基于水量平衡法测算灌区单位面积灌溉净用水量

俞嘉庆，韩霄

(1.杭州市临安区水利水电局，浙江 杭州 325000； 2.杭州水信农业科技有限公司，浙江 杭州 310000)

农业灌溉水有效利用系数是指在一段时间内灌溉且被作物吸收利用的水量与水源地总引水量的比值[1-2]。目前，用于测算农业灌溉水有效利用系数的方法主要为首尾测算分析法，该方法采用一年当中田间实际灌溉净用水量与毛用水量的数值比进行测算[3]，但实际灌溉净用水量较难准确获取。为此，本文结合杭州市富阳区的渔山畈灌区案例，采用水量平衡法对灌区实际单位面积的灌溉净用水量进行测算，总结报道如下。

1 材料与方法

1.1 灌区概况

渔山畈灌区位于渔山溪末端的渔山乡，地处杭州市富阳区的东北部。灌区属于亚热带季风气候区，多年平均气温16.3 ℃，多年平均日照时数1 761.6 h，多年平均蒸发量1 268.9 mm，多年平均降水量1 479.3 mm。降水量年际差异显著，降水量最多的年份是1983年(1 964.4 mm)，降水量最少的年份是1967年(1 000.6 mm)。年内降水量呈季节性改变，每年有2个雨期和干旱期，降水变化呈双峰型：第1个雨期在3—7月，主要为春雨和梅雨期，降水量大且持续时间较长，约占全年降水量的48%；第2个雨期在8—9月，主要为台风雨和秋雨，降水持续时间较短，但降水量集中，强度较大，约占全年降水量的12%。

渔山畈灌区设计灌溉面积97.2 hm2，有效灌溉面积97.2 hm2。灌区内现有渠系建设情况较好，其中:干渠1条，总长度为1.3 km，采用混凝土衬砌防渗，衬砌防渗率100%；农渠12条，总长度3.12 km，采用混凝土衬砌防渗，衬砌防渗率100%。

渔山畈灌区属于小型提水灌区，灌区水源为渔山溪，共设有6座机埠，排涝站2座。机埠提水能力0.242 m3·s-1，2座排涝站排水能力0.871 m3·s-1。目前，灌区内作物播种面积86.7 hm2，作物实际灌溉面积86.7 hm2，主要种植作物为单季稻，种植时间5—10月，其余时间灌区内主要种植紫云英。

1.2 数据来源

基于渔山畈灌区附近的三溪口气象站获取2018年渔山畈灌区日平均温度、湿度、风速等气象学数据，并结合渔山畈灌区内设置的ZK-TR4土壤温湿度检测系统、超声波液位计JZ-40-1水位测针、ZK-ZD7A自动气象站等设备获得灌区土壤含水量变化等数据。

渔山畈灌区参考作物选择水稻。灌区单季稻泡田期为5月15日—6月5日，灌溉期为6月5日—10月5日，成熟期为10月5—26日。对灌区2018年5月15日—10月26日单季稻全生育期内的配套量测设施数据和当地气象站气象数据进行过滤分析，获取水量平衡测算中相关的165组基础数据。

1.3 计算方法

采用水量平衡法测算灌区实际单位面积的灌溉净用水量时，需先搜集获取当地的温度、湿度、降水量、风速变化等数据，然后结合作物实际蒸腾与蒸发情况、水分输入与输出量等参数，选取灌区主要参考作物，采用水量平衡公式计算参考作物全生育期的实际灌溉净用水量：

M=EC-Pe-Ge-W。

(1)

式(1)中：M为灌溉净用水量，mm；EC为参考作物全生育期蒸腾蒸发量，mm；Pe为参考作物全生育期有效降水量，mm；Ge为参考作物全生育期地下水补给量，mm；W为参考作物全生育期前后计划湿润层储水变化量，mm。

EC=KC·E0。

(2)

式(2)中：KC为综合作物系数；E0为参考作物蒸腾蒸发量，mm。

E0采用改进型彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式[4-5]计算：

(3)

式(3)中：Rn为输入冠层净辐射量，MJ·m-2·d-1；G为土壤热通量，MJ·m-2·d-1；T为2 m高处日平均温度，℃；U2为2 m高处风速，m·s-1；es为饱和水气压，kPa；ea为实际水气压，kPa；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线在某处的斜率，kPa·℃-1；γ为干湿温度计常数，kPa·℃-1。

参考作物全生育期有效降水量是指能被作物有效利用的当地降水[6]：

Pe=σP。

(4)

式(4)中：σ为降水有效利用系数；P为降水量，mm。

参考作物全生育期地下水补给量表示为存在于地面以下土粒孔隙间的水分借助分子间内聚力提升到作物根系活动层并被根系吸收的总量[7]，在一定的土壤类别和作物生长状况下，其与地下水补给程度和地下水所在位置、作物类型、作物耗水能力、天气变化情况等有关。

参考作物全生育期前后土壤计划湿润层储水变化量受灌区计划湿润层深度，及参考作物全生育期前、后土壤含水量的影响：

W=1 000H(θe-θi)。

(5)

式(5)中：H为计划湿润层深度，m；θi、θe为单季作物全生育期前、后计划湿润层的土壤含水量，%。

2 结果与分析

2.1 全生育期蒸腾蒸发量

单季稻全生育期内的日参考作物蒸腾蒸发量和作物蒸腾蒸发量的变化折线如图1所示。可以看出，参考作物日蒸腾蒸发量的最大值为6.38 mm·d-1，最小值为3.06 mm·d-1，平均值为5.05 mm·d-1，累计蒸腾蒸发量为832.70 mm。KC随作物生长状况变化，5—10月的取值分别为1.066、1.216、1.298、1.344、1.213、0.900，经测算，单季稻日蒸腾蒸发量的最大值为8.57 mm·d-1，最小值为3.25 mm·d-1，平均值为6.04 mm·d-1，全生育期蒸腾蒸发量为997.20 mm。

图1 参考作物蒸腾蒸发量和作物蒸腾蒸发量的变化折线

2.2 全生育期有效降水量

通过渔山畈灌区当地气象站2018年的降水量气象数据获得灌区每天的降水量P，根据渔山畈灌区实际情况，参照表1，获得降水量P对应的降水有效利用系数关系σ，继而求得灌区单季稻全生育期的累计降水量为850.2 mm，累计有效降水量为527.57 mm。单季稻全生育期内日降水量和有效降水量的变化折线如图2所示。

表1 降水量与降水有效利用系数的关系

图2 降水量和有效降水量的变化折线

2.3 全生育期地下水补给量

考虑到渔山畈灌区地面灌溉水量充足，灌溉水入渗补给较多，且地下水埋藏深度较深，地下水位上升有限，故取单季稻全生育期地下水补给量值为0。

2.4 全生育期前后土壤计划湿润层储水变化量

利用灌区配套的ZK-TR4土壤温湿度监测系统和超声波液位计确定田间水层深度观测值和土壤含水量：单季稻全生育期前土壤含水量θi为25.45%，全生育期后土壤含水量θe为23.16%，计划湿润层深度H为0.6 m，单季稻全生育期前后土壤计划湿润层内储水变化量为-13.74 mm。

2.5 灌溉净用水量

通过对渔山畈灌区单季稻全生育期蒸腾蒸发量、有效降水量、地下水补给量和全生育期前后土壤计划湿润层储水变化量等值的计算，结合(1)式，计算得到渔山畈灌区的灌溉净用水量为483.37 mm，折算为灌区每667 m2灌溉净用水量为322.25 m3。

3 小结

基于水量平衡法测算灌区单位面积灌溉净用水量，结合渔山畈灌区的实际情况，选择单季稻作为参考作物，采取灌区已有的配套设施和相关资料，过滤获取灌区单季稻全生育期的降水量、温度、风速等基础数据，计算求得灌区单季稻全生育期蒸腾蒸发量为997.72 mm，有效降水量为527.57 mm，地下水补给量为0，土壤计划湿润层储水变化量为-13.74 mm，灌溉净用水量为483.37 mm，灌区每667 m2灌溉净用水量为322.25 m3。