云南高原山区农田灌溉水有效利用系数测算分析

曹 言，李尤亮，王树鹏,2，张 雷，周筱妍，王 杰，韩 玲

(1.云南省水利水电科学研究院，云南 昆明 650228；2.永善县专家基层科研工作站，云南 昭通 657300；3.永善县水务局，云南 昭通 657300)

农田灌溉水有效利用系数是指每次灌水灌入田间可被作物利用的水量与渠首总引用水量的比值[1]，其作为最严格水资源管理制度“三条红线，四项指标”的重要内容，是衡量灌区灌溉工程现状、灌溉用水管理水平和灌溉技术水平的综合指标之一，是合理评估灌区灌溉水利用效率和农田灌溉节水潜力的基础[2-4]。农田灌溉水有效利用系数测算主要采用首尾测算分析法[4-7]，如倪深海等[4]开展了平原水网地区农田灌溉水有效利用系数测算方法的研究；蔡晓东等[5]采用首尾测算分析法计算分析了咸阳市不同类型灌区农田灌溉水有效利用系数，表明咸阳市农田灌溉水有效利用系数有很大的提升潜力；张玉顺等[6]选取河南省112个样点灌区，采用收尾测算分析法计算了河南省不同规模与类型灌区的灌溉水有效利用系数；马文博等[7]采用首尾测算分析法开展了邯郸东部平原灌溉水有效利用系数测算，提出了灌溉水有效利用系数的影响因素。首尾测算分析法中净灌溉用水量的计算最为重要，主要采用水量平衡方程[4,8]、直接测量法[3,9]、调查分析法[6]和参考标准灌溉定额[10]计算确定。而以上研究主要存在以下问题：①研究区大部分集中在北方地区，针对南方地区多水源、复杂地形条件下的研究还相对较少，尤其是针对高原山区的研究；②目前针对灌区净灌水定额的计算以调查分析法为主，直接测量法相对偏少，导致净灌溉水定额的计算存在一定的误差。与平原地区比较，云南省地貌复杂，山高谷深，河流纵横。灌区地形多位于高原山区，水源条件复杂多样，都对农田灌溉水有效利用系数测算提出了更高的要求。

在此背景下，选取云南高原山区的永善县为研究区，选取2个样点灌区，15个典型田块，采用实测法与调查分析法计算净灌水定额，通过首尾测算分析法计算了样点灌区的灌溉水有效利用系数，进而推算出2018—2020年永善县农田灌溉水有效利用系数，从而为提高灌溉水利用效率、指导科学灌溉、灌区节水工程效益评价等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

永善县地处云南省东北部，地理位置为103°10′～104°01′E，27°30′～28°31′N，属于金沙江流域。境内山脉属横断山脉凉山陕西五莲峰分支，山高谷深，平均海拔为1 400 m，地形属高原山区[11]。气候属于高原季风立体气候，多年平均降雨为861.0 mm，蒸发量为1 430.6 mm，平均气温为16.6℃，海拔1 000 m以下多为干热河谷区。2020年永善县全县不同规模与水源类型灌区数量共有164个，且多分布在金沙江沿岸(图1)，设计灌溉面积为1.90×104hm2，有效灌溉面积为1.19×104hm2，农作物播种面积为1.86×104hm2，农业灌溉用水量为0.365 6亿m3，亩均综合灌溉用水量为3 062.55 m3/hm2。全县5万～15万亩(1万亩约等于666.67 hm2，下同)中型灌区共有2个，灌溉方式为自流+提水方式；1万～5万亩中型灌区有1个，为自流灌区。0.01万～1.00万亩小型灌区共有161个，均为自流灌区，其中0.5万～1.0万亩小型灌区有4个；0.1万～0.5万亩小型灌区为36个；小于0.1万亩小型灌区共121个。

图1 永善县灌区示意

1.2 样点灌区和典型田块选取

结合《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析指导细则》[12](以下简称《细则》)中样点灌区和典型田块的选取要求，根据灌区作物种类、灌溉方式、土壤类型等因素选取蒿枝坝水库灌区(中型灌区)和莲峰水库灌区(小型灌区)作为样点灌区。2020年蒿枝坝水库灌区种植结构主要以花椒、柑橘、马铃薯、玉米和砂仁为主，其中花椒种植面积最大，为1.57万亩，占比为37%；柑橘和马铃薯种植面积分别为0.87万、0.84万亩，占比均为20%。莲峰水库灌区种植结构主要为花椒、玉米、马铃薯和烤烟，其中花椒种植面积最大，达到0.35万亩，占比为31%。根据样点灌区种植结构和水源条件，选择6种作物、15块典型田块作为观测对象，采用实测法和调查分析法开展样点灌区典型田块净灌水量的监测，具体见表1。

表1 样点灌区和典型田块的选取情况

1.3 数据来源

2018—2020年永善县灌区基本情况数据来源于永善县水务局，主要包括样点灌区毛灌溉水量、样点灌区作物种植结构和种植面积、灌区工程投入情况等数据；样点灌区安装云智能气象观测站1套，主要观测项目为降水量、风速(2 m)、风向、气温、相对湿度、气压、太阳辐射等。典型田块毛灌溉水量通过水费折算获得；典型田块灌溉前后计划湿润层土壤含水率根据智墒-云智能土壤水分监测仪实时监测获得。

1.4 研究方法

1.4.1土壤含水量监测

实测法采用智墒-云智能土壤水分监测仪监测土壤含水量，观测记录步长为1次/h，设备以GPRS方式能够实现观测数据实时上传至云服务器，用户可通过互联网和微信同步查看10、20、30、40、50、60 cm处土壤体积含水量和土壤温度数据。

1.4.2净灌溉水量计算

实测法根据典型田块灌溉前后计划湿润层土壤含水率的变化确定某次净灌溉用水量，计算见式(1)：

W=0.667×15×H(θv2-θv1)

(1)

式中W——典型田块某次灌溉的净灌溉水量，m3/hm2；θv1——某次灌水前典型田块H土层内土壤体积含水率，%；θv2——某次灌水后典型田块H土层内土壤体积含水率，%；H——典型田块作物的计划湿润层深度。

调查分析法根据典型田块毛灌溉水量，参考实测法计算出的田间水利用系数(即实测法计算出来的净灌溉水量与田间毛灌溉水量的比值)计算而得。

样点灌区某作物净灌水量以典型田块灌溉面积为权重计算而得，见式(2)：

(2)

式中Wi——样点灌区同片区第i种作物的净灌溉用水量，m3/hm2；Wi,j——同片区第i种作物第j个典型田块净灌溉用水量，m3/hm2；Aj——同片区第i种作物第j个典型田块灌溉面积，hm2；N——同片区第i种作物典型田块数量，个。

1.4.3首尾测算法

首尾测算分析法[12]即净灌溉用水量与毛灌溉用水量的比值来计算灌区灌溉水有效利用系数，见式(3)：

η=W′/Wm

(3)

式中η——灌区灌溉水有效利用系数；W′——灌区净灌溉用水总量，由典型田块作物生育期内Wi累加而得，m3；Wm——灌区毛灌溉用水总量，m3。

1.4.4全县灌溉水有效利用系数

全县灌溉水有效利用系数根据各样点灌区毛灌溉水用水总量加权得到，见式(4)：

(4)

式中Wa,d、Wa,z、Wa,x——全县大、中、小型灌区年毛灌溉用水量，万m3；ηw,d、ηw,z、ηw,x——大、中、小型灌区的灌溉用水有效利用系数。

永善县无大型灌区和纯井灌区，因此只涉及到中、小型灌区。

2 结果与分析

2.1 实测法计算的净灌溉水量

智墒能够追踪不同土层土壤含水量逐天逐时的变化情况，识别降雨和灌水次数，也可以反映出降雨和灌水前后不同深度土壤含水量的变化情况[13]。首先根据不同作物土壤水分的动态变化情况，结合逐天降雨数据，识别灌水次数；其次根据灌水前后土壤含水量，采用式(1)计算逐次净灌溉水量，最后累加作物全生育期净灌溉水量。由典型田块逐次净灌溉水量可知(表2)，2018—2020年砂仁灌水次数分别为5、5、9次，全年净灌溉水量分别为3 071.13、3 080.85、2 587.65 m3/hm2；2018—2020年花椒灌水次数分别为6、7、6次，全年净灌溉水量分别为3 780.90、3 711.59、2 617.95 m3/hm2；2018—2020年柑橘灌水次数在10～12次，全年平均净灌溉水量分别为1 684.65、2 428.89、1 844.33 m3/hm2。

表2 实测法典型田块净灌溉水量

2.2 调查分析法计算的净灌溉水量

调查分析法首先调查典型田块年内缴纳的水费，换算毛灌溉水量；其次调查典型田块灌水次数；最后结合实测法获得的不同作物不同生育期田间水利用系数，计算出典型田块的净灌溉水量。由典型田块净灌溉水量(表3)可知，2018—2020年蒿枝坝水库灌区砂仁灌水次数在4～8次，逐年平均净灌溉水量分别为3 015.98、3 069.00、2 497.50 m3/hm2；花椒灌水次数在5～7次，逐年平均净灌溉水量分别为3 662.03、3 696.53、2 668.13 m3/hm2；柑橘灌水次数在12～14次，逐年平均净灌溉水量分别为1 838.78、2 215.80、1 844.40 m3/hm2；马铃薯整个生育期均未灌水。2018—2020年莲峰水库灌区花椒灌水次数在4～6次，逐年平均净灌溉水量分别为3 176.93、3 189.00、1 703.03 m3/hm2；烤烟灌水次数均为2次，逐年平均净灌溉水量分别为480.00、480.00、270.00 m3/hm2。

表3 调查分析法典型田块净灌溉水量

2.3 样点灌区的净灌溉水量

以典型田块灌溉面积为权重，根据式(2)计算不同作物综合净灌溉水量。由表4可知，2018—2020年蒿枝坝水库灌区花椒综合净灌溉水量分别为3 690.45、3 745.80、2 693.25 m3/hm2；砂仁综合净灌溉水量分别为3 041.10、3 080.85、2 513.85 m3/hm2；柑橘综合净灌溉水量分别为1 758.90、2 339.27、1 844.40 m3/hm2；马铃薯综合净灌溉水量均为0；从同类型典型田块实际灌溉面积看，2018—2020年蒿枝坝水库灌区花椒、砂仁灌溉面积呈减小趋势，分别减小了286.17、26.67 hm2；柑橘和马铃薯灌溉面积呈增加趋势，分别增加了206.67、405.33 hm2；受种植面积调整影响，2018—2020年花椒和砂仁净灌溉用水总量整体呈减小趋势，柑橘净灌溉用水总量则增加趋势，增幅达到62.91%。2018—2020年莲峰水库灌区花椒净灌溉水量分别为3 150.75、3 180.00、1 703.10 m3/hm2；烤烟综合净灌溉水量分别为480.00、480.00、270.00 m3/hm2；2018—2020年莲峰水库灌区种植结构相对稳定，花椒实际灌溉面积基本未变，烤烟种植面积减小了13.33 hm2；花椒和烤烟净灌溉用水总量整体呈减小趋势，减幅分别为45.95%、53.13%。

表4 2018—2020年样点灌区典型田块净灌溉水量

2.4 灌溉水有效利用系数

由式(3)计算样点灌区的灌溉水有效利用系数，以样点灌区毛灌水量为权重，由式(4)计算永善县灌溉水有效利用系数。表5可知，2018—2020年样点灌区和永善县灌溉水有效利用系数呈逐年上升趋势，其中蒿枝坝水库灌区灌溉水有效利用系数分别为0.491 3、0.504 0、0.510 5；莲峰水库灌区灌溉水有效利用系数分别为0.472 3、0.485 0、0.495 8；永善县灌溉水有效利用系数分别为0.489 2、0.502 0、0.508 5。

表5 2018—2020年永善县灌溉水有效利用系数

3 讨论

3.1 灌溉水有效利用系数合理性

由图2a可知，2018—2020年永善县、昆明市和云南省灌溉水有效利用系数均呈逐年上升趋势，永善县灌溉水有效利用系数低于昆明市，高于云南省平均水平；一方面昆明市由于土地大量流转，大棚种植面积呈现快速增长趋势，灌溉方式大多以微喷和滴灌等节水措施为主；另一方面由于云南省地形97%以山地为主，灌溉水平和条件差异较大，整体灌溉水平相对较低。选取昆明市晋城灌区(设计灌溉面积0.38 hm2)和新桥水库灌区(设计灌溉面积0.03 hm2)分别作为蒿枝坝水库灌区和莲峰水库灌区的参照对象[14]，由图2b可知，由不同灌区类型来看，灌溉水有效利用系数整体上呈现出中型灌区大于小型灌区，提水灌区大于自流灌区，也与相关研究成果一致[15]，其一方面由于中型灌区节水灌溉面积相对较大，灌溉方式多为滴灌、喷灌，另一方面中型灌区输送渠道相对较好，节水意识较好。由同类型灌区来看，昆明市中型和小型灌区灌溉水有效利用系数均大于永善县，也符合实际情况。

由图2a可知，2018—2020年永善县灌溉水有效利用系数呈逐年增加的趋势，全县各灌区节水工程投资整体呈增加趋势，2020年节水工程投资达到1.18亿元，较2018年增加了4.8倍，主要用于渠系维修养护和高效节水灌溉项目实施。在样点灌区节水工程投资方面，蒿枝坝水库灌区节水工程投资逐年增加，2020年节水工程投资金额达到0.25×108元，较2018年增加了5.7倍，而灌区节水改造工程投资与灌溉水有效利用系数呈正相关[2,9]，因此2018—2020年永善县灌溉水有效利用系数的变化趋势也较为合理。

a)灌溉水有效利用系数变化

3.2 样点灌区净灌溉水量的合理性

由样点灌区不同作物净灌溉水量变化趋势(图3)，花椒净灌溉水量介于2 198.18～3 462.90 m3/hm2；砂仁净灌溉水量介于2 513.85～3 080.85 m3/hm2；柑橘净灌溉水量介于1 758.90～2 339.27 m3/hm2；烤烟净灌溉水量介于270.00～480.00 m3/hm2。与DB 53T 168—2019《云南省用水定额》比较，由于2019、2020年永善县降雨量较多年平均偏少，用水保证率参考90%，柑橘用水定额为1 875～2 325 m3/hm2，烤烟用水定额在600～750 m3/hm2，发现柑橘和烤烟的净灌溉用水量基本上小于灌溉用水定额；根据相关研究[16]，贵州峡谷区花椒净灌溉用水量为3 548.69 m3/hm2，其值大于永善县花椒净灌溉水量；通过水量平衡方程计算得到2018—2020年砂仁净灌溉水量小于等于3 260.03 m3/hm2。此外，2020年不同作物净灌溉水量明显降低，较2018年降雨量减少了174.4 mm，降雨量与综合灌溉水量呈负相关，即干旱使得灌区加强水资源调度，严格按照作物蓄水规律供水，水分利用效率提高[17-18]。综上所述，样点灌区不同作物净灌溉水量是合理的。

图3 不同作物平均净灌溉水量变化趋势

4 结论

a)2018—2020年永善县样点灌区花椒、砂仁、柑橘和烤烟每公顷净灌溉水量分别为2 198.18～3 462.90、2 513.85～3 080.85、1 758.90～2 339.27、270.00～480.00 m3，马铃薯净灌溉水量均为0。

b)2018—2020年永善县样点灌区净灌溉用水总量分别为728.35万、754.30万、501.47万m3，花椒、砂仁、柑橘、烤烟、马铃薯的净灌溉水量呈现出依次减少的趋势，其中花椒净灌溉水量占净灌溉用水总量比重最高，其占比分别为77.65%、75.39%、64.14%；样点灌区农田灌溉水有效利用系数呈现出中型灌区大于小型灌区的趋势。

c)2018—2020年永善县农田灌溉水有效利用系数呈逐年增加趋势，分别为0.489 2、0.502 0、0.508 6，研究成果合理、可靠，能够较为真实地反映灌区的实际情况。