鄱阳湖流域典型灌区不同区域尺度水稻灌溉定额研究

刘方平，管升明，邓海龙，李效文，才 硕

(1.江西省灌溉试验中心站，江西 南昌 330201；2.江西省赣抚平原水利工程管理局，江西 南昌 330096)

0 引 言

灌水定额及灌溉定额是灌区规划及管理的重要依据[1]。我国有许多灌区设置了灌溉试验站，开展了包括作物需水量、灌溉制度、灌水技术等一系列试验研究，积累的试验资料为灌区制定科学灌溉制度提供了重要依据。但是，在选用灌水定额或灌溉定额时，必须注意原试验的条件，不能一概照搬。在农田灌溉中，渠道渗漏、弃水、退水，田间渗漏与田面排水、跑水等注入地下水或回流到各级排水沟或天然河沟中，然后被重新利用，这称为回归水[2]。然而，由于回归水的相当部分可以在更大区域尺度被重新利用[3,4]，使全灌区的综合灌溉定额并不是简单、传统的该时段各种作物灌溉定额的面积加权平均值。在不同尺度上，回归水的质量和数量的不同，以及其内部存在复杂的转化关系，所以在考虑回归水重复利用时，所求的综合灌溉定额具有尺度效应[5]。

当前，农业灌溉领域争论的一些问题，例如真实节水问题，真实需水量、节水潜力问题，渠道防渗标准与规划设计标准问题等，均与尺度效应有关[6]。早在 1982 年，美国加州戴维斯大学土地、大气和水资源系的David C.Davenport和 Robert M. Hagan就对灌溉取水节水量中的可回收水与不可回收水的概念作了比较系统的说明[7]；1998年，国际灌排学院首次明确提出了关于“真实”节水问题的一些概念；Solomon 等(1999)认为，田间尺度上的灌溉效率同灌区和流域尺度上的灌溉效率之间关系复杂的原因是一块农田的出水可被另一块农田利用[8]；Tuong等(1999)指出从农田尺度的节水研究到灌区和流域尺度的节水研究是一个巨大的挑战[9]；Guerra 等(1998)强调要进行不同尺度水分生产率研究和了解小尺度与大尺度水分生产率之间的关系[10]。在国内，我国水利水电科学研究院水资源研究所认为将平原区地面灌溉方式改为喷灌方式不具有真实节水意义[11]；郭相平、张展羽等(2000)指出：渠道和田间渗漏所产生的回归水中的部分水量可能被重新利用，不能全部看做是可以节约的水量[12]；董斌等(2005)[13]结合漳河灌区田间试验数据和灌区长系列的历史资料，定量分析了采用节水灌溉技术对不同尺度水分利用率的影响。

不同尺度农业水资源的规划、调度、管理和评价正成为一个热门研究领域[14-16]。因此，研究灌溉水的尺度效应有助于深入理解及解决这个问题。本研究在南方地区鄱阳湖流域选取典型区域，开展不同尺度水量平衡试验，研究一季稻全生育期区域尺度的灌溉定额，并与大田典型田块和测坑试验结果进行对比分析，以探明田间尺度与区域尺度水稻灌溉定额的差异。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

为研究区域尺度农田灌溉定额，在鄱阳湖流域赣抚平原灌区二干渠中游选取了一块灌溉排水相对封闭的稻作区，以方便区域水量平衡分析；该区域靠近江西省灌溉试验中心站灌溉试验研究基地(距离约200 m)。研究区域面积117.62 hm2，形似三角形；区内主要种植一季稻，其种植面积占该区域总面积的81.36 %。研究区域示意图和土地利用情况具体见图1和表1。

图1 研究区域示意图

土地利用面积/hm2占比/%水稻95.7081.36 经济作物3.292.80 大棚蔬菜3.332.83 塘堰7.696.54 天然湿地2.822.40 莲藕田1.581.34 沟渠1.721.46 田间道路1.491.27 合计117.62100.00

研究区域所在赣抚平原灌区，属于亚热带季风气候区，土壤类型为黄泥土；灌区多年平均降水量1 740 mm，年际降水量变幅为1 100～2 400 mm；多年平均水面蒸发量(E-601)1 100 mm，年均陆地蒸发量约800 mm；灌区农作物以水稻为主，为江西省重要商品粮基地之一，还有一些其他经济作物，如蔬菜、豆类、杂粮等。

同时，为探明不同尺度农田灌溉定额之间的差异，本研究在研究区域内选取代表性水稻典型田块(田块为长方形，每块面积约为667 m2)，进行田块标准化改造，实行灌排分开，单独计量；并以江西省灌溉试验中心站灌溉试验研究基地作物需水量测坑为对比研究对象，采用当地农民普遍采用的淹水灌溉方式，进行不同尺度田块灌水量的测定。

作物需水量测坑占地面积70 m2，设有6个标准测坑，每个测坑的净面积为4 m2(2 m×2 m)，深度为2.15 m，测坑均有底，并埋设有地下水位观测井。测坑布置成两排，在中间设置宽2 m的廊道，廊道内设置供排水装置；试区采用管道供水和水表计量，排水采用翻斗式自记排水计量。

1.2 研究区灌溉排水状况

区域尺度研究区共有3个进水口和5个出水口。进水口均从赣抚平原灌区二干渠取水，5个出水口有4个从进水口的另一侧排出，另一个从取水的二干渠穿堤涵排出。进水口1为直径60 cm的圆孔；进水口2上游为直径50 cm的圆孔，下游为标准梯形断面(上底宽170 cm，下底宽58 cm，高105 cm)；进水口3为直径20 cm的圆孔。以上三进水口均通过穿路涵管连接到二干渠。出水口1为大排水沟，梯形断面(上底宽400 cm，下底宽200 cm，高约200 cm)；出水口2为矩形断面(底宽55 cm，高50 cm)；出水口3为标准梯形断面(上底宽80 cm，下底宽50 cm，高35 cm)；出水口4为标准矩形断面(底宽40 cm，高60 cm)；出水口5为不规整断面，经人工修整为矩形断面(宽为80 cm，高为50 cm)。

1.3 试验观测方法

本研究其观测周期为一季稻全生育期，即6月中旬开始，至9月底结束，试验年份为2016年。针对不同的过流断面，以自记水位计辅以人工测流的方式计算每次过流量。具有标准断面的进、出水口，在流态稳定段布设自记水位计，采取人工测定流速率定水位-流量曲线的流量测定方法。不具标准断面的进、出水口均建立标准断面。进水口1和进水口3由于穿路涵管较长，故利用管嘴出流公式进行流量计算，具体计算公式如下：

(1)

式中：Q为流出涵管的流量；μ为流量系数；A为断面面积；H为水面到管口圆心的距离(水位由HOBO自记水位计进行监测)。

进水口2利用自记水位计监测下游过流断面水位变化，同时配合流速仪定期测定其流速，采用水位-流量曲线率定方法进行流量测算。

出水口均通过在沟中安装HOBO自记水位计，采用水位-流量曲线率定方法进行排水量测算。

另外，在研究区域内选取的标准田块，布设HOBO自记水位计，监测田间灌溉排水量。同时，在研究区域内选取典型水塘和莲藕湿地，布设HOBO自记水位计，进行灌水、耗水量监测；并在经济作物区设置TDR土壤墒情监测设备和灌溉量水三角堰，对研究区域内经济作物耗水量和灌水量进行测定。

2 结果与分析

2.1 研究区域用水总量分析

通过对一季稻全生育期研究区内进出水口监测数据进行水量测算分析，计算其差值，即为研究区域内灌溉用水。对一季稻全生育期内各进、出水口进行流量统计，计算结果如表2所示。

表2 研究区域内一季稻全生育期进出水量分析

根据一季稻全生育期内进出水口水量进行监测，经统计分析，研究区全生育期内共计进水量为210.87 万m3，出水量为169.52 万m3，则区域灌溉用水量为41.35 万m3；其间降雨量为297.7 mm，折算为区域降雨量为35.02 万m3，因降雨排水量为7.93 万m3，降雨有效利用量为27.08 万m3。由此，可计算得出全生育期研究区内总耗水量为68.43 万m3，区域平均耗水量为581.7 mm(为作物蒸发蒸腾量和渗漏量之和)。

2.2 区域水稻耗水量分析

由于研究区域内种植有少量经济作物，以及有一定数量水塘湿地，也需要消耗一部分水量。因此，在监测及计算分析得到整个研究区域内用水量后，要获取水稻耗水量，还需获取研究区域内其他作物、水塘湿地等的耗水量。

(1)区域经济作物耗水量分析。经调查，研究区域内经济作物主要有蔬菜、豆类、甘蔗、杂粮等作物。通过对各作物6月至9月期间监测数据进行分析，得到各经济作物期间的耗水量，具体见表3。

表3 研究区域内经济作物耗水量统计

注：*各作物耗水量为一季稻期间，即6月至9月各月耗水量之和。

经统计分析，研究区域内各经济作物总面积为6.63 hm2，占区域总面积的5.67%；在一季稻生育期其总耗水量为2.18 万m3，约占区域总耗水量的3.18%。

(2)区域塘堰湿地耗水量分析。经调查，研究区域内塘堰湿地主要有水塘、莲藕田和天然沟塘湿地。通过对HOBO自记水位计监测数据进行水量平衡分析，得到各湿地一季稻生长期间的耗水量，具体见表4。

表4 研究区域内塘堰湿地耗水量统计

经统计分析，研究区域内塘堰湿地总面积为12.10 hm2，占区域总面积的10.29%；在一季稻生育期水塘耗水量为5.61 万m3，莲藕田耗水量为1.38 万m3，天然沟塘湿地耗水量为2.38 万m3，总耗水量为9.38 万m3，约占区域总耗水量的13.71%。

(3)区域水稻耗水量分析。据上述分析，研究区域内总耗水量为68.43 万m3，其中各经济作物总耗水量为2.18 万m3，沟塘湿地总耗水量为9.38 万m3，因此，一季稻总耗水量为56.87 万m3。研究区域内水稻种植面积为95.70 hm2，则平均耗水量为5 942.53 m3/hm2，折算成田间水层深度为594.2 mm。

2.3 区域水稻综合灌溉定额分析

据上述分析，对研究区域一季稻生育期内进出水口水量监测数据进行统计分析，得到研究区域全生育期内共进水量为210.87 万m3，出水量为169.52 万m3，则区域灌溉引水总量为41.35 万m3。

通过对灌溉水量监测数据进行分析，得到一季稻全生育期内各经济作物和塘堰湿地灌溉引水量。具体见表5。

表5 研究区域内经济作物和塘堰湿地灌水量统计

据表5计算分析可知，研究区域一季稻生育期内各经济作物和塘堰湿地总灌水量为7.34 万m3，而研究区域一季稻生育期内灌溉引水总量为41.35 万m3，因此，其间水稻灌水总量为34.01 万m3。研究区域一季稻种植面积为95.70 hm2，则平均灌水量为3 553.84 m3/hm2，折算成灌水水层深度为355.0 mm。

2.4 不同区域尺度水稻耗水量和灌溉定额分析

通过对测坑灌溉试验资料和典型田块监测资料进行分析，得到一季稻全生育期耗水量及灌溉定额，具体见表6；同时，根据上述分析，得到区域尺度一季稻耗水量和灌溉定额。不同尺度区域一季稻耗水量及灌溉定额具体见表7。

表6 典型田块和有底测坑一季稻水分消需统计 mm

注：*入渗量为人工控制排渗量。

表7 不同尺度区域一季稻耗水量和灌溉定额分析结果 mm

注：*耗水量，为作物蒸发蒸腾量和田间渗漏量之和。

据表7统计分析可知，不同尺度水稻耗水量和灌溉定额均存在一定差距，均以区域尺度最小。其中，在田间耗水量方面，表现为典型田块>有底测坑>区域尺度；区域尺度耗水量较有底测坑减少107.3 mm，减少率为15.30%；较典型田块减少137.5 mm，减少率为18.79 %；在灌溉定额方面，表现为有底测坑>典型田块>区域尺度；区域尺度灌溉定额较有底测坑减少173.3 mm，减少率为32.80%；较典型田块减少143.2 mm，减少率为28.74%。

同时，有底测坑与典型田块间耗水量和灌溉定额也存在差异，表现为耗水量与灌溉定额大小呈反向增减；其中，在耗水量方面，有底测坑小于典型田块，减少30.2 mm，减少率为4.13%；而在灌溉定额方面，有底测坑大于典型田块，增加30.1 mm，增加率为6.04 %。这主要是因为有底测坑边壁和底部均进行了防渗处理，在水稻生长期间，为保持耕作层土壤透水透气性，防止土壤还原反应产生毒害，采用定期人工模拟控制排渗，这一定程度减少了渗漏损失，从而降低了水稻耗水量，而水稻蒸发蒸腾量并未减少，加之无外部回归水的利用，使得测坑灌溉定额一定程度增加。

3 结 语

本文通过在南方丰水稻作区鄱阳湖流域选取典型区域，开展区域尺度与典型田块、试验测坑等尺度对比试验分析，探索不同区域尺度水稻灌溉定额的差异，得到以下具体结论：

不同尺度水稻灌溉定额存在一定差距，以区域尺度最小；随着尺度增大，灌溉定额逐渐减少；区域尺度灌溉定额较有底测坑减少173.3 mm，减少率为32.80 %；较典型田块尺度减少143.2 mm，减少率为28.74%。

综上所述，从测坑尺度到典型田块尺度，水稻灌溉定额有一定的下降，究其原因是典型田块存在着田间上下田块串水、渗水所致，上田块的串水、渗水在下田块得到重复利用。从田块尺度到区域尺度，水稻灌溉定额进一步下降，究其原因有三，一是灌溉水的重复利用增加，二是灌溉弃水得到重复利用，三是降雨排水截留得到重复利用。由此可见，灌溉定额从田块尺度到区域尺度的下降，说明回归水重复利用在灌区之中的存在，灌区尺度的综合灌溉定额并不是简单的逐级按权求和、平均。因此，由灌溉试验测坑和典型田块观测计算的灌溉定额，其实较田间实际需求更大，在采用灌溉试验站试验数据或典型田块观测计算数据进行农田灌溉指导或灌溉工程规划设计时，不能直接搬用，要适当考虑试验的限制条件；同时，在灌区尺度进行用水总量控制时，应适当考虑区域内回归水的重复利用，采用基于区域尺度得到的指标制定灌溉定额。