基于高效灌溉的肇州县玉米需水量分析与计算

郑越馨，戴长雷,*，李治军，高 宇，李 洋

(1.黑龙江大学 a.水利电力学院;b.寒区地下水研究所，哈尔滨 150080；2.东北农业大学 水利与土木工程学院，哈尔滨 150030)

肇州县地处松嫩平原的腹地，是黑龙江省西部典型的旱灌区[1-2]，农业灌溉主要依赖于地下水，基于高效灌溉主要是改善原有井和灌溉方式，采用不同的灌溉技术，以此来减少灌溉用水量，提高农业用水水平。为了促进节水增粮行动的有利进行，对肇州县水文年型进行分析，根据玉米生育期的需水特征给出灌溉制度，采用不同的灌溉制度和方式，对肇州县区域玉米灌溉的需水量进行分析和计算[3]。玉米是肇州县主要种植作物，玉米灌溉需水量占总需水量的85%，分别采用灌水3次和灌水2次的灌溉方案，对玉米生育期需水量进行分析与计算，在确保地下水生态平衡的情况下，选择玉米生育期灌溉需水量最优的灌水方案，达到在肇州县旱灌区高效灌溉的目的。

1 肇州区域水文年型分析

肇州县位于大庆市东南部，地处松嫩平原的腹地，面积为2 445 km2，是黑龙江省典型的旱田灌区，肇州县辖6个镇：肇州镇、永乐镇、朝阳沟镇、丰乐镇、兴城镇、二井镇；6个乡：双发乡、托古乡、朝阳乡、永胜乡、榆树乡、新福乡。农业灌溉面积大,需水量随之增加，选定肇州县为论证区。

水文年按总体蓄量变化最小的原则所选的连续12个月，一个自然水文年从当年的第一次涨水当月的第一天开始起算12个月，也就是汛期的当月开始算往后12个月，肇州地区是从3月或4月到次年的2月或3月。肇州县多年平均降水量为452.1 mm，年降水量年际变化幅度小，地区分布差异较小，降水量年内变化十分剧烈，故选具有代表性的2005—2014年各月降水量，肇州县多年月降水量统计见表1。

表1 肇州县多年月降水量统计Table 1 Monthly precipitation statistics in Zhaozhou County for years mm

由表1可见，降水主要集中在6—9月，6—9月降水量占全年降水量的82.1%。肇州地区气候干燥，尤其在春季和初夏降水量小，蒸发强度大，并且地表不存在天然江河，全区境内赋存地下水。肇州为农业大县，全区需水尤其是农业灌溉需水主要依赖于开采地下水资源，对肇州县典型年月降水量进行研究，主要有保证率为20%、50%和95%的降水量，肇州县雨量代表站降水量年内分配见表2。

在丰水年和平水年降水量能满足灌溉需水量，主要考虑干旱年的农作物灌溉需水量。由于大量开采地下水资源，许多地区已形成区域性的地下水开采漏斗甚至超采区，地下水系统遭到破坏[4-6]。干旱年定义当水源为地下水时，由于地下水库的调节能力较强，水量变化不大，供水保证率相对较高[7-9]。但随着地下水的超采，供水工程的正常供水量也会受到影响，从而降低供水保证率，因此选择干旱年作为主要研究的水文年型。

表2 肇州县雨量代表站降水量年内分配Table 2 Rainfall on behalf of the station annual distribution of precipitation in Zhaozhou County

2 基于高效灌溉的肇州县农业需水量与灌溉制度

2.1 肇州县耕地分布与作物布局

肇州县农业种植结构统计见表3，玉米种植面积126 392 hm2，玉米种植面积占总耕地面积的86.7%,是肇州县主要农作物。

表3 肇州县农业种植结构统计Table 3 Agricultural planting structure statistics in Zhaozhou County

2.2 基于高效灌溉的农业需水量

基于高效灌溉主要是改善原有井和灌溉方式，采用不同的灌溉技术，主要有喷灌和滴灌，以此来减少灌溉用水量，提高农业用水水平。以提高灌溉水利用效率为核心，重点研究实用性强、节水、增产、增效玉米高效灌溉技术，形成具有区域特色的农业高效灌溉技术体系。肇州县需水量主要来源有农业需水量、生活需水量和工业需水量。肇州县节水灌溉区2010—2020年各水平年需水量见表4。

表4 肇州县节水灌溉区各水平年需水量(104 m3)Table 4 Annual water demand of water-saving irrigation area in Zhaozhou County(104 m3)

农业灌溉用水量是肇州县主要用水量，占总需水量的66%。

肇州县境内玉米生育期为4月下旬至8月中旬共125～130 d，共需要补水3次，总需水量3 150 m3/hm2，相当于314.8 mm，肇州县玉米生育期需水变化特征见表5。因玉米的生育期需补水3次，分别为5、6、7月，平均一次补水约为105 mm，其中玉米补给水量包括降水入渗补给量和灌溉补给量，在丰水年和平水年期间，降雨入渗补给量可以满足玉米在生育期内的需水量，但干旱年时肇州县的降水不能满足玉米的正常生长，干旱发生频率最高为91.18%，缺水相当严重，需要在适当时期进行人工补水，最好在播种期、苗期和封垄前期适量补水，才能保证玉米的正常生长发育[10-13]。主要研究在干旱年玉米的灌溉需水量，因此需扣除降雨入渗补给量，即为玉米的灌溉补水量。

表5 肇州县玉米生育期需水变化特征Table 5 Water demand characteristics of corn growth period in Zhaozhou County

2.3 农作物灌溉制度

作物地面灌溉净定额，干旱年生育期内灌水3～4次，一般年2～3次，玉米每次灌水50 mm；湿润年1次，玉米灌水50 mm。根据常规经验，与地面灌比较，喷灌节水40%。将地面灌净定额乘以0.6的系数即为肇州县喷灌的净定额，因此采用喷灌的灌溉技术。

3 不同水文年的肇州县灌溉需水量分析与计算

玉米灌溉补水期主要有播种—拔节期、拔节—抽雄期和抽雄—灌浆期，灌水次数3次左右，玉米灌溉需水量计算有A、B两类方案，具体方案如下：

A类方案：玉米生育期灌溉3次，即播种—拔节期、拔节—抽雄期和抽雄—灌浆期。

B类方案：玉米生育期灌溉2次,分别为B1播种—拔节期和拔节—抽雄期，B2播种—拔节期和抽雄—灌浆期，B3拔节—抽雄期和抽雄—灌浆期。

计算扣除保证率为P=95%时降水量的玉米灌溉需水量，当需水量小于降水补给量时不需要灌溉，降水量能满足玉米的需水量。玉米灌溉需水量：

P灌=P需-10P降m

(1)

式中P灌为玉米灌溉需水量( m3/hm2)；P需为需水量( m3/hm2);P降为保证率下的降水量(mm)；m为折算系数，取0.9。

根据4种灌溉方案计算玉米在灌溉期各月的需水量， 玉米灌溉期各月需水量见表6。

表6 玉米灌溉期各月需水量Table 6 Water demand monthly in corn irrigation /(m3·hm-2)

计算保证率P=95%时A类方案和B类方案在生育期内所需的地下水灌溉水量，计算结果见表7～表11。

表7 A类方案:灌溉3次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 7 Plan A:Amount of dry years of irrigation three times (P=95%)

表8 B1类方案：灌溉2次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 8 Plan B1:Amount of dry years of irrigation twice(P = 95%)

表9 B2类方案 灌溉2次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 9 Plan B2:Amount of dry years of irrigation twice(P = 95%)

表10 B3类方案 灌溉2次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 10 Plan B3：Amount of dry years of irrigation twice(P = 95%)

表11 P=95%不同方案玉米需水量Table 11 Different scenarios of corn water demand(P=95%)

在特枯水年(P=95%)，采用A方案，玉米灌溉需水量为1 710.6 m3/hm2；采用B1方案，玉米灌溉需水量为1 118.5 m3/hm2；采用B2方案，玉米灌溉需水量为631.0 m3/hm2；采用B3方案，玉米灌溉需水量为882.1 m3/hm2。可见B2方案所需地下水灌溉水量最小，在肇州县地区可在播种—拔节期和抽雄—灌浆期对玉米进行灌溉补水，可达到节水增粮的效果。

4 结 论

基于高效灌溉的目的对肇州县玉米生育期的灌溉需水量进行分析和计算，得到的主要结论有：

1)充分灌溉时采用A方案，灌溉时段为1、2、3，3个时段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量为1 710.6 m3/hm2；采用B1方案，灌溉时段为1、2,2个时段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量为1 118.5 m3/hm2；采用B2方案，灌溉时段为1、3,2个时段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量为631.0 m3/hm2；采用B3方案，灌溉时段为2、3,2个时段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量为882.1 m3/hm2。

2)对比分析4种灌溉方案，得出B2方案在播种—拔节期和抽雄—灌浆期灌水2次所需水量为631 m3/hm2，是用水量最少的一种灌溉方案，达到高效灌溉的目的。

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