5041，2019年的灌溉系数为0.5177，灌溉水有效利用系数逐步提升，现从高标准农田建设、单位面积用水量、降雨量、管理水平等4个因素进行分析。

(1)高标准农田建设

2020年赤壁市深入推进陆水灌区高标准农田建设，使得水利工程现状相比2019年有所改善，在农田灌溉方面发挥了一定的效益，提高了农田灌溉水有效利用系数。

(2)单位面积用水量

陆水灌区亩均净灌溉用水量增加幅度大于亩均毛灌溉用水量幅度，提高了样点灌区系数，致使灌区农田灌溉水有效利用系数提高到0.5254。

(3)降雨量

赤壁市陆水灌区2020年全年降水量2207.0 mm，比多年平均增加49.07%，较去年增加102.76%，属于丰水年份，农田灌溉水利用系数与降水量呈正相关的关系，在一定范围内，降水量越大，有效利用系数也就越大。

(4)管理水平

2020年赤壁市积极按照省厅部署及市委市政府工作安排，积极推行大中型水库、堰塘和灌区标准化管理，推行高效节水灌溉技术，使得灌区用水管理水平有所提高。

4 结语

首尾测算分析法原理简单实用，测算得到的陆水灌区2020年农田灌溉水有效利用系数值比较真实客观地反映了当前农业用水效率和农田水利建设与管理水平，揭示了农田节水潜力，其值来源于实际测量和科学分析，数据比较合理，是农业用水效率的客观反映，能够为经济社会发展与节水型社会建设提供参考依据，也能够为各级政府“最严格水资源管理制度考核”提供依据。

通过陆水灌区农田灌溉水有效利用系数的实际测算，在灌溉系数的量测过程中，如何准确、有效地获取灌区的净灌溉用水量、毛灌溉用水量是两个关键性指标，建议如下：

(1)在获取样点田块的净灌溉用水量过程中，因作物种植时间、灌溉作业、灌溉制度掌握在个体农田手中，具有很大的随意性。因此，引导农户科学灌溉、如实记录，特别是详细记录降水期农田水深的变化情况，是原始资料准确性的重要保障。

(2)当补充水源的小型水库多达几十个，毛灌溉水量的获取采用分散调查统计的方法有难度，且精度也难以保障。因同一灌区，一般来说灌溉制度相近，建议均采用典型观测，以点代面的方法进行统计。如：大、中型灌区内分别选定小(1)、小(2)型水库各2个，委托水库管理人员准确记录作物灌溉时间，通过库容曲线查得蓄水变量，然后剔除从主水源引用的重复水量以及灌溉期间的工业、生活等其他非灌溉水量，从而得到该水库的毛灌溉水量。再依据水库的灌溉面积，加权得到亩均毛灌溉水量，类推可得到灌区内补充水源的水库毛灌溉量。

(3)当塘堰数量多达上千个时，为提高精度，可采用选定典型塘堰1～2个进行观测分析得到当年的塘堰水利用系数。

(4)当旱作物、经济作物湿润灌溉时，采用土样烘干法来测定田块灌溉前后田间土壤计划湿润层土壤含水率来计算亩均净灌溉用水量，注意规范取样频次、烘干时间、称重精度。

(5)样点田块和典型水库、塘堰一旦选定，应保持不变，在不同降水年份下动态观测分析，以提高农田灌溉水有效利用系数的代表性。