李星瑜，陳欣欣

（河南省開封水文水資源勘測局，河南 開封 475000）

0 引言

灌區(qū)不僅僅是糧食生產(chǎn)的主要基地，在中國經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中灌區(qū)也有著舉足輕重的地位。但因引水量有限，多采用渠井結(jié)合的方式進(jìn)行灌溉，因此合理規(guī)劃灌溉制度是提高水資源利用效率的關(guān)鍵。鑒于不同時空尺度灌區(qū)水分運(yùn)動的差異，導(dǎo)致了節(jié)水灌溉效果會產(chǎn)生一定的尺度效應(yīng)。針對其特殊灌溉條件及節(jié)水灌溉要求，對不同尺度下的灌溉水利用效率進(jìn)行評價，以便調(diào)整節(jié)水措施。文章以典型渠井結(jié)合灌區(qū)-柳園口灌區(qū)為研究對象，評價其不同尺度下的灌溉水利用效率，指導(dǎo)其灌溉節(jié)水措施，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)，為實(shí)施井渠結(jié)合提供參考。

1 尺度及尺度效應(yīng)

尺度分為時間尺度與空間尺度。受監(jiān)測和資料收集所限，不同尺度工程分析可為相應(yīng)尺度工程設(shè)計提供參考。文章研究對象主要為空間尺度?？臻g尺寸變化從灌溉水文學(xué)來講，指從微觀尺度（10e-5～10e-2m）—中觀尺度（10e-2～1 m）—宏觀尺度（1～104 m）—全球尺度（104～108 m）。按常規(guī)灌溉水管理對空間尺度進(jìn)行單元劃分，可劃分為小尺度（田間尺度）、中等尺度（干渠或斗渠所控制的尺度）以及大尺度（灌區(qū)或流域子域及其流域所控制的尺度）。

節(jié)水灌溉應(yīng)用于不同尺度上的節(jié)水表現(xiàn)稱為節(jié)水灌溉尺度效應(yīng)，以及一種尺度的節(jié)水效果對其他尺度節(jié)水效果的影響。

2 灌溉水利用效率評價指標(biāo)及其獲取

2.1 灌溉水利用效率評價指標(biāo)

評價灌溉水利用效率的指標(biāo)通常分為兩種：第一種是灌溉效率、灌溉水利用效率、水分生產(chǎn)率、作物水分利用效率、水分消耗百分比；第二種是灌溉水利用系數(shù)。

因灌溉制度與水分生產(chǎn)率、灌溉效率息息相關(guān)，兩者都高效，灌溉行為才高效。為體現(xiàn)二者聯(lián)系，根據(jù)灌溉水利用效率評價指標(biāo)，分別采用毛入流量、灌溉水分生產(chǎn)率、水分生產(chǎn)率以及作物蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率對灌溉水水分生產(chǎn)率進(jìn)行衡量。水分消耗比例為總消耗水量與研究區(qū)域內(nèi)毛入流量及可利用水量的比值。其中，可利用水量指毛入流量扣除儲水變化量和調(diào)配水量。

2.2 多尺度評價指標(biāo)的獲取手段

為了進(jìn)行不同尺度的對比，一般灌區(qū)通常進(jìn)行田間和灌區(qū)尺度試驗(yàn)監(jiān)測，并獲取相應(yīng)評價指標(biāo)。評價指標(biāo)需要進(jìn)行水量平衡計算，測出或估算出水量平衡各組成部分，如入流量包括降雨、灌溉水量、地下水補(bǔ)給量；出流量包括排水量、蒸發(fā)蒸騰量、滲漏量等。對于不同的計算范圍有不同的計算內(nèi)容。田間尺度的水量平衡計算各組成部分及測量方法如表1。

表1 田間尺度的水量平衡計算各組成部分及測量方法表

3 柳園口灌區(qū)灌溉水利用效率多尺度評價

3.1 尺度試驗(yàn)設(shè)計

柳園口灌區(qū)的田間尺度、中等尺度試區(qū)選在開封市杜良鄉(xiāng)，距惠北試驗(yàn)站約5 km。中等尺度試驗(yàn)區(qū)從東干渠引水。中等試驗(yàn)區(qū)總面積為410.63 hm2，稻田面積384.24 hm2。在田間尺度上，從中等試區(qū)分別選出三塊農(nóng)田做田間試驗(yàn)，根據(jù)田間到附近水源距離的差異，各選用一塊上游、中游、下游典型田。

為做水量平衡計算，在各尺度試區(qū)邊界處的進(jìn)水口與出水口處設(shè)置涵管、三角堰、無喉段量水槽等測流設(shè)備，以測出計算范圍內(nèi)所有進(jìn)出口水量。并且為監(jiān)測田間滲漏量以及田間水層深度，在每塊田區(qū)安裝測滲筒、塑料筒以及木樁等設(shè)備。上游試驗(yàn)田共有19塊大小不等的田塊、總面積為12 900 m2，周邊僅有1個進(jìn)口和1個出口；中游試驗(yàn)4塊田、總面積為7 247 m2，周邊進(jìn)口與出口各設(shè)置3個；下游有17塊田，總面積為27 130 m2，周邊設(shè)置有3個進(jìn)口和2個出口。

3.2 田間尺度灌溉水利用效率評價

在田間尺度的水量平衡計算中，需要考慮在農(nóng)作物種植期間試驗(yàn)田內(nèi)所有流進(jìn)與流出的水量，其中包含降雨量、排水量。灌溉水量、土壤儲水變化量等因素。柳園口灌區(qū)田間尺度2012-2014年的水量平衡結(jié)果見表2。

表2 柳園口灌區(qū)典型田水量平衡計算表

分析田間尺度實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，由于降雨量的不同導(dǎo)致各年份的灌溉水量有所差別，特別在如2014 年這類降雨量較大的年份，其灌溉水量僅是2012年和2013年的一半，但三年間降雨量與灌溉水量的總和較為接近（約為1 000 mm）。此外，受到氣象條件的影響三年間的水稻蒸發(fā)蒸騰量的差異較大，如2012年水稻蒸發(fā)蒸騰量高于2013年20%，高于2014年18%，以此可證明氣象條件是水稻騰發(fā)耗水量的決定性因素。由田間試驗(yàn)結(jié)果可以看出，淹灌的灌水方式在此條件下的田間出流量最大，所以，運(yùn)用節(jié)水灌溉技術(shù)限制排水量和滲流量以減少灌溉水量的方法是有效的。

在產(chǎn)量上，三年的田間試驗(yàn)結(jié)果有較大的差別，2013年水稻產(chǎn)量高于2012 年22%，并且2013 年水稻產(chǎn)量高于2014 年14%，其主要原因?yàn)?014年的年降雨量較高，氣象原因而導(dǎo)致作物光照少。

表2 為水量平衡評價指標(biāo)計算結(jié)果，分析計算結(jié)果可知，各年份間毛入流量水分生產(chǎn)率WPgross較為接近，但2014年的灌溉水分生產(chǎn)率WP1最大，2012 年與2013 年的灌溉水分生產(chǎn)率WP1無較大差別。2012年與2013年間的蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率WPET較為接近，但2014 年的蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率較小。PFgross 指田間毛入流量占水稻蒸發(fā)蒸騰量的百分?jǐn)?shù)，在不同水文年份PFgross 值約為50%，這說明灌溉水量與降雨量多半消耗在水稻蒸發(fā)蒸騰。

3.3 中等尺度灌溉水利用效率評價

實(shí)驗(yàn)中中等尺度水量平衡的計算時間是以泡田開始至收割結(jié)束為周期（約四個月），表3 為2012-2014 年水量平衡結(jié)果。可知：除2013 年黃河沖沙實(shí)驗(yàn)灌區(qū)禁止引水的特殊情況外，中等尺度的水稻灌溉定額較大，約為1 000 mm，說明決定灌區(qū)上游田間引水量大小的主要因素為是否引入黃河水，而降雨量、作物需水等因素對飲水量的影響較小。

表3 中等尺度水量平衡計算表

在中等尺度試區(qū)94%的面積種植有水稻，因此水稻蒸發(fā)蒸騰量占總耗水量的占比PFdepleted最高（約為97%）。而總消耗水量占毛入流量的比例DFgross、可利用水量的比例DFavailable變化的幅度較大（介于0.28～0.71）。因此在中等尺度試區(qū)上，毛入流量中各因素所消耗水量僅占比50%，另外的50%流出了中等試區(qū)和補(bǔ)充了地下水。

在中等尺度上，2013 年的灌溉水分生產(chǎn)率WP1數(shù)值最大，約為2012 年和2014 年的兩倍，其主要原因?yàn)樵撃曛械仍噮^(qū)引水量較少。但2012-2014 年之間水稻蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率WPET的差異較小，特別的，受灌溉水量和降雨量的影響，引水量和降雨量較小的2013 年的毛入流量水分生產(chǎn)率WPgross 值最大，而2014 年的WPgross 值最小。相比之下，中等尺度的灌溉水分生產(chǎn)率WP1較田間尺度較小，但中等尺度的灌溉定額較大。根據(jù)氣象條件，選用彭曼-蒙特斯方程計算兩種尺度的水稻蒸發(fā)蒸騰量。結(jié)果表明，兩種尺度上的水稻騰發(fā)量水分生產(chǎn)率相近并且田間尺度的水稻騰發(fā)量占毛入流量的比例（約為0.51）高于中等尺度（約為0.43）。由此說明在兩種尺度中水稻所消耗水量的水量均較低，有大量出流現(xiàn)象的存在。

4 結(jié)論

文章通過對中國灌溉水利用效率指標(biāo)及其尺度分析的基礎(chǔ)上，針對典型渠井結(jié)合灌區(qū)柳園口灌區(qū)，開展農(nóng)田尺度、中等尺度試驗(yàn)。設(shè)置不同灌溉措施，分別監(jiān)測其地下水補(bǔ)給量；設(shè)置不同作物處理小區(qū)，分別監(jiān)測各小區(qū)潛水蒸發(fā)量；選擇典型區(qū)域，監(jiān)測自然降水和徑流條件下入滲過程，分析降水和徑流對地下水補(bǔ)給規(guī)律；監(jiān)測不同地下水埋深條件下基流和徑流形成的形成過程；同時監(jiān)測灌區(qū)氣象、引黃水量、產(chǎn)量等因素，進(jìn)而對田間及中等尺度的水量平衡分析，獲取兩種尺度灌溉水利用效率評價指標(biāo)-灌溉水分生產(chǎn)率、蒸發(fā)蒸騰量水分生產(chǎn)率及毛入流量水分生產(chǎn)率。結(jié)果可知，中等尺度灌溉定額較大，故灌溉水分生產(chǎn)率較?。恢械瘸叨扰c田間尺度間的水稻騰量水分生產(chǎn)率水平差異較??；田間尺度的水稻騰發(fā)量占毛入流量比率高于中等尺度，由此說明在兩種尺度中水稻所消耗水量的水量均較低，有大量出流現(xiàn)象的存在。