西南地区农田灌溉用水影响因素研究——以重庆市石柱县为例

杨唐邵景安郭跃杨华良

(1.重庆师范大学地理与旅游学院，重庆 401331；2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 401331；3.重庆市城口县水利局，重庆 401331)

我国作为农业大国，人均耕地面积少，降水的时空分配不均，土地资源和水资源分配不均，这种特殊的自然地理分布格局使得我国农业生产效率不高，必须高度依赖农业灌溉。2011年的中央一号文件明确提出了水资源管理的3条红线，其中用水效率是水资源管理中的重要控制红线之一；2016年，十三五规划明确提出促进农业现代化，提高保障农产品供给安全的能力，并在全国范围内的重点灌区推进高效节水灌溉行动；2018年，中央一号文件提出灌区配套设施的现代化建设和改造，尤其是促进小型农田水利设施标准的提高和质量的提升，建设高效的节水灌溉工程。因此，大力推进高效农业灌溉工程的建设和节水灌溉的推广应用成为我国建成节水型社会的重要突破口；如何进行节水农业灌溉并维持其长久高效运行，成为当前农业建设的重要讨论议题之一。

净灌溉用水定额是样点灌区作物在灌溉过程中除去蒸发、土壤的渗漏、植物的蒸腾等因素所使用的灌溉用水；毛灌溉用水定额是在除去渠系的渗漏，渠系周边的引水，渠系工程等因素后使用的灌溉用水量[1,2]。因此，灌溉用水定额在实施过程中具有可调节性和可变动性。农田灌溉定额是指导农田灌水工作的重要依据，也是编制灌区水利规划、设计灌溉工程、制订制灌区用水计划的基础资料[3]。目前，无论是研究单一因素对农田灌溉用水量的影响还是从综合的角度来测算农田灌溉用水定额，我国北方地区和东部平原地区关于农田灌溉用水的研究较为完善和具体[4-8]；但是针对西南地区的农田灌溉用水定额研究较为缺乏，主要原因如下。

西南地区灌区多以山地为主，丘陵和平地的占比较小，地形起伏大，地形地貌条件比我国其它地区更为复杂。土层薄瘠，保水性能差，加之沟谷纵横，地表水系少，地下水埋藏深，水资源利用效率低[9]。

西南地区降水丰富，但降水季节分明，不同季节降水量差距大，季节性缺水现象突出，具有夏雨冬干，秋湿春旱的特点，导致不同时期的灌溉用水量分配难度大。

西南地区山地地形导致田块破碎分散，土地利用类型多样，在地形的影响下造成地表径流多，使水田和旱地的灌溉用水量在一定程度上相互影响。

西南地区灌溉工程的选址和修建难度上比我国其它地区难度大，加之农田灌溉主要为补充性灌溉，山坪塘等其它水源丰富等，这些成为西南地区农田灌溉用水研究和测算过程中的难点。因此，本研究选择西南地区的重庆市石柱县为本次灌溉用水的研究对象。

1 研究区概况

石柱土家族自治县位于E107°59′～108°34′，N29°39′～30°33′，地处重庆东部，境内山地为主，也有少量的平原和丘陵；地势两侧高中间低，形成“两山夹一槽”的地貌特征，如图1所示。全年平均气温在16.5℃左右，气温温和，降水丰沛，属于亚热带湿润季风区；境内灌溉作物种类丰富，旱作物灌溉主要有玉米、马铃薯等，农田灌溉则主要为水稻；其位于长江上游，境内河流广布，有龙和、官渡河、油草河、马武河、毛滩河等23条河流。

2 数据来源

灌区内的渠道防渗系数、节水灌溉工程面积、投资金额等主要指标系数通过地市级灌溉水有效利用系数测算信息管理平台(http://106.75.69.20:7004/IWEPFlex/)获知；灌区周边的人畜用水量和农村水电发电用水量通过石柱县统计年鉴中的农村水电发电量和灌区所在乡镇人口数据等推算得出；水稻生长期的降水、湿度、风速、气温等气象数据通过石柱县气象局获取；田块每次的灌溉用水量是通过在实地观测田间测水设施测量刻度后获取；土壤的性质通过实地调研获取，不同土壤的持水量则通过查阅相关文献获取相关系数。

3 研究方法

本文主要采用实地调研和文献研究等方法开展研究。

3.1 实地调研法

通过使用多普勒流速仪对渠首引水的流速进行测量，在结合矩形明渠流量的相关流量计算公式对渠首引水量进行测算；通过实地调研对灌区周边人口的分布、渠道修建的材料、其它用水等基本情况和数据进行基本的了解和数据统计；在每次灌溉时通过水标尺和三角堰等测水仪器，对田间灌溉水进行记录。

3.2 文献查阅法

通过查询石柱县的统计年鉴获取灌区人口所在地区的数量、农村小水电的发电量等数据；通过查询相关网站获取灌区的气象和灌区渠道的防渗，以及投资等相关数据，为毛灌溉用水量和净灌溉用水量的测算提供数据的支撑。

3.3 研究区样点灌区的代表性及选取

本文拟以石柱县样点灌区作为西南地区的代表研究对象，原因在于石柱县样点灌区所处独特的山地条件造成样点灌区田高水低的整体特征，所有灌区均为引水灌溉，引水灌溉水源主要来自水库或者堰塘，并且灌溉水来源多样，灌区在西南地区具有代表性；西南地区干旱频发，伏旱最为严重，而石柱县境内样点灌区春旱、夏旱、伏旱、秋旱、冬干均有发生，并且伏旱在所有干旱发生次数中最频繁，样点灌区的气候在西南地区的灾害性气候发生上具有典型性；样点灌区覆盖的地形地貌以山地、丘陵为主，主要土质类型为粘壤土或者粘质土，样点灌区的土壤在西南地区农田土壤中具有普遍性。在石柱县境内选取桃花大堰中型样点灌区，跳脚石大堰、王家坝大堰、猫岔沟水库、徐家坝水库和茶园沟水库小型样点灌区，样点灌区主要分布如图2所示。

3.4 典型田块的代表性及选取

根据《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》对典型田块选取的要求，并综合考虑石柱县境内的土壤类型、灌溉方式和制度，作物种类、地形特点等，对石柱县境内样点灌区典型田块的代表性详细剖析如下。

3.4.1 典型田块

样点灌区内典型田块主要位于丘陵及山地地区，绝大多数典型田块依山而耕，坡地较多，灌溉和耕作受地形地貌的限制较大，畦田规模较小且分散，95%位于山间丘陵地带，且均采用横畦的方式进行灌溉，符合西南地区大多数田块所在的位置特征和小而散的特点。

3.4.2 灌溉制度、方式及作物种类

石柱县样点灌区内的样点田块主要灌溉种植作物为水稻，属于雨养型灌溉且采用淹水灌溉，但因田块分散和实际的天气状况成规模的灌溉少，引水灌溉也只是补充性灌溉，并且采用一年一熟的耕作方式，样点田块的灌溉方式、制度、作物种类在西南地区具有普遍性。

3.4.3 土壤类型

样点田块的耕作多为粘壤土或粘质土，且98%为粘壤土，其余为少量砂质土和粘质土，其土壤类型与西南地区田块的土壤类型基本一致。

在石柱县境内中、小型样点灌区的上中下游分别选取典型田块，由于田块小而分散，故在上中下游分别选取相邻的田块打包作为一个整体成为中、小灌区的典型田块，中型灌区在典型田块数量的选取上多于小型田块；桃花大堰中型样点灌区在上中下游依次选取3个典型田块，跳脚石大堰、王家坝大堰、猫岔沟水库、徐家坝水库和茶园沟水库小型样点灌区在上中下游依次选取2个典型田块。

4 农田灌溉用水的影响因素

4.1 水热状况

包括样点灌区所在区域的降水、气温、日照、湿度、风速等。降水通过其有效降雨量影响田间水深，从而影响每次灌溉放水的时间和次数；气温和日照时间通过影响田间水的蒸发和水稻生长期的蒸腾而对灌溉用水产生影响；日均湿度对蒸发以及水稻的蒸腾起作用，日均湿度大，可有效减少因日照和气温导致的蒸发和蒸腾；水热状况影响当地作物的灌溉制度和灌溉方式，降水多的地区灌溉次数较少，灌溉方式较为粗放，干旱地区则多采取喷灌、滴灌等，多采用集约型灌溉，对水资源的利用效率较高。

4.2 作物种类

作物种类影响灌溉制度，通过不同作物的需水规律和水热状况等作为主要依据，从当地的实际情况和不同的水文年份状况出发，制定不同的灌溉制度。石柱县境内需要灌溉的农作物种类多，并且不同灌溉作物灌溉制度不同，造成灌溉用水量差异较大。境内样点田块的主要灌溉作物为水稻，其灌溉制度可以通过总结人民群众在长期生产中的经验进行总结归纳；根据样点灌区收集的气象资料和每次灌水资料来制定灌溉制度；根据田间的水量平衡原理来制作灌溉制度[10]。笔者通过县相关部门获取基本的水稻灌溉方式和灌溉制度，并通过现场的实地调查和当地群众交谈总结了在水稻生长周期的灌溉经验，最终统计制成水稻的基本参数表和水稻灌溉制度，如表1、表2所示。

表1 石柱县水稻基本参数

表2 石柱县水稻灌溉制度

4.3 土壤类型

不同的土壤类型有着不同的持水性质，制约水分在土壤中的扩散交换过程，从而影响土壤中水分的停留和渗漏时间，间接影响田间灌水的滞留时间；不同土壤质地的孔隙率和田间持水量见表3[11]，样点灌区的样点田块土壤主要为粘壤土或粘质土，孔隙率和田间持水量分别为0.5%和0.3%。

根据实地调研发现，石柱县样点灌区在水稻育秧前，将其播种在田块后于厢面加盖塑料薄膜，覆盖于拱形的低架上，在水稻返青时才移植到样点灌区采用淹水灌溉的种植方式，故在移植到灌区典型田块栽种后才考虑土壤因素对灌溉用水的影响。

表3 不同土壤类型的孔隙率和田间持水量

4.4 灌区干渠防渗的影响

与土渠比较而言，渠灌区渠道若采用塑料薄膜衬砌能降低80%左右渗漏损失量，若采用混凝土衬砌能降低70%～75%渗漏损失量，若采用黏土夯实能降低45%左右渗漏损失量[12]。不同建设材料修建的渠道渗漏量不同，导致渠道引水量和用水效率不同。石柱县境内样点灌区内均采用混凝土衬砌防渗，其防渗率为82.57%，且修建方式均为矩形明渠。

4.5 灌区内人畜用水

灌区内的人畜用水对渠道水的影响主要在于日常的生产生活过程中对渠道水的引用，从而造成灌区渠道实际引水量小于计划引水量。

4.6 发电用水的影响

灌区引水并非完全用于农田灌溉，绝大部分用于农村小水电站的发电，服务于当地的经济建设，在对灌溉用水的测算过程中，要扣除农村水电的用水量对于农田毛灌溉用水的影响，主要从石柱县统计年鉴获取相关数据。

5 农田灌溉用水量的测算

5.1 净灌溉用水量

通过使用直接测量的方法，测算水稻在泡田时期的需水量；根据水稻生长周期，调节水稻不同发育时期的用水量，根据每次记录的灌溉用水量，汇总后计算样点田块在水稻生育全周期的灌溉用水总量；根据汇总后的各样点田块的用水量，在计算样点灌区的净灌溉用水总量；通过样点灌区的实际灌溉面积，计算样点灌区每公顷的净灌溉用水量。

5.2 毛灌溉用水量

计算渠首引水量，在通过防渗系数计算渠系渗漏后的有效引水量；计算灌区范围内的人畜和发电用水量；利用有效降水系数，通过典型田块水稻各生长周期的降水量，计算其有效降雨量，并将其作为毛灌溉用水量中的增量部分；在扣除用于灌溉的其它用水和加上被利用的有效降雨量后，得到样点灌区毛灌溉用水总量；根据实灌面积，计算灌区每公顷的毛灌溉用水量。

经测算，2020年桃花大堰、跳脚石大堰、茶园沟水库、徐家坝水库、猫岔沟水库、王家坝大堰灌区的净灌溉用水量分别为255万m3、43.23万m3、1.7289万m3、7.5091万m3、8.9118万m3、10.3732万m3；净灌溉公顷用水量分别为9.83m3·hm-2、9.58m3·hm-2、9.65m3·hm-2、9.65m3·hm-2、9.58m3·hm-2、9.65m3·hm-2。桃花大堰、跳脚石大堰、茶园沟水库、徐家坝水库、猫岔沟水库、王家坝大堰灌区在扣除各种水量损失以及水稻生长周期降水的补给后，各灌区毛灌溉用水量分别为495.03万m3、87.66万m3、3.518万m3、15.185万m3、18.305万m3、21.2万m3；各灌区的每公顷用水量分别为18.17m3·hm-2、19.56m3·hm-2、19.63m3·hm-2、19.56m3·hm-2、19.77m3·hm-2、19.70mm3·hm-2。综合测算可知，石柱县在2020年的农田灌溉用水量为19.4m3·hm-2。

6 结果与分析

从上述测算结果可以看出，2020年石柱县农田每公顷灌溉用水量中，中型灌区与小型灌区的公顷灌溉用水量实际相差不大，但是中型灌区的公顷灌溉用水量低于综合公顷毛灌溉用水量的19.40m3·hm-2，小型灌区每公顷灌溉用水量均高于19.40m3·hm-2；降水、蒸发、渠道的防渗系数、节水工程面积等多种因素综合影响样点灌区用水量。将不同的影响因素进行分类归纳，分别为自然因素、工程因素和管理因素，如表4所示。

表4 灌溉用水量影响因素

6.1 自然因素的分析

气候对灌溉用水量的影响主要包括如下几点。气候条件对蒸腾和蒸发的影响。样点灌区水稻不同生长周期的日照、湿度、气温、风速、降水量等因子对作物蒸发量的影响最为明显，其中风速、气温、日照与蒸发和蒸腾量呈现正相关关系，湿度、降水量与蒸腾、蒸发呈反向变化。气候条件影响有效降雨量。石柱县样点灌区的气象站监测数据显示，水稻的灌溉用水量与降雨量的大小和频率呈正相关关系；降雨的频率越高，灌区的灌溉用水量越少，同时降雨量越大，降雨的有效降雨系数越大，作物灌溉利用的有效降雨量就越多；虽然气候条件影响灌溉用水的诸多环节，但是从整体的用水状况来看，降水量的大小与灌溉用水量呈正比关系，在同等渠道防水灌溉条件下，西南4省各省的综合667m2均用水量从大到小依次为云南、四川、重庆、贵州；同一灌区在不同的水文年用水状况不同，丰水年的农田灌溉用水量较枯水年少。

6.2 工程因素的分析

工程因素对667m2均灌溉用水量的影响主要包括当年完成节水灌溉工程投资、节水灌溉工程面积、干渠衬砌防渗率等。渠道的不同防渗标准直接影响渠系水利用系数，渠系水的利用系数关系到渠首引水后渠道总体的有效输水量，南方地区不同渠道灌溉工程在防渗前后的渠道水利用系数，如表5所示[13]。

表5 渠道防渗前后的有效水利用率

节水灌溉工程的投资直接影响灌溉渠系工程的修建和所采取的防渗措施，节水工程面积间接影响年毛灌溉用水总量。石柱县样点灌区2018—2020年的投资金额分别为3047万元、3334万元、4549万元，分别增加9.4%、36%；年毛灌溉用水总量2018年3779.65万m3，2019年3662.95m3，2020年3508.53m3，分别下降3%、4%。随着节水工程投资的增加，节水工程面积也相应增加，节水工程投资与节水工程面积呈现正相关关系。节水灌溉工程投资与灌区的毛灌溉用水总量、节水工程面积的线性变化规律如图3所示。

此处投资金额大幅增加并没有带来年毛灌溉用水总量的大幅减少，是因为2020年新增节水工程投资用于新增东方红灌区渠道设施的修建，但典型田块的选取并没有完成，其毛灌溉用水和净灌溉用水量并没有正式纳入测算工作，导致年毛灌溉用水总量并没有随着投资的大幅增加而呈现相应的减少。

6.3 管理因素的分析

对于降低灌溉用水量而言，灌溉工程设施是基础，用水管理是关键。工程设施为降低667m2均灌溉用水量提供了物质保障，管理的改进能有效提高用水效率，减少非输水工程造成的水量损失，减少量水设施等因其它因素而造成的净灌溉用水量增多的情况，从而间接提高灌溉水有效利用系数，农田灌溉有效利用系数与管理水平呈正相关关系。

2020年，桃花大堰中型灌区灌溉水有效利用系数由2019年的0.5105增加到0.5153；各小型灌区节水灌溉水有效利用系数增长1.8%，达到0.4911；全县灌溉水有效利用系数由2019年的0.4933变为0.5013。在灌区灌溉工程、原有节水工程面积等工程要素保持不变的基础上，由于对灌溉用水次数的严格控制和灌溉放水量精准把握、渠系引水过程中对渠道的有效维护等，以及管理的介入和加强促使灌溉水有效利用系数不断提升。

样点灌区通过合理的水量调度和调节，减少渠道水输送过程中的各种损失，从而提高了渠道水的有效运输量和渠道的输送效率，间接提高了农田灌溉水有效利用系数；灌区管理人员在日常加强对渠道工程的监测和维修，量水设施的管理和维护的过程中，同样会减少农田灌溉过程的损失，间接提高农田灌溉的用水效率，减少灌溉用水量；在其它条件相似的情况下，管理水平越高，其灌溉用水量越少，管理水平与灌溉用水量呈负相关关系。

2020年，中型灌区的灌溉节水工程投资较2019年增加320万元，增加23.5%，毛灌溉用水量较2019年减少51.96万m3；小型灌区工程总投资增加到1976万元，较2019年增加了853万元，增加43.1%，毛灌溉用水量较2019年减少322.602万m3。增加的资金主要用于样点灌区渠道防渗，基本设施设备的维护与运营及改善有效灌溉面积；其中，小型灌区由于灌溉用水系数较低和667m2均灌溉用水量较多，可提升的空间较大，故小型灌区投入的资金量较大型灌区多。

7 结论与建议

7.1 结论

通过对石柱县样点灌区灌溉用水量的测算和研究可知，中型灌区由于灌区渠道的日常维护和样点田块的规范管理等因素，虽然净灌溉和毛灌溉总用水量多于小型灌区，但是在667m2均用水量上，中型样点灌区的667m2均净灌和毛灌溉用水量均低于小型灌区，并且远低于重庆市灌溉用水定额中所规定的平水年渠系以衬砌、自流取水条件下中型灌区的23.11m3·hm-2；小型灌区在灌区的日常管理及节水工程面积都不及中型灌区，具有较大的提升空间。

7.2 建议

近几年来，石柱县中型灌区和小型灌区的投资金额不断增加，但是小型灌区的节水灌溉水平的提升远不及中型灌区，为降低农田灌溉每公顷用水量，提高用水效率，针对石柱县样点灌区存在的问题，西南灌区在提高用水效率，降低每公顷用水量时可以采取以下措施。

7.2.1 自然因素

有条件的地区可以建立小型的气象数据监测站，将气象数据资料与田间的水标尺、三角堰、测量渠道水流速的流速仪等设施设备结合起来，在每次引水和灌水时，将各种数据进行准确记录，减少测算过程中降水和蒸发等因素对灌溉用水量的影响。在资金缺乏无法建立气象数据监测站的地区，可以借助周边气象站收集的气象资料来辅助灌区内的测量设备进行灌溉用水的测量工作。

7.2.2 工程因素

针对渠道工程，积极推进老旧渠道的防渗改造、新建渠道采用防渗材料，加强田间设备的配套建设，尤其是小型灌区在渠道和田间设备的维护和更新，逐步加强样点田块设施设备和渠道防渗的标准化建设；针对山区田块高低不平分散等问题，可以采取加强土地平整和更换样点田块等措施；同时在山区丘陵间，积极利用天然地势修建山塘坪等储水设施，增加除渠道外的灌溉水来源，推进山区水资源的高效利用，提高灌溉保证率和实际灌溉面积。

7.2.3 管理因素

要加强灌区渠道和田间设施设备的维护，不定期对渠道的状况和样点田块的设施进行检查和报备；加强对基层管理人员的教育和培训，建立专业化的基层用水管理组织和队伍；通过水价改革，增强灌区周围居民的节水意识，逐渐改变当地居民的灌溉用水行为，减少灌溉用水和其它用水的浪费，提高用水效率和农田灌溉水有效利用系数，降低灌溉用水量。