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在新农村建设与农村水利技术论坛上的讲座第八期
田园:世界银行贷款农业必威体育app官网项目ET监测分析评价与ET管理(第八期)
  必威体育app官网     田园  
    编辑:管理员 归档时间:2007/6/7    

1.综述

必威体育app:主办,利用世界银行贷款,进行农业必威体育app官网建设的第一期项目(执行期2001-2005年),参加单位有北京市、河北省、沈阳市和青岛市管辖的26个县(市、区),灌溉面积10万hm2,总投资17亿元人民币。

北京市与河北省的项目区,均位于海河平原,水资源短缺,城乡工农业长期过度开采地下水,导致地下水位持续大幅度下降,对生态产生了严重影响。沈阳市西部地区降水量较少,工农业靠开采地下水供水,地下水也有超采的可能。青岛市地处胶东半岛丘陵地带,降水量虽较丰富,但年际变化大,地形坡度陡,地表松散覆盖层薄,水源调节能力差,干旱威胁经常发生。基于以上特点,在签订的《项目协议》和《贷款协议》中,把项目区农业增产增收,真实节水和可持续发展确定为本项目建设的三大目标。

项目的三大目标相互制约,居首的是农业增产增收。因为达不到增产增收目标,不能调动农民的积极性,就失去了项目建设的意义。但实现农业增产增收,必需以维护生态平衡为前提,在水资源短缺地区,农业用水不得超越水资源承载力,这样才能保证可持续发展。为此,项目建设着重抓“真实节水”。“真实节水”就是减少农业生产的腾发耗水量。腾发耗水量的代号为“ET”。换句话说“真实节水”即降低农田的ET值。农作物的生长发育状况,与农田腾发耗水量有密切关系,改变农田的ET值,对农作物的产量有直接影响。由此可见三大目标之间的连带制约关系。

农业必威体育app官网项目,把降低ET称之为“真实节水”,以区别与采取工程措施,减少灌溉过程中水分渗漏与流失。因为渗漏与流失的水量只是改变了这部分水存在的空间,却未丧失其作为水资源可利用的性质;而腾发消耗的水分则难以采用经济可行的办法再回收利用。农业必威体育app官网项目强调降低ET的重要意义,同时也十分重视采取工程和管理措施,提高水资源的利用率和灌溉水的利用效率,二者并行不悖,不含重此轻彼之意。

农业必威体育app官网项目为实现三大目标,采取的技术措施包括工程技术、农业技术和管理措施三大类;三类措施因地制宜地有机结合,才能获得增产、节水和维护生态平衡、可持续发展的实际效果。这是一项具有挑战性的艰巨任务,在此以前没有成功的典型经验可供借鉴,需要在实践中探索。其中的核心问题,是在项目区生产条件下,监测评价各种技术措施产生的增产、节水效果,是否可实现项目目标。其中ET的监测分析和在生产中ET的管理,技术内容较复杂,是本文研讨的重点。

ET的监测分析包括:针对各种灌溉方式和种植的农作物,布设监测点,监测作物产量和全生长期的腾发量ETi;将单一作物ETi按种植面积加权,计算出项目区耕地多种作物的平均腾发量ETn;再进一步计算出项目区包括耕地和非耕地(或灌溉地与非灌溉地)的综合腾发量ETz。

本期项目的灌溉方式有:引地表水明渠输水的地面灌溉,开采地下水低压管道输水的地面灌溉,以及喷灌和滴灌四类。灌溉农作物有:小麦、玉米、水稻等粮食作物,棉花、花生等经济作物,蔬菜、花卉等园艺作物,以及果树、苗木和牧草等;园艺作物有露天栽培和温室栽培的不同方式。每一种作物与灌溉方式的组合,均需监测其栽培技术和节水措施对产量和ET的影响。为取得有代表性的监测分析资料,指导全项目的生产实践,在四省(市)共设置典型监测区12处(每个典型监测区内具有两种以上作物与灌溉方式组合)和基本监测点34处;另外还在非项目区设置对比监测点35处(基本监测点与对比监测点有一种作物与灌溉方式组合)。在非项目区设置对比监测点,是为了说明在相同气候条件下,由于项目区采取了与非项目区不同的栽培技术和节水措施,所产生的节水增产效果。

项目区通过设置在各级渠道或低压管道上的量水设施,在灌溉过程中,量测渠道或管道的进出水流量,计算其输水有效系数。通过量测灌溉地块的灌水量和灌后1m土层增加的水量,计算田间灌溉水的有效系数。

项目区真实节水评价,采取纵向对比和横向对比两种方法。纵向对比即将当年监测的单一作物ETi和耕地多种作物平均ETn,与项目实施前的ETi和ETn进行对比。横向对比为将项目区监测的ETi和ETn与同年非项目区的ETi和ETn对比。

项目区增产增收评价:由项目区所在的县(市、区)专业农调队,调查项目区典型农户的农作物产量和经济收入,与项目实施前进行对比;并且也和非项目区内的典型农户同一年度的产量和经济收入进行对比。

评价项目区节水和增产增收,以纵向对比为主,说明项目实施后,农业技术和管理水平提高的效果。同年度项目区和非项目区的产量、收入水平以及腾发量的对比,即横向对比,说明二者采取的生产技术和管理水平不同,所产生的效果,但不应以此评价项目实施的总成绩;因为从项目建设开始,项目区建设的成效,即对非项目区发挥了示范作用,非项目区的农业生产技术也有了不同程度的提高。

可持续发展评价:对地表水灌区,通过监测分析,评价其可利用的水资源,是否可满足项目区的灌溉保证率。对井灌区,有两项评价指标:一是项目区包括耕地与非耕地的综合腾发量ETz须等于或小于当地多年平均降水量;二是在干旱年降水量Pa小于多年平均降水量Pm时,实测的地下水位年降幅(年末地下水埋深与年初地下水埋深之差)△hc,须符合:Δhc≤(Pm-Pa)/μ,式中μ为含水层给水度;二项评价指标须同时满足。

项目区水资源管理实行取水许可制度。对地表水灌区,按照水资源管理部门分配给项目区的可利用水量,对用水户进行分配。井灌区每年雨季结束时,根据地下水位最大允许降幅△h大与综合给水度μz的乘积△h大μz,确定下年度旱季地下水最大允许开采量,分配给农户的灌溉用水量总和,不得超过地下水最大允许开采量。给农户分配灌溉用水量,按旱季作物的ETi,减去平水年旱季有效降水量计算;干旱年增加部分用水量。

农业必威体育app官网ET监测分析的特点:首先,此项监测是为改进提高项目区农业生产技术水平,实现项目建设目标直接服务的,因此,监测工作必须在项目地块上密切结合农民生产进行,不能脱离开项目区农民生产另搞一套。其次,需要监测的内容多,布点分散,而且又受资金和人员限制,不可能按照专门从事科学研究那样购置大量仪器设备,开展系统的监测,只能针对最必需掌握的数据布置监测任务,设备也要因陋就简。其三,农业水资源供需平衡分析,需要多项计算参数,而且这些参数的影响因素多,变化范围大,给生产应用造成困难;为解决生产的迫切问题,我们试图把几种因素共同影响的结果,通过监测资料的分析,归结为一项综合参数,如综合给水度μz;有些情况下也想利用监测资料忽略某些次要因素的影响,通过分析得出主要计算参数,如含水层疏干给水度μ和降雨(灌溉)对地下水的补给系数β;还有为了在监测分析作物全生长期ETi的工作中,减少测土数量,只在播前和收获后取土分析含水量;为了简化地下水位监测工作,每年只采取地下水埋深的四项特征值等。这些处理是否恰当?需要讨论,更需长期监测证明其可行与否。其四,本项目的突出特点是监测评价工作与项目管理紧密结合;通过监测评价发现生产管理措施与实现建设目标有差距,及时改进生产管理措施;在生产实践中验证监测评价方法、指标和计算参数,如有不妥及时修正。因此,本项目ET的监测分析方法和操作规程,在实践中经过多次修改补充,ET管理也是在试行,各方面工作都还不够完善,亟盼专家批评指正。

2.ET的监测分析

本项目ET监测分析分三种情况,即单一作物种植地块的腾发量ETi、耕地多种作物的平均腾发量ETn,和项目区包括耕地与非耕地综合腾发量ETz。

2.1 单一作物ETi的监测分析

通用的水量平衡分析公式为

ETi=(Pi+Ii)(1-β)+(Si入-Si出)+△Ti+εi         式2-1

式中:ETi — i作物生长期内的田间水分腾发量,

Pi—i作物生长期内的降水量,

Ii—i作物生长期内的灌水量,

β—降雨入渗补给地下水系数,按年雨量补给系数计算,

Si入、Si出—分别为i作物生长期内地表径流流入、流出量,

△Ti—为i作物生长期内田间土壤水分蓄变量,

△Ti=T前-T后

T前、T后分别为i作物播前和收获后根层土壤含水量,根层深度按1m计;

εi — i作物生长期内地下水利用量,即潜水蒸发量,

εi=ε0(1-Di/Dm)3

ε0 — i作物生长期内的水面蒸发量,

Di — i作物生长期内潜水平均埋深,以m计,

Dm — 潜水蒸发的潜水极限埋深,Dm=3.5m。

计算ETi的简化公式

(1)地表水灌溉ETi计算:监测区降雨有径流流出(径流系数α),无径流流入,作物生长期内地下水平均埋深小于3.5m,

ETi=(Pi+Ii)(1-β)-αP+△Ti+εi                 式2-2

(2)地下水灌溉ETi计算,作物生长期内无地表径流流入和流出,潜水埋深大于3.5m,

ETi=(Pi+Ii)(1-β)+△Ti                      式2-3

(3)设施农业ETi计算,即搭塑料棚或玻璃温室大棚栽培作物的ETi,应区分棚内和棚区(包括棚内和棚外露天栽培作物)两种情况计算。设施农业灌溉通常开采地下水滴灌,应依照地下水灌溉的简化公式计算。但棚内作物不受降雨影响,且滴灌的灌水定额比较小,如全年灌水量小于400mm,深层渗漏可忽略不计;如灌水量大于400mm,则应当按天然降雨对地下水的补给系数,对灌水量打折,计算棚内的腾发量,

ET棚内=Ii(1-β)+△Ti                         式2-4

棚外露天栽培作物,不仅接受其正上方的降水,也接受来自棚顶的降雨径流。若棚区无径流流入和流出,则棚区i阶段作物生长期内的腾发量为

ET棚区=(Pi+γIi)(1-β)+△Ti                  式2-5

式中γ为棚内种植面积与棚区总面积之比。

若设施农业规模较大,且地下水侧向补排影响可忽略不计,则棚区腾发量的计算为:

ET棚区=Pi+△Ti +(Hi前-Hi后)μ/η               式2-6

式中:Hi前和Hi后分别为i阶段开始和结束时的地下水位,μ为地下含水层给水度,η为土地耕垦系数。

式2-5和式2-6计算结果应对比,检查是否合理,以定取舍。

(4)水稻本田腾发量ETi的计算

水稻本田的用水量,包括腾发量和渗漏量。渗漏水量的流向,一是形成地下径流,流向下游;二是抬高地下水位,向周围扩散,增加稻田以外的潜水蒸发量;这些因素都不易定量监测。故稻田腾发量ETi不便利用水量平衡法计算。可行的办法,一是利用当地灌溉试验站的水稻本田ET观测资料;二是应用灌溉试验站监测水稻生长期耗水量的办法—用无渗漏的测桶或测坑,在项目区内直接测ETi。应当注意的是,水稻本田ETi由三部分组成:一是泡田阶段的田间水分蒸发ET1;二是水稻生长期内测桶或测坑进水量与排水量差值ET2;三是黄熟期田面落干后,消耗的土壤水ET3。

ETi=ET1+ET2+ET3                             式2-7

ET2=Pi+Ii-Ri

ET3=△H(β饱-β后)

式中:Ri  — 水稻生长期内测桶或测坑的排水量,

△H  — 稻田落干后到收割前地下水位降幅,

β饱  — 稻田△H土层饱和含水率,相当孔隙率,

β后  — 收割时的△H土层含水率,以体积%计。

上述公式中的参数如降雨径流系数α、降雨入渗补给地下水系数β、地下含水层给水度μ和作物生长期水面蒸发量ε0等,可从当地水文水资源部门取得;有条件时应利用本项目监测区内的监测资料分析得出。

2.2 耕地多种作物平均ETn的监测分析

耕地种植多种作物时,通过监测得到各种作物ETi;将各种作物的种植面积占耕地面积的百分比与ETi的乘积相加,即得ETn

ETn=(A1ET1+A2ET2+……AnETn)/A耕            式2-8

=a1ET1+a2ET2……anETn

=ΣaiETi

式中:ai=Ai/A耕,Ai—i种作物种植面积,A耕—耕地总面积,Σai为项目区耕地复种指数。

2.3 项目区ETz的监测分析

计算ETz的通式为

ETz=P+(S入-S出)+(G入-G出)+△T+△S+△G        式2-9

式中:P—项目区内年降水量

S入、S出—分别为项目区地表水流入和流出量,

G入、G出—分别为项目区地下水流入和流出量,

△T、△S、△G—分别为土壤水、地表水和地下水的蓄变量,即年初蓄水量减去年末蓄水量之差。

式中需要监测的因子较多,而且都有一定难度;可根据项目区的具体情况,权衡每一项因子在水量平衡分析中影响程度的大小,对影响不大的因子可忽略不计,以减轻监测分析的工作量。

例1,在广大平原地区,引地表水灌溉,由于地形平缓,地下水径流滞缓,G入-G出可忽略不计。地表水储量较易测量;而地下水储量变化△G=(H初-H末)μ,H初、H末分别为年初和年末的地下水位,μ为地下含水层给水度;在这种情况下计算式简化为:

ETz=P+(S入-S出)+△T +△S+(H初-H末)μ        式2-10

例2,在地表水与地下水联合运用的灌区里,如地面无长年蓄水的库塘,或虽有库塘但蓄水量在水平衡分析中无足轻重,则ETz计算式可简化为:

ETz=P+(S入-S出)+△T +(H初-H末)μ         式2-11

例3,井灌区无地表水来源,单纯靠降水维持农业用水情况下,ETz的计算式为:

ETz=P(1-α)+△T +(H初-H末)μ             式2-12

式中α—降雨径流系数,应在项目区排水系统出口量测排水量计算得出;或从水文部门取得。根据海河平原井灌区多数地方的经验证明,大部分年份,降雨不产生径流;个别多雨年份暴雨产生径流,也流不出村镇边界,在这种情况下,ETz=P+△T +(H初-H末)μ

2.4 利用经验公式计算ETz

项目区综合腾发量ETz,等于耕地腾发量ETn与非耕地腾发量ET非之和。

分析监测设施齐全的项目区监测资料,可得出以下关系,

ETzA总=ETnA耕+ET非(A总-A耕)              式2-13

ET非=(ETzA总-ETnA耕)/(A总-A耕)

分子、分母均除以A总,并以A耕/A总=η代入,得

ET非=(ETz-ETnη)/(1-η)

等式两侧各除以ETn,得

ET非/ETn=K=(ETz/ETn-η)/(1-η)           式2-14

由于ETz、ETn和η均由监测得到,所以ET非/ETn=K可计算出

于是得:        ETz =[ETnA耕+ET非(A总-A耕)]/A总                式2-15

=  ETnη+ET非(1-η)

=  ETn[η+K(1-η)]

华北水利水电学院的研究人员于1989年调查黄淮海平原的农业用水量(ETz),从18个生产和试验研究单位中,选择了四个观测资料齐全的单位,利用其观测成果,进一步分析得出ET非/ETn=K的变化范围为0.42-0.67,建议初步估算ETz时,取K=0.6,得经验公式:

ETz=(0.4η+0.6)ETn                        式2-16

测得项目耕地各种农作物的ETi,即可计算出ETz

ETn=ΣaiETi

ETz=ΣaiETi(0.4η+0.6)                         式2-16′

应当注意,利用经验公式计算ETz,没有考虑城镇生活和工业用水;如境内有较大的城镇和工业区,用水多,应将其用水量单算;或将受其影响的区域划分出来。式2-16中也不含面积较大的库塘湿地的蒸发量。

3.利用ET监测分析成果评价节水效果

3.1利用单一作物ETi与产量Y监测成果评价节水增产效果

利用项目实施最后一年单一作物ETi和产量Y 监测成果与项目实施前同一种作物的ETi′和产量Yi′对比,说明对该种作物采取的综合节水措施,所产生的节水增产效果。

利用同一年份项目区和非项目区同种作物ETi和产是Yi的监测成果对比,说明项目区较非项目区增加的技术措施,所产生的节水增产效果。这是因为在同一年份项目区和非项目区气候条件相同,所以,更明显地表现出技术措施的效果。同样也可在项目区内,针对同种作物采取不同的节水栽培措施,监测其ETi和Y,并进行对比,显示其节水增产效果。

由于农作物的产量Y与腾发耗水量ET有制约关系,ET过高和过低均对产量Y产生不利影响;因此,评价节水增产措施不能只用ET或Y一项指标,而须增加水分生产率Y/ET,即单位面积上的作物产量Y(kg/hm2)与腾发耗水量ET(m3/hm2)的比值,作为综合评价指标,单位为kg/m3。

对于蔬菜、花卉和果树等作物,其产品的价格相差悬殊;因此衡量节水的经济效果,应采用水分经济产出率指标,即单位面积上的产值与ETi比,单位为元/m3。

3.2 利用耕地多种作物平均ETn评价节水和增产效果

项目区通常种植作物不只一种,特别是受市场影响,农户倾向种植经济效益高的作物,减少粮、棉等常规作物的种植面积。改变作物的种植比例,不但影响农业经济效益,而且对ETn的增减有重要作用。在水资源供不应求条件下,为追求经济效益,增加价值高、又耗水多的作物种植面积,不但需减少常规作物的种植面积,还要减少其灌溉定额(采取非充分灌溉或放弃灌溉),以求水资源供需平衡。为此须对比项目实施前后的ETn,说明项目区耕地腾发量的变化和是否节水。对于有粮食生产任务的项目区,调整种植结构,在满足粮食生产前提下,衡量节水的经济效果,应采用耕地平均水分经济产出率,即耕地单位面积农作物平均产值,与ETn之比。

3.3 利用项目区ETz,评价节水效果

农业灌溉条件下,项目区内耕地与非耕地、或灌溉地与非灌溉地,有水分联系。例如,引地表水灌溉,灌溉地渗漏补给的地下水,向非灌溉地扩散,非灌溉地上的植物可吸取利用;在井灌区,非灌溉地上降雨渗漏补给的地下水,灌溉地可抽取灌溉农作物。因此,研究农田灌溉的水资源问题,不应当只考虑耕地的灌溉用水问题,还须兼顾非耕地的生态用水,才能通过项目建设,实现水资源供需平衡、环境友好和可持续发展的目标。为此须设置ETz指标,评价全项目区腾发量的变化。

开发浅层地下水灌溉农田有多种作用。(1)有利于增加降水入渗量,减少径流流失;(2)可把灌溉渗漏的水量开发出来,重复利用;(3)适当降低地下水位,可减少潜水蒸发,并有利防止渍涝和土壤盐碱化;(4)在地下含水层深厚的地区开发地下水灌溉,可对水资源发挥多年调节作用;(5)就地开发地下水灌溉,方便及时,有利作物增产。因此,凡是水文地质条件适合打井灌溉的地方,都应当把开发地下水灌溉作为必威体育app官网的首选措施。

开发地下水灌溉应以浅层地下水为主;深层地下水补给困难,应当严格保护。在浅层地下水矿化度较高的地区,应着力研究浅层地下咸水的利用与水质改善问题,使这部分水资源在发展生产和改善环境方面、发挥应有的作用。这项研究在河北省沧州地区取得了成功经验。

4.1 项目规划阶段ET的应用

在规划阶段,须判明项目区所处地区水资源余缺性质。一个地区当地产生的水资源,就是当地的降水量;雨雪落到地面,再分化为地表水、土壤水和地下水。判断所在地区水资源余缺的标准,是当地多年平均降水量Pm与当地综合腾发量耗水量ETz的对比关系。Pm≥ETz为天然水资源有余或平衡;发生于干旱季节和干旱年的缺水问题,是暂时性的,技术上有可能通过增建水资源调蓄工程提高水资源利用率解决。这类地区雨季和丰水年有渍涝威胁,应解决好排水问题。发生干旱现象时,是否要从区外引水灌溉?应慎重研究,因为旱季引外水灌溉,雨季就需多排水,否则就会导致渍涝灾害。

Pm

4.2 项目设计阶段的ET管理

4.2.1 从水源可靠的江河、水库引水灌溉的水平衡分析

灌溉设计保证率依作物生长期内设计降水量频率考虑,旱作物设计降雨频率按50%,水稻和蔬菜等按75%计,即再现此等水平的降雨年份,灌溉用水应得到保证。项目区设计年份的灌溉用水量,须符合供水部门分配给项目区的水量。

计算公式:

W=ΣAi(ETi-Pei)/η水                                     式4-1

式中:W—供水部门给项目区供水量,

Ai—i种作物种植面积,

ETi—i种作物腾发量,

Pei—i种作物生长期内的有效雨量,

η水—项目区灌溉水有效系数,等于渠系水有效系数与田间水有效系数的乘积。

有效雨量  Pei=Pi(1-α-β)

Pi—i种作物生长期内降水量,

α和β分别为降雨径流系数和降雨补给地下水系数

4.2.2 井灌区水量平衡分析

井灌区水量平衡分析,由于地下水埋深较大,一般年份降雨不产生径流,因此通用的水量平衡方程为:

ETz=Pi+(G入-G出)i+△Ti+△Gi                式4-2

式中:Pi为i年降雨量,(G入-G出)i为i年地下水流入流出量差值,△Ti为i年项目区土壤水蓄变量,△Gi为地下水蓄变量;△Ti和△Gi若年初值大于年末值,运算符号取正号,反之取负号。

在广大平原地区,地形坡度平缓,地下水导水系数KM较小,(G入-G出)可忽略不计。在灌溉条件下,每年冬季土层含水量变化相对较小,于是方程式可简化为:

ETz=Pi+△Gi                                 式4-3

保持地下水采补平衡的基本条件是

ETz-Pi=△Gi=(Hi初-Hi末)μ                    式4-4

干旱年Pi

ETz=Pm和Pm-Pi=(Hi初-Hi末)μ               式4-5

因此,干旱年检验农业必威体育app官网达到水平衡要求,应同时满足两条件:

ETz≤Pm和Hi初-Hi末≤(Pm-Pi)/μ              式4-6

考察项目区所处的地貌、水文地质条件和水利工程布局与运行状况,判断项目区地下水是否有侧向径流补给或排泄。如果有侧向径流补给或排泄,则可根据简化的平衡方程,判断侧向径流补给或排泄数值。

(G入-G出)i=ETz-Pi-(H初-H末)μ             式4-7

式中:ETz为根据现有的农业种植结构和灌溉制度计算的项目区综合腾发量。计算结果为负值,为侧向径流排泄量;为正值,为侧向径流流入量。

4.2.3 渠井合灌区地表水与地下水联合运用的水平衡分析

此类灌区主要有两种情况,一种是原来的地表水灌区,由于灌水不及时,或干旱年水源不足,而在灌区内打井,利用地下水灌溉,作为补充灌溉方式;另一种是原来的井灌区,由于地下水资源不足,而设法引地表水,补充地下水源;所引用的地表水多是雨季产生的暴雨径流,历时短,数量也极不稳定,只能靠沟洫坑塘拦蓄或用“引洪淤灌”方式加以利用,不能按常规灌溉方式利用。两种灌溉方式的水量平衡关系为:

Pm+(S入-S出)=ETz                          式4-8

式中:Pm—多年平均降水量,

S入—多年平均地表水来水量,

S出—多年平均地表水排出量,其中包括地表径流和灌溉废泄水量;

ETz—项目区综合腾发耗水量。

4.2.4 拦蓄地表径流的塘坝,小水库灌区的水量平衡分析

此类灌区的水源,主要是雨季产生的径流量,水量多少取决于降水量的多寡。这类灌区的水平衡关系为:

AjP设αη库=ΣAi(ETi-Pei)/η水                           式4-9

式中:Aj—库塘集雨面积,

P设—设计保证率年份的降水量,

α—设计年份的降水径流系数,

η库—水库、塘坝的蓄水有效系数,

Ai、ETi、Pei和η水同式4-1

利用小水库、塘坝拦蓄径流,其调节库容(有效库容)V调应不小于设计年的来水量,即:

V调≥AjP设α                                 式4-10

同时,为了防洪安全,还应当按照水库的等级,设置相应的防洪库容和溢洪道。

4.3 项目管理阶段的ET管理

在我国东部地区的黄淮海平原和松辽平原,由于受季风气候影响,雨季和旱季分明,旱季(每年10月至下年6月)是农作物灌溉用水量最多的时期;而雨季(7-9月)的降水量决定来年旱季水资源可利用量;因为水库蓄存的径流量、旱季河道的基流量、地下水和土壤中储存的水量等,都和雨季的降水量有相关关系。所以,雨季过后即可预报来年旱季水资源可利用量。

对于从河道、水库和塘坝引水的灌区而言,如预报分配给项目区可利用的灌溉水量,少于设计水平年需要的水量,除加强必威体育app措施,降低各种作物的ETi值外,还应当调整种植结构,减少高耗水作物种植面积,或对某些经济价值低的作物采取非充分灌溉、甚至放弃灌溉,以降低ETn,使之与水资源可利用量相适应。

对于开发利用地下水,而且地下含水层深厚的井灌区而言,由于可利用地下水对水资源进行多年调节,水平衡分析工作就比较复杂。方法概述如下。

4.3.1 地下水位单位降深的出水量q和综合给水度μz

在旱季连续抽取地下水灌溉阶段,监测抽水开始前的地下水埋深(D前),抽水结束后的地下水埋深(D后),以及抽取的地下水量(Q),定义:

q=Q/(D后-D前)                          式-11

μz=q/Az                                     式4-12

或              μz=qη/A灌                                                       式4-12′

式中:q—地下水单位水位降的出水量,m3/m,

μz—地下含水层综合给水度,

Az—项目区总面积,

η—项目区灌溉面积占项目区总面积的百分比。

需要说明的问题是,此处的μz与水文地质学中定义的给水度μ,形式相似,但含义不同。

水文地质学中给水度μ定义为,从饱和含水层中抽出的水量,占含水层被排空部分的比例(以体积百分比计),不包含其他影响因素。

μz中除含有从被排空的含水层中抽取水量之外,还有灌溉渗漏对地下水的补给量,可能还有侧向地下水补给或排泄量,以及相邻含水层越层补给量等。

另外,计算μz还有一项假设,即认为在平原地区普遍开采地下水灌溉条件下,抽水影响地下水的面积,包括项目区灌溉面积和非灌溉面积,即项目区总面积。基于这些情况,应当把各个项目区的q和μz的数值,看作是该项目区开发地下水灌溉条件下,计算地下水可开采量的专用参数,对其他地方不具有普遍适用意义。

4.3.2 地下水含水层给水度μ和降雨灌溉入渗补给系数β

地下水含水层给水度μ定义为,从饱和含水层中抽水,抽出的水量占含水层排空部分的体积比。例如,一利用地下水供水的乡镇水源地,在一段时期内抽取地下水10万m3,通过管道输向开采区以外的居民区,形成的地下水水位降落漏斗体积为100万m3,则μ=0.1。

降雨和灌溉入渗对地下水的补给系数β,定义为降雨和灌溉导致地下水位上升的水量,与降雨灌溉水量之比,以公式表示:

β=△hμ/(P+I)                              式4-13

式中:△h为地下水位上升幅度,μ为含水层给水度,P和I分别为降雨量和灌水量。

μ和β是水平衡分析和地下水开发利用计算中常用的参数,但影响因素较多,数值变化范围大,在生产中选取应用数值常感困难。因此,需要结合每年的监测评价,采取简便方法,估算出二者的初值,经过多年监测,可望从多个初值中,得到适合当地条件的μ和β值。方法如下:

将一年分为旱季和雨季两阶段。

设旱季集中灌溉时期的降雨量为P1,开采地下水的灌水量为I1,地下水位变幅为△h1,(水位上升为正,下降为负);雨季降雨量为P2,开采地下水灌水量为I2,地下水位变幅为△h2。

平原地区普遍开采地下水灌溉情况下,耕地的灌水量折算为项目区的地下水平均开采量,应将灌水量乘以土地耕垦系数η,然后按项目区土地总面积列水量平衡方程,解析μ和β

旱季水量平衡方程

(P1+ηI1)β-ηI1=△h1μ    式4-14                (1)

雨季水量平衡方程

(P2+ηI2)β-ηI2=△h2μ     式4-14               (2)

(1)和(2)联解,即得μ和β。

此法在地下水无侧向补给和排泄条件下应用。

此法未考虑降雨和灌溉滞留在非饱和含水层中的水分对地下水补给的影响;受这种影响,在丰水年非饱和含水层滞留的水量增加,β值趋向偏小;干旱年滞留在非饱和含水层中的水量缓慢释放,向下渗透补给地下水,β趋向偏大。应当根据多年监测结果,选出适用数值或数组。

4.3.3 地下水埋深特征值和最大允许埋深值

井灌区地下水埋深较大,根据许多地方观测,当地下水埋深大于5m的情况下,每年雨季地下水位有较大幅度上升;雨季过后,直至下年春灌前地下水位继续缓慢上升。这种现象是因为雨季,通过饱气带土层中的大孔隙,以较快的速度渗透补给地下水;而滞留在微小孔隙中的水分,下渗速度非常缓慢,补给地下水的持续时间,需要数月甚至1-2年。为在地下水管理工作中预估地下水可开采量,特规定了地下水最大允许埋深(D大)、二三月间春灌前地下水埋深(D2-3)、6月末雨季前的地下水埋深(D6)、9月末雨季结束时的地下水埋深(D9),和年末地下水埋深(D12)等特征值。

2-3月春灌开始,到6月末雨季到来前,是全年降水最少、灌水最多的时期。在这段时期里,选择连续抽水时间最长、抽取地下水最多的时段,以其抽水量和地下水位下降幅度,计算出q和μz。

调查总结项目区内农用机井的结构,和水泵与动力设备的性能,据以确定地下水最大允许埋深;此埋深即使遇到特大干旱年和连续干旱年,也不允许突破,否则不但会导致大批机井和抽水机具损坏或失效,还将引起地下水位进一步下降。

依据地下水位最大允许埋深D大和9月末地下水埋深D9,即可初步计算下年度干旱季节地下水最大可开采量Q9大。

Q9大=Az(D大-D9)μz                         式4-15

或              Q9大=(D大-D9)q                            式4-15′

9月末至年终,地下水位继续缓慢上升;在此期间若干旱少雨,小麦可能需要播前灌水或冬灌。因此,到12月末,可根据D12与D大的水位差,调整下年旱季地下水最大许可开采量Q12大

Q12大=(D大-D12)q                           式4-16

或              Q12大=Az(D大-D12)μz                        式4-16′

由于年末至2-3月春灌前地下水位还会有一定程度的变化,所以,还应当根据D2-3,对旱季地下水最大许可开采量Q2-3大最后敲定。

4.3.4 灌溉取水许可制度的执行

确定了旱季各阶段地下水最大许可开采量,即可编制旱季各阶段灌溉用水计划和农户灌溉许可取水量。需要说明是,编制灌溉用水计划并非要把地下水最大可开采量抽净用光,该项数值是地下水限制开采量;每年编制灌溉用水计划,应按照干旱季节中等水平年的降水量(P50%旱)和干旱水平年的降水量(P75%旱)两个档次计算灌溉用水量和地下水开采量。对农户批准的灌溉许可取水量,按中等水平年灌溉用水量公布。当遇到干旱年时,实时调整许可取水量;但调整后项目区的地下水开采量不得大于地下水最大许可开采量。以9月末编制下年旱季灌溉用水计划为例。

项目区中等水平年旱季灌溉地下水计划开采量:

Q项旱50%=Σ(ETi旱-Pei旱50%)Ai灌                式4-17

项目区干旱水平年旱季灌溉地下水计划开采量:

Q项旱75%=Σ(ETi旱-Pei旱75%)Ai灌                         式4-18

Q项旱75%≤(D大-D9)q=(D大-Dq)μzA总                 式4-19

式中:Q项旱50%、Q项旱75%分别为项目区相当降水量频率为50%和75%年份的旱季灌溉开采地下水量,

ETi旱为旱季灌溉的i种农作物腾发量,

Pei旱50%、Pei旱75%分别为旱季降雨量频率为50%和75%的农作物有效雨量,

Ai灌为项目区旱季灌溉i种农作物的种植面积。

农户旱季灌溉中等水平年允许地下水开采量

Q户旱50%=Σ(ETi旱-Pei旱50%)Ai户                        式4-20

干旱水平年旱季农户灌溉许可地下水开采量

Q户旱75%=Σ(ETi旱-Pei旱75%)Ai户                       式4-21

Q户旱75%≤(D大-D9)μzA户/η                   式4-22

式中Q户旱50%和Q户旱75%分别为相当旱季降雨量频率为50%和75%的农户灌溉许可开采地下水量;Ai户为旱季农户i种作物的灌溉面积;η为项目区灌溉面积与总土地面积的比值。

5.井灌区单一作物ETi计算方法的讨论

本项目监测分析单一作物腾发量采用的公式为:

ETi=(Pi+Ii)(1-β)+(Si入-Si出)+△Ti+εi        式2-1

在海河平原年平均降水量500-600mm条件下,井灌区多数年份无地表径流流入和流出,且地下水埋藏较深;因此,计算公式简化为:

ETi=(Pi+Ii)(1-β)+△Ti                       式2-3

式中:Pi和Ii分别为i种作物生长期内的降水量和灌水量,β为降雨(灌溉)对地下水的补给系数,△Ti为作物播前与收获后土层蓄水量的差值,蓄水量增加,运算符号取负号,反之取正号。

在井灌区采取沟灌和小畦灌,灌水定额一般为20-60m3/亩,最多不超过100m3/亩(相当灌水30-90mm,最多150mm),而且灌前土壤含水量较低,是否可能产生像降大雨那样的深层渗漏量?这是一个疑问。为解答这个问题,特选择水利水电科学研究院1993-1995年在河北省雄县所作的灌溉试验成果,加以说明。

5.1 降雨灌溉渗漏补给地下水监测分析实例

1993-1995年中国水利水电科学研究院在河北省雄县建立试验站,进行了“冬小麦—夏玉米种植模式下的农田水量平衡模拟及入渗补给规律分析” 的试验研究。

5.1.1 试区概况

试区位于海河平原,地貌属于山前冲积平原前缘,多年平均降水量542mm,地面自然坡降1/5000,表土以砂壤、壤土为主。

试区内有农业气象站、土壤水分监测站、作物需水监测地块和地下水观测井。气象站为自动监测和数据采集系统,观测项目可满足参照作物腾发率的计算需要。土壤水分监测站由两组深达710cm的负压计剖面和深为800cm的中子仪观测孔组成。环绕土壤水分观测剖面,建有两个观测地块,作物为冬小麦—夏玉米复种模式。

5.1.2 分析方法和监测分析成果

非饱和土层中的水分运移分析采用了HYDRUS模型,分析了根系吸水量、棵间土面蒸发量,降雨(灌溉)入渗补给量。此外,还通过田间监测土壤水吸力的年度变化过程,应用土壤水分定位通量法,计算330cm深处的土壤水分通量,进而得到土壤水下渗量。

(1)降雨(灌溉)入渗补给量计算结果

表1                         田间水量平衡模拟结果                   水量:mm

年度作物生长期 1993.10-1994.9 1994.10-1995.9

冬小麦(9.28-6.12) 夏玉米(6.23-9.23) 全年

合计 冬小麦(10.7-6.14) 夏玉米(6.23-9.27) 全年

合计

降水量 140.2 718.5 858.7 126.6 670.5 797.1

灌水量 215.0 215.0 299.0 100.0 399.0

根系吸水 251.7 233.2 484.9 282.2 261.5 543.7

底层下渗 103.6 119.4 223.0 128.4 114.0 242.4

棵间蒸发 111.0 98.6 209.6 177.3 96.9 274.2

土层蓄水变化 -111.0 +267.0 +156.0 -162 +298.0 +136.0

表2                     底层下渗量分布过程(1993-1994年)          水量:mm

作物

种类 冬小麦 夏玉米 全年合计

生长

阶段 出苗-拔节9.28-4.5 拔节-开花4.5-5.10 灌浆-成熟5.10-6.12 全生长期9.28-6.12 出苗-拔节6.23-7.15 拔节-开花7.15-8.30 灌浆-成熟8.30-9.23 全生长期6.23-9.23 9.28-9.23

模拟法 72.2 13.5 17.8 103.6 12.5 88.3 18.7 119.5 223.0

定位通量法 35.1 14.2 20.5 69.8 23.2 86.7 39.1 149.0 218.8

(2)入渗补给规律和地下水位变化特征

1993年10月至1994年6月,在试区内安设的负压计,量测的不同深度土层的土水势分布状况如图1。该年度内逐日降水量、灌水量、地下水埋深变化过程如图2。

由图1可见,地表100cm以下的土壤剖面上,土水势全年内向下始终减少,受土水势差驱动力的作用,土壤水分向下移动并补给地下水,潜水蒸发补给过程基本不存在,降雨(灌溉)入渗补给属常年向下补给型。

全年入渗补给分两阶段。

冬小麦生长时期(10月-6月)为旱季。10月至3月,受前一雨季降雨影响,滞留在0-330cm土层中的水分,缓慢释放,使地下水位上升约1m。4至6月,抽取地下水灌溉三次,共抽水215mm(三次灌水定额分别为100mm、70mm和45mm)。导致地下水位下降约4m。冬麦全生长期降水量140.2mm。

夏玉米生长期(6-9月)为雨季。7月1-12日降水量367mm,其中7月12日降雨146mm,造成地下水埋深由7月10日的11.8m,迅速跳变为15日的8.4m,涨幅3.4m;随后连续降雨270mm,又使水位上升3.6m,8月20日地下水埋深4.8m。玉米全生长期降雨总量718.5m,地下水位升幅共7m。

(3)冬小麦和夏玉米的水分腾发量ETi

依据表1田间水量平衡模拟数值,按公式

ETi=根系吸水量+棵间水分蒸发量

=降水量+灌水量-底层下渗量-土层水蓄变量

计算得出两个年度冬麦和玉米的ETi如表3

表3                     冬小麦和玉米水分腾发量ETi

年度 1993-1994 1994-1995

作物 冬小麦 夏玉米 全年 冬小麦 夏玉米 全年

ETi(mm) 372.7 331.8 704.5 459.5 358.4 817.9

5.1.3 对分析成果的评价

(1)通过模拟法和定位通量法两种方法得出干旱季节冬小麦生长期水分下渗补给地下水的数量,相当本季度降水加灌溉水量的29%和19.7%;由此可见,不应认为旱季降水量和灌水量均少,深层渗漏对地下水的补给量可忽略不计。此项分析结果,有助纠正人们的传统观念。

(2)底层下渗量的分析应当和地下水位升降变幅相联系,否则分析结果,误差难以判断,更难以说明误差产生原因。例如,1993-1994年度,试区地下水开采量为215mm,用模拟法和定位通量法计算得出的地下水全年补给量分别为223mm和218.8mm,均和开采量相差无几;但该年地下水位上升3m,是何原因?又如两种方法计算的全年地下水补给量虽很接近,但时程分配则差别较大,哪一种计算结果符合实际补给过程?也无从说明。为此,关于降雨(灌溉)对地下水补给量的分析,有进一步研究的必要。

5.2  参照地下水位动态,研究降雨(灌溉)对地下水的补给量

5.2.1 地下水补给量计算与参数β和μ的解析

在大面积普遍开采地下水灌溉条件下,灌溉地与非灌溉地(或耕地与非耕地)的地下水有密切联系;耕地灌溉开采的地下水,其中包含来自非耕地的地下水;耕地灌溉渗漏补给的地下水,也会向非耕地扩散。因此,研究降雨和灌溉对地下水的补给量,应当把井灌区内的耕地与非耕地作为一个整体看待。海河平原的耕地面积占土地总面积的比例约为2/3,非耕地面积约占土地总面积的1/3,1993-1994年度,冬小麦生长期降水量140.2mm,夏玉米生长期降雨量718.5mm,全年降雨量858.7mm;冬小麦生长期灌水三次,灌溉定额215mm,夏玉米未灌溉,全年灌溉定额215mm。将耕地全年灌溉定额215mm,折算为土地总面积的平均灌水量(相当地下水开采量)为215*2/3=143.3mm。按照土地总面积进行水量平衡分析,依据的数据归纳如表4。

表4                水量平衡分析依据数据(1993-1994年)

作物生长期 冬小麦 夏玉米 全年

降水量(mm) 140.2 718.5 858.7

按土地面积折算

灌水量(mm) 143.3 143.3

地下水位变幅(m) -4 +7 +3

设降雨(灌溉)入渗补给系数为β,含水层给水度为μ,

建立联立方程式

(140.2+143.3)β+4000μ=143.3

718.5β=7000μ

解方程得                β=0.206,μ=0.0212

依据两年度实测的降雨量和灌溉量的数据,乘以补给系数β,可计算出耕地和非耕地的地下水补给量如表5

表5                             地下水补给量

年度 1193-1994 1994-1995

用地方式 耕地 非耕地 耕地 非耕地

作物生长期 冬小麦 夏玉米 全年 全年 冬小麦 夏玉米 全年 全年

降水量(mm) 140.2 718.5 858.7 858.7 126.6 670.5 797.1 797.1

灌水量(mm) 215.0 - 215.0 - 299.0 100.0 399.0 -

地下水

补给量(mm) 73.2 148.0 221.2 176.9 87.7 158.7 246.4 164.2

全年平均地下水补给量(mm) 206.4 219.0

计算结果,1993-1994年度冬小麦、夏玉米生长期以及全年的地下水补给量与定位通量法计算结果具有良好的一致性。

5.2.2 1994-1995年度地下水位升降幅度推测

这里用1994-1995年雄县试验区观测的冬小麦、夏玉米生长期的降雨量和灌水量,推断一下两阶段和全年的地下水位升降幅度,以待证明。将冬小麦和夏玉米生长期的灌水量,分别乘以2/3,折算为土地总面积上的平均灌水量(或地下水开采量),与对应时期的降雨量相加,则得到该时期的降雨量和灌水量之和。采用β=0.206、μ=0.0212可计算出两阶段和全年的地下水位变幅:

冬小麦生长期地下水位变幅

△h麦=[(126.6+299*2/3)β-(299*2/3)]/μ

=(325.9*0.206-199.3)/0.0212=-6234mm=-6.23m

夏玉米生长期地下水位变幅

△h玉=[(670.5+100*2/3)*0.206-100*2/3]/0.0212

=(151.9-66.7)/0.0212=4019mm=4.02m

全年地下水位变幅

△ h年=[(797.1+399*2/3)*0.206-399*2/3]/0.0212

=(219-266)/0.0212=-2217mm=-2.22m

表6              1994年-1995年度地下水位升降变幅推测数值

作物生长阶段 冬小麦 夏玉米 全年

地下水位变幅(m) -6.23 +4.02 -2.22

5.2.3 问题讨论

(1)参照地下水位动态计算的地下水补给量,与采用定位通量法观测分析的地下水补给量,有高度的一致性,说明用定位通量法观测分析降雨(灌溉)对地下水的补给量,较好地反映了客观实际过程。

(2)参照地下水位动态分析计算降雨(灌溉)对地下水的补给量,方法简便,但这个方法忽略了上一年度降雨(灌溉)存蓄在非饱和土层中的水分缓慢下渗对地下水的补给作用;同时还必需是在地下水与区外径流无补排关系的条件下才可应用。

6.小结

在农业必威体育app官网项目中,实施ET监测分析评价和ET管理是一项创新工作,不仅无先例可循,而且也缺乏这方面的理论指导,只能在实践中摸索前进。该项目从1998年开始筹备,到2005年结束,七年中对如何开展ET监测,如何设立监测指标、如何分析评价项目目标实现程度,以及如何利用ET监测分析成果,指导项目区建设和水资源管理,达到水资源可持续利用,井灌区地下水不再超采等各项问题,对我们都是新课题,有很大难度。工作过程中有争论,技术方案有过较大的变更;变更了的技术方案,由于仍不够完善,随着项目建设的进展,又多次进行过补充修正。特别是应用ET监测分析成果作为水资源和地下水管理工作的依据,由于起步较晚,经验还很欠缺。这些就是我们走过的路和工作现状。

在本项目即将结束之际,写这份材料,一方面总结我们的工作,使之系统化;另一方面,依据我们现在的认识水平,对做过的工作在理论和技术上补充修正,使之较为完善,以供后继的同类建设项目参考,避免重走我们曾走过的弯路。这是我们的第一愿望。其次,在过去的七年里,我们的工作只不过相当此项创新的开端,理论和技术各方面都远未完善,还有很大的发展空间,因此,第二个愿望就是抛砖引玉,请各位同行给予批评指正,提出宝贵意见。

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