农田灌溉水有效利用系数测算分析

鄢文生

(盘州市水务局，贵州 盘州 553537)

随着我国社会经济的发展，水资源紧缺形势日益紧张，根据现有水资源的使用分配情况来看，农业灌溉用水占比达到80%，其灌溉方式总体较为粗放，灌溉水利用效率较低，由此如何实现水资源的合理开发与高效利用十分关键。为充分挖掘农田节水潜力、科学指导节水改造，科学开展灌溉水有效利用系数测算分析与评估备受关注，这也是本文分析的重点所在。

1 农田灌溉水有效利用系数概念

灌溉水有效利用系数是表征灌溉用水效率的重要指标，在区域农业水资源的管理、节水农业技术措施的实施效果评价中发挥着关键性的作用，为灌溉系统优化提供了可靠依据[1]。

本文主要针对农田灌溉水有效利用系数展开具体分析，其指的是田间所需净流量(水量)与渠首引入流量(水量)之比，根据灌溉水整个流经过程，可将其分解为两部分：渠系水有效利用系数、田间水有效利用系数。在农业发展中，通过灌溉水有效利用系数的科学测算分析，有利于全面掌握农业灌溉中不同环节用水情况，明确灌区节水潜力，真正找出节水核心环节，制定合理的、可行的节水灌溉发展规划，切实缓解区域水资源供需矛盾，促进农业可持续发展[2]。

2 农田灌溉水有效利用系数测算的方法

现阶段农田灌溉水有效利用系数测算方法主要有两种，一种是首尾测定法，另一种是典型渠段法。

2.1 首尾测定法

首尾测定法，即：只测定被作物吸收利用的水量W田净与灌区渠首引入水量W总，灌溉水有效利用系数η计算公式如下：

(1)

式中：η为灌溉水有效利用系数；W总为灌区渠首引入水量，m3；W田净为被作物吸收利用的水量，m3。

在实际测算中，W总根据灌区当年用水量资料确定，W田净的确定方法较多，据此可将首尾法分为以下几种。

2.1.1 直接计算法

此方法利用灌区灌水定额M、灌区总灌溉面积A(单位：亩)相乘获得W田净，具体计算公式如下：

W田净=M·A

(2)

式中：M为灌区灌水定额，m3/亩；A为灌区总灌溉面积，亩。

2.1.2 田间试验法

此方法通过测定灌溉前后土壤湿润层内土壤含水率获得W田净，具体计算公式如下：

(3)

式中：H为土壤计划湿润层深度，cm；γ为土壤干容重，g/cm3；θgi为第i次灌水前土壤含水率，%；θ0i为第i次灌水后土壤含水率，%；i为灌水次数，次。

2.1.3 作物需水量法

无降水、地下水埋深大地区，可直接将作物需水量ET当作W田净；有降水或是地下水补给地区，可以用ET减去有效降水量P0、地下水补给量K获得W田净，具体计算公式如下：

W田净=(ET-P0-K)·A

(4)

式中：ET为作物需水量，m3/(亩·d)；P0为有效降水量，m3/亩；K为地下水补给量，m3/亩。

在实际测算中，ET主要根据作物、气象资料，通过Penman-Monteith公式估算，并结合当地已有试验资料验证。

2.2 典型渠段法

典型渠段法，灌区内选择代表性渠段，测定渠段水有效利用系数，并做好修正工作，通过其与田间水有效利用系数相乘获得灌溉水有效利用系数[3]。

2.2.1 测定方法

(1)田间水有效利用系数。此系数为W田净与末级农渠进入田间水量W末级之比，具体公式如下：

(5)

式中：W末级为末级农渠进入田间水量，m3。

在实际测算中，W田净的测定与首尾法一致，W末级可通过在渠尾设量水建筑物、流速仪测定。

(2)渠系水有效利用系数。此系统为灌水期间同时工作各级渠道水有效利用系数的乘积，需对干、支、斗、农渠等分别进行测算，具体方法如下：

(6)

式中：η渠道为渠道水有效利用系数；ΔL为代表性渠段长度，m；Δt为冲水时间，s；ΔV为充水水量，m3；A为渠道截面积，m2；V为通过渠道流量，m3/s。

②动水测定法。此方法主要是对上下游过水断面流量进行测定，经计算后获得相应的渠段水利用系数，具体公式如下：

(7)

式中：Q上为渠段上断面流量，m3/s；Q下为渠段下断面流量，m3/s。

在实际测定中，有流速法、水工建筑物法两种方法，前者主要是采用浮标、流速仪进行测量；后者主要是根据坝址处水力条件等，选择量水建筑物，如：巴歇尔量水槽、梯形量水堰。

2.2.2 计算方法

(1)渠道水利用系数计算及修正。各级渠道(干、支、斗、农)η渠道计算公式如下：

η渠道=η渠段L/ΔL

(8)

式中：η渠道为渠段水有效利用系数；L为渠道长度，m；ΔL为代表性渠段长度，m。

灌区中输配水渠道较复杂，即使是同一级渠道对于水的利用效率也是存在差异的，因此必须做好η渠道修正工作，具体公式如下：

(9)

式中：η为未修正渠道水利用系数；η修为修正后的渠道水利用系数；n为下一级渠道条数。

(2)灌区渠系水利用系数。

η渠系=η干η支η斗η农

(10)

式中：η渠系为渠系水利用系数；η干、η支、η斗、η农为干、支、斗、农渠修正后各级渠道水利用系数。

(3)全灌区灌溉水利用系数。此系数主要由η渠系、η田间相乘所得，具体公式如下：

η灌区=η渠系η田间

(11)

式中：η灌区为全灌区灌溉水利用系数。

3 实例探析农田灌溉水有效利用系数的测算

本文仅以某灌区灌溉水利用系数首尾法测算为例展开具体分析。

3.1 项目背景

本文仅以某特大型灌区为例展开分析，其在工程尚未形成时出现大水漫灌的情况，导致大面积土地次生盐碱灾害，被迫停灌，多次改造后设计引水能力减至141 m3/s，后基于水资源管理要求，灌区续建配套与节水改造工程建设。此灌区主要采用渠灌、井灌以及井灌与渠灌结合的灌溉模式，以旱作物种植为主，夏粮作物、早(晚)秋作物分别为小麦、棉花、玉米，少量种植大豆、花生。

3.2 灌区灌溉水利用系数测算

3.2.1 选取计算时段

综合考虑灌区作物生育期(小麦：上年10月—当年5月；棉花：当年4—10月；玉米：当年6—9月)，最终选定计算时段上年10月—当年10月。

3.2.2 测算灌区农业灌溉净用水量

本项目采用首尾法中的作物需水量法进行计算。

(1)采用参考作物法(单作物)计算获得作物需水量ETC，具体公式如下：

ETC=KCET0

(12)

式中：KC为参考作物的作物系数；ET0为参考作物的腾发量，mm。

根据灌区规划报告，确定小麦、棉花、玉米KC值，ET0采用彭曼修正公式计算，气象数据依据相关观测计算，具体计算结果如表1所示。

(2)采用有效降水系数与次降水量相乘获得有效降水量，本项目结合以往降水资料，确定有效降水系数，具体取值参考表2。本灌区有效降水量逐旬计算结果见表3。

(3)采用灌区地下水利用量经验公式与地下水埋深观测资料计算获得地下水补给量，此区域地下水埋深绝大多数超过2.8 m，地下水补给量基本为零，综合考虑后决定忽略地下水补给量。

表1 灌区主要农作物全生育期需水量 mm

表2 有效降水系数确定

表3 灌区有效降水量逐旬计算结果 mm

(4)采用灌区综合作物全生育期需水量(见表4)减去有效降水量获得灌区灌溉净用水量为203.48 mm，以此值乘以当年实际灌溉面积15.84万hm2，可得灌区灌溉净用水总量32 231.84万m3。

表4 灌区综合作物全生育期需水量

3.2.3 测算灌区毛灌溉用水总量

(1)采用明渠测流的方法确定渠道总引水量，并通过桥测或缆道测量过水断面面积和断面流速的方法获得过水断面流量。对上年10月—今年10月渠道水量进行监测，最终测定计算得到灌区渠道总引水量30 245.53万m3。

(2)采用水表计量的方法确定灌区工业生产和城市生活用水量，上年10月—当年10月共计1293.81万m3。

(3)采用渠道总引水量减去灌区工业生产和城市生活用水量获得灌区渠道农业灌溉引水量为28 951.72万m3。

(4)采用调查统计的方法获得灌区机电井提水灌溉水量为41 654.00万m3。

(5)采用引水与提水相加的方法获得灌溉毛用水量为70 605.72万m3。

3.2.4 灌溉水利用系数计算

根据上述计算结果，可得灌区灌溉水利用系数为0.457，近年来随着节水改造工程的持续推进，灌溉水利用系数逐年提高，本次计算结果与往年数据相比较为合理。

4 结 语

面对我国水资源短缺、工业(城市)用水量急剧增加这一形势，用水效率成为全社会的关注焦点之一。在各地农业发展中，必须科学开展灌溉用水有效利用系数计算，以采取针对性的措施提高灌溉用水有效利用系数，充分挖掘农业节水潜力，实现有限水资源合理配置和高效利用，促进农业增产、农民增收。