牧区水利节水灌溉技术应用分析

何毅

（海晏县农牧水利综合服务中心，青海 海晏 812299）

我国内蒙古、青海、西藏等省份是最为重要的农牧地区，这些地区处于中国北部和西北部，气候属性上属于温带大陆性气候或高原大陆性气候[1-2]。受到地理环境以及气候条件的影响，牧区的生态环境十分脆弱，牧区存在着过度放牧、水资源粗放利用、土地利用不合理、人类工农牧业生产污染、地下淡水资源开采不科学等问题，造成水土流失、水资源浪费和水环境污染，使得牧区居民饮用水和牲畜养殖、饲草料种植、农业灌溉等都面临着淡水资源供给不足等问题，极大地限制了牧区农业和畜牧业的发展，给经济社会发展造成障碍[3]。在牧区生产中，水资源是第一战略资源，提高用水效率达到水资源节约的目的成为推动生态建设中增产增效的重要举措。节水灌溉技术的选择与利用是实现高效灌溉、抗旱增产的有力途径。为此，研究牧区水利灌溉技术，提高水资源的高效利用，实现生产活动中灌溉用水的可持续利用，消除由于宝贵水资源供给不足导致的干旱、土地退化和荒漠化。

1 海晏县牧区水资源开发利用面临的问题

在干旱气候条件下，对牧区的水利基础设施建设实现水资源的开发利用不仅仅是满足人畜用水问题的需要，也是发展草业灌溉，为畜牧养殖提供优良且充裕的草料储备，改善依靠自然降水进行放牧的养殖方式和生产条件，可以最大限度地发挥水资源开发利用的抗旱防灾功能，达到改善畜牧业生产条件和牧区民众经济水平的作用[4]。然而，大量的研究表明牧区的水利建设存在着众多的现实问题，以青海省海晏县牧区水利节水灌溉技术应用为研究对象，对牧区水资源开发利用面临的问题展开分析，主要集中3 个方面，分别为地理环境因素引起的水资源分布格局不合理、水资源开发利用不合理导致用水资源浪费和土地盐碱化、生产生活用水与生态用水不协调，导致流域水资源的承载潜力下降。

2 基于数值模拟分析的节水灌溉技术地下水渗流分析

基于水文地质渗流理论模型，采用有限元模拟的方法对灌溉水在土壤中的渗流场进行计算分析，以定量化地为牧区水利节水灌溉技术选择和确定提供依据。灌溉用水在土壤中渗流的非稳定流数学模型表达式如公式（1）～公式（3）所示。

式中，对于承压含水层而言，E=S，S 为储水系数，T=M，M为承压含水层单元体厚度，m；对于潜水含水层而言，E=Sy，Sy为给水度，T=B，B 为潜水含水层单元体饱和地下水厚度，m；kxx、kyy、kzz分别为空间x、y、z 方向上的渗透系数，m/d；h 为点（x，y，z）在t 时刻的水头高度，m；W为源汇项，d-1；h0为计算域初始水头高度，m；h1为第一类边界的水头高度，m；t 为时间，d；Ω 为计算域；Γ1 为第一类边界。

分别对滴灌灌溉和管灌灌溉进行数值模拟计算，模拟时长为20d，土壤中含水率随着深度变化的计算结果如图1 所示。从图中可以看出，在采用灌溉行为后，滴灌灌溉在浇灌10d 后，膜间和膜下的土壤含水率峰值均出现在深度约80cm 至120cm 范围内，当滴灌灌溉行为持续20d 后，土体中的含水率出现明显变化，其含水率曲线峰值向下迁移，深度达到120cm 至140cm，表明滴灌灌溉可以有效地渗透更深的地层，达到减少水分蒸发和水分蓄留的作用；而采用管灌灌溉方式，10d 和20d 的土壤含水率曲线变化不大，没有出现水分向下迁移现象，表明采用灌溉方式不能有效地将灌溉水向下渗透，水分在浅层滞留，导致蒸发量增大，不能产生水分蓄留现象，大大降低了土壤的保水性能和水资源的利用率。

为了验证数值计算结果的可靠性和精确性，对牧区布置G1 长期观测孔对滴灌方式时灌溉水在土壤中的渗流变化进行监测；布置G2 长期观测孔对管灌方式时灌溉水在土壤中的渗流变化进行监测。两种灌溉方法的地下水位水头数值模拟结果与监测结果对比如图2 所示（图中实线为模拟值，虚线为实测值）。

图2 滴灌和管灌方式的数值模拟结果与监测结果对比

从图中可以看出，随着灌溉持续时间的增加，滴灌方式和管灌方式的地下水位水头均呈现不同程度的波动。对监测实测值与数值模拟值的相关性进行T 检验和非参数显著性检验，结果表明两者具有良好的一致性，数值模拟结果能够得到较为准确的预测值。

3 基于三角模糊数的节水灌溉技术优选方法及统计

为更好地利用三角模糊数理论实现节水灌溉技术的优选，在操作过程中需要建立层次分析模型[7]，模型结构的最顶层为目标层，即建设工程项目的价值；中间层则为准则层，它是影响价值实现的各种影响因数；最下层为方案层，它是不同节水灌溉技术方案层面的具体表达，通过中间准则层的连续或者权属以实现结构模型的最优化，如图3 所示，具体的判断准则可以构件三角模糊数进行分析，如公式（4）所示。

图3 三角模糊数理论的节水灌溉技术评价模型

式中，um（x）为三角模糊数M=（l，m，u）的隶属函数，x为模糊数的自变量，m、n 为介于c 和u 的任意实数，而c、u 分别为三角模糊数M的上阈值和下阈值。

在上述模数函数的确定情况下，设M=（l，m，u），M'=（l'，m'，u'）则其运算法则为

对于给定的M和M'，均可以跟权重函数Wi进行运算以实现目标层的排序，如公式（7）所示[8]。

对优选结果进行理论耗水量计算和现场试验测量实际耗水量，并利用统计学理论对数据进行分析，计算两者的一致性，统计分析参数分别为纳什系数NSE 和决定系数R2，计算公式分别如公式（8）、公式（9）所示。

式中，ETob，t、ETs，t分别是耗水量的试验值、理论值，t=1，2，…，T和是指耗水量的平均试验值和耗水量平均理论值。

4 牧区水利节水灌溉技术优选对比分析

在节水灌溉技术中，基于三角模糊数理论具体对喷灌技术、微灌技术、管道灌溉技术、渠道防渗技术、地面节水灌溉技术进行优选，表明喷灌技术与管道灌溉技术在海晏县的节水灌溉中具有优势。进一步地，对海晏县不同灌溉区域管溉耗水量与喷灌耗水量进行理论计算和现场实测分析，结果如表1 和图4 所示。

表1 海晏县不同灌溉区域管溉耗水量与喷灌耗水量对比分析

从图4 中，可以看出，在所有乡镇的管灌耗水量理论值与现场实测耗水量相近，误差均控制在260m3h·m-2以内。所有乡镇的现场实测耗水量均表明，相对于管灌而言喷灌的节水效果较好，可以在海晏县的牧区田间进行推广应用。

图4 海晏县不同灌溉区域管溉耗水量与喷灌耗水量对比图

5 结论

水资源是牧区生产生活的命脉，也是生态环境保护的基石，目前牧区经济发展的前提下，水资源短缺的现象日益凸显，而牧区的农牧业灌溉用水一般占到总用水量的60%，发展水利节水灌溉技术成为牧区发展面临的现实问题。本文基于青海省海晏县面临的牧区水资源开发利用问题，通过建立灌溉水非稳定流数值模型进行渗流过程分分析，分别研究滴灌方式和管灌方式的灌溉水的渗流过程和利用效率，同时采用现场长期水位监测孔实测的方式验证计算结果，进一步地采用三角模糊数理论对牧区节水灌溉技术进行优选。通过对牧区水利节水灌溉技术的利用，可以充分提高水资源的利用率和提高农牧产品质量和数量，到达缓解水资源不足的问题。