基于双作物系数模型的田间灌溉水利用效率估算

闫 昕，刘 钰* ，张宝忠，魏 征

(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点试验室，北京100038;2.国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京100048)

农业灌溉水利用效率是评价灌区农业用水效率的重要指标，也是灌区水利工程建设及用水管理的基本参数，在农业节水灌溉工作中具有非常重要的地位［1］。然而农业灌溉水利用效率的基础理论国内外还存在比较大的争议，大尺度区域灌溉水在渠系输水、用水管理、田间的效率如何确定还缺少比较科学的理论和方法［2］，从而也给农业水利工程建设和区域水资源高效利用工作带来了很大的困扰。笔者以盈科灌区为研究对象，对灌溉过程中田间灌溉水利用效率进行了评估。

选取盈科灌区为研究尺度，灌区内的典型农渠控制区为田间尺度研究区，分别开展了样点布设、试验取样、实地调查与数据收集等工作。在进行研究区渠系和排水系统实地调查基础上，完成了盈科灌区多尺度区域水文地理数据库，包括灌排渠系、土壤质地、土地利用、观测点、种植结构等，主要选取盈科灌区上的8个典型试验小区为研究对象，8个典型试验小区的种植作物均为制种玉米。

1 材料与方法

1.1 双作物系数SIMDual_Kc模型 SIMDual_Kc双作物系数模型是根据双作物系数法并在此基础上进行延伸和扩展估算作物蓄水量。模型可以模拟和计算每日的作物蒸腾量和棵间蒸发量［3］，采用黑河流域盈科灌区2012年试验数据，对模型进行了调参和验证。模型可以模拟每日田间尺度上的土壤水量平衡，预测作物腾发量，制定灌水规划和进行环境研究。根区土壤水量平衡以每天末根区土壤蓄水量的形式表示。计算公式为:

式中:ASWi+1为第i+1天根区土壤蓄水量(mm);ASWi:第i天根区土壤蓄水量(mm);Ii为第i天的净灌溉水量(mm);DIi为第i天由于灌溉水而产生的根系层渗漏损失量(mm);Pi为第i天的降水量(mm);DP为第i天由于降水而产生的根系层渗漏损失量(mm);ETc，j为第i天的作物腾发量(mm);Gi为第i天的地下水利用量(mm)。

1.2 净灌溉定额计算 净灌溉定额为作物整个生育期内，单位灌溉面积上从供水到田间所被作物利用的总灌溉水量［4］。

盈科灌区渠系组成级别有:干－直斗－农－毛，干－支－斗－农－毛。灌区收集的灌水资料为各支渠及直斗渠的灌溉引水量，实际灌水量I净为:

式中:I净为净灌溉量;W引为渠道斗口引水量;η系为渠系水利用系数。

根据各渠系灌溉引水量，引水时间及相应的作物种植面积利用上述公式得到各支渠控制范围内的作物实际灌水量，各渠系级别的渠系水利用系数可参照2012年张掖市水利年报中的统计。盈科灌区各渠系使用轮灌制度，根据灌溉作物的不同，设定不同的灌水定额和灌水时间。因此不同作物，不同渠系控制区的实际灌水制度都有所不同，各支渠，分支渠及直斗渠的灌溉引水量及各渠系控制面积由张掖市水管所提供。所研究的8个典型小区所处渠系及灌水时间，试验小区所在引水渠道的位置及灌水量和灌水时间如表1所示。

表1 试验小区的灌水时间及灌溉水量及时间

2 实例分析

2.1 灌区概况 研究区域位于黑河流域中游盈科灌区，盈科灌区地理位置为东经 100°17'～ 100°34'，北纬 38°50'～38°58'。地势西南高东北低，海拔高程1 456～1 600 m。灌区东西长17.4 km，南北宽14.2 km，总面积192 km2，多年平均引提水量1.75×109m3。灌区属内陆干旱气候，多年平均气温6.5～7.0 ℃，最低气温 －28 ℃，最高气温33.5 ℃，多年平均降雨量约125 mm，年蒸发量1 972 mm，日照时数3 000 h以上，无霜期140 d左右［5］。灌区地下水埋深在5 m以下。土壤主要为灌漠土，耕灌层厚度一般为70～150 cm，土壤质地主要为均质壤土或沙壤土。农作物以粮食作物为主，有小麦，玉米等。灌区有效灌溉面积有效灌溉面积13 146.67 hm2(19.72 万亩)，其中农田 12 900.00 hm2(19.35 万亩)，林地240.00 hm2(0.36万亩)，农作物以粮食作物为主。灌区土壤主要为灌漠土，地下水埋深在5 m以下;土壤质地主要为均质壤土。灌区有各级渠道1 735条1 119.1 km，高标准衬砌干渠3条41 km，支渠27条133 km，斗渠173条180.4 km，多年平均引提水量1.75×109m3。

2.2 双作物系数模型估算

2.2.1 模型输入。SIMDual_Kc双作物系数模型需要输入的数据包括:

(1)气象资料。包括气温、降雨量、相对湿度、风速、总辐射和净辐射等。采用用中国气象科学数据共享平台张掖站的实测数据代表整个研究区域上的气象资料。每0.5 h采集1次数据。

(2)作物数据。包括种植日期，作物各生长阶段长度，各阶段推荐的基础作物系数，根深，最大株高，各生长阶段无水分胁迫条件下的土壤水量消耗比率，根据覆盖度修正的Kcb值。

(3)土壤数据。包括易蒸发水量，总蒸发水量，总有效水量。

(4)灌溉数据。包括灌溉系统类型，选项(无灌溉，当前灌溉制度，可评价给定的灌溉制度，每次灌水事件允许的最大灌水深度等)。

2.2.2 模型率定和验证。当模型的结构和输入参数初步确定后，就需要对模型进行率定和验证。通常将使用的资料系列分为2部分，其中一部分用于校准模型，而另一部分则用于模型的验证［6］。为了检验模型的有效性，利用已建立的模型模拟计算出了田间条件下1 m土层土壤蓄水量的变化，并与实测土壤体积含水率换算为重量含水率后算出的1 m根深土壤蓄水量进行了对比。田间试验区位于黑河流域盈科灌区典型小区内，田间土壤体积含水率用TRIME-T3/IPH土壤水分测量仪，采用人工测量的方式，每10 d测量1次。1 m土层土壤需水量经各层次实测土壤重量含水率乘以容重累加而得，通过SIMDual_Kc双作物系数模型进行根区土壤蓄水量模拟值与实测值的对比，并选取具有代表性的前4块试验田进行对比(图1)。由图1可以看出，根区土壤蓄水量的模拟值与实测值均吻合较好。这说明所建立的模型用以计算作物根区蓄水量及模拟作物根区水分的变化是可信的。

将在试验区设置的涡动相关仪测得的涡度数据(通过黑河数据中心下载获取)通过单位换算转化为ETa数据。验证SIMDual_Kc模型输出的ETa数据，并对数据进行拟合，模型模拟出的ETa数据和实测ETa数据对比［7］如图2所示。由图2可以看出，模型模拟ETa值和实测值拟合良好，两者数据具有一定的线性相关关系。模型有效性系数分别为0.94，相关系数为R2=0.81，这说明所建立的模型表明模型可以很好地解释制种玉米蒸散发的实际变化［8］。

3 结果与分析

3.1 田间灌溉水有效利用率的计算 灌溉水利用系数是衡量灌入田间的有效水量同与之相对应的灌溉水源引进的总水量的比值［9］。灌溉水有效利用率的定义为:将净灌溉水量中储存在作物根系层能被作物有效利用的水量占净灌溉水量的比例称为灌溉水有效利用率。在灌溉水由水源到田间输送过程中，蒸发损失所占比例很小，主要为渗漏损失量。

根据建立的农田水量平衡模型，利用甘肃省张掖市2012年的逐日气象资料，模拟计算了夏玉米生育期的1 m根区土壤需水量。在模拟过程中，当对作物进行灌溉时或者有较大降雨时，作物根系层一般会产生一定渗漏损失量。则田间灌溉水有效利用率的计算公式为:

式中:Ii为第i天的净灌溉水量(mm);DIi为第i天由于灌溉水而产生的根系层渗漏损失量(mm)。

3.2 评价与分析 由上述计算公式计算得出盈科灌区种植制种玉米的8个典型试验田的灌溉水有效利用率见表2。

表2 研究区域灌溉水有效利用率

由上述计算公式得出的盈科灌区8个典型试验田的田间灌溉水有效利用率分别为:76%、62%、77%、75%、67%、76%、74%，70%。(试验研究表明在干旱内陆河灌区，田间灌溉水有效利用为80%～90%)田间水利用系数是衡量田间工程状况和灌水技术水平的重要指标。在田间工程完善，灌水技术良好的条件下，旱作农田的田间水利用系数可以达到90%以上。因此故该灌区具有一定的节水潜力。可提高该灌区的田间工程状况和灌水技术水平。

4 结语

(1)通过盈科灌区的试验数据结合双作物系数模型SIMDualKc模型模拟计算了黑河流域盈科灌区夏玉米逐日的1 m根区土壤蓄水量，验证了该模型在西北干旱地区的实用性和可靠性。可运用该模型模拟土壤储水量的变化过程。

(2)以灌溉水利用率，水量平衡理论为基础，以研究区域灌溉水利用率的宏观评价分析方法为导向，从灌区的灌溉结构和基本理论入手，通过研究灌区系统的组成和规律，构建宏观研究区域灌溉水利用率的整体模型，并可将其应用于整个黑河流域的评定中。

(3)由田间灌溉水有效利用率计算公式计算得出的典型试验田的田间灌溉水有效利用率在62%～77%之间。该灌区具有一定的节水潜力。

(4)灌溉水利用率的估算极为复杂，每一个环节都需要经过一个极为复杂的运算过程以及需要大量实际的观测资料和当地有关部门的配合，通过实测获得大范围区域内的灌溉水利用率是十分困难的事情，所以该文也只能建立在区域已有的相关研究数据之上。

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