大中型灌区设计灌水率影响因素研究

罗 翔，黄韬幸，林昱锜

(中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 研究背景

灌水率是作物需水与灌区工程规模尺寸的纽带和桥梁[1]。综合灌区各种作物每次灌溉用水量，即可得到全灌区的灌溉用水流量变化过程[2-3]。依据流量的变化过程即可确定一个适当的标准流量，并用它来进行渠道的设计与渠系建筑物的设计，确定各级工程的规模和尺寸，满足高效稳定的灌溉需求[4-5]。因此，在灌区规划设计中，灌水率备受关注[6]。

我国大量灌区始建于20世纪50—70年代，调查显示这些灌区逐渐暴露出一些问题[7-8]，主要表现为工程规模偏小，下游农田灌水困难，上、下游抢水争水现象严重等[9-10]。其根本原因在于初期设计时工程规模偏小[11]，而工程规模偏小的直接原因便是设计灌水率取值不当[12]。引起灌水率取值不当的原因主要是种植比例不匹配、生育期划分时间不对等。前者因为现状种植作物较规划时种植作物有了极大区别[13]，特别是水稻等高耗水作物种植比例大面积提高，使得作物实际需水量较工程规划设计时设计需水量有大幅度提高[14-18]。后者随着农村人口向城镇化大面积转移，农村劳动力只有在传统农耕高峰期，即夏收、秋收时抢收抢种，将原本12～15 d的灌水时间缩短至4～5 d完成，这也在客观上导致用水集中，致使高峰期用水困难。

现代农业中确定灌水率不能仅仅考虑作物的需耗水量，还应考虑灌区建设管理水平和经济发展水平等方面，合理的灌水率，对灌溉工程规模的确定也具有重大意义。本研究通过对我国36座大中型灌区进行资料收集与统计，对比分析了灌区灌水率的影响因素，研究结果对合理确定灌区灌水率、老旧灌区配套改造、提高灌区运行管理水平等都具有重要的意义。

2 材料与方法

2.1 灌区总体概况

本研究共收集国内36座大中型灌区的相关资料，遍及我国东北、西北、华东和西南等地，其中，特大型灌区1座，大型灌区29座，中型灌区6座，主要分布见表1。

表1 灌区分布统计表

2.2 调查方式

通过实地调查、检阅灌区相关资料以及向各地水利部门发函询问相关参数的方式对全国大中型灌区进行了资料收集与统计，并从辽宁、吉林、黑龙江、山西、内蒙古、山东、江苏、安徽、江西、四川、贵州和云南等各地水利局收集到相关灌区续建配套与节水改造总体方案。

2.3 主要调查项目

从调查到的相关资料中分别收集了灌溉面积、灌区规模、灌水率、主要种植作物比例、灌水延续时间、灌溉水利用系数、渠系分级、降雨有效利用系数、灌溉保证率和渗漏强度等灌区变量，相关统计资料见表2。其中灌水率主要分布在5.25×10-4～22.35×10-4m3/(s·hm2)，有55.56%的灌区灌水率分布在6.75×10-4～9.00×10-4m3/(s·hm2)范围内。各灌区中，山东省的大王庙灌区和四川省的长葫灌区灌水率最低，分别为5.40×10-4，5.25×10-4m3/(s·hm2)；位于江苏省的渠南灌区的灌水率最大，为22.35×10-4m3/(s·hm2)；其次是位于吉林省的白沙滩灌区、江苏省的凌城灌区和位于江西省的鄱湖灌区，灌水率分别为14.10×10-4，10.50×10-4，1.34×10-4m3/(s·hm2)，相关统计特征见表3。

表2 灌区数据收集统计特征

表3 灌区灌水率分布特征

2.4 数据统计

采用Excel 2016软件进行数据统计分析，并采用Origin2020和Excel 2016软件进行绘图。

3 结果与分析

3.1 作物的种植类型与比例

灌区主要种植作物类型，以水稻为主,稻麦轮作、水稻和油菜轮作及小麦种植。根据灌区主要种植作物的种类进行研究(图1)，以种植水稻为主的地区，其灌水率要高于种植小麦为主的灌区。一般情况下，水稻的灌水定额最大，小麦和蔬菜次之，玉米的灌水定额最小，故以种植水稻为主的地区灌水率较高。

图1 作物种植类型与灌区灌水率关系图

将水稻的种植比例与灌水定额的乘积分别按照0～1 500，1 500～3 000，3 000～4 500，4 500～6 750 m3/hm2分组进行讨论(图2)，结果显示：不同分组之间灌区灌水率差异较大，0～1 500 m3/hm2和1 500～3 000 m3/hm2分组下的平均灌水率分别为7.95×10-4m3/(s·hm2)和8.10×10-4m3/(s·hm2)；3 000～4 500 m3/hm2分组下的平均灌水率为10.8×10-4m3/(s·hm2)；4 500～6 750 m3/hm2分组下的平均灌水率为13.05×10-4m3/(s·hm2)，故当某一灌区的水稻的种植比例越大和灌水定额越大，其灌水率就越大。

图2 不同分组之间灌水率差异

对灌区内其他主要作物种植比例与灌水定额的乘积与灌水率进行比较发现，当灌区内玉米种植比例大时，灌区的灌水率会随之减小,这是因为玉米属于旱作物，灌水定额较小。另外，小麦、蔬菜等作物对灌区灌水率几乎没有影响,因为设计灌水率一般选取灌水率图中的最大或次大灌水率作为设计灌水率，而灌区的最大或次大灌水率一般出现在水稻的需水高峰期，有时需叠加其他作物的需水量，故小麦和蔬菜等中等需水量作物的作物对灌区灌水率的影响并不是特别明显。

3.2 地域类型

通过对不同地区的灌区灌水率进行比较发现(图3)，西北及西南地区的灌水率相对较小，灌水率分别为7.80×10-4，7.50×10-4m3/(s·hm2)；东北和华北地区的灌水率相对较大，灌水率分别为11.55×10-4，13.05×10-4m3/(s·hm2)。通过对不同地区作物种植类型和比例均值进行统计，结合地区之间灌水率的差异分析(表4)，可以看出造成该现象的原因主要是灌区所在位置影响着灌区种植作物的类型，从而通过作物的灌水定额影响灌区灌水率，比如西北地区内蒙古河套灌区的主要作物为小麦和玉米等旱地作物，其灌水定额整体较小，所以灌水率也较小。东北地区和华东地区主要种植作物为水稻，且其种植比例一般在80%以上，故灌水概率较大。而西南地区如贵州、四川等地，主要种植作物为水稻和油菜，且水稻的平均种植比例为58%，故其灌水率大于种植旱田作物为主的西北地区，小于大面积种植水稻的东北和华北地区。

图3 不同地域类型之间灌水率差异

综上所述，地域类型对灌水率的影响主要是通过作物的蒸发蒸腾、渗漏、降雨补给等因素的取值从而进一步影响作物的灌水定额，这些因素在不同地域之间差异较大且差异较为复杂，不同灌区不同作物灌水定额对灌区灌水率又有不同程度的影响，故直接从蒸发蒸腾、渗漏、降雨补给等因素分析对灌区灌水率的影响效果不理想。地域类型对灌水率的影响还是要通过不同地域类型对作物种植的影响来分析，西北地区种植作物以小麦为主，故其平均灌水率较小；西南地区主要种植水稻和油菜且水稻的平均种植比例为58%，故其灌水率相对较小；东北和华北地区主要种植水稻，且其种植比例一般为80%以上，故灌水概率较大。

表4 不同地区作物种植类型和比例均值

3.3 灌区规模

按照灌区规模对平均灌水率进行比较见图5。从图5可以看出，特大型灌区灌水率最小，其平均值为7.80×10-4m3/(s·hm2)；中型灌区灌水率次之，其平均值为8.55×10-4m3/(s·hm2)；大型灌区灌水率最大，其平均值为9.75×10-4m3/(s·hm2)，其中，大(Ⅲ)型灌区平均灌水率为8.85×10-4m3/(s·hm2)，大(Ⅱ)型灌区平均灌水率为12.15×10-4m3/(s·hm2)。并且除特大型灌区之外，中型和大型灌区随着灌溉面积增加，灌区灌水率随之增加。通过对灌水延续时间、作物种植种类等因素分析发现，特大型灌区种植的主要作物为小麦，灌水定额较小，且考虑到渠道的设计流量和工程经济性，特大型灌区的灌水延续时间较长，故虽其灌溉面积最大，但灌水率却较小。大中型灌区灌水率随着灌区面积的增加而增加，其原因可能为大中型灌区随着灌区面积的增加，作物种植面积和种植比例也有所增加，同一时期需要满足的作物灌溉需水量也随之增加，最终导致了灌区灌水率的增加。另外，大面积水稻灌区(1 000 hm2以上)的设计净灌水率推荐值一般为6.75×10-4～9.00×10-4m3/(s·hm2)，中型灌区、大(Ⅲ)型灌区和特大型灌区的灌水率均在该推荐范围内，而大(Ⅱ)型灌区平均灌水率要高于推荐值。通过分析发现，该类型灌区灌水率较高的原因在于调查统计到的大(Ⅱ)型灌区主要种植作物为水稻，且种植比例高达80%～90%，导致灌区灌水率整体较大。

图4 灌区规模与灌水率关系图

3.4 灌区兴建年代

将灌区按照其兴建年代划分为20世纪40—50年代、20世纪60—70年代、20世纪80—90年代和21世纪初，每个年代的平均灌水率值见图6所示。从图5可以看出：不同年代修建的灌区灌水率平均值分别为13.20×10-4，10.65×10-4，7.35×10-4，8.85×10-4m3/(s·hm2)。20世纪末和21世纪初修建的灌区灌水率较高，其原因可能在于，老灌区在修建之初为了满足作物高峰需水要求，而盲目地将灌区设计灌水率取值增大，但是后期由于农艺的进步、灌溉技术的发展等，发现可以通过调整作物种植结构或者根据作物需水特性在允许范围内前后合理移动灌水日期，从而降低灌区设计灌水率。并且，较低的灌水率无论从工程经济角度还是从灌区管理角度都比较经济，故后期新建灌区灌水率均可在允许范围内取得较低值，这与大面积水稻灌区(1 000 hm2以上)的设计净灌水率推荐值相一致。

图5 灌区修建年代与灌水率关系图

3.5 灌水延续时间

通过对不同灌水延续时间的灌区灌水率进行比较，其结果如图6所示。从图6可以看出：灌水延续时间小于1 d的灌区灌水率最小，为5.25×10-4m3/(s·hm2)，而灌水延续时间在3～6，6～10 d和大于10 d的灌区灌水率分别为9.45×10-4，9.15×10-4，10.05×10-4m3/(s·hm2)，大于灌水延续时间小于1 d的灌区灌水率。

通常情况下，对于同一灌区而言，由于其作物种类和比例基本确定，故灌水时间越长，灌水率就越小。而在不同灌区之间，选取设计灌水率时，需要调整各种作物的灌水率(主要是调整灌水延续时间)和在允许范围内前后移动灌水日期，由于灌区内作物种植类型、种植比例等因素各不相同，灌水延续时间对灌水率的影响并不明显。

图6 灌水延续时间与灌区灌水率关系图

4 结论与建议

4.1 结 论

灌区灌水率主要受作物种植结构、地域类型、灌区规模、灌区兴建年代等因素的影响，主要表现为：

(1) 水稻的灌水定额最大，小麦和蔬菜次之，玉米的灌水定额最小，故种植水稻为主的东北地区和华东地区灌水率较大，种植旱田作物为主的西北地区灌水率较小；

(2) 特大型灌区灌水率最小，中型灌区灌水率次之，大型灌区灌水率最大。大型灌区灌水率大的原因可能是大型灌区主要种植作物为水稻，且种植比例高达80%～90%，导致灌区灌水率整体较大。

(3) 老灌区在修建之初设计灌水率取值较大，后期新建灌区灌水率相对较低。

4.2 建 议

灌水率受不同因素影响在不同地域之间差异较大，因此，本文从作物种植结构、地域类型、灌区规模、灌水延续时间等因素对我国大中型灌区灌水率影响进行了研究，对灌区灌水率选择及老旧灌区改造、提高灌区运行管理效率等方面提出以下建议：

(1) 对于同一灌区而言，由于其作物类型和种植比例基本确定，故灌水时间越长，灌水率就越小，因此在选择灌水率时，注意选取合适的灌水延续时间，使渠道输水效率较高且保证作物需水要求。

(2) 灌区灌水率受灌区内作物类型与种植比例的影响较大，西北地区种植作物以小麦为主，故其平均灌水率较小；西南地区主要种植水稻和油菜，且水稻的平均种植比例为58%，故其灌水率相对较小；东北和华北地区主要种植作物为水稻，且其种植比例一般为80%以上，故灌水率较大，因此对于不同区域合理布局农业种植结构对灌区灌水率影响较大，且灌水率推荐值应分区进行讨论。

(3) 大中型灌区的灌水率在今后一定时段内其推荐值仍可为6.30×10-4～9.00×10-4m3/( s·hm2)，若灌区内水稻种植面积高于80%～90%，可适当提高其设计灌水率，若旱作物种植面积较大，其值也可适当降低。

(4) 兴建于20世纪40—70年代的灌区灌水率整体高于我国目前推荐的大面积水稻灌区(1 000 hm2以上)的设计净灌水率，而20世纪80年代之后的灌区灌水率大多符合灌水率推荐区间，故对老灌区进行节水改造，对提高灌区运行管理的经济性和合理性具有重要的意义。