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主管：陕西省水利厅
主办：陕西省水利电力勘测设计研究院
出版：《陕西水利》杂志社
发行范围：国内公开发行
统一刊号：
ISSN 1673-9000
CN 61-1109/TV
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灌区不同尺度灌溉水有效利用系数估算研究
来源：   发布时间：2017-11-30   浏览量：7290  
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灌区不同尺度灌溉水有效利用系数估算研究
符建平
（陕西省大荔县水务局，陕西 大荔 715100）
摘   要 ：灌溉水有效利用系数指标存在空间尺度效应，在不同尺度上产生的效应是有所差异的。以黑河为研究对象，通过构建SIMDualkc模型，将历年洋葱生长各阶段系数用来校准模型，利用黑河中下游某灌区的7个支渠作为试验区域，对SIMDualkc模型进行率定和验证得出，2014年土壤蓄水量和蒸腾量的有效性系数分别为0.96和0.78，2015年土壤蓄水量和蒸腾量的有效性系数分别为0.92和0.83。再分别以黑河中下游某灌区的10个试验田，7条分支支渠为研究对象，以试验监测数据及遥感数据为基础，总结出黑河中下游灌域的三种不同尺度的灌溉水有效利用系数计算公式，分别为：田间尺度计算方法，支渠尺度计算方法，灌区尺度计算方法。
关键词 不同尺度灌溉水；有效利用系数；计算方法
中图分类号： S274      文献标识码：A
    水资源是全球重视的一大问题，而当前我国水资源仍算丰富，但由于人口众多，人均淡水资源占有量约2100m3，仅为世界平均水平的28%，而我国又是农业大国，90%的水资源利用于农田灌溉，因此对水资源的有效利用成为我国当前亟需解决的大问题[1]。灌溉水有效利用系数是衡量灌区从水源引水到田间作用吸收利用水的过程中水利用程度的一个重要指标，也是集中反映灌溉工程质量、灌溉技术水平和灌溉用水管理的一项综合指标，是评价农业水资源利用，指导节水灌溉和大中型灌区续建配套及节水改造健康发展的重要参考[2]。本文以我国第二大内陆河—黑河为背景，对其中下游某灌区进行不同尺度灌溉水有效利用系数估算，并分析各种计算方法。
1 研究区概况及监测方案
1.1 研究区概况
研究区选定为黑河中下游的一个中型灌区，地势南高北低，平原地形与高原地形相结合，气候为大陆性温带气候，日照时间长，因此日平均温度较高，昼夜温差大，降雨量较少，干燥多风。灌域面积约为201.3km2，有效耕地面积为152.7km2，根据多年的实际监测，灌区平均年需水量达2.01亿m3（不含生态用水），缺水达0.31亿m3。灌区内各控制渠系情况见表1。
表1 灌区各区域内的耕地面积
编号 控制渠系 灌域面积（km2） 域内耕地面积（km2）
1 二分支渠 22.68 16.32
2 二支渠 39.24 32.09
3 二分干渠 19.35 15.81
4 一分支渠 43.92 32.46
5 一分干渠 24.69 16.18
6 一斗渠 31.47 25.13
7 一支渠 19.95 14.71
总计   201.3 152.7
 
 
1.2 监测方案
田间试验监测是指采用观测仪器对田间部分水平衡要素进行测定，这种监测方法的特点是，易实施、适用广，其测量精度主要由仪器的精确度及人工操作水平决定。本次试验测量及项目有：种植结构、土壤含水量、作物生长水平、气象条件、灌排流量。主要收集的数据为灌区各渠系灌溉引水量，见表2。
表2 2015年灌区各渠系灌溉引水量（单位：万m3）
编号 渠系名称 夏灌 秋灌
一轮 二轮 三轮 四轮 一轮 二轮
1 二分支渠 24.067 96.280 76.773 96.261 100.467 106.583
2 二支渠 60.168 240.701 191.933 0.000 251.168 266.458
3 二分干渠 21.879 87.528 69.794 0.000 91.334 96.894
4 一分支渠 72.201 288.841 230.320 0.000 301.402 319.750
5 一分干渠 34.381 137.543 109.676 0.000 143.525 152.262
6 一斗渠 55.539 169.906 135.482 0.000 177.295 188.088
7 一支渠 23.291 93.175 74.297 0.000 97.226 103.145
2 SIMDualkc模型与计算方法
2.1 SIMDualkc模型
SIMDualkc是一种双作物系数模型，由此根据相应的公式计算出日降雨产生的地表水径流量，以及农田土壤灌溉渗深等参数，从而代入灌溉水有效利用系数计算公式求值 [3] 。
模型的构建是为了计算日田间尺度上的土壤水量平衡，假定黑河中下游某灌区一支渠内田间作物腾发量，科学地进行灌排规划和环境研究，为农民提供科学依据。土壤水量平衡计算公式如下：
            (1)
式中，Hr,n代表第n天根尾区储水深度；Hr,n-1代表第n-1天根尾区储水深度。Jn代表第n天有效降雨量，DOn为第n天由降雨产生的地表水径流量；Sn代表第n天灌溉水渗入土壤量；MDn代表第n天土壤孔隙水分上升深度；QTa,n代表第n天假定灌域作物腾发量与棵间蒸腾量总和，RJn指灌溉水和降雨量渗漏导致根尾区水损失量。单位皆为mm。
采用黑河该灌区的二支渠2014-2015年田间种植作物实测资料来率定及验证SIMDualkc模型对于西北地区的适用性，试验区选取于灌区二支渠范围内，面积约为142亩，2014-2015年种植作物皆为洋葱，灌溉方式为表面灌溉，在洋葱生育期内（5-10月）一般灌水4次。  
验证方法为，先将2014年洋葱生长的各个阶段系数用来校准模型，避免模型模拟出的根区土壤蓄水量和实际蓄水量差异过大，由此来确定模型参数，再代入2015年洋葱土壤根区蓄水量和蒸腾量对模型和参数进行验证。2015年洋葱要区土壤蓄水量的模拟值和实测值对比如图1所示，实际蓄水量的实测值和模拟值对比如图2所示，最终验证模型所得参数如表3所示。
图片1根区土壤蓄水量模拟值和实际值对比

图片1
图2实际蓄水量实际值与模拟值对比
 
表3 SIMDualkc模型率定和验证结果统计
洋葱 项目 B（回归系数） R2（相关关系） RMSE（均方根误差） EF（模型有效性系数）
2014
率定		 土壤蓄水量 0.97 0.99 9.68 0.96
蒸腾量 1.31 0.85 1.57 0.78
2015
验证		 土壤蓄水量 0.98 0.91 8.74 0.92
蒸腾量 0.95 0.86 0.20 0.83
 
2.2 不同尺度灌溉水有效利用系数的计算方法
2.2.1 尺度划分
    灌溉水尺度的划分是分析灌溉水有效利用系数指标的前提，根据黑河中下游该灌区的灌排系统特征，排水系统只设置有排水沟，排水量较少。因此根据当前的尺度划分原则，将该灌区划分为三个不同尺度进行探讨，分别为田间尺度、支渠尺度和灌区尺度 [4] 。
2.2.2 田间尺度灌溉水有效利用系数的计算方法
田间尺度是以黑河中下游该灌区10个典型试验田范围界限为水平边界，土壤表面为上边界，土壤最深检测区为下边界，构建水均衡模型。再采用SIMDualkc模型来模拟田间水含量的定量变化，综合考虑田间土壤的特性及土地利用情况，保证研究区域处于同一个渠系系统内，保证本文构建的田间水均衡模型与水量平衡原理相符，充分体现研究区域的水分循环过程。
以田间尺度划分，就是说要以田间实测数据为基础，再根据水量平衡原理来分析灌溉水有效利用系数，因此田间尺度灌溉水有效利用系数的计算公式可定为：
             （2）
式中：η田指田间尺度灌溉水有效利用系数，S指田间作物生育期内灌溉水进入量（单位：mm），Je指试验区域田间作物生育期内的有效降雨量（单位：mm），QT指SIMDualkc模型模拟出来的试验区域田间作物生育期内的蒸腾量（单位：mm），ΔX指试验区域田间作物的土壤根区蓄水变化量（单位：mm）。
2.2.3 支渠尺度灌溉水有效利用系数的计算方法
支渠尺度是以黑河中下游某灌区内7条支渠所控制范围为水平边界，土壤表面为上边界，土壤最深检测区为下边界，构建水均衡模型，其中不可排除田间互通渠系的渗漏损失量。在支渠尺度灌溉水有效利用系数计算时，水均衡计算时段要同时兼顾计算来水项和初含水量，主要包括有：灌溉量、降水量和时段初土壤蓄水量[5]。
水均衡计算时段中还存在去水项和末含水量的计算，主要包括：试验区域地表蒸腾量、排水量、田间渗漏量和时段末土壤蓄水量。考虑到该灌区的排水系统只存在排水沟，因此在以支渠尺度计算灌溉水有效利用系数时，排水量可忽略不计。
以支渠尺度划分，也是采用田间实测数据为依据，但是要结合遥感数据及实地调查数据作为分析基础，根据水量平衡原理来分析灌区内灌溉水有效利用系数，因此支渠尺度灌溉水有效利用系数的计算公式可定为：
            （3）
式中，η支指支渠尺度灌溉水有效利用系数，Q地表指各支渠土壤表层实际引水量，m3，Q地下指各支渠灌溉取水量，m3，Jen指第n种作物生育期内的有效降雨量，mm，QTn,m指试验支渠灌域范围内通过遥感读取关于第n种作物生育期内第m块田所种植作物的蒸腾量，mm，Ai,j指试验支渠范围内第n种作物生育期内第m块田，m2。
2.2.4 灌区尺度灌溉水有效利用系数的计算方法
灌区尺度是以黑河中下游某灌区的全部控制范围为边界，构建水均衡模型在此过程中不考虑地下水的回补水量[6]。以SIMDualkc模型模拟出灌区总蒸腾量和渗漏量与通过水量平衡计算所确定的渠系总蒸腾量和渗漏量的总和作为整个灌区水循环系统的蒸发渗漏损失。该灌区主要种植的作物是洋葱，占灌区耕地面积约为84%。将整个渠系的灌溉控制范围划分为7个灌域，便于对每个灌域内种植洋葱的面积进行精确的统计。
以灌区尺度划分，是结合支渠尺度范围内的灌域相关数据及卫星遥感数据为分析基础，根据水量平衡原理来分析灌区内灌溉水有效利用系数，以灌区尺度划分时，土壤蓄水量变化在水均衡模型中占的比例很小，因此这里蓄水量变化可以忽略不计。灌区尺度生育期内的灌溉水有效利用系数的计算方法一共有三种：（1）将灌区看作一个整体；（2）将灌区内各支渠灌溉水有效利用系数按流量相加求平均值；（3）将灌区内各支渠灌溉水有效利用系数按灌溉面积相加求平均值。本文主要探讨的是黑河中下游某灌区，因此这里只讨论第三种计算方法。
计算公式如下：
     （4）
式中：η灌指灌区尺度灌溉水有效利用系数，A指黑河中下游某灌区的总耕地面积（单位：km2），An指灌区范围内各支渠的耕地面积（单位：km2），ηn指灌区范围内各支渠的支渠灌溉水有效利用系数。
3 结论与建议
通过对实际案例的试验，采用田间监测方案来收集相关数据，以此来提供构建SIMDualkc模型模拟所需的各项数据，结合试验研究区的气象、土壤、灌区特性等情况进行分析。对SIMDualkc模型作出了简单的概述，利用黑河中下游某灌区的7个支渠作为试验区域，对SIMDualkc模型进行了率定和验证，确定适用于该地域的模型参数。再分别以黑河中下游某灌区的10个试验田，7条分支支渠为研究对象，以试验监测数据及遥感数据为基础，总结出黑河中下游灌域的三种不同尺度的灌溉水有效利用系数计算公式，分别为：田间尺度计算方法，支渠尺度计算方法，灌区尺度计算方法。
针对本文研究内容及结果，发现存在的主要问题有几点：
（1）黑河中下游某灌区的排水资料不完善，因此排水量这项数据是被忽略的，也直接影响了模拟的实际效果，因此在进行实际操作时，必须要组织现场勘查，收集排水数据。
（2）本文探讨的主要内容是灌区的水循环过程，考虑到作物生长和产量的影响，因此在实际操作中要加强这两项因素的模拟，使模型更加科学和接近实际，充分发挥模型的作用来为灌区农业用水服务。    
参考文献
[1]汪恕诚.人水和谐科学发展——新时期水利改革发展的时代特征[J].中国水利,2011(8):7-8.
[2]Palanisami K, Senthilvel S, Ramesh T. Water productivity at different scales under canal,tank and well irrigation systems[M].International Water Management Institute,2009.
[3]崔远来,李远华,陆垂裕.灌溉用水有效利用系数尺度效应分析[J].中国水利, 2009(3):18-21.
[4]闫昕.黑河中游灌区不同尺度灌溉水有效利用系数估算[J].中国水利水电科学研究院,2015.
[5]陈皓锐,伍靖伟,黄介生.灌溉用水效率尺度效应研究评述[J].水科学进展,2011(6):872-880.
[6]王小军,张强,易小兵.广东省灌溉水有效利用系数年度变化与影响因素关系分析[J].灌溉排水学报,2015, 34(1):64-68.
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