井灌区节水灌溉效率与潜力分析——以内蒙古通辽市为例

魏子涵，魏占民，李春强，白寅祯，苏婷婷，徐大为

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特010018；2.内蒙古沐禾金土地节水工程设备有限公司，内蒙古赤峰024500；3.内蒙古方圆建设工程有限公司，内蒙古赤峰024000）

井灌区节水灌溉效率与潜力分析
——以内蒙古通辽市为例

魏子涵1，2，魏占民1，李春强3，白寅祯1，苏婷婷1，徐大为1

（1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院，内蒙古呼和浩特010018；2.内蒙古沐禾金土地节水工程设备有限公司，内蒙古赤峰024500；3.内蒙古方圆建设工程有限公司，内蒙古赤峰024000）

在对内蒙古通辽市井灌区水资源利用现状和农业灌区用水现状进行实际调查与分析的基础上，按不同灌溉方式、土壤类型、分布位置和灌溉管理水平选择典型样点灌区，分别用田间实测法和水量平衡法科学地测算不同灌溉方式下的样点灌区、灌区和地区的灌溉水利用效率，并分析评估样点灌区、灌区和地区三个尺度的节水效果与潜力。测算得出通辽市所辖的奈曼旗、科尔沁左翼中旗、科尔沁区、开鲁县、库伦旗、科尔沁左翼后旗、扎鲁特旗和霍林郭勒市灌溉水利用系数分别为0.799、0.832、0.813、0.803、0.823、0.806、0.802和0.810。现状年通辽市地下水灌溉总面积为64万hm2，其中节水灌溉面积为30万hm2，还有34万hm2农田使用传统的灌溉形式。假定未来34万hm2待改造农田全部发展为低压管灌时，通辽市64万hm2灌溉面积可节约水量3 860万m3；全部发展为喷灌时，可节约水量8 298万m3；全部发展为膜下滴灌时，可节约水量10 904万m3。各灌区灌溉水利用效率的高低主要取决于不同灌溉方式的面积占总灌溉面积的比例，采用高效节水灌溉可整体提升灌区灌溉效率。

井灌区；灌溉水利用效率；田间实测法；水量平衡法；节水潜力

中国是农业大国，灌溉对于保障我国粮食安全具有重要的地位和作用［1］，在农业增产的诸多影响因素中，农业灌溉是最主要因素之一［2］。而农业用水是我国水资源的最大消费者［3］，占国内水资源总量63.4%，农业灌溉用水量占到了水资源总量的90%左右。但我国灌溉水利用效率低下，农业灌溉用水浪费严重，加剧了农业灌溉用水短缺的问题［4－5］。但同时，低效率农业灌溉现状也说明农业灌溉领域具有很大的节水潜力［6］。大力发展节水灌溉成为克服灌溉水资源短缺的必然选择［5］。因此，农业节水的发展空间巨大，提高农业灌溉用水效率是我国发展农业的必由之路。实施农业节水、提高农业灌溉水利用效率受到了国家和地方政府及相关部门的高度重视。

内蒙古通辽市井灌区处于半干旱区，由于气候干燥，降水量少，蒸发强烈，加之该地区水资源短缺，生态环境脆弱，农业生产完全依赖于灌溉，属于没有灌溉就没有农业的地区。在灌溉用水短缺的严峻形势下，灌区灌溉工程仍不够完善，灌溉管理粗放，灌溉水损失严重，农业用水效率明显低于全国平均水平。充分挖掘灌区节水潜力，加大灌区农业节水力度，提高灌溉水资源综合利用效率与效益，是内蒙古自治区水利发展亟待解决的问题。在保障粮食安全的前提下，灌区农业灌溉需水量阈值为多少？灌区节水潜力有多大？节水灌溉工程的实施效果如何？这些问题目前尚无明确答案。近年来通辽市井灌区节水工程发展迅速，开展灌区灌溉水利用效率测试分析与评估，科学地计算通辽市的节水潜力，正确地制定出合理可行的节水灌溉发展规划，从而缓解通辽市水资源供需矛盾［7］。

1 试验设计与研究方法

1.1 试验区概况

通辽市位于内蒙古自治区东部，地处北纬42° 15′～45°41′、东经119°15′～123°43′，南北长约418 km，东西宽约370 km，总面积5.95万km2。辖科尔沁区、开鲁县、库伦旗、奈曼旗、扎鲁特旗、科尔沁左翼中旗、科尔沁左翼后旗和霍林郭勒市。通辽市地势南部和北部高，中部低平呈马鞍形。北部为大兴安岭南麓余脉的石质山地丘陵，占全市总面积的22.8%，海拔高度400～1 300m；南部为辽西山地边缘的浅山、黄土丘陵区，占全市总面积的7.0%，海拔高度550～730m；中部为西辽河流域沙质冲积平原，占全市总面积的70.7%，海拔高度120～320 m。

通辽市年平均气温0～6℃，年平均日照时数3 000 h左右，≥10℃积温3 000℃～3 200℃，无霜期140～160 d，年平均降水量350～400 mm，蒸发量是降水量的5倍左右，年平均风速3～4.4 m·s－1，全年8级以上大风日数20～30 d。通辽市地带性土壤为栗钙土，其余土壤主要有风沙土、灰色草甸土等十个种类，以风沙土为主，占总面积的43.5%。

通辽市流域面积100 km2以上的河流共47条，自然湖泊600多个，有大、中、小型水库121座。水系以西辽河水系为主，分布在其支流西拉木伦河、老哈河、教来河以及新开河，还有东辽河下游和辽河干流的一部分支流、大凌河和霍林河的一部分。由于连年干旱，全市境内辽河、新开河、教来河常年断流，70多座中小型水库干涸，局部地下水位下降，水资源匮乏。

1.2 研究方法

内蒙古通辽市近年来连年干旱，河道断流、水库干涸，农业灌溉水源几乎全部来自地下水，以机井提水形式进行灌溉。2014年对井灌区开展调研，搜集、整理、分析灌区有关资料，确定施测典型灌区为奈曼旗、科尔沁左翼中旗和科尔沁区。按不同灌溉方式、土壤类型、分布位置、灌溉管理水平和用水状况，以单井控制区为依据在施测典型灌区选择典型样点灌区。奈曼旗选取6个样点灌区，分别位于舍力虎水库农业队、伊和乌素嘎查和代筒村；科尔沁左翼中旗选取6个样点灌区，分别位于扎如德仓嘎查、白彦柴达木嘎查和巨宝山村；科尔沁区选取6个样点灌区，分别位于新建村、丰田村和天庆东村。

在各样点灌区开展必要的田间观测，通过田间实测法和水量平衡法计算出典型样点灌区灌溉水利用效率［8－12］。以典型样点灌区灌溉水利用效率为基础，经面积加权计算出灌区和地区的现状灌溉水利用效率，在此基础上进行样点灌区、灌区和地区三个尺度的灌溉水利用效率及节水效果与潜力评估［13－16］。

（1）田间实测法

田间实测法也称计划湿润层法，即在灌水前后取土样，利用灌水前后的土壤含水率、分层干容重数据计算样点灌区的净灌水定额。其计算公式如下：

式中，M为净灌水定额（m3·667m－2）；γ为土壤容重（t·m－3）；H为作物计划湿润层深度（m）；θ1为灌水前测定的土壤重量含水率（干土重的%）；θ2为灌水后测定的土壤重量含水率（干土重的%）。

（2）水量平衡法

因为样点灌区均为旱作物，依据水量平衡原理计算得出作物生育期内主要作物的净灌溉定额。公式如下：

式中，M为作物净灌溉定额（m3·667m－2）；ETc为作物的蒸腾蒸发量（mm）；Pe为作物生育期内的有效降水量（mm）；Ge为作物生育期内地下水利用量（mm）；ΔW为作物生育期始末土壤储水量变化值（mm）。

根据井灌区的实际情况，典型田块的毛灌溉水量统一在地下水井出口采用超声波流量计测定，按灌水时段计算测试田块和样点灌区的灌水量，各测试田块和样点灌区的灌溉面积采用测尺和RTK进行精确测量，由此可以计算出样点灌区的毛灌水定额，最终计算出样点灌区灌溉水利用效率。

2 结果与分析

2.1 样点灌区灌溉水利用效率测算

基于田间实测法和水量平衡法的各灌区灌溉水利用效率计算结果见表1。

2.2 样点灌区灌溉水利用效率分析与评估

由图1可见，对于奈曼旗的4个低压管灌样点灌区，基于田间实测法和水量平衡法计算的灌溉水利用系数较为接近，总体而言，随着样点灌区面积的增大，灌溉水利用系数呈减小的趋势。膜下滴灌灌溉水利用系数均值比低压管灌大0.054，灌溉效率提高6.6%。

科尔沁左翼中旗各样点灌区基于田间实测法和水量平衡法计算出的灌溉水利用系数较为接近。由图2可见，膜下滴灌灌溉水利用系数最大，平均为0.906；喷灌次之，平均为0.878；低压管灌最小，平均为0.865。相对于低压管灌的方式，喷灌和膜下滴灌灌溉效率分别提高1.5%和4.8%。

表1 各样点灌区灌溉水利用系数Table 1 The Irrigation water use coefficient in each sample irrigation districts

图1 奈曼旗各样点灌区灌溉水利用系数对比Fig.1 Contrast of irrigation water use coefficient in each sample irrigation district in Naiman Banner

总体而言，科尔沁区各样点灌区基于田间实测法和水量平衡法计算出的灌溉水利用系数较为接近。由图3可见，膜下滴灌灌溉水利用系数最大，平均为0.897；喷灌次之，平均为0.853；低压管灌最小，平均为0.807。相对于低压管灌的方式，喷灌和膜下滴灌灌溉效率分别提高5.7%和11.2%。

图2 科尔沁左翼中旗各样点灌区灌溉水利用系数对比Fig.2 Contrast of irrigation water use coefficient in eacch sample irrigation district in Horqin Left Middle Banner

图3 科尔沁区各样点灌区灌溉水利用系数对比Fig.3 Contrast of irrigation water use coefficient in each sample irrigation district in Horqin District

其中有的样点灌区采用田间实测法与水量平衡法计算出的灌溉水利用效率有些差异，这是因为田间实测法是根据各次灌溉前后土壤含水率的变化计算得出净灌水定额，而水量平衡法是根据样点灌区作物生育期内的气象数据因子计算得出净灌水定额，属于理论值，然而实际中灌水相隔的时间及各次灌水的水量只是按农民自己的经验实施，由此造成两种方法得出的数据不同，因此通过理论与实际相结合计算得出的数据才更加能够代表样点灌区的灌溉水利用效率。

2.3 灌区灌溉水利用系数计算分析与评估

统计现状年各样点灌区不同灌溉方式的灌溉面积，利用计算出的样点灌区不同灌溉方式下的灌溉水利用系数，采用面积加权法计算出灌区的灌溉水利用系数。此外，本次效率测试只是奈曼旗、科尔沁左翼中旗和科尔沁区进行了测试，还有许多灌区没有进行实测。为了能够将灌区尺度的灌溉水利用系数提升至地区尺度，又收集其它未进行实测灌区不同灌溉方式下的灌溉面积以及灌溉水利用系数等统计数据。由于这些灌区没有实测灌溉水利用系数，因此采用本地区相邻灌区的系数或取同一地区不同灌溉作物灌溉水利用系数的平均值代替。通辽市各旗（县／区）灌溉水利用系数计算结果见表2。

由表2可以看出，通辽市奈曼旗灌溉水利用系数最小，为0.799；科左中旗灌溉水利用系数最大，为0.832。各灌区灌溉水利用系数的高低主要取决于不同灌溉形式的面积占总灌溉面积的比例，喷灌、膜下滴灌推广面积越大，则灌溉水利用系数也越高，这也充分说明采用高效节水灌溉对整体提升灌区灌溉效率的重要性。总体而言，通辽市各灌区灌溉水利用系数相差不大。

表2 通辽市各灌区灌溉水利用系数Table 2 Irrigation water use coefficient in each irrigation district in Tongliao City

3 节水效率分析与潜力预测

2005年以后，通辽市开始加大节水灌溉的建设力度，经过十多年的发展，农业节水成效显著。由表3可见，从2005年至今，各旗县区灌溉水利用效率提升3.8%～25.2%，奈曼旗、科尔沁左翼中旗、库伦旗和科尔沁左翼后旗提升幅度均在20%以上，科尔沁区、开鲁县和扎鲁特旗提升幅度在10%左右，霍林郭勒市为3.8%。

由表3可见，节水灌溉面积占灌溉面积的比例也发生了显著变化，由2005年的5.4%～18.6%增大至现在的29.1%～57.0%，科左中旗、科尔沁区和开鲁县节水灌溉面积占当地灌溉面积的比例均在50%以上，库伦旗所占比例为46.3%，奈曼旗、扎鲁特旗和科尔沁左翼后旗所占比例在30%左右，霍林郭勒市所占比例为75.0%，在于当地农田灌溉面积仅为0.11万hm2，基数不大，容易实现。由此可见，奈曼旗、扎鲁特旗和科尔沁左翼后旗农田节水灌溉还有很大的发展空间。

表3 通辽市各灌区节水灌溉效率变化Table 3 The change of the water-saving irrigation efficiency in each irrigation district in Tongliao City

表4 通辽市各灌区不同节水改造形式下节水潜力Table 4 Water-saving potential under different water saving reform in each irrigation district in Tongliao City

通辽市各灌区发展节水灌溉的农作物主要是玉米，目前高效节水灌溉形式主要是低压管灌、喷灌和膜下滴灌三种。现状年通辽市地下水灌溉总面积为64万hm2，其中节水灌溉面积为30万hm2，还有34万hm2农田使用传统的灌溉形式。假定未来34万hm2待改造农田全部发展为低压管灌、喷灌和膜下滴灌三种形式，则可计算出不同灌区不同节水灌溉形式下的灌溉水利用效率。由表4可见，待节水改造面积全部发展为低压管灌时灌溉水利用效率提升幅度最小，全部发展为膜下滴灌时灌溉水利用效率提升幅度最大。待节水改造面积全部发展为低压管灌时，通辽市64万hm2灌溉面积可节约水量0.38亿m3；全部发展为喷灌时，可节约水量0.83亿m3；全部发展为膜下滴灌时，可节约水量1.09亿m3。由此可见，发展膜下滴灌节水潜力最大。

4 讨论与结论

通辽市主要种植作物为玉米，各样点灌区灌溉方式主要是低压管灌、喷灌和膜下滴灌。奈曼旗、科尔沁左翼中旗和科尔沁区低压管灌灌溉水利用系数分别为0.820、0.865和0.807，奈曼旗和科尔沁区灌溉水利用系数未达到《节水灌溉工程技术规范》（GB／T50363－2006）［17］（以下简称《规范》）中规定的低压管灌区灌溉水利用系数不低于0.86的要求。在田间观测过程中发现当地农民有的受传统灌溉方式的影响灌水时间过长，有的为图方便省事不按照设计给水栓间距取水灌溉而随意加大畦长，有的甚至在支管上游第一个给水栓取水采取“条田首尾直通式”灌溉方式，从而导致灌水定额过大，灌溉水有效利用效率偏低。

奈曼旗、科尔沁左翼中旗和科尔沁区膜下滴灌灌溉水利用系数分别为0.874、0.906和0.897，除科尔沁左翼中旗外，其它两个样点灌区灌溉水利用系数小于0.90，未到达《规范》中规定的滴灌区灌溉水利用系数不低于0.90的要求。虽然采用膜下滴灌的节水方式，但当地也存在灌水粗放的问题，因为通辽市易春旱，播种后第一水尤其重要，因此农民灌水时间普遍延长，造成不必要的渗漏。

科尔沁左翼中旗和科尔沁区喷灌灌溉水利用系数分别为0.878和0.853，符合《规范》中规定的喷灌区灌溉水利用系数不低于0.85的要求。喷灌是高效节水形式，属于在指针式喷灌圈内大面积整合作业方式。喷灌系统输水损失极小，能够很好控制灌水强度和灌水量，灌水均匀度高，水的利用率就高。

通辽市所辖的奈曼旗、科尔沁左翼中旗、科尔沁区、开鲁县、库伦旗、科尔沁左翼后旗、扎鲁特旗和霍林郭勒市灌溉水利用系数分别为0.799、0.832、0.813、0.803、0.823、0.806、0.802和0.810。奈曼旗灌溉水利用系数最小，为0.799；科左中旗灌溉水利用系数最大，为0.832。各旗县区灌溉水利用效率的高低主要取决于不同灌溉方式的面积占总灌溉面积的比例，喷灌、膜下滴灌推广面积越大，则灌溉水利用系数也越高，这也充分体现了采用高效节水灌溉对整体提升灌区灌溉效率的重要性。总体而言，通辽市各灌区灌溉水利用系数相差不大。

通辽市现状灌溉水利用系数为0.811，高于之前灌溉水有效利用系数0.62［6］很多，原因是通辽市近年来连年干旱，全市境内辽河、新开河、教来河常年断流，70多座中小型水库干涸，局部地下水位下降，水资源匮乏，地表水枯竭，农业灌溉水源全部来自地下水，以机井提水形式进行灌溉，灌溉水的利用率较高。目前传统的井灌面积还占有较大的比例，随着高效节水喷灌和膜下滴灌的不断推广，灌溉水利用系数还有一定的提升空间。

在研究过程中尚未利用权威的节水潜力的计算方法，在水分利用效率研究中仍然需要确认哪种计算方法更具有现实意义，尤其是水量的计算。节水潜力也因研究对象的不同而存在很大差异，目前还是针对灌溉方式开展研究工作，今后将从其它要素方面研究灌区的节水潜力。

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Analysis of water-saving irrigation efficiency and potential in well-irrigation district——Taking Tongliao City of Inner Mongolia as an Example

WEIZi-han1，2，WEIZhan-min1，LIChun-qiang3，BAIYin-zhen1，SU Ting-ting1，XU Da-wei1
（1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot，Inner Mongolia 010018，China；2.Inner Mongolia Muhe Golden Land Water-Saving Engineering Equipment Limited Company，Chifeng，Inner Mongolia 024500，China；3.Inner Mongolia Fangyuan Construction Engineering Limited Company，Chifeng，Inner Mongolia 024000，China）

Based on the actual investigation and analysis for the status of water resources utilization and agricultural irrigation water use in well-irrigation district of Tongliao City in Inner Mongolia，according to the different irrigation mode，soil types，distribution position and irrigation management level，selected some typical sample irrigation districts，scientifically measured the irrigation water use efficiency for the sample irrigation district，irrigation district and region by using the field test method and water balance method respectively，analyzed and evaluated the water-saving effect and potential by three dimensions for the typical sample irrigation district，irrigation district and region.Measured and calculated the irrigation water use coefficients were 0.799，0.832，0.813，0.803，0.823，0.806，0.823 and 0.806 respectively for the Naiman Banner，Horqin Left Middle Banner，Horqin District，Kailu County，Kulun Banner，Horqin Left Back Banner，Zhalute Banner and Huolinguole City in Tongliao City.The whole groundwater irrigated areas in current year in Tongliao City were 640 thousand hm2.Among them the water saving irrigation areas were 300 thousand hm2，and remained 340 thousand hm2were utilized the traditional irrigation methods.Suppose total340 thousand hm2farmlands will be developed into the low pressure pipe irrigation in future，the water saving volume can be reached 38.6 million m3from the 640 thousand hm2irrigation aresa in Tongliao City.If whole areas were developed into the sprinkler irrigation，the total water saving volume 82.98 million m3can be saved.If total were developed into the drip irrigation under film，thewater savng volume 109.04 million m3can be reached.The irrigation water use efficiency of each irrigation district mainly dependent on the proportion of different methods irrigation area in the total irrigation area，using high efficiency watersaving irrigation can improve the irrigation efficiency.

well-irrigation district；irrigation water use efficiency；field test method；water balance method；water saving potential

S275

A

1000-7601（2016）06-0143-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.22

2015-10-19

内蒙古自治区水利厅专项

魏子涵（1989—），女，内蒙古赤峰人，硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与管理决策方面研究。E-mail：weizihan2008＠126.com。

魏占民（1960—），男，内蒙古呼和浩特人，教授，博士生导师，主要从事节水灌溉理论与新技术方面研究。E-mail：wei zhanmin＠aliyun.com。