计利刚

(云南省农业工程研究设计院，云南 昆明 650000)

在农业水利工程中,水资源消耗量最大的项目就是灌溉用水，也就是通过人工供给的方式为农作物、林草的生长提供充足的水量[1]。为了保证农作物生长正常的情况下，减少灌溉用水量，需要在一定程度上提升农田水利工程的灌溉用水效率。灌溉用水效率指灌入田间能够被作物利用的水量与灌溉系统在渠首取用的灌溉用水总量的比值，用水效率直接反映了水利工程的运行状况、灌水技术水平，对于管理农田水利工程具有重要意义。

目前对于灌溉用水效率系数的测算方法主要采用的是水利部门推荐的首尾测算分析方法，该方法虽然可以解决传统方法对人力与物力的消耗问题，但依旧由于测算工作量大、测试条件难以保证等因素，导致最终得出的测算结果存在较大误差。为了解决上述用水效率系数测算方法存在的问题，在现有测算方法的基础上进行优化设计，以期能够为农田水利工程的管理提供有价值的参考数据。

1 农田水利工程灌溉用水效率系数测算方法设计

在农田水利工程背景下，通过对灌溉区域的资料分析，分别测算灌区土壤、用水量等参数，并利用量水设备得出用水效率系数的最终测算结果。与传统测算方法相比，设计优化方法设置的灌区数量更多且用水效率相关参数量更多，因此得出的测算结果考虑因素更加全面，即测算结果精度更高。

1.1 选择农田水利工程灌区

在考虑灌区的自然条件、水利工程条件、灌区面积和类型、灌溉渠防渗水平等因素的前提下，尽量使样点灌区能基本反映研究灌区整体特点，具有良好的代表性[2]。针对农田水利工程灌区不同的规模选择合适的灌区样本，具体的灌区类型选择依据见表1。

表1 农田水利工程灌区样本选择依据

在灌区选择原则的约束下，按照表1的数量要求，以抽样选择的方式得出农田水利工程灌区的选择结果，并了解样本区域范围内的水源类型、农作物种植结构、地形地貌等自然条件。

1.2 设置农田水利工程灌区田块样点

以方便获取田块在单位面积下的平均净灌溉用水量为目的，在选择的农田水利工程灌区内设置田块样点。要求田块样点的面积要适中，边界清晰，形状规则[3]。为方便田块样点用水数据的观测，测试田块测点布置如图1所示。

图1 测试田块测点布置示意图

从图1中可以看出，地下低压管灌单井控制区地下水井一般设置在控制区一角，安装在井室内，通过1条干管连接到田间输水。干水管按控制区的大小设置几条支管向田间输送水，在每个支管上安装多条滴灌带，保证正常进行灌溉任务。在试验田块中，不分阶段灌水取其支管控制域[4]。试验场地的上下各设1个土壤水分观测点。对低压管灌来说，科学对照试验点布置试验点，选择固定试验块，每次实施灌水之前，都要测定灌前土壤含水率，每1次灌水都要根据试验田块土壤上田间持水率的90%计算出所需灌溉的水量，水井的单位出水量可由观测得到，作物灌溉生育期的灌水量是确定的，因此可以计算每次灌水所需的灌水时间。

同理在灌区内选择斗渠研究对象，需要斗渠的大小、长度适宜，渠首两侧的排水设施应尽量齐全。该斗渠应具备能覆盖整个灌区种植的主要农作物的功能，大、中、小3种灌区内设置斗渠的数量都是均为2条。

1.3 测定田块的面积及土壤基本物理参数

利用全站仪测量确定农田水利工程灌区田块的样点面积，在田块的样点位置安装全站仪，并进行面积测量。在样片边缘的起点上竖立带棱镜的对中杆，全站仪对准棱镜，测得该点的坐标。用全站仪按一定的方向将测量设备迅速移到田块的边缘，并用全站仪测量坐标。当接近第1个点的最后1个角后，测量该点坐标，点击全站仪中的功能键，结束测量并以可视化的方式显示田块面积的测量结果[5]。农田土壤的基本物理参数主要以土壤水分含量为主，在每次灌水前1天和之后，分别采取土样按每层厚度15cm取4层土样，每层取两个测点进行平行测定，采用烘干法测定不同点的土壤水分含量。在实际的测定过程中，将选取的土样进行称重，并记录此时的样品质量记为Mfront，接着将该土壤放置到烘干设备中，设置烘干温度为180℃，烘干时间为3min。将烘干处理完成的土壤重新进行质量测量，此时得出的称重数据记为Mafter，则目标土壤的含水率记为Mfront与Mafter的差值与Mfront的比。同理可以得出田块中所有土层深度的含水率测定结果，其平均值即为土壤含水率的最终测定结果[6]。

1.4 量水设备选型

水资源计量设备或设施种类较多，其应用要符合渠道条件和流量状况。因此，在进行灌溉水有效利用系数测算分析工作中，量水设备或设施的选择应遵循以下原则和要求：量水设备应与渠道的过流能力相适应，与渠道的水流流态相适应，并适应一定范围内水流的变化。其产生的水头损失要尽可能小，力图不使上游产生较大的淤积，下游不发生冲刷[7]。流量测量的范围应尽可能大，以满足渠道流量变化的要求。量水设备或设施应具有足够的灵敏度，能够准确、及时地感觉到水量的变化。最终选择满足上述条件的HD6685型号的量水器，其基本结构如图2所示。

图2 量水设备结构图

图2表示的量水设备只能检测出流动状态的灌溉用水，对于农作物中以及土壤中吸收的水无法利用该设备直接计量。

1.5 确定田间水相关观测参数

为了更好地理解农田土壤水分的动态变化规律，建立农田水利工程区域内任意时段的降水量、地下水补水量等要素之间的相互转化关系，并建立水平衡方程进行描述与计算[8]。农田灌区内水量平衡示意图如图3所示。

图3 农田水利工程灌区水量平衡示意图

图3对应的水平衡方程为：

λNet+λrain+Δλground=λETc+λleakage+Δλlayer+Δλdrainage

(1)

式中，λNet—灌溉用水总量；λrain—有效降水量；λETc—农作物蒸发量；λleakage—田间渗透量；Δλground—地下水补给量；Δλlayer—土层蓄水量；Δλdrainage—地表排水量[9]。

在充分灌溉条件下，区域降水和作物蒸发是影响农业灌溉用水效率的主要因素，在充分灌溉条件下，蓄纳稻格田的降雨均为有效降雨。农作物有效降水量与降雨量、雨前水深以及作物生育期水深等因素有关[10]。作物蒸发量就是农作物生长过程中叶片、枝叶等部分呼吸作用散发的水分，田间水相关观测参数有效降水量和作物蒸发量的计算公式如下：

(2)

式中，λrain-0—一次降水量；hi—降水前的水深；hmax—农田灌区水深的最大控制标准；KCi—不同作物生长期间的作物系数；ET0i—灌区日参考作物蒸发量。由此可以计算得出不同灌区测点位置上的观测参数计算结果。

1.6 观测农田水利工程灌溉用水量

由于不同灌区使用的灌溉方式不同，因此分别从毛灌溉、净灌溉两个方面进行用水量计算。毛灌溉主要就是井灌区灌溉，可以在每个井出口设立水量观测点，利用超声波检测井出水口流量，计算出一次灌溉总水量。而对于大、中、小3种类型的灌区样点灌溉用水量的观测，则采用直接测量法和观测分析法[11]。在考虑灌区土壤与作物生长状态的情况下，将净灌溉用水量分为泡田期灌水量和水稻生育期灌溉水量，其中泡田期灌水量的计算公式如下：

λBubble=103β±H(μ0-μ1)+H0

(3)

式中，H—作物底层深度；H0—作物种植期间所需水层深度；β—指定深度位置上的土壤容重；μ0—土壤的初始含水率；μ1—测算期间土壤的平均含水率。而水稻生育期农田水利工程灌溉的用水量为：

(4)

1.7 统计灌溉用水损失量

灌溉用水损失主要包括渗漏和排水两个部分，农作物因经常保持一定的水深，因此水分将以渗透形式流失，田间田间渗漏是水作物间耗水量的主要组成部分之一。适度的大田渗水可增加土壤氧化程度，排除还原性物质过多，但过多的田间渗水会使作物水分和养分大量流失。随着地下水埋深的增加，作物水层深度的大小降低了作物水层的渗透量，农田中的渗水量也随之增加[12]。在实际的测定过程中，利用农田水利工程灌区田块样点中设置的蓄水设备，通过计算灌溉前后蓄水设备中的水位差得出渗漏量统计结果。而排水量的测算主要利用选择的量水设备，通过对显示数据的读取直接得出，最终得出的两者之和即为以此灌溉后的用水损失量计算结果。

1.8 实现农田水利工程灌溉用水效率系数测算

根据灌溉用水效率系数的定义，灌溉系数的计算结果可以看作是灌入农田中能被作物吸收和利用的水量与从水源引出的灌溉总量之间的比值，具体的测算结果可以表示为：

(5)

式中，λGross—毛灌溉观测结果。将相关数据以及公式3和公式4的计算结果代入到公式5中，便可以得出最终的农田水利工程灌溉用水效率系数测算结果。

2 实证分析

为了测试设计农田水利工程灌溉用水效率系数测算方法的测算性能，以某农田水利工程项目作为研究背景进行实证分析。实验设置基于首尾测算法的系数测算方法作为实验的对比方法，在相同的实验环境和实验条件下，体现出设计方法的性能优势。

2.1 农田水利工程项目概况

所选农田水利项目的施工地理位置为云南某地，其中农田水利建设项目土地资源807.75km2，土地类型包括耕地、草地、林地，地下水资源总量为244.20km2。在农业灌溉工程中，农作物覆盖率达83.7%，种植作物种类有水稻、小麦、旱粮、玉米、大豆、花生等20种。

2.2 设置灌区数量与分布

遵循灌区和田块样点的选取原则，在选取的农田水利工程项目区域内选择10个样点灌区进行测试，包含大、中、小和纯井灌区4种类型，具体的样点灌区研究对象选择结果见表2。

按照表2的设置情况，形成实证分析的多个组别，通过对多个组别用水效率系数测算结果的分析来保证实验结果的可信度。

表2 实验样点灌区设置表

2.3 准备灌溉用水数据样本

需要准备的用水数据样本主要包括农田水利工程的实际灌溉用水量、测算期间的降水量以及水蒸发量。其中降水量和水蒸发量可以利用硬件设备直接测量得出，由于设置的所有样点灌区均属于同一个水利工程项目，因此各个研究区域的降水量和蒸发量均相同，经过数据的读取得出数据样本的统计结果，如图4所示。

图4 水蒸发量与降水量样本数据统计图

另外通过人为添加的方式确定各个测点区域的净灌溉和毛灌溉用水量，将数据样本代入到公式5中，并将灌溉用水效率系数的计算结果作为真实值，用来验证测算结果的精准度。

2.4 设置测算效果测试参数

根据实验目的设置用水效率系数测算误差作为实验的量化测试指标，其数值结果为：

ε=|δact-δcal|

(6)

式中，δact—用水效率系数的实际值；δcal—用水效率系数的测算值。在实际的测试过程中，计算得出ε的值越小证明对应测算方法的性能越好。

2.5 实验过程与结果分析

将准备的农田水利工程数据样本分别代入到设计系数测算方法及对比测算方法中，经过相关参数的计算得出最终的测算结果见表3。

将表3中的数据代入到公式6中，可以得出基于首尾测算法的系数测算方法的平均测算误差为0.0025，而设计方法的平均测算误差为0.0006，由此可见设计方法的测算误差远低于对比方法，即设计方法的测算精度有所提升。

表3 灌溉用水效率系数的测算结果数据表

3 结语

通过本文的实验结果得出，利用用水效率系数测算方法实施农田水利工程灌溉用水测算工作不仅能够大幅提高测算性能，而且其准确性亦可得到保证。

农业作为我国水资源的“消费大户”，每年用于农业生产的水量占比较大，而农业灌溉作为农业生产中消耗水资源的重要环节，国家和各级政府都在保证农业生产正常进行的前提下，千方百计地控制和降低农业灌溉用水量。农田水利工程灌溉用水效率测算工作作为评价用水效率的重要途径，其测算方法的简便性和测算成果的准确性等将直接影响到相关农田水利节水设施的后评价工作。