南方多水源型灌区灌溉水利用系数确定方法研究

王士武，郑世宗

(浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

0 引 言

农田灌溉水利用系数是国家实行最严格水资源管理制度“三条红线”“四项制度”的重要内容。根据《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》(国发〔2012〕3号)，到2015年全国农田灌溉水利用系数提高到0.53以上；到2030年农田灌溉水利用系数提高到0.6以上。国务院办公厅《关于印发实行最严格水资源管理制度考核办法的通知》(国办发〔2013〕2号)明确了各省农田灌溉水利用系数2015年目标值，随后按照有关文件要求，各省(市、区)建立了覆盖省、市、县三级的2015年农田灌溉水利用系数目标值；该通知第四条明确规定，考核内容最严格水资源管理制度目标完成、制度建设和措施落实情况，其中水资源管理制度目标完成情况就包括灌区灌溉水利用系数。

灌溉水利用系数是指以年为分析尺度，灌入田间可被作物利用的水量与灌溉系统取用的灌溉总水量的比值，它反映灌区渠系输水和田间灌溉用水状况，是衡量灌区从水源引水到田间作物水分利用过程中灌溉水的利用程度的一个关键指标，也是反映灌区自然条件、工程状况、用水管理水平、灌溉技术等因素的一个综合性指标。为跟踪灌溉水利用系数变化情况，科学评价节水灌溉发展成效与节水潜力，根据水利部的要求，自2006年起，全国各省(区、市)连续多年在全国范围内开展了灌溉水利用系数测算分析工作，取得的成果为有关部门研究制定相关政策和规划提供了依据。从我省多年灌溉水利用系数测算实践情况分析，南方灌区灌溉水利用系数与相关规范标准、大学教材之间差异较大，主要体现在其水源多样性、差异性和复杂性，因此，研究南方多水源型灌区灌溉水利用系数确定方法具有非常重要的现实意义。

1 南方多水源型多用户灌区特点分析

特定的地理位置和气象条件，南方山丘区面积大于平原区面积的地形地貌条件，决定了我国南方地区大多数为多水源型灌区，并具有如下特点。

(1)水源复杂性：灌区内水源工程既有水库、山塘等具有调蓄能力的蓄水工程，也包括堰坝引水工程，还有提水泵站工程。这些工程根据河流水系布局分布在灌区内，由于其工程规模、集雨面积、调蓄能力等差异，为灌区提供的灌溉用水量也存在明显差异。以浙江省为例，一般3.333 hm2(5万亩)以上的重点中型灌区其水源工程数量约50个，一般大型灌区其水源工程数量超过100个；而且在大多数年份主要水源的供水量不超过50%，个别灌区甚至不超过30%。

(2)多水源多用户配置复杂性：灌区内的多种水源，用途上显著差异。一般情况下，山塘和堰坝引水主要用于灌溉或部分工业用水；大中型水库除了具有灌溉功能外，还承担供水、发电等；小型水库大多以灌溉为主，部分水库以供水为主。基于这些原因，在灌区实际调度运行中，一般优先使用河道水和山塘水，其次是区域内小型水库(小二型、小一型水库)，再次是中型水库，最后是大型水库。

(3)输配水工程复杂性：由于有多种水源，经过历史上长期的建设与改造，灌区内输水、配水工程较为复杂。部分灌溉面积仅是单一水源，部分灌溉面积是多水源联合灌溉、互相补充。对于水源单一的灌溉面积，由于其灌溉输配水系统具体明确，其输配水损失比较明确；对于具有多水源的灌溉面积，由于不同水源的输配水系统不同，有的水源输配水距离近，有的则远，因此，其相应的灌溉水利用系数也不同。

(4)随机性引起的复杂性：灌区有多种水源，并且在调度运行过程中有优先顺序。由于每个水源的水资源量具有随机性和不确定性，而且作物需水也有随机性和不确定，因此每一个水源工程每年的供水量、供水流量过程存在差异，其相应的输配水损失、管理损失以及灌溉水利用系数存在差异。理论上来说，对于特定的灌溉系统，由于农作物不同生育阶段需水量不同，灌溉系统地输配水流量也不同，其相应的灌溉水利用系数也存在差异。

基于以上分析可以看出：南方灌区(尤其是大型和重点中型灌区)，绝大多数是由若干个相对独立的小灌区、多水源灌溉区域(通过骨干输配水系统实现主水源和其他水源相互补充的灌溉区域)等组成的多水源型灌溉系统。在该系统内，连接主水源的骨干输配水系统一般不能覆盖整个灌区；部分灌区以天然河道为输配水渠道。这样灌区既无法采用相关规范标准上的“灌溉水利用系数等于渠系水利用系数与田间水有效利用系数之积”的方法，也无法采用“正向递推”或“逆向递推”的方法，而应该从灌区灌溉水利用系数的基本概念出发去寻找确定方法。

2 灌区灌溉水利用系数确定方法

根据《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》1关于采用“首尾测算分析法”的规定，灌溉水利用系数是指灌区1年时段内，直接灌入田间可被作物吸收利用的水量(净灌溉用水量)与灌区从水源取用的灌溉总水量(毛灌溉用水量)的比值。计算公式如下：

η水=W净/W毛

(1)

式中：η水为灌区灌溉水利用系数；W净为灌区净灌溉用水总量，m3；W毛为灌区毛灌溉用水总量，m3。

对于南方多水源型灌区，其灌溉水利用系数的核心问题是如何确定灌区的净灌溉用水量和毛灌溉用水量。

2.1 净灌溉用水量确定方法

依据《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》1的规定确定，具体步骤如下：

(1)典型田块选择：典型田块要边界清楚、形状规则、面积适中；综合考虑作物种类、灌溉方式、畦田规格、地形、土地平整程度、土壤类型、灌溉制度与方法、地下水埋深等方面的代表性；有固定的进水口和排水口；配备量水设施等。

(2)量测方法选择：采用直接量测方法或观测分析方法确定典型田块亩均净灌溉用水量。

(3)净灌溉用水量确定：根据观测与分析得出的某种作物典型田块的年亩均净灌溉用水量 ，计算灌区同区域或同种灌溉类型第i种作物的年净灌溉用水量，计算公式如下：

(2)

式中：wi为灌区同片区或同灌溉类型第i种作物的净灌溉用水量，m3/hm2；w田净l为同片区或同灌溉类型第i种作物第l个典型田块净灌溉用水量，m3/hm2；A田l为同片区或同灌溉类型第i种作物第l个典型田块灌溉面积，hm2；N为同片区或同灌溉类型第i种作物典型田块数量，个。

再根据灌区内不同分区不同作物种类灌溉面积，结合不同作物在不同分区的年每公顷净灌溉用水量，计算得出灌区年净灌溉用水总量W样净，计算方法如下：

(3)

式中：W样净为灌区年净灌溉用水总量，m3；wij为灌区j个片区内第i种作物净灌溉用水量，m3/hm2；Aij为灌区j个片区内第i种作物灌溉面积，hm2；m为灌区j个片区内的作物种类，种；n为灌区片区数量，个。

2.2 毛灌溉用水量确定方法

《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》1的规定：灌区毛灌溉用水总量是指灌区全年从水源(一个或多个)取用的用于农田灌溉的总水量，该水量应通过实测确定。样点灌区年毛灌溉用水总量的计算公式如下：

(4)

式中：W毛为灌区年毛灌溉用水总量，m3；W毛i为灌区第i个水源取水量，m3。n为灌区水源数量，个。

对于南方多水源型灌区来说，不仅水源工程数量多，而且类型也较多，在实际运行管理中，绝大多数水源工程由用水户或村委会指定专人管理，故在目前的运行体制下，全部通过实测确定各类水源的毛灌溉用水量是不可能完成的任务。因此有必要对其灌溉水利用系数确定方法进行简化。

3 南方多水源型灌区灌溉水利用系数计算模型

3.1 总体思路

基于南方多水源型灌区特点，其灌溉水利用系数计算的总体思路为：以全年为分析计算时段；根据灌区灌溉系统结构将其分为若干个片区，在每个片区范围内，各类水源工程、相应的灌溉面积以及输配水系统清晰明确；以各类水源工程、相应的灌溉面积以及输配水系统为分析对象，结合管理机构和管理现状，优选其中的典型性、代表性“小尺度”灌溉系统，详细分析其毛灌溉用水量，进而通过控制面积加权方法确定全灌区的毛灌溉用水量；再根据净灌溉用水量计算结果，得出全灌区灌溉水利用系数。本方法不分析计算全年内每次灌溉的灌溉水利用系数，直接用灌区的全年净灌溉用水量和毛灌溉用水量计算求得。

3.2 南方多水源型灌区灌溉水利用系数计算概化模型

基于上述总体思路，根据灌区内灌溉系统结构将灌区划分为若干个片区，每个片区内有多个水源，每个水源有它单独控制的灌溉面积，还有与其他水源共同控制的灌溉面积。对于每个水源单独控制灌溉面积，其相应的灌溉水利用系数与其相应的水源工程、灌溉需水量、灌溉系统和管理等情况有关。对于多个水源控制的灌溉面积，其相应的灌溉水利用系数比较复杂，每一个水源由于其相应的灌溉系统和管理方式等原因，灌溉水利用系数差异明显；对于整个多水源控制的灌溉面积而言，由于不同水文年份，各水源工程的灌溉用水量存在差异，进而影响其灌溉水利用系数。南方多水源型灌区灌溉水利用系数概化模型见图1。

图1 南方多水源型灌区灌溉系统概化图

3.3 数学模型

(1)灌区净灌溉用水量。净灌溉用水量：为各片区内各种作物年净灌溉定额与其相应种植面积的乘积。即：

(5)

式中：i,k分别为片区序号和作物序号；Ni,Nk分别为片区序号、作物序号的上限值；wik为第i区域第k种作物年净灌溉定额，m3/hm2；Aik为第i区域第k种作物的种植面积，hm2。

(2)灌区毛灌溉用水量。灌区毛灌溉用水量为各片区内各种水源的毛供水量之和。各片区内某一水源的毛供水量为其供水范围的净灌溉用水量与其相应的灌溉水利用系数之商。即：

(6)

式中：ηij为第i片区第j水源灌溉水利用系数，该参数根据相应的灌溉系统工程与管理情况，结合相关成果综合确定。其他符号意义同前。

基于上述模型，灌区灌溉水利用系数的关键是确定两个参数，一是wik，二是ηij，其他参数可以通过调查方法得出。这两个参数，前者可以采用典型田块实际观测方法予以解决；后者主要通过典型调查分析方法确定，根据典型灌溉水源及其配套的灌溉系统以及管理方式等选择若干个典型，再根据实测资料或调查资料，确定其灌溉水利用系数，详细方法见实例应用。

4 实例应用

4.1 灌区概况

某灌区位于浙江省中部，灌区范围涉及6个镇(或街道)191个行政村。灌区属典型的亚热带季风气候。境内气候温和，四季分明，光照充足，雨量充沛，无霜期长。多年平均气温为17.5 ℃，全年日照时数为1 900 h，平均无霜期245 d。多年平均降雨量为1 480 mm，多年平均径流深795 mm。地貌特点为丘陵盆地，地质构造比较复杂，河流大都发源于周围山地，为山区性河流，源短流急，洪水暴涨暴落。

灌区内溪流较多，有中型水库1座，总库容6 000余万m3，该水库原功能为灌溉为主结合发电，现功能为供水为主，兼顾灌溉、发电；小型水库14座，正常库容为1 100余万m3，其中两座小(1)型水库供水和灌溉功能兼顾；山塘443座，总容积280余万m3，主要功能是灌溉，部分具有供水功能；引水堰坝2座，灌溉功能；提水泵站91座，装机1 014 kW，功能为灌溉。

灌区渠道由总干渠、南、北干渠及支渠组成，总长108 km。渠系建筑物：渡槽10处，总长度8.31 km；隧洞3处，总长度2.72 km；倒虹吸9处，总长度513 m；水闸26座；涵洞560处等。

4.2 灌区概化

基于以上分析，结合灌区灌溉系统、地形地貌以及灌区近年来实际调度运行情况，本研究将该灌区分为7个片区，每个区域内山塘和小二型水库概化为一个水源，提水泵站概化为一个，小(1)型以上水库为单独节点，区域内用水量概化为一个节点，概化成果见图2。7各片区内小型水库、山塘、堰坝、泵站等数量见表1，每个水源工程均有其相应的单独控制面积。

表1 各片区水源工程数量统计表

4.3 主要参数分析计算

(1)净灌溉定额。根据灌区种植结构和《浙江省农业用水定额标准》(DB33/T 769-2009)，结合2013年度灌区降水量采用内插或外延方法确定灌区净灌溉定额。2013年相当于50%水文年，确定灌区2013年不同作物净灌溉定额取值见表2。

表2 2013年灌区不同作物净灌溉定额成果表 m3/hm2

(2)各类水源工程灌溉水利用系数。

①山塘水源(包括小二型水库)的灌溉水利用系数率定。统计本灌区各片区内的山塘控制灌溉面积，平均每个山塘控制灌溉面积约为3.33 hm2。灌溉时，基本通过一级农渠直接到田。受可收集资料影响，项目组收集到山塘毛灌溉用水量成果见表3。根据各山塘控制区作物种植结构(这里略)、和表2、表3，可以确定每个山塘的灌溉水利用系数，进而确定平均灌溉水利用系数。经计算，山塘控制灌溉面积平均灌溉水利用系数为0.73。结果表明：山塘由于功能单一，水量充足，灌溉用水缺乏约束和激励机制，总体相对粗放。

图2 某灌区灌溉系统概化图

表3 灌区典型山塘毛灌溉用水量调查成果表

②机埠水源的灌溉水利用系数率定。统计各机埠的控制灌溉面积情况，每处机埠的控制灌溉面积约为13.33 hm2，灌溉时基本通过一级农渠直接到田间，目前灌区农渠衬砌率达到100%。根据典型调查，项目组收集到机埠毛灌溉用水量成果见表4。根据各机埠控制区作物种植结构(从略)、和表2、表4，可以确定每个机埠灌溉水利用系数，进而确定其平均灌溉水利用系数。经计算，机埠控制灌溉面积平均灌溉水利用系数为0.70。结果表明：用水总体粗放。

表4 灌区典型泵站毛灌溉用水量调查成果表

③堰坝水源的灌溉水利用系数率定。本灌区有引水堰坝2座，实际控制灌溉面积分别为200和266.67 hm2。经现场调查，控制灌溉面积266.67 hm2堰坝2013年引水量为110万m3(通过引水时间和率定引水流量方法确定)，根据种植结构分析计算，堰坝灌溉水源的灌溉水利用系数为0.65。

④干渠水源的灌溉水利用系数率定。干渠水源为小一型水库和中型水库，其灌溉水量通过干渠进入片区内的支渠，然后由支渠供到农渠进入到田间。其计算方法为：首先，收集各片区支渠、农渠的工程参数(如设计流量、渠系长度、渠系衬砌率等)，采用经验公式法2(式7)确定支渠以下(含支渠)的灌溉水利用系数；其次根据各片区输水干渠的工程参数采用经验公式方法2(式8)，确定各片区干渠水源的渠道水有效利用系数，进而计算其灌溉水利用系数，结果见图3；基于图3成果，计算2013年灌区干渠水源的供水量成果见表5，表中同时给出了2013年灌区实际毛灌溉用水量。表5的结果表明：图3结果可行。

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支水为支渠以下灌溉水利用系数；Q支为支渠设计流量；L为渠系长度；λ为渠系衬砌率；η干为干渠渠道水利用系数；Q干为干渠设计流量。

图3 干渠水源灌溉水利用系数结果图

表5 2013年干渠控制片灌溉用水量计算值与实际值对比表 万m3

5.4 灌区灌溉水利用系数分析

根据(式6)和5.3成果，计算得出2013年灌区各种水源毛灌溉用水量成果见表6，根据灌区作物种植结构和表2，计算得出灌区净灌溉用水量为1 584万m3，进而得出该灌区的灌溉水利用系数η=W净/W毛=1 584/2 347=0.675。

表6 灌区各种水源毛灌溉用水量成果表 万m3

□

[1] 全国农田灌溉水有效利用系数测算分析专题组. 全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则[Z]. 2013-12.

[2] 贾宏伟，郑世宗. 灌溉水利用效率的理论、方法与应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2013.