宁夏汉延渠灌区灌溉水利用系数测算分析与评价

姬小敏 唐 莲 张红玲

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏回族自治区水利科学研究院，宁夏 银川 750021；3.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021；4.“旱区现代农业水资源高效利用”教育部创新团队，宁夏 银川 750021)

我国西北内陆地区水资源匮乏，水资源利用效率较低，因此，在减少灌溉用水的情况下提高农业用水效率，进而达到节水的目的，是西北地区农业、生态环境、水资源、土地资源健康发展的重要课题。近年来，许多学者对灌溉水利用系数进行了研究，王景山等[1]采用首尾测算法求出样点灌区的灌溉水利用系数，进而得到灌区整体的平均灌溉水利用系数；张鹏程等[2]通过对比分析，推荐使用首尾法对宁夏灌区灌溉水利用系数进行测算；申佩佩等[3]分析了首尾测算法和分段测算法的优缺点；杜斌等[4]提出在合理灌水定额下，冬灌可以提高灌溉水利用系数；张玉顺等[5]以河南省为例，采用首尾测算法对112处样点灌区的灌溉水利用系数进行测算，取得的研究成果对现有水资源利用及研究具有重要的现实和指导意义。

宁夏位于西北干旱区，气候特点干旱少雨，水资源十分匮乏，水资源人均占有量不及全国平均水平的1/10，农业在经济、社会中占有重要的位置，引黄灌区是维系宁夏农业和生态发展的命脉，2019年农业灌溉用水量占宁夏水资源总量的84.8%，2019年宁夏灌溉用水有效利用系数0.494，低于全国平均水平[6-7]。本文在“系数连乘法”(以下简称连乘法)和“首尾测算分析法”(以下简称首尾法)大量研究成果基础上，选取宁夏汉延典型渠段和样点灌区，计算分析了两种方法得出的2018年、2019年汉延灌区灌溉水利用系数，计算成果可为灌区水资源优化配置利用和现代化节水型灌区建设提供一定的参考[8-12]。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

汉延渠位于宁夏西北干旱带，是河西灌区最古老的干渠之一[13]。汉延渠灌区承担着兴庆区、永宁县、贺兰县、青铜峡市的13个乡镇、74个行政村及4个农场的灌溉任务[14]。

汉延渠灌区范围内干旱少雨，降雨主要集中在6—8月，多年平均降水量约为164mm，蒸发强烈，风大沙多，气温变化大，日温差大，多年平均气温8.7℃。灌区内太阳辐射大，年太阳总辐射141.7kcal/cm2，光能资源丰富，日照长，光照充足，温差也大，更适合于有机物质的合成，适宜农产品的生长。灌区为黄河冲积物沉积而成，地势平缓，土壤以砂壤为主，土壤自然肥力较好，依附黄河水灌溉，生产力水平较高。

1.2 试验处理

根据汉延渠灌区渠道级别、土壤质地、渠道衬砌管理水平、工程状况等因素，依据“连乘法”灌溉水利用系数测算要求，综合考虑选取代表性渠段。选择干渠段1条、下级典型支渠2条及其下级斗渠各2条、农渠各4条；“首尾法”测算系数值参考《宁夏农田灌溉水有效利用系数测算成果报告》，结合汉延渠灌区续建配套与节水改造工程实施情况，选取汉延渠唐铎至通桥段作为典型干渠段，在汉延渠灌区的上中下游，分别布设监测点位，在每一监测点位对种植面积大于10%的作物全部布设监测田块，同一作物布置3块监测田，共布设典型田块30个。

1.3 分析方法

“首尾法”计算灌溉水利用系数计算公式如下[15-16]：

(1)

式中：ηw为灌溉水利用系数；Wj为净灌溉用水量，m3；Wα为毛灌溉用水量，m3。

“连乘法”计算灌溉水利用系数即各级渠道的渠系水利用系数与田间水利用系数连乘的乘积，计算公式如下：

η灌=η渠系η田

(2)

(3)

式中：η灌为灌区田间水利用系数；η田i为不同作物田间水利用系数；Ai为作物i在灌区内种植面积，亩；∑Ai为不同作物各自灌域的种植面积加权，亩。

η渠系=η干η支η斗η农

(4)

式中：η干、η支、η斗、η农为灌区各级渠道的渠系水利用系数。

1.4 灌区灌溉水量及种植结构

汉延渠灌区引水主要为黄河水，部分高效节水及设施蔬菜采用地下水进行灌溉。灌区引水主要用于农业灌溉及湿地、湖泊、鱼池的补水，2018年、2019年年引水量分别为3.8301亿m3和3.5925亿m3。

汉延渠作物种植结构及灌溉面积变化见表1。

表1 汉延渠作物种植结构及灌溉面积变化

2 测算结果分析

2.1 “连乘法”测算

2.1.1 渠系水利用系数

2018年、2019年对各级渠系进行测量，其中干渠完成23测次、支渠27测次、斗渠34测次、农渠64测次，通过测算得到汉延渠各级渠道渠系水利用系数见表2。

表2 各级渠道测次和渠道水有效利用系数测算

2.1.2 典型田块田间水利用系数

根据典型田块田间水利用系数的测算结果，对不同作物种植面积加权平均计算灌区田间灌溉水利用系数为0.854，具体计算结果见表3。

表3 汉延渠典型田块田间灌溉水利用系数测算

2.1.3 典型灌域灌溉水有效利用系数

典型灌域灌溉水利用系数以渠系水利用系数乘田间水利用系数，公式如下：

(5)

2.2 “首尾法”测算

2.2.1 灌溉水有效利用系数测算成果

根据“首尾法”，2018年和2019年灌区灌溉水利用系数测算对比结果见表4。

表4 2018年和2019年汉延渠灌区灌溉水有效利用系数测算对比结果

根据式(1)计算得2018年、2019年年灌溉水利用系数为0.464、0.468。

2.2.2 “首尾法”测算灌溉水利用系数变化分析

依据《宁夏水利科学研究院灌区渠系水利用系数测算成果》，汉延渠灌区2013—2019年渠系水利用系数见图1。由图1可以看出，2013—2019年，基于“首尾法”的计算结果，汉延渠灌区的灌溉水利用系数成缓慢增长的趋势，2019年较2013年提高了0.102。究其原因：一方面是由于灌区的作物种植不断优化和稳定，减少了灌溉用水量；另一方面是由于渠系砌护改造，减少了渗漏损失，渠系水利用系数得以提高。

图1 汉延渠灌区灌溉水有效利用系数2013—2019年变化趋势

2.3 不同测算方法结果对比分析

采用典型渠段“连乘法”和“首尾法”对汉延渠灌区灌溉水利用系数进行测算，从结果来看，两种测算方法计算灌溉水利用系数结果有差异，“首尾法”计算出的农田灌溉水利用系数大于典型渠段“连乘法”的测算结果。

2.3.1 测算方法对比分析

从测算方法来分析，传统 “连乘法”，通过系数连乘的方法得到灌溉水利用系数，首先测得不同级别典型渠道的渠系水利用系数，加权平均得到灌区各级渠道的渠系水利用系数，再乘以典型田块的田间水利用系数，这种方法能充分体现灌区各级渠系、田间用水的有效利用性，可综合反应不同级别渠道和田间水的灌溉水利用情况，直接反应灌溉水在输、配水和灌水过程中的损失，能够指导灌区对渠道的防渗、衬砌和田间的节水灌溉等具体工作。但其工作量大、耗时耗力、测量条件要求严格、不易操作、准确性较差，致使测定结果往往可信度不高[17]。

“首尾法”是根据灌溉水有效利用系数测算的过程和实质，人为概化而来的一种测算方法，能够提高灌溉水利用系数精度的要求，测量结果更接近实际，测量方法简单，工作量小且耗时耗力少[18]。宁夏目前采用最多的就是“首尾法”，即通过测算黄河取水口取水量和田间净用水量来计算灌区灌溉水有效利用系数，可对灌区整体灌溉水平进行评价，提出灌区灌溉水利用系数影响因素。

2.3.2 不同测算方法测算系数值分析

典型渠段应用“连乘法”测算汉延渠灌溉水利用系数为0.366，而“首尾法”测算汉延渠灌溉水利用系数2018年为0.464、2019年为0.468，首尾测算法计算结果较典型渠段测算结果偏大。首先，典型渠段测试各级渠道水利用系数仅为各级渠道尺度下的流量或水量测算数值，而对较大尺度的影响无法计量，首尾测算法从全灌区尺度测算，其对不同尺度的回归水、弃水通过实际灌溉面积的统计可综合计入，故首尾测算法在大尺度下对净灌溉水量的统计更加全面，在一定程度下其净灌溉水量的测算大于典型渠段测算。其次，典型渠段法通过干、支、斗、农、田间不同尺度灌溉水利用系数逐级测算，从测算结果来看干渠灌溉水利用系数为0.876、支渠灌溉水利用系数为0.765、斗渠灌溉水利用系数为0.762、农渠灌溉水利用系数为0.840、田间灌溉水利用系数为0.854，渠道水利用系数为干渠>田间>农渠>支渠>斗渠，分析原因，其值与渠道输水流量、灌溉工程布置、种植结构调整、测量仪器精度、人为因素等有关，其测算结果精度有待进一步验证。

3 结 语

本文选取汉延渠典型渠段和样点灌区，采用“连乘法”和“首尾法”，计算出宁夏汉延渠灌区2018—2019年的灌溉水利用系数，并对其进行对比分析。通过传统“连乘法”测算得汉延渠灌区灌溉水利用系数为0.366；而“首尾法”测算得汉延渠灌区灌溉水有效利用系数2018年为0.464，2019年为0.468。经对比分析，“首尾法”从全灌区尺度测算，对不同尺度的回归水、弃水通过实际灌溉面积的统计计入，在大尺度下对净灌溉水量的统计更加全面。灌溉水利用系数差别的可能因素是受渠道输水流量、种植结构、灌溉工程布设等对灌溉水利用系数的影响。且“首尾法”的测算结果更加接近实际，与国内众多学者的分析相吻合，测量方法也较简单，工作量小、耗时耗力少。因此，采用“首尾法”对宁夏农业灌溉用水有效利用系数进行测算分析比较适宜。