天津地区地面灌溉工程灌溉设计保证率的优化选择

王赛朝，王仰仁，亢林建，韩娜娜

（1.临汾市汾西水利管理局，山西临汾041000；2.天津农学院水利工程学院，天津300384）

天津地区地面灌溉工程灌溉设计保证率的优化选择

王赛朝1，王仰仁2，亢林建1，韩娜娜2

（1.临汾市汾西水利管理局，山西临汾041000；2.天津农学院水利工程学院，天津300384）

灌溉设计保证率，是指多年期作物在干旱缺水情况下由灌溉工程供水抗旱的保证程度。在灌溉工程设计规划中，灌溉设计保证率会影响到工程的规模、效益及投资费用，是灌溉工程设计的一项重要依据。其选择的方法一般是根据灌区气候条件及作物种类查表选用，可能不符合经济原则。以天津地区为研究对象进行气象资料的长系列分析，通过不同灌溉保证率下灌溉用水量、作物产量及相应增产效益的计算和分析，研究了天津地区地面灌溉工程灌溉设计保证率。

灌溉保证率；效益；优化；冬小麦

1 引言

灌溉设计保证率[1]是指多年期作物在干旱缺水情况下由灌溉工程供水抗旱的保证程度，是灌区用水量在多年间能够得到充分满足的几率，一般以正常供水的年数与总年数的百分比表示。在设计农田水利灌溉工程时，必须要根据工程所在地的情况，特别是当地水源状况和作物种类，确定灌溉工程的规模。选定的灌溉设计保证率是否合理，将直接影响灌区灌溉面积的大小、灌区各类工程的尺寸以及相应的经济效益[2]。

1999年印发的《灌溉排水渠系设计规范》对我国不同地区、不同种植情况的灌溉设计保证率均作出了规定。可以看出，我国的灌溉设计保证率采用情况是南方高于北方，丰水地区高于缺水地区，南方灌区为80%～90%，北方灌区一般为75%[3]。国民经济的快速发展和粮食需求量的日益增加，对农业灌溉工程的质量提出了更高的要求[1]。灌溉设计保证率的选择一般是根据灌区气候条件及作物种类查表选用。但是，在实际农业生产中，发现这种方法较为粗糙，忽视了不同地区和灌区的自然经济条件，这样选择的灌溉设计保证率有可能不符合经济原则。

分析表明，现行灌溉保证率指标没有考虑到缺水的时间效应，即同样的缺水在不同时段对作物产量的影响是不同的；缺水的程度效应，即同一时段不同的缺水程度影响也不同[4]。这样造成的影响就是灌溉保证率指标经济意义不明确，不利于指导灌溉管理实践。在灌溉保证率的优选和论证方面，邹谷泉等[3]提出采用水利经济分析方法对不同设计保证率方案的投资和多年间的年运行费、灌溉增产效益等进行计算和选优，最后选定经济合理的灌溉设计保证率。沈佩君等人[2]针对漳河灌区，建立了筛选模型和长系列优化调度模型相结合的决策模型，确定了在一定水资源条件下的不同灌溉面积及其相应的灌溉保证率，并应用作物水分生产函数估算灌区历年灌溉效益。

2 研究方法

针对天津地区，假定灌区水源工程，并以种植冬小麦和玉米两种作物的灌区为例，通过综合比较灌溉设计保证率以及相关的经济指标，对灌区灌溉保证程度进行系统分析，以灌区的净增产效益最大为目标，确定天津地区最适宜的灌溉设计保证率。

2.1 作物需水量计算

现有作物需水量计算方法可大致分为两种，第一种是直接计算作物需水量，第二种是通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量。笔者采用第二种方法计算作物需水量，首先采用Penman-Men⁃teith公式[5]计算参照作物需水量，然后利用作物系数计算作物需水量。其计算公式为：

式中：ETm为某阶段内的作物需水量（mm）；E0为与ETm同阶段的水面蒸发量（mm），这里E0为20 cm口径蒸发皿的蒸发值；α为需水系数，为需水量与水面蒸发量的比值。

2.2 不同灌溉保证率条件下的灌溉用水量计算及

其灌溉制度确定

在合理灌溉、不产生深层渗漏且没有地下水补给的条件下，可用下式计算旱作农田作物灌溉用水量：

式中：M为某阶段内的灌溉用水量（mm）；ETm为相应阶段内的作物需水量（mm）；P为相应阶段内的有效降水量（mm），笔者采用降水有效利用系数法计算[6]。

采用式（1）和（2），利用降水、蒸发资料逐年求得灌溉用水量。然后做频率分析，求得不同频率条件下的灌溉用水量。实际灌溉情况下，灌区总有部分年份灌溉供水量不能满足作物的需水要求，属于非充分灌溉。另外，由于降水量等气象因素变化的不确定性，未来年份是充分供水还是非充分供水，目前情况下还难于准确预测，因此农户常常根据多年经验或根据试验等确定的灌溉制度来确定灌水时间。

2.3 作物产量计算

作物产量计算采用国内外应用较为普遍的相乘模型，即：

式中：i为作物生长阶段编号；n为划分的阶段数目；λi为作物第i阶段的缺水敏感指数，此值的大小反映该阶段缺水后引起的减产程度，即λ值越大减产率越大；Ya为作物非充分供水条件下的产量，称为实际产量（t/hm2）；Ym为作物充分供水条件下的产量，称为潜在产量（t/hm2）；ETai为与Ya对应的第i阶段的作物实际腾发量（mm）；ETmi为与Ym对应的第i阶段的作物最大腾发量（mm）。

这里最大腾发量采用式（1）计算，实际腾发量的计算则采用简化方法，现简述如下。

对于阶段i，其阶段末根系层土壤储水量计算公式为：

式中：Wi，Wi+1分别为阶段i初和末根系层土壤储水量（mm）；其他符号意义同上。

若Wi+1≥0，该阶段实际腾发量为：

且若Wi+1＞Wf，则发生深层渗漏，其渗漏损失水量D=Wi+1－Wf，其中Wf为作物根系层田间持水量（mm）；若Wi+1≤Wf，则该阶段深层渗漏损失水量D=0。

若Wi+1＜0，则该阶段实际腾发量为：

为了避免计算过程中阶段实际腾发量等于零（即ETai＝0），阶段划分不宜太短。

2.4 灌溉效益计算及适宜灌溉保证率的确定

单位面积灌溉增产效益计算公式为：

其中：

式中：B为单位面积上的增产效益（元/hm2）；Bw，Bc分别为小麦和玉米单位面积上的增产效益（元/hm2）；Pyw，Pyc分别为小麦和玉米的收购价格（元/kg）；Yaw，Yac分别为小麦和玉米灌水产量（kg/hm2）；Ydw，Ydc分别为小麦和玉米不灌溉时的产量（kg/hm2）；Mw，Mc分别为小麦和玉米全生育期灌溉用水量（mm）；Pw为灌溉用水价格（元/m3）；C为地面灌溉工程单位面积投资（元/hm2），考虑到投资是一次性的，为避免重复计算，全部放在小麦的效益计算公式中。

通过上述步骤分别求出不同灌溉保证率下的灌区增产效益，并作图分析，可求得增产效益最大值所对应的灌溉设计保证率，该灌溉保证率即为对应当地气候特点和现状种植水平的最优灌溉保证率。

3 实例计算

3.1 降水蒸发量资料

本实例计算采用天津市1939—2007年降水量和蒸发量资料。针对天津市主要作物的种植模式为冬小麦复播玉米，故将当年10月开始到来年9月的资料算作为1个计算年。

3.2 模型参数及取值

天津地区冬小麦复播玉米模式的种植时间与山西临汾市基本一致，故式（1）中的α采用山西临汾市试验结果[5]，见表1。

表1 冬小麦复播玉米分月需水系数α值

考虑到天津市农田土壤的普遍特性，土壤容重取γ=1.4 t/m3，土壤计划湿润层深度取H=1.0 m，田间持水率取θf=24%。式（3）中作物的潜在产量，冬小麦取为6 750 kg/hm2，玉米取为7 500 kg/hm2，灌水定额取值变化于75～90 mm，作物生长前期取大值、后期取小值。为简化计算，将冬小麦生长阶段分为“播种—越冬”（10月1日—11月30日）、“越冬—拔节”（12月1日—3月31日）、“拔节—灌浆”（4月1—30日）和“灌浆—收获”（5月1—31日）4个阶段，分别称为阶段1、阶段2、阶段3和阶段4；对玉米也做同样的处理，分为“播种—拔节”“拔节—抽穗”“抽穗—灌浆”和“灌浆—收获”4个阶段，对应时间为6、7、8和9月。相应的冬小麦和玉米分阶段水分敏感指数（λ），参照文献[7]，并按照累积曲线方式确定，见表2—3。

表2 冬小麦水分敏感指数

表3 玉米水分敏感指数

采用当地当时农产品价格，即式（8）和（9）中作物的收购价格冬小麦为2.2元/kg、玉米为2.3元/kg，地面灌溉工程单位面积上的投资为450元/hm2，灌溉用水价格为0.6元/m3。

4 结果分析

4.1 作物需水量随时间的变化趋势

利用式（1）和1939—2007年天津地区蒸发量资料，计算出冬小麦复播玉米种植模式条件下逐年作物需水量，结果如图1所示。由图1可知，作物需水量年际间变化较大，最大值为1 264 mm，最小值为727 mm；且近60年来，作物需水量有明显的减小趋势。

图1 作物多年需水量计算结果

4.2 不同灌溉保证率条件下的灌溉供水量及灌溉制度

利用式（2）和1939—2007年天津降水量资料计算历年的灌溉供水量，进行频率分析，得出不同保证率的灌溉供水量，见表4。以式（7）计算的最大效益为目标函数，按照有关灌溉制度结果，将当年灌水量的2/3分配给冬小麦、1/3分配给玉米，以此确定不同灌溉保证率条件下的灌溉制度，见表4。

表4 不同灌溉保证率调节下的灌溉供水量

4.3 不同灌溉保证率条件下的作物产量及其相应

的实际腾发量

利用式（3）—（6）及降水量、潜在腾发量和灌溉制度等数据，可求得冬小麦、玉米两种作物在不同灌溉保证率情况下的多年平均产量及其相应的实际腾发量，计算结果见表5。

表5 不同灌溉保证率条件下冬小麦和玉米多年平均产量及其腾发量

续表5不同灌溉保证率条件下冬小麦和玉米多年平均产量及其腾发量

4.4 灌溉效益分析

利用式（7）—（9）及已有数据计算，得出在不同灌溉保证率下的两种作物的单位面积增产效益及总增产效益，计算结果见表6。根据表6数据，绘制出效益—保证率关系曲线，如图2所示。由图2可以看出，总增产效益最大所对应的灌溉保证率变化于60%～80%，与现行规范[7]中规定的“以旱作为主缺水地区灌溉设计保证率50%～75%”相比，基本一致，说明现有规范中的灌溉设计保证率建议值是合理的。但笔者计算的灌溉设计保证率比规范建议值略偏大，主要原因是冬小麦复播玉米种植模式的效益较一般的种植模式偏大。

表6 作物在不同灌溉保证率调节下的增产效益

图2 不同灌溉保证率下的增产效益

5 结论

笔者针对天津地区，以种植冬小麦和玉米两种作物的灌区为例，在一定水源条件下通过不同灌溉保证率下灌溉用水量、作物产量及相应增产效益等的计算和分析，对不同灌溉保证率的增产效益进行对比分析，得出该地区最优的灌溉保证率为60%～80%，与现行规范中的建议值基本一致。模拟计算中没有考虑灌水延续期，且采用了冬小麦复播玉米的种植模式，因而模拟计算的增产效益偏大，相应地由此确定的灌溉设计保证率也可能偏大。

[1]赵惠新，李兆宇.关于提高灌溉设计保证率的必要性分析[J].中国农村水利水电，2011，（6）：52-54.

[2]沈佩君，刘洪先，刘厚斌，等.灌溉保证率的优选及其经济论证[J].武汉水利电力大学学报，1994，（4）：351-357.

[3]邹谷泉，胡采林.灌溉设计保证率的优化选择[J].海河水利，1990，（5）：17-23.

[4]尹正杰，王小林，胡铁松，等.灌溉供水可靠度的经济设计[J].灌溉排水学报，2005，（2）：52-54.

[5]王仰仁，孙小平.山西农业节水理论与作物高效用水模式[M].北京：中国科学技术出版社，2003.

[6]王仰仁，灌溉排水工程学[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[7]GB 50288-1999，灌溉排水工程设计规范[S].

TV93；S274.1

A

1004-7328（2015）01-0033-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.013

2014-11-21

国家科技支撑计划项目（2012BAD08B01）

王赛朝（1962-），男，高级工程师，主要从事水利管理工作。