邵培寅 ，熊玉江 ，袁念念 ，彭正藝 ，李亞龍 ※，蘇沛蘭 ，魏廣飛 ，葉 磊 ，林曉煒

（1. 太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2. 長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢 430010；3. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；4. 湖北省漳河工程管理局，荊門 448156；5. 江蘇省科佳工程設(shè)計(jì)有限公司，無(wú)錫 214000）

0 引 言

由于人類活動(dòng)對(duì)水分循環(huán)的影響，灌區(qū)呈現(xiàn)出與自然流域不同的水文特征[1]。灌區(qū)內(nèi)的田埂、塘堰等蓄水設(shè)施和灌排渠系等輸水設(shè)施改變了灌區(qū)自然的水文過(guò)程，灌溉水源和灌溉方式的多樣化、灌區(qū)回歸水的重復(fù)利用等進(jìn)一步使灌區(qū)水文循環(huán)復(fù)雜化。

前人對(duì)此進(jìn)行了大量的試驗(yàn)[2]與數(shù)值模擬研究[3-4]，促進(jìn)了對(duì)灌區(qū)水分運(yùn)移轉(zhuǎn)化[5]、水循環(huán)特征[6-7]的認(rèn)識(shí)。南方丘陵灌區(qū)因其獨(dú)特地勢(shì)，大小塘堰眾多，除了調(diào)蓄徑流外，塘堰還承接渠道灌溉水作為附近農(nóng)田的灌溉水源[8]。亞熱帶季風(fēng)氣候?qū)е陆涤陼r(shí)空分布不均，溝道攔蓄田間排水用于灌溉的現(xiàn)象普遍。因此，南方丘陵灌區(qū)具有多水源灌溉和回歸水重復(fù)利用兩大特點(diǎn)，其水循環(huán)過(guò)程也與其他灌區(qū)有較大差別。水利部印發(fā)《“十四五”水安全保障規(guī)劃》中提出，要推動(dòng)完善輸配水系統(tǒng)建設(shè)，著力提高灌區(qū)輸配水效率，對(duì)于灌區(qū)灌溉用水的準(zhǔn)確計(jì)量提出了更嚴(yán)格的要求。南方丘陵灌區(qū)存在多種灌溉水源和復(fù)雜的回歸水重復(fù)利用[9]，灌溉水量的計(jì)算更加復(fù)雜。SHAO 等[10-11]利用多層水箱模型和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)來(lái)模擬塘堰對(duì)灌區(qū)的調(diào)蓄作用；DAI 等[12-13]通過(guò)SWAT 模型評(píng)估了水管理措施對(duì)水分生產(chǎn)率和節(jié)水潛力的影響；于穎等[14]建立調(diào)蓄排水和灌溉需水的水平衡演算模型，認(rèn)為提高灌排面積比能明顯提高排水再利用率。然而，以上研究對(duì)于受人類活動(dòng)影響的塘堰和溝道蓄用水行為研究不夠深入，且均以年為周期，缺乏考慮不同生育期的灌區(qū)水循環(huán)特征比較方法。因此，本研究基于現(xiàn)場(chǎng)原位水量觀測(cè)試驗(yàn)，將水田、塘堰和溝道概化成獨(dú)立的系統(tǒng)，針對(duì)各自的水循環(huán)特點(diǎn)構(gòu)建水量平衡公式，分生育期探究各系統(tǒng)水循環(huán)特征和灌區(qū)回歸水重復(fù)利用規(guī)律，厘清渠道灌溉水在研究區(qū)的耗散路徑，同時(shí)提出一種多水源灌區(qū)灌水量計(jì)算及復(fù)核的方法，以期為灌區(qū)精細(xì)水量管理提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

漳河灌區(qū)是是湖北省最大的灌區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積17.37 萬(wàn)hm2，是全國(guó)九大糧食產(chǎn)區(qū)之一。灌區(qū)地形主要為丘陵與平原結(jié)合區(qū)，北高南低，其自然條件在南方丘陵地區(qū)具有一定的代表性。目前，漳河灌區(qū)已形成以漳河水庫(kù)為骨干，以中、小型水庫(kù)和塘堰相結(jié)合的綜合型水利工程。灌區(qū)地勢(shì)起伏，塘堰和溝道互相混合交錯(cuò)[15]。灌區(qū)塘堰上下游各有溝道相連，用于集水和排水，塘堰被用來(lái)收集雨水、上游溝道來(lái)水及灌溉水以供農(nóng)田灌溉。當(dāng)?shù)剞r(nóng)民也經(jīng)常在溝道中放置土包，或在排水涵管出口蓋上木板，攔蓄溝道中的田間排水以供灌溉[16]。

在漳河灌區(qū)內(nèi)的楊樹(shù)垱流域選取一個(gè)相對(duì)封閉的斗渠尺度區(qū)域進(jìn)行研究，位于荊門市團(tuán)林鎮(zhèn)鋪白鶴村，漳河灌區(qū)三干渠九家灣管理段南1.0 km 處。研究區(qū)總面積為1.16 km2，水田占比80.3%，塘堰占比13.3%，溝道占比2.5%，建筑物占比3.9%。研究區(qū)北高南低，北邊界為三干渠，東西邊界為鄉(xiāng)鎮(zhèn)水泥道路，研究區(qū)排水均通過(guò)農(nóng)溝匯入?yún)^(qū)域中央的斗溝排出。研究區(qū)現(xiàn)狀及典型點(diǎn)位如圖1 所示。2021—2022 年水稻種植面積占水田的95%。2021 年由于疫情影響，未監(jiān)測(cè)到泡田期田間蓄水過(guò)程，將部分泡田期并入返青期。拔節(jié)孕穗期和抽穗開(kāi)花期的作物系數(shù)一致，且這2 個(gè)生育期田間水層深度相同，統(tǒng)一劃分成拔節(jié)抽穗期。2 a 水稻生育期及作物系數(shù)見(jiàn)表1，其中作物系數(shù)來(lái)自本地區(qū)其他研究[17]。2021 年和2022 年水稻生育期時(shí)長(zhǎng)分別為116 和124 d。

表1 2021 和2022 年水稻生育期及作物系數(shù)Table 1 Reproductive stages and crop coefficient of rice in 2021 and 2022

圖1 研究區(qū)示意圖及典型點(diǎn)位布置Fig.1 Schematic diagram of the study region and typical point layout

1.2 試驗(yàn)布置及數(shù)據(jù)采集

1.2.1 田間地下水埋深

在研究區(qū)內(nèi)選取4 塊典型水稻田，在田間打下1 m深水位觀測(cè)井，并在井底放置壓力式傳感器，逐小時(shí)記錄壓力，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)田間地下水埋深。

1.2.2 塘堰水位

在研究區(qū)內(nèi)部及周邊選取5 個(gè)典型塘堰，在塘堰中打下水位觀測(cè)井，并在井底放置壓力式傳感器，逐小時(shí)記錄壓力，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)塘堰水位。

1.2.3 斗溝出口流量

在斗溝出口處設(shè)置水位觀測(cè)井，并在井底放置壓力式傳感器，逐小時(shí)記錄壓力，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)水位，根據(jù)水位流量曲線，計(jì)算出口流量。

1.2.4 氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

研究區(qū)雨量通過(guò)三干渠管理段及研究區(qū)南側(cè)4 km 處設(shè)置的HOBO RG3 翻斗式自記雨量記錄儀差值，記錄逐小時(shí)雨量。氣壓和溫度通過(guò)在田間水位井蓋下端綁置傳感器，記錄逐小時(shí)氣壓和溫度。風(fēng)速、濕度和E601 蒸發(fā)量來(lái)自研究區(qū)附近的團(tuán)林灌溉試驗(yàn)站。

1.2.5 渠道灌水?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

研究區(qū)渠道灌溉水來(lái)自三干渠，通過(guò)電灌站取水至斗渠渠首。灌區(qū)灌溉以補(bǔ)給塘堰為主、直灌田間為輔”。由于不同田塊水稻的播種時(shí)間和品種存在差異，因此研究區(qū)中田塊的需水情況不盡相同，為了避免正在曬田或落干的稻田被水澆灌，只有返青期和拔節(jié)孕穗期中的2～3 d 渠道灌溉水能直灌田間，其余時(shí)間均直接補(bǔ)充塘堰，再由農(nóng)民自行從塘堰抽灌。從三干渠管理段獲取灌溉水量、對(duì)象以及時(shí)期（表2）。2021 年僅拔節(jié)孕穗期存在渠道灌水，而2022 年返青期和拔節(jié)孕穗期均存在渠道灌水。

表2 2021 年和2022 年研究區(qū)灌溉情況Table 2 Irrigation in the study region in 2021 and 2022

1.3 水量平衡計(jì)算

1.3.1 田間系統(tǒng)水量平衡及DRAINMOD 模型原理

田間水量平衡通過(guò)農(nóng)田水管理DRAINMOD 模型進(jìn)行計(jì)算，該模型在水稻灌區(qū)的應(yīng)用較多[18-19]。田間水量平衡[18]計(jì)算式如下：

式中IR為田間灌溉量，m3；ΔVR為田間儲(chǔ)水量變化，m3，包括田間不透水層以上土體內(nèi)的水量變化和土壤表面的水量變化，m3；DR為田間排水量，m3，包括降雨后田面積水超過(guò)田埂產(chǎn)生的地表徑流和田面以下產(chǎn)生的側(cè)向排水量，m3；ETC為蒸發(fā)蒸騰量，m3；DS為田間深層滲漏量，m3；PR為降雨量，m3。

將研究區(qū)的所有水田概化為一個(gè)整體，即水田系統(tǒng)，用4 個(gè)典型田塊地下水埋深的均值作為研究區(qū)水田系統(tǒng)地下水埋深。ΔVR通過(guò)田間地下水埋深及研究區(qū)土壤參數(shù)來(lái)計(jì)算。D通過(guò)地表無(wú)積水時(shí)的Hooghout 穩(wěn)定流公式和地表積水時(shí)的Kirkham 公式計(jì)算，需率定側(cè)向飽和導(dǎo)水率k；ETC通過(guò)Penman-Monteith 公式及對(duì)應(yīng)作物系數(shù)（表1）計(jì)算；由于研究區(qū)相對(duì)不透水層的導(dǎo)水率很小[20]，DS可忽略不計(jì)。模型輸出為水深單位，基于研究區(qū)對(duì)應(yīng)水田面積換算成體積單位。

由模型基本原理可知，在降雨和灌溉給定的條件下，影響田間地下水埋深模擬精度的參數(shù)[21]主要有側(cè)向飽和導(dǎo)水率k、田埂高度Sm和Kirkham 積水深度Si。Sm已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到，而本地區(qū)之前的DRAINMOD 模型的應(yīng)用較多，土壤、作物等參數(shù)均沿用前人研究結(jié)果[22-23]，排水系統(tǒng)參數(shù)通過(guò)實(shí)地測(cè)量，排水溝深、寬和間距分別為0.5、0.9 和56 m。本研究?jī)H需輕微調(diào)整k和Si即可。對(duì)于田間灌溉，只清楚大致時(shí)間，灌溉量未知，需要反推。因此模型調(diào)參分為2 個(gè)階段：第一階段根據(jù)灌溉時(shí)間結(jié)合田間實(shí)測(cè)水位，選擇不存在灌溉的時(shí)間率定出k和Si，分別為3.5 cm/h 和4 cm。由于研究區(qū)水稻田會(huì)進(jìn)行曬田和落干，不同生育期的田間水位上下限不同，因此無(wú)法使用模型的自動(dòng)灌溉功能，為了能更貼近真實(shí)的田間水分情況，第二階段將假設(shè)的灌溉量加入模型輸入值中，根據(jù)模擬的地下水埋深和實(shí)測(cè)田間地下水埋深進(jìn)行匹配調(diào)整，以此反推田間灌水量。DRAINMOD 模型一般通過(guò)比較地下水埋深這一模擬結(jié)果和實(shí)際觀測(cè)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和率定，采用總量相對(duì)誤差、平均偏差、平均絕對(duì)偏差和決定系數(shù)[24]來(lái)評(píng)價(jià)模擬效果。

1.3.2 塘堰系統(tǒng)水量平衡

受人類灌溉活動(dòng)影響，塘堰除調(diào)蓄徑流外，還承接渠道灌溉水以供周圍農(nóng)田灌溉，需要考慮渠道補(bǔ)給量和抽灌量來(lái)重新構(gòu)建塘堰水量平衡計(jì)算公式：

式中IDP為溝道來(lái)水量，包括地表徑流和壤中流，正值表示溝道水補(bǔ)充塘堰，負(fù)值代表塘堰水補(bǔ)充溝道，m3；ΔVP為塘堰的蓄水量變化，m3；PP為塘堰降雨量，m3；ICP為渠道補(bǔ)水量，渠道灌水補(bǔ)給塘堰的水量，m3；ETP為塘堰水面蒸發(fā)量，m3；DSP為塘堰滲漏量，m3；IPR為塘堰抽灌量，從塘堰抽灌至田間的水量，m3。由于研究區(qū)地勢(shì)起伏，垂直方向不透水層導(dǎo)水率較小[25]，DSP通過(guò)水平方向壤中流匯入下游溝道。

通過(guò)實(shí)地調(diào)研可知，研究區(qū)共有塘堰57 口，總蓄水量95 575 m3。將研究區(qū)所有塘堰概化成一個(gè)大塘堰。根據(jù)5 個(gè)典型塘堰的每日蓄水量占各自總蓄水量的比例均值對(duì)應(yīng)研究區(qū)塘堰總蓄水量，即可得塘堰系統(tǒng)每日蓄水量，塘堰系統(tǒng)每日蓄水量見(jiàn)圖2。

圖2 塘堰系統(tǒng)蓄水量變化Fig.2 Change of water storage of pond system

PP通過(guò)降雨量對(duì)應(yīng)研究區(qū)塘堰水面面積計(jì)算得到；ETP通過(guò)E601 蒸發(fā)量對(duì)應(yīng)研究區(qū)塘堰水面面積和本地折算系數(shù)[26]計(jì)算得到；DSP為蓄水量變化反推值，選取9月無(wú)降雨、抽灌、渠道補(bǔ)水和溝道來(lái)水的時(shí)段（圖2），各典型塘堰每日庫(kù)容減少量扣除蒸發(fā)量即為滲漏量，除以各典型塘堰日蓄水量，可得各典型塘堰滲漏系數(shù)[27]，取平均值即為塘堰系統(tǒng)滲漏系數(shù)，對(duì)應(yīng)塘堰系統(tǒng)的每日蓄水量可得每日滲漏水量。IPR和ICP通過(guò)對(duì)5 個(gè)典型塘堰蓄水量反推，同理可得各次抽灌和渠道補(bǔ)水占各自總蓄水量的比例和塘堰系統(tǒng)的各次的抽灌量和渠道補(bǔ)水量。

1.3.3 溝道系統(tǒng)水量平衡

受人類灌溉活動(dòng)影響，溝道攔蓄田間排水用于灌溉的現(xiàn)象普遍，需要考慮溝道抽灌量來(lái)重新構(gòu)建溝道水量平衡計(jì)算式如下：

式中IDR為溝道抽灌量，從溝道抽灌至田間的水量，m3；ΔVD為溝道蓄水量變化量，m3；PD為溝道降雨量，m3；Qqs為渠系損失量，m3；ETD為溝道水面蒸發(fā)量，m3；DB為斗溝排出水量，m3；DSD為溝道深層滲漏量。將研究區(qū)的所有溝道概化為一個(gè)整體，即溝道系統(tǒng)。由于溝道面積僅占研究區(qū)2.5%，平均深度為0.5 m，蓄水量遠(yuǎn)低于塘堰，且后續(xù)計(jì)算分析以生育期為周期，因此ΔVD可忽略不計(jì)。PD和ETD計(jì)算方法與塘堰系統(tǒng)相似。Qqs為從斗渠渠首灌入的水量減去進(jìn)入塘堰和水田的水量，由于研究區(qū)較小，渠道長(zhǎng)度較短，因此渠道輸水時(shí)間較短，渠系輸水蒸發(fā)量忽略不計(jì)。由于溝道系統(tǒng)最下級(jí)斗溝在2020 年灌區(qū)改造剛經(jīng)過(guò)水泥襯砌翻新，因此DSD可忽略不計(jì)。

1.4 回歸水及其評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

回歸水指灌區(qū)在上游因灌溉或降雨產(chǎn)生的地表徑流或壤中流被下游塘堰或溝道攔截存蓄以供使用的水量[28]。回歸水重復(fù)利用量指回歸水中被重復(fù)利用的部分?；貧w水重復(fù)利用率即回歸水重復(fù)利用量與回歸水量的比值，是衡量回歸水重復(fù)利用程度的重要指標(biāo)。本研究在區(qū)分回歸水重復(fù)利用場(chǎng)所的基礎(chǔ)上，將回歸水分為塘堰回歸水和溝道回歸水，分別計(jì)算塘堰、溝道和總體回歸水重復(fù)利用率。

在塘堰水分輸入項(xiàng)中，渠道補(bǔ)給來(lái)自三干渠，不屬于回歸水。塘堰回歸水為除渠道補(bǔ)給外的輸入水量減去在重復(fù)利用之前被消耗的水量。塘堰回歸水RFP計(jì)算式如下：

當(dāng)溝道來(lái)水量IDPi＞0 時(shí)，有

當(dāng)溝道來(lái)水量IDPi＜0 時(shí)，有

式中RFPi為第i個(gè)生育期的塘堰回歸水量日均值，m3；PPi為第i個(gè)生育期的塘堰降雨總量，m3；IDPi為第i個(gè)生育期的溝道來(lái)水量，m3；ICPi為第i個(gè)生育期的渠道補(bǔ)給量，m3；VPi為第i個(gè)生育期初始的塘堰蓄水量，m3；ETi為第i個(gè)生育期的塘堰蒸發(fā)總量，m3；DSPi為第i個(gè)生育期的塘堰滲漏總量，m3；ni為第i個(gè)生育期的天數(shù)。

塘堰回歸水重復(fù)利用量指塘堰回歸水中用于抽灌的水量，定義為塘堰抽灌量占輸出水量的比例乘以回歸水量，計(jì)算式如下：

當(dāng)溝道來(lái)水量IDPi＞0 時(shí)，有

當(dāng)溝道來(lái)水量IDPi＜0 時(shí)，有

式中RFPRi為第i個(gè)生育期的塘堰回歸水重復(fù)利用量日均值，m3；IPRi為第i個(gè)生育期的塘堰抽灌量日均值，m3；

溝道回歸水指因降雨或灌溉產(chǎn)生的地表徑流或壤中流進(jìn)入溝道被存蓄以供使用的水量。在溝道的水分通量中，溝道回歸水量為輸入水量減去重復(fù)利用前消耗的水量。溝道回歸水RFD計(jì)算式為：

式中RFDi為第i個(gè)生育期溝道回歸水量日均值，m3；PDi為第i個(gè)生育期的溝道降雨總量，m3；Di為第i個(gè)生育期的田間排水總量，m3；Qqsi為第i個(gè)生育期的渠系損失量，m3；ETDi為第i個(gè)生育期的溝道水蒸發(fā)總量；

溝道回歸水重復(fù)利用量指溝道回歸水中被重復(fù)利用的部分，定義為溝道抽灌量占輸出水量的比例乘以回歸水量，計(jì)算式如下：

當(dāng)溝道來(lái)水量IDPi＞0 時(shí)，有

當(dāng)溝道來(lái)水量IDPi＜0 時(shí)，有

式中RFDRi為第i個(gè)生育期的塘堰重復(fù)利用水量日均值，m3；IDRi為第i個(gè)生育期的溝道抽灌總量，m3；DBi為第i個(gè)生育期的溝道排出水量，m3

2 結(jié)果與分析

2.1 水田水量計(jì)算結(jié)果及分析

2.1.1 DRAINMOD 參數(shù)率定及結(jié)果

水田系統(tǒng)水量平衡最終模擬結(jié)果如圖3 所示，DRAINMOD 模型預(yù)測(cè)的地下水位埋深變化與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，變化范圍與趨勢(shì)基本一致。但田面積水部分有所偏差，2021 年拔節(jié)抽穗期田面積水實(shí)測(cè)值下降較模擬值更快，可能是農(nóng)戶降低田埂缺口高度主動(dòng)排水所致。評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果（表3）表明，地下水埋深實(shí)測(cè)值和模擬值偏差較小，地下水埋深總量的相對(duì)誤差在10%左右，平均偏差絕對(duì)值小于3 cm，模擬實(shí)測(cè)值相關(guān)性較好（R2＞0.92），表明基于DRAINMOD 模型的田間水量平衡計(jì)算準(zhǔn)確。

表3 DRAINMOD 模型模擬地下水埋深性能評(píng)價(jià)Table 3 Performance evaluation of DRAINMOD model for simulation of groundwater depth

圖3 2021-2022 年田間地下水埋深實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果比較Fig.3 Comparison of simulated and measured field groundwater depth in 2021 and 2022

2.1.2 水田系統(tǒng)水分通量比較

由于各生育期天數(shù)長(zhǎng)短不一，故本研究按照各生育期日均值進(jìn)行比較，日均值通過(guò)將各生育期每日水分通量累積除以對(duì)應(yīng)的生育期天數(shù)得到。各生育期水田水分通量日均值見(jiàn)表4，2021 年分蘗后期的降雨量最大，拔節(jié)抽穗期的灌溉量最大。分蘗后期曬田結(jié)束，拔節(jié)抽穗期因?yàn)橛谢毓鄬?dǎo)致田間水位升高，加之溫度升高，導(dǎo)致該生育期蒸發(fā)蒸騰量最大，同時(shí)因?yàn)樘镩g水位增高也導(dǎo)致該生育期排水量增大。從拔節(jié)抽穗期到乳熟期再到黃熟期，蒸發(fā)蒸騰量和排水量逐漸降低，與田間地下水埋深的變化相反。2022 年，返青期的灌溉量最大。泡田期間，田間開(kāi)始灌水，地下水埋深由高逐漸降低，田面積水時(shí)間較短，因此排水量在前4 個(gè)生育期最低。分蘗前期降雨量最大，導(dǎo)致田面積水較多，且個(gè)別降雨較大（63 mm）造成地表徑流，因此排水量最大。

表4 2021 和2022 年水田系統(tǒng)各生育期水分通量日均值Table 4 Average daily water flux in different reproductive stages of paddy field system in 2021 and 2022m3

將2021 和2022 年進(jìn)行對(duì)比，除返青期外，各生育期蒸發(fā)蒸騰量均高于2021 年，系2022 年溫度較高所致。2022 年前3 個(gè)生育期的降雨和灌溉存在較大差距，2021年則相對(duì)均勻。2022 年拔節(jié)抽穗期田面積水深度小于2021 年，因此排水量遠(yuǎn)小于2021 年，但蒸發(fā)蒸騰量卻更大。由全生育期水分通量總量分析可得（表5），2 年的灌溉和蒸發(fā)蒸騰量均超過(guò)了50%，分別為占比最大的輸入量和輸出量。水田水循環(huán)特征以灌溉—蒸發(fā)蒸騰的垂向運(yùn)動(dòng)為主。

表5 2021 年和2022 年水田系統(tǒng)各水分通量總量Table 5 Total water flux of paddy field system in 2021 and 2022

2.2 塘堰系統(tǒng)水量計(jì)算結(jié)果及分析

2.2.1 塘堰系統(tǒng)水分通量比較

各生育期塘堰水分通量日均值見(jiàn)表6，2021 年由于未監(jiān)測(cè)泡田期，僅有拔節(jié)孕穗期存在渠道補(bǔ)水量。抽灌量由大到小依次發(fā)生在返青期、拔節(jié)抽穗期、分蘗后期、分蘗前期、黃熟期和乳熟期。除黃熟期蒸發(fā)量較大外，其余生育期相差不大。各生育期的滲漏量相差不大。2022 年，渠道補(bǔ)水量主要集中在返青期和拔節(jié)孕穗期。抽灌量主要集中在泡田期、分蘗后期和拔節(jié)抽穗期。蒸發(fā)量隨著時(shí)間增大，在乳熟期達(dá)到極值（650 m3），黃熟期有所減小。各生育期的滲漏量相差不大。

表6 2021 年和2022 年塘堰系統(tǒng)各生育期水分通量日均值Table 6 Ponds system average daily water flux every day in different reproductive stages in 2021 and 2022m3

表6 還表明，溝道來(lái)水量?jī)H在2021 年拔節(jié)孕穗期、2022 年泡田期和分蘗前期為負(fù)值，表明通常由溝道向塘堰補(bǔ)充水分，符合常識(shí)，但當(dāng)塘堰短期輸入水量較大時(shí)，如降雨和渠道補(bǔ)給較大，也會(huì)出現(xiàn)塘堰向溝道補(bǔ)充水分的情況。2022 年乳熟期、黃熟期，降雨較少、蒸發(fā)量較大導(dǎo)致塘堰缺水且田間仍需灌水，灌區(qū)管理者也對(duì)塘堰進(jìn)行了渠道補(bǔ)給，較為及時(shí)。2022 年從分蘗前期開(kāi)始，各生育期蒸發(fā)量均高于2021 年，表明2022 年溫度較高，與2.1.2 分析結(jié)果一致。

由全生育期水分通量總量分析可得（表7），渠道補(bǔ)水量和抽灌量分別為占比最大的輸入量和輸出量。2022 年抽灌量和蒸發(fā)量占比增大、滲漏量占比較小，因?yàn)?022 年溫度更高，塘堰比2021 年缺水，蓄水量減少導(dǎo)致滲漏量也相應(yīng)減少。

表7 2021 年和2022 年塘堰系統(tǒng)各水分通量總量Table 7 Total water flux of pond system in 2021 and 2022

2.2.2 各生育期塘堰系統(tǒng)蓄水量組成分析

由2.2.1 可知，塘堰系統(tǒng)通過(guò)收集降雨、溝道來(lái)水，還通過(guò)渠道補(bǔ)水及時(shí)補(bǔ)充水量，除消耗初始蓄水量外，還消耗降雨、渠道補(bǔ)給和溝道來(lái)水。因此厘清水分來(lái)源對(duì)于探究塘堰水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律至關(guān)重要。以每個(gè)生育期為周期，在每個(gè)生育期末將各輸入量和初始蓄水量按各自比例減少，得到各生育期末塘堰蓄水量組成及其占比（表8）。

表8 2021 年和2022 年各生育期塘堰蓄水量組成及其占比Table 8 Components and its proportion of ponds storage in different reproductive stages in 2021 and 2022

2021 年，除黃熟期外，降雨量一直在增加，降雨量占比呈先增大后減小的趨勢(shì)。渠道補(bǔ)水量出現(xiàn)在拔節(jié)抽穗期，并直接成為占比最大的塘堰水量。溝道來(lái)水占比在拔節(jié)抽穗期下降較多，系渠道補(bǔ)水過(guò)多，塘堰反向補(bǔ)給溝道所致。黃熟期末，初始蓄水量、降雨量、渠道補(bǔ)水量和溝道來(lái)水量分別占比28.11%、23.24%、32.44%和16.20%，即整個(gè)生育期塘堰消耗了初始蓄水量的71.89%。

2022 年，降雨量及其占比在分蘗后期之前呈增加趨勢(shì)，之后呈減少趨勢(shì)，分蘗前期和分蘗后期增速較快。溝道來(lái)水量及其占比在分蘗前期減少，系塘堰反向補(bǔ)給溝道所致。黃熟期末，初始蓄水量、降雨量、渠道補(bǔ)水量和溝道來(lái)水量分別占17.27%、29.98%、38.15%和14.60%，即整個(gè)生育期塘堰消耗了初始蓄水量的82.73%。

綜合2 a 的結(jié)果，渠道補(bǔ)水量在生育期結(jié)束時(shí)都是占比最大的組成成分，溝道來(lái)水量都是占比最小的組成成分，表明塘堰如果缺少渠道補(bǔ)給，光靠降雨和溝道來(lái)水補(bǔ)充，塘堰水分將會(huì)嚴(yán)重虧缺。

綜合2.2 可知，因?yàn)榇嬖诖罅康某楣?，生育期?nèi)塘堰缺水嚴(yán)重，對(duì)渠道補(bǔ)水較為依賴。塘堰水循環(huán)特征以主要受人類活動(dòng)影響的渠道水補(bǔ)給—抽灌的橫向運(yùn)動(dòng)為主。

2.3 溝道水量計(jì)算結(jié)果及分析

2.3.1 直灌田間水量和渠系損失量計(jì)算

灌溉水從三干渠直接灌入斗渠，屬于越級(jí)取水，塘堰周邊沒(méi)有渠道，渠道補(bǔ)給塘堰是通過(guò)斗渠直接引入塘堰上游的排水溝道，故僅考慮斗渠輸水損失。渠道直灌田間需考慮斗渠、農(nóng)渠和田間輸水損失，根據(jù)研究區(qū)灌溉水利用系數(shù)[29]，可得2 種情況灌溉水利用系數(shù)分別為0.817 和0.694。2 a 田間直灌量為20 150 和38 445 m3，渠系損失總量為17 762 和30 765 m3（表9）。

表9 2021 和2022 年研究區(qū)灌溉水量去向Table 9 Terminal water flow in the study area in 2021 and 2022

各生育期塘堰水分通量日均值見(jiàn)表10，補(bǔ)充塘堰水量即2.2.1 節(jié)的溝道來(lái)水量，塘堰滲漏即2.2.1 滲漏量，不再贅述。2 a 的田間排水量和抽灌量隨生育期先增大后減小，2021 年田間排水量最大值發(fā)生在拔節(jié)抽穗期，為4 737 m3，2022 年發(fā)生在分蘗前期，為4 990 m3，較為提前。2021 年拔節(jié)抽穗期和2022 年返青期抽灌水量大于田間排水量，是因?yàn)榍禎B漏補(bǔ)給較大。2021 年返青期、2022 年分蘗前期和分蘗后期斗溝排水量較大，表明期間溝道水分較為充裕，部分多余的水分被排出。

表10 2021 年和2022 年溝道系統(tǒng)各生育期水分通量日均值Table 10 Ditch system average daily water flux every day in reproductive stages in 2021 and 2022 m3

2.3.2 溝道系統(tǒng)水分通量總量分析

由全生育期水分通量總量分析可得（表11），2022 年斗溝排水量占比增大了6.4%，補(bǔ)充塘堰占比減少了3.88%，因?yàn)榍? 個(gè)生育期田間水量充裕，溝道水排走。田間排水和抽灌分別是占比最大輸入和輸出量。

表11 2021 年和2022 年溝道系統(tǒng)各水分通量總量Table 11 Total water flux of ditch system in 2021 and 2022

綜合2.3.1 和2.3.2 節(jié)分析，溝道水循環(huán)特征以主要受人類活動(dòng)影響的田間排水—抽灌的橫向運(yùn)動(dòng)為主。

2.4 灌溉水量驗(yàn)證及分析

水田的灌溉來(lái)源有渠道直灌、塘堰抽灌和溝道抽灌，較為復(fù)雜。針對(duì)南方丘陵灌區(qū)的現(xiàn)狀，本研究提出一種適用于多水源灌區(qū)的灌溉水量復(fù)核方法 “首尾比較法”。通過(guò)對(duì)灌溉輸水環(huán)節(jié)的首部和尾部進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將首部（各水源）各自的水量厘清，再對(duì)應(yīng)各輸水環(huán)節(jié)的效率算出各自最終到達(dá)尾部（田間）的水量，求和后與尾部（田間）實(shí)際獲得的水量進(jìn)行比較，具體實(shí)例如下：

本研究中首部包括塘堰、溝道和斗渠渠首，由于塘堰供水和溝道供水都是就近采用水泵抽灌的方法，無(wú)需渠系輸配水，途中幾乎無(wú)損耗[30]，故塘堰供水和溝道供水的灌溉水利用系數(shù)為1.0，塘堰抽灌量和溝道抽灌量在表7 和表11 中已求出。從斗渠渠首灌至田間灌溉水利用系數(shù)為0.694 3，灌入田間的凈水量在表9 中已求出。尾部（田間）獲得的水量即田間水量平衡求得的灌溉量（表5）。首部和尾部比較結(jié)果見(jiàn)表12。

表12 首部和尾部灌溉水量核算Table 12 Calculation of beginning and ending irrigation water volume review

2021 年和2022 年的水量平衡誤差分別為4.65%和-2.74%，2021 年誤差稍大，可能是由于未監(jiān)測(cè)到泡田期的田間灌溉，水量不夠完整?？偟膩?lái)說(shuō)，誤差在可接受范圍內(nèi)，“首尾比較法”可行，為灌區(qū)灌水量管理提供參考。同時(shí)也表明研究區(qū)水量監(jiān)測(cè)較為精確，研究區(qū)水量平衡計(jì)算較為準(zhǔn)確。

2.5 回歸水及其評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果及分析

各生育期塘堰和溝道回歸水及其重復(fù)利用情況見(jiàn)表13，不同生育期塘堰回歸水量相差較大，2021 年分蘗后期、2022 年分蘗前期、分蘗后期、拔節(jié)抽穗期回歸水量較大，回歸水重復(fù)利用量基本與回歸水量成正比。分蘗后期是塘堰回歸水重復(fù)利用量最大的時(shí)期。與2022 年相比，2021 年不同生育期回歸水重復(fù)利用率波動(dòng)較小，分蘗前期、分蘗后期和拔節(jié)孕穗期基本保持一致。2022 年泡田期塘堰回歸水重復(fù)利用率最高，達(dá)到了76.40%。2021 年和2022 年塘堰回歸水重復(fù)利用率均呈逐漸減小的趨勢(shì)。兩年的溝道回歸水量及重復(fù)利用水量都呈先增大后減小的趨勢(shì)，2021 年在拔節(jié)抽穗期達(dá)到峰值，2022 年在分蘗前期達(dá)到峰值。2022 年分蘗前期溝道回歸水量大于返青期，回歸水重復(fù)利用量卻小于返青期，可能是因?yàn)榉痔Y后期降雨較大，且田間有曬田需求，因此抽灌量不大，部分溝道來(lái)水被排走。從溝道回歸水重復(fù)利用率看，2021 年拔節(jié)抽穗期達(dá)到最大值，93.37%，2022 年返青期達(dá)到最大值，95.23%。2 a 在拔節(jié)抽穗期均有所上升，系該生育期田間需要補(bǔ)灌所致。2 a 在乳熟期均突然減小，可能是因?yàn)槿槭炱诤忘S熟期鄰近收割，需要排干田間水分，不再需要從溝道抽灌。

表13 2021 和2022 年塘堰、溝道和總體回歸水重復(fù)利用程度Table 13 Ponds, ditch and total reuse of return flow degree in 2021 and 2022

2021 年和2022 年塘堰、溝道和總體回歸水重復(fù)利用率見(jiàn)表13。塘堰回歸水總重復(fù)利用率2 a 相差2.65 百分點(diǎn)，溝道回歸水總重復(fù)利用率年際變化則較為穩(wěn)定，且為塘堰的2 倍。由于溝道回歸水及其重復(fù)利用量和利用率都遠(yuǎn)大于塘堰，故總體回歸水利用率變化與溝道一致。2022 年總體回歸水重復(fù)利用率比2021 年低6.45 百分點(diǎn)，系溝道抽灌在灌溉來(lái)源中占比下降所致。

2.6 渠道灌溉特征分析

從三干渠灌入研究區(qū)的渠道灌溉水是研究區(qū)除降雨以外的外部水分來(lái)源，用于補(bǔ)給塘堰和水田。以監(jiān)測(cè)較完整的2022 年為例，探究渠道灌水后灌溉水的耗散途徑（圖4）。根據(jù)表9，進(jìn)入水田、塘堰和溝道的渠系水分別占比29.44%、47.07%和23.49%。由2.1.2可知，進(jìn)入水田的水分有63.82%用于蒸發(fā)蒸騰，36.18%被排出田間進(jìn)入溝道。由2.2.1 可知，進(jìn)入塘堰的水分有50.57%用于抽灌進(jìn)入田間，36.36%用于蒸發(fā)，13.06%通過(guò)滲漏進(jìn)入了溝道。由2.3.2 可知，進(jìn)入溝道的水分有80.28%被抽灌回田間，4.12%用于蒸發(fā)，0.95%補(bǔ)給塘堰，14.65%排走。

圖4 2022 研究區(qū)渠道灌水耗散路徑圖Fig.4 Consumption pathway of channel irrigation water in study area

2.7 水循環(huán)路徑分析

解決水問(wèn)題的關(guān)鍵在于將水循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)節(jié)成整體、厘清水分運(yùn)動(dòng)過(guò)程。以2022 年為例，研究區(qū)水稻生育期水循環(huán)路徑如圖5，進(jìn)入水田的水量除了降雨（36.8 萬(wàn)m3），還有渠道直灌（3.8 萬(wàn)m3）、塘堰抽灌（7.2 萬(wàn)m3）和溝道抽灌（28.2 萬(wàn)m3），經(jīng)過(guò)田間蒸發(fā)蒸騰（48.1 萬(wàn)m3）后，排入溝道（27.2 萬(wàn)m3）。進(jìn)入塘堰的水量有降雨（6.2 萬(wàn)m3）、渠道補(bǔ)給（6.1 萬(wàn)m3）和溝道來(lái)水（0.3 萬(wàn)m3），塘堰中的水除了供給灌溉（7.2 萬(wàn)m3）外，用于蒸發(fā)（5.2 萬(wàn)m3）和滲漏（1.9 萬(wàn)m3）。降雨（3.0 萬(wàn)m3）、田間排水、渠系損失（3.1 萬(wàn)m3）、塘堰滲漏進(jìn)入溝道后，除了供給灌溉、蒸發(fā)（1.4 萬(wàn)m3）、補(bǔ)充塘堰外，剩余排出試驗(yàn)區(qū)（5.2 萬(wàn)m3）。

圖5 研究區(qū)水循環(huán)通量Fig.5 Hydrological cycle in study area

3 討 論

回歸水是一種可再利用的水資源[31]，回歸水重復(fù)利用能夠提高水分生產(chǎn)率，減少灌區(qū)棄水[28]。邵培寅等[16]在該地區(qū)進(jìn)行的封閉灌排單元（面積2.4× 10-3km2）試驗(yàn)表明，通過(guò)在溝道攔蓄排水重復(fù)利用，可提供51.80%的灌溉定額，比本研究（面積1.16 km2）71.81%的結(jié)果稍小（表8）。吳迪等[30]在該地區(qū)（面積43.3 km2）的研究認(rèn)為，農(nóng)民基本會(huì)將排水溝中的水均取來(lái)灌溉，溝道灌溉取水比例約為90%，比本研究的結(jié)果80.28%稍大，表明在南方丘陵灌區(qū)尺度越大，溝道排水再利用程度越高。

按照渠道灌水后灌溉水的耗散途徑，渠系水初次分配有29.44%的水分進(jìn)入田間，進(jìn)入塘堰和溝道的水分經(jīng)過(guò)二次分配，分別有占原渠系水23.80%和18.86%進(jìn)入了田間，僅算初次分配和二次分配，則共有72.10%的水分進(jìn)入了田間，溝道排走的水量?jī)H占渠系水的3.44%，剩余24.46%的水分則留在研究區(qū)中用于蒸發(fā)或不同系統(tǒng)之間的水量交換，該部分仍有被重復(fù)利用的可能。按照灌溉水利用系數(shù)的定義[29]，2022 年研究區(qū)灌溉水利用系數(shù)至少為0.721。說(shuō)明對(duì)于存在較高程度回歸水重復(fù)利用的地區(qū)，僅憑灌溉水利用系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)是灌溉水的利用效率是非常局限的。

本文監(jiān)測(cè)的2021 和 2022 年生育期降雨較少，均屬于枯水年，為防止僅依靠雨養(yǎng)稻田水分輸入過(guò)少而影響生長(zhǎng)[32]，因此溝道出口攔蓄措施比較到位，溝道和塘堰的水量輸出以抽灌為主。而豐水年降雨較多，溝道輸出水量以排水為主，人類活動(dòng)干預(yù)減少，塘堰和溝道儲(chǔ)水功能減弱，此時(shí)水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律將發(fā)生較大變化。因此，需要更長(zhǎng)期的試驗(yàn)來(lái)對(duì)比豐、平、枯不同年型的灌區(qū)水循環(huán)規(guī)律。

4 結(jié) 論

本研究基于對(duì)南方丘陵灌區(qū)典型研究區(qū)的野外觀測(cè)試驗(yàn)，將研究區(qū)概化為水田、塘堰和溝道3 種不同的系統(tǒng)，針對(duì)各自的水循環(huán)特點(diǎn)構(gòu)建水量平衡公式，分生育期評(píng)價(jià)水循環(huán)特征及回歸水重復(fù)利用規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）水田水循環(huán)以灌溉—蒸發(fā)蒸騰的垂向運(yùn)動(dòng)特征為主，塘堰水循環(huán)以渠道補(bǔ)給—抽灌的橫向運(yùn)動(dòng)特征為主，溝道水循環(huán)以田間排水—抽灌的橫向運(yùn)動(dòng)為主。生育期結(jié)束塘堰初始蓄水量消耗了82.73%，渠道補(bǔ)給成為最大的補(bǔ)充，占38.15%。塘堰和溝道水循環(huán)受人類活動(dòng)影響嚴(yán)重。

2）對(duì)于多水源灌區(qū)，提出采用“首尾比較法”對(duì)灌溉輸水的源頭和末尾進(jìn)行比較，為灌區(qū)灌水量計(jì)算及復(fù)核提供了有效思路。渠道直灌、溝道、塘堰分別占田間灌溉來(lái)源的9.77%、71.81%和18.42%。

3）南方丘陵灌區(qū)水分的重復(fù)利用程度較高，以渠道灌溉水為例，初次分配僅有29.44%進(jìn)入了田間，但塘堰和溝道二次分配使得至少72.10%的渠道水用于灌溉，僅有3.44%排走未被利用。塘堰回歸水重復(fù)利用率全生育期逐漸減小，溝道是回歸水重復(fù)利用的主要場(chǎng)所，且回歸水重復(fù)利用率是塘堰的2 倍（80.86%）。得益于高效的回歸水收集和重復(fù)利用，灌區(qū)管理 “補(bǔ)給塘堰為主、直灌田間為輔”的灌溉策略可行、實(shí)際灌溉效率較高。