王士武，鄭世宗

(浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

0 引 言

農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)是國家實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”“四項(xiàng)制度”的重要內(nèi)容。根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》(國發(fā)〔2012〕3號(hào))，到2015年全國農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)提高到0.53以上；到2030年農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)提高到0.6以上。國務(wù)院辦公廳《關(guān)于印發(fā)實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度考核辦法的通知》(國辦發(fā)〔2013〕2號(hào))明確了各省農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)2015年目標(biāo)值，隨后按照有關(guān)文件要求，各省(市、區(qū))建立了覆蓋省、市、縣三級(jí)的2015年農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)目標(biāo)值；該通知第四條明確規(guī)定，考核內(nèi)容最嚴(yán)格水資源管理制度目標(biāo)完成、制度建設(shè)和措施落實(shí)情況，其中水資源管理制度目標(biāo)完成情況就包括灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。

灌溉水利用系數(shù)是指以年為分析尺度，灌入田間可被作物利用的水量與灌溉系統(tǒng)取用的灌溉總水量的比值，它反映灌區(qū)渠系輸水和田間灌溉用水狀況，是衡量灌區(qū)從水源引水到田間作物水分利用過程中灌溉水的利用程度的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，也是反映灌區(qū)自然條件、工程狀況、用水管理水平、灌溉技術(shù)等因素的一個(gè)綜合性指標(biāo)。為跟蹤灌溉水利用系數(shù)變化情況，科學(xué)評(píng)價(jià)節(jié)水灌溉發(fā)展成效與節(jié)水潛力，根據(jù)水利部的要求，自2006年起，全國各省(區(qū)、市)連續(xù)多年在全國范圍內(nèi)開展了灌溉水利用系數(shù)測算分析工作，取得的成果為有關(guān)部門研究制定相關(guān)政策和規(guī)劃提供了依據(jù)。從我省多年灌溉水利用系數(shù)測算實(shí)踐情況分析，南方灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)與相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、大學(xué)教材之間差異較大，主要體現(xiàn)在其水源多樣性、差異性和復(fù)雜性，因此，研究南方多水源型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)確定方法具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 南方多水源型多用戶灌區(qū)特點(diǎn)分析

特定的地理位置和氣象條件，南方山丘區(qū)面積大于平原區(qū)面積的地形地貌條件，決定了我國南方地區(qū)大多數(shù)為多水源型灌區(qū)，并具有如下特點(diǎn)。

(1)水源復(fù)雜性：灌區(qū)內(nèi)水源工程既有水庫、山塘等具有調(diào)蓄能力的蓄水工程，也包括堰壩引水工程，還有提水泵站工程。這些工程根據(jù)河流水系布局分布在灌區(qū)內(nèi)，由于其工程規(guī)模、集雨面積、調(diào)蓄能力等差異，為灌區(qū)提供的灌溉用水量也存在明顯差異。以浙江省為例，一般3.333 hm2(5萬畝)以上的重點(diǎn)中型灌區(qū)其水源工程數(shù)量約50個(gè)，一般大型灌區(qū)其水源工程數(shù)量超過100個(gè)；而且在大多數(shù)年份主要水源的供水量不超過50%，個(gè)別灌區(qū)甚至不超過30%。

(2)多水源多用戶配置復(fù)雜性：灌區(qū)內(nèi)的多種水源，用途上顯著差異。一般情況下，山塘和堰壩引水主要用于灌溉或部分工業(yè)用水；大中型水庫除了具有灌溉功能外，還承擔(dān)供水、發(fā)電等；小型水庫大多以灌溉為主，部分水庫以供水為主?；谶@些原因，在灌區(qū)實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中，一般優(yōu)先使用河道水和山塘水，其次是區(qū)域內(nèi)小型水庫(小二型、小一型水庫)，再次是中型水庫，最后是大型水庫。

(3)輸配水工程復(fù)雜性：由于有多種水源，經(jīng)過歷史上長期的建設(shè)與改造，灌區(qū)內(nèi)輸水、配水工程較為復(fù)雜。部分灌溉面積僅是單一水源，部分灌溉面積是多水源聯(lián)合灌溉、互相補(bǔ)充。對(duì)于水源單一的灌溉面積，由于其灌溉輸配水系統(tǒng)具體明確，其輸配水損失比較明確；對(duì)于具有多水源的灌溉面積，由于不同水源的輸配水系統(tǒng)不同，有的水源輸配水距離近，有的則遠(yuǎn)，因此，其相應(yīng)的灌溉水利用系數(shù)也不同。

(4)隨機(jī)性引起的復(fù)雜性：灌區(qū)有多種水源，并且在調(diào)度運(yùn)行過程中有優(yōu)先順序。由于每個(gè)水源的水資源量具有隨機(jī)性和不確定性，而且作物需水也有隨機(jī)性和不確定，因此每一個(gè)水源工程每年的供水量、供水流量過程存在差異，其相應(yīng)的輸配水損失、管理損失以及灌溉水利用系數(shù)存在差異。理論上來說，對(duì)于特定的灌溉系統(tǒng)，由于農(nóng)作物不同生育階段需水量不同，灌溉系統(tǒng)地輸配水流量也不同，其相應(yīng)的灌溉水利用系數(shù)也存在差異。

基于以上分析可以看出：南方灌區(qū)(尤其是大型和重點(diǎn)中型灌區(qū))，絕大多數(shù)是由若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的小灌區(qū)、多水源灌溉區(qū)域(通過骨干輸配水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主水源和其他水源相互補(bǔ)充的灌溉區(qū)域)等組成的多水源型灌溉系統(tǒng)。在該系統(tǒng)內(nèi)，連接主水源的骨干輸配水系統(tǒng)一般不能覆蓋整個(gè)灌區(qū)；部分灌區(qū)以天然河道為輸配水渠道。這樣灌區(qū)既無法采用相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)上的“灌溉水利用系數(shù)等于渠系水利用系數(shù)與田間水有效利用系數(shù)之積”的方法，也無法采用“正向遞推”或“逆向遞推”的方法，而應(yīng)該從灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的基本概念出發(fā)去尋找確定方法。

2 灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)確定方法

根據(jù)《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》1關(guān)于采用“首尾測算分析法”的規(guī)定，灌溉水利用系數(shù)是指灌區(qū)1年時(shí)段內(nèi)，直接灌入田間可被作物吸收利用的水量(凈灌溉用水量)與灌區(qū)從水源取用的灌溉總水量(毛灌溉用水量)的比值。計(jì)算公式如下：

η水=W凈/W毛

(1)

式中：η水為灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)；W凈為灌區(qū)凈灌溉用水總量，m3；W毛為灌區(qū)毛灌溉用水總量，m3。

對(duì)于南方多水源型灌區(qū)，其灌溉水利用系數(shù)的核心問題是如何確定灌區(qū)的凈灌溉用水量和毛灌溉用水量。

2.1 凈灌溉用水量確定方法

依據(jù)《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》1的規(guī)定確定，具體步驟如下：

(1)典型田塊選擇：典型田塊要邊界清楚、形狀規(guī)則、面積適中；綜合考慮作物種類、灌溉方式、畦田規(guī)格、地形、土地平整程度、土壤類型、灌溉制度與方法、地下水埋深等方面的代表性；有固定的進(jìn)水口和排水口；配備量水設(shè)施等。

(2)量測方法選擇：采用直接量測方法或觀測分析方法確定典型田塊畝均凈灌溉用水量。

(3)凈灌溉用水量確定：根據(jù)觀測與分析得出的某種作物典型田塊的年畝均凈灌溉用水量 ，計(jì)算灌區(qū)同區(qū)域或同種灌溉類型第i種作物的年凈灌溉用水量，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：wi為灌區(qū)同片區(qū)或同灌溉類型第i種作物的凈灌溉用水量，m3/hm2；w田凈l為同片區(qū)或同灌溉類型第i種作物第l個(gè)典型田塊凈灌溉用水量，m3/hm2；A田l為同片區(qū)或同灌溉類型第i種作物第l個(gè)典型田塊灌溉面積，hm2；N為同片區(qū)或同灌溉類型第i種作物典型田塊數(shù)量，個(gè)。

再根據(jù)灌區(qū)內(nèi)不同分區(qū)不同作物種類灌溉面積，結(jié)合不同作物在不同分區(qū)的年每公頃凈灌溉用水量，計(jì)算得出灌區(qū)年凈灌溉用水總量W樣凈，計(jì)算方法如下：

(3)

式中：W樣凈為灌區(qū)年凈灌溉用水總量，m3；wij為灌區(qū)j個(gè)片區(qū)內(nèi)第i種作物凈灌溉用水量，m3/hm2；Aij為灌區(qū)j個(gè)片區(qū)內(nèi)第i種作物灌溉面積，hm2；m為灌區(qū)j個(gè)片區(qū)內(nèi)的作物種類，種；n為灌區(qū)片區(qū)數(shù)量，個(gè)。

2.2 毛灌溉用水量確定方法

《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》1的規(guī)定：灌區(qū)毛灌溉用水總量是指灌區(qū)全年從水源(一個(gè)或多個(gè))取用的用于農(nóng)田灌溉的總水量，該水量應(yīng)通過實(shí)測確定。樣點(diǎn)灌區(qū)年毛灌溉用水總量的計(jì)算公式如下：

(4)

式中：W毛為灌區(qū)年毛灌溉用水總量，m3；W毛i為灌區(qū)第i個(gè)水源取水量，m3。n為灌區(qū)水源數(shù)量，個(gè)。

對(duì)于南方多水源型灌區(qū)來說，不僅水源工程數(shù)量多，而且類型也較多，在實(shí)際運(yùn)行管理中，絕大多數(shù)水源工程由用水戶或村委會(huì)指定專人管理，故在目前的運(yùn)行體制下，全部通過實(shí)測確定各類水源的毛灌溉用水量是不可能完成的任務(wù)。因此有必要對(duì)其灌溉水利用系數(shù)確定方法進(jìn)行簡化。

3 南方多水源型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)計(jì)算模型

3.1 總體思路

基于南方多水源型灌區(qū)特點(diǎn)，其灌溉水利用系數(shù)計(jì)算的總體思路為：以全年為分析計(jì)算時(shí)段；根據(jù)灌區(qū)灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將其分為若干個(gè)片區(qū)，在每個(gè)片區(qū)范圍內(nèi)，各類水源工程、相應(yīng)的灌溉面積以及輸配水系統(tǒng)清晰明確；以各類水源工程、相應(yīng)的灌溉面積以及輸配水系統(tǒng)為分析對(duì)象，結(jié)合管理機(jī)構(gòu)和管理現(xiàn)狀，優(yōu)選其中的典型性、代表性“小尺度”灌溉系統(tǒng)，詳細(xì)分析其毛灌溉用水量，進(jìn)而通過控制面積加權(quán)方法確定全灌區(qū)的毛灌溉用水量；再根據(jù)凈灌溉用水量計(jì)算結(jié)果，得出全灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。本方法不分析計(jì)算全年內(nèi)每次灌溉的灌溉水利用系數(shù)，直接用灌區(qū)的全年凈灌溉用水量和毛灌溉用水量計(jì)算求得。

3.2 南方多水源型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)計(jì)算概化模型

基于上述總體思路，根據(jù)灌區(qū)內(nèi)灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將灌區(qū)劃分為若干個(gè)片區(qū)，每個(gè)片區(qū)內(nèi)有多個(gè)水源，每個(gè)水源有它單獨(dú)控制的灌溉面積，還有與其他水源共同控制的灌溉面積。對(duì)于每個(gè)水源單獨(dú)控制灌溉面積，其相應(yīng)的灌溉水利用系數(shù)與其相應(yīng)的水源工程、灌溉需水量、灌溉系統(tǒng)和管理等情況有關(guān)。對(duì)于多個(gè)水源控制的灌溉面積，其相應(yīng)的灌溉水利用系數(shù)比較復(fù)雜，每一個(gè)水源由于其相應(yīng)的灌溉系統(tǒng)和管理方式等原因，灌溉水利用系數(shù)差異明顯；對(duì)于整個(gè)多水源控制的灌溉面積而言，由于不同水文年份，各水源工程的灌溉用水量存在差異，進(jìn)而影響其灌溉水利用系數(shù)。南方多水源型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)概化模型見圖1。

圖1 南方多水源型灌區(qū)灌溉系統(tǒng)概化圖

3.3 數(shù)學(xué)模型

(1)灌區(qū)凈灌溉用水量。凈灌溉用水量：為各片區(qū)內(nèi)各種作物年凈灌溉定額與其相應(yīng)種植面積的乘積。即：

(5)

式中：i,k分別為片區(qū)序號(hào)和作物序號(hào)；Ni,Nk分別為片區(qū)序號(hào)、作物序號(hào)的上限值；wik為第i區(qū)域第k種作物年凈灌溉定額，m3/hm2；Aik為第i區(qū)域第k種作物的種植面積，hm2。

(2)灌區(qū)毛灌溉用水量。灌區(qū)毛灌溉用水量為各片區(qū)內(nèi)各種水源的毛供水量之和。各片區(qū)內(nèi)某一水源的毛供水量為其供水范圍的凈灌溉用水量與其相應(yīng)的灌溉水利用系數(shù)之商。即：

(6)

式中：ηij為第i片區(qū)第j水源灌溉水利用系數(shù)，該參數(shù)根據(jù)相應(yīng)的灌溉系統(tǒng)工程與管理情況，結(jié)合相關(guān)成果綜合確定。其他符號(hào)意義同前。

基于上述模型，灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的關(guān)鍵是確定兩個(gè)參數(shù)，一是wik，二是ηij，其他參數(shù)可以通過調(diào)查方法得出。這兩個(gè)參數(shù)，前者可以采用典型田塊實(shí)際觀測方法予以解決；后者主要通過典型調(diào)查分析方法確定，根據(jù)典型灌溉水源及其配套的灌溉系統(tǒng)以及管理方式等選擇若干個(gè)典型，再根據(jù)實(shí)測資料或調(diào)查資料，確定其灌溉水利用系數(shù)，詳細(xì)方法見實(shí)例應(yīng)用。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 灌區(qū)概況

某灌區(qū)位于浙江省中部，灌區(qū)范圍涉及6個(gè)鎮(zhèn)(或街道)191個(gè)行政村。灌區(qū)屬典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。境內(nèi)氣候溫和，四季分明，光照充足，雨量充沛，無霜期長。多年平均氣溫為17.5 ℃，全年日照時(shí)數(shù)為1 900 h，平均無霜期245 d。多年平均降雨量為1 480 mm，多年平均徑流深795 mm。地貌特點(diǎn)為丘陵盆地，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，河流大都發(fā)源于周圍山地，為山區(qū)性河流，源短流急，洪水暴漲暴落。

灌區(qū)內(nèi)溪流較多，有中型水庫1座，總庫容6 000余萬m3，該水庫原功能為灌溉為主結(jié)合發(fā)電，現(xiàn)功能為供水為主，兼顧灌溉、發(fā)電；小型水庫14座，正常庫容為1 100余萬m3，其中兩座小(1)型水庫供水和灌溉功能兼顧；山塘443座，總?cè)莘e280余萬m3，主要功能是灌溉，部分具有供水功能；引水堰壩2座，灌溉功能；提水泵站91座，裝機(jī)1 014 kW，功能為灌溉。

灌區(qū)渠道由總干渠、南、北干渠及支渠組成，總長108 km。渠系建筑物：渡槽10處，總長度8.31 km；隧洞3處，總長度2.72 km；倒虹吸9處，總長度513 m；水閘26座；涵洞560處等。

4.2 灌區(qū)概化

基于以上分析，結(jié)合灌區(qū)灌溉系統(tǒng)、地形地貌以及灌區(qū)近年來實(shí)際調(diào)度運(yùn)行情況，本研究將該灌區(qū)分為7個(gè)片區(qū)，每個(gè)區(qū)域內(nèi)山塘和小二型水庫概化為一個(gè)水源，提水泵站概化為一個(gè)，小(1)型以上水庫為單獨(dú)節(jié)點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)用水量概化為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，概化成果見圖2。7各片區(qū)內(nèi)小型水庫、山塘、堰壩、泵站等數(shù)量見表1，每個(gè)水源工程均有其相應(yīng)的單獨(dú)控制面積。

表1 各片區(qū)水源工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)表

4.3 主要參數(shù)分析計(jì)算

(1)凈灌溉定額。根據(jù)灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)和《浙江省農(nóng)業(yè)用水定額標(biāo)準(zhǔn)》(DB33/T 769-2009)，結(jié)合2013年度灌區(qū)降水量采用內(nèi)插或外延方法確定灌區(qū)凈灌溉定額。2013年相當(dāng)于50%水文年，確定灌區(qū)2013年不同作物凈灌溉定額取值見表2。

表2 2013年灌區(qū)不同作物凈灌溉定額成果表 m3/hm2

(2)各類水源工程灌溉水利用系數(shù)。

①山塘水源(包括小二型水庫)的灌溉水利用系數(shù)率定。統(tǒng)計(jì)本灌區(qū)各片區(qū)內(nèi)的山塘控制灌溉面積，平均每個(gè)山塘控制灌溉面積約為3.33 hm2。灌溉時(shí)，基本通過一級(jí)農(nóng)渠直接到田。受可收集資料影響，項(xiàng)目組收集到山塘毛灌溉用水量成果見表3。根據(jù)各山塘控制區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)(這里略)、和表2、表3，可以確定每個(gè)山塘的灌溉水利用系數(shù)，進(jìn)而確定平均灌溉水利用系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，山塘控制灌溉面積平均灌溉水利用系數(shù)為0.73。結(jié)果表明：山塘由于功能單一，水量充足，灌溉用水缺乏約束和激勵(lì)機(jī)制，總體相對(duì)粗放。

圖2 某灌區(qū)灌溉系統(tǒng)概化圖

表3 灌區(qū)典型山塘毛灌溉用水量調(diào)查成果表

②機(jī)埠水源的灌溉水利用系數(shù)率定。統(tǒng)計(jì)各機(jī)埠的控制灌溉面積情況，每處機(jī)埠的控制灌溉面積約為13.33 hm2，灌溉時(shí)基本通過一級(jí)農(nóng)渠直接到田間，目前灌區(qū)農(nóng)渠襯砌率達(dá)到100%。根據(jù)典型調(diào)查，項(xiàng)目組收集到機(jī)埠毛灌溉用水量成果見表4。根據(jù)各機(jī)埠控制區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)(從略)、和表2、表4，可以確定每個(gè)機(jī)埠灌溉水利用系數(shù)，進(jìn)而確定其平均灌溉水利用系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，機(jī)埠控制灌溉面積平均灌溉水利用系數(shù)為0.70。結(jié)果表明：用水總體粗放。

表4 灌區(qū)典型泵站毛灌溉用水量調(diào)查成果表

③堰壩水源的灌溉水利用系數(shù)率定。本灌區(qū)有引水堰壩2座，實(shí)際控制灌溉面積分別為200和266.67 hm2。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，控制灌溉面積266.67 hm2堰壩2013年引水量為110萬m3(通過引水時(shí)間和率定引水流量方法確定)，根據(jù)種植結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，堰壩灌溉水源的灌溉水利用系數(shù)為0.65。

④干渠水源的灌溉水利用系數(shù)率定。干渠水源為小一型水庫和中型水庫，其灌溉水量通過干渠進(jìn)入片區(qū)內(nèi)的支渠，然后由支渠供到農(nóng)渠進(jìn)入到田間。其計(jì)算方法為：首先，收集各片區(qū)支渠、農(nóng)渠的工程參數(shù)(如設(shè)計(jì)流量、渠系長度、渠系襯砌率等)，采用經(jīng)驗(yàn)公式法2(式7)確定支渠以下(含支渠)的灌溉水利用系數(shù)；其次根據(jù)各片區(qū)輸水干渠的工程參數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)公式方法2(式8)，確定各片區(qū)干渠水源的渠道水有效利用系數(shù)，進(jìn)而計(jì)算其灌溉水利用系數(shù)，結(jié)果見圖3；基于圖3成果，計(jì)算2013年灌區(qū)干渠水源的供水量成果見表5，表中同時(shí)給出了2013年灌區(qū)實(shí)際毛灌溉用水量。表5的結(jié)果表明：圖3結(jié)果可行。

η支水=-0.437 5Q支+2.053 1L-0.504 4+

0.541 8λ1.656 9+0.610 9

(7)

η干=0.979Q0.012干

(8)

式中：η支水為支渠以下灌溉水利用系數(shù)；Q支為支渠設(shè)計(jì)流量；L為渠系長度；λ為渠系襯砌率；η干為干渠渠道水利用系數(shù)；Q干為干渠設(shè)計(jì)流量。

圖3 干渠水源灌溉水利用系數(shù)結(jié)果圖

表5 2013年干渠控制片灌溉用水量計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比表 萬m3

5.4 灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)分析

根據(jù)(式6)和5.3成果，計(jì)算得出2013年灌區(qū)各種水源毛灌溉用水量成果見表6，根據(jù)灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)和表2，計(jì)算得出灌區(qū)凈灌溉用水量為1 584萬m3，進(jìn)而得出該灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)η=W凈/W毛=1 584/2 347=0.675。

表6 灌區(qū)各種水源毛灌溉用水量成果表 萬m3

□

[1] 全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析專題組. 全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則[Z]. 2013-12.

[2] 賈宏偉，鄭世宗. 灌溉水利用效率的理論、方法與應(yīng)用[M]. 北京：中國水利水電出版社，2013.