基于水量平衡的长序列农田灌溉定额测算方法

基于水量平衡的长序列农田灌溉定额测算方法
作者：詹同涛洪成孟伟赵凯李瑞杰
来源：《人民黄河》2018年第12期
摘要：長序列农田灌溉定额在水资源规划、水资源论证报告书编制、江河流域水量分配方案编制等水资源专业领域工作中有着广泛的应用。

基于水量平衡原理提出长序列农田灌溉定额测算方法;结合工作实践，详细阐述长序列农田灌溉定额测算所需的基础数据、基本参数和公式，讨论基础数据采集的关健点和长序列灌溉定额计算的复杂性，提出农田灌溉定额测算程序编制的思路，并以计算分区B为例，利用降水、蒸发等数据和灌溉试验确定的基本参数，在各计算分区内应用灌溉定额测算程序，计算旱作物和水稻不同生长期的灌溉期需水量。

结果显示：计算分区B多年平均综合灌溉定额（毛）为4545m3/hm2。

关键词：水量平衡;灌溉定额;长序列;测算
中图分类号：TV213 文献标志码：A
1 引言
实施最严格水资源管理制度是国家层面的一项战略部署，围绕最严格水资源管理制度的贯彻落实，用水总量控制指标的进一步细化分解工作正在稳步、有序推进，用水总量控制指标制定与分解的基础是确定长序列农田灌溉定额。

目前正在开展全国水资源承载能力评价，对于评价区域当年降雨处于较枯或较丰水年份的，需对当年的农业用水进行技术评价，将实际年的农业用水量核算至多年平均口径。

采用长序列农田灌溉定额，经技术分析，可将评价年农业实际
用水量核算至多年平均口径，最终实现与经核定的用水总量控制指标进行对比，评价区域水资源承载状况。

长序列农田灌溉定额也是开展水资源规划、水资源开发利用工程规模论证、水资源论证报告书编制、江河流域水量分配方案编制等工作的重要基础。

典型年灌溉用水定额及各地方行业（标准）用水定额[1]中的农田灌溉定额均为某一特定年份或具有年内过程的用水定额，关于年定额测算方法的研究较多，技术上也日趋完善。

长序列农田灌溉定额与典型年灌溉用水定额及各地方行业（标准）用水定额中的农田灌溉定额相比，更具复杂性，获取的技术难度更大，同时其应用也更加广泛。

目前长序列农田灌溉定额测算方面的研究较少，关于其测算方法的系统论述鲜见。

基于水量平衡原理，结合笔者多年工作实践，从基础数据及采集、基本公式、测算程序编制、定额测算及注意事项等方面总结提出长序列农田灌溉定额的测算方法，并进行了实例应用。

2 水量平衡原理与农田灌溉定额
2.1 水量平衡原理
水量平衡原理是水文学基本原理之一，是物质不灭定律在水文学上的具体应用。

根据物质不灭定律，在水循环过程中，对于任一地区（或任一水体），在给定的时段内，输入的水量与输出的水量之差额必等于蓄水量的变化量，叫水量平衡。

水量平衡是研究水文现象的基本方法，应用它可对水循环建立定量概念，从而了解各循环要素之间的定量关系[2]。

水量平衡的基本方程为
I-O=W2-W1=△W（1）式中：1为给定时段内输入区域（或水体）的水量;0为给定时段内输出区域（或水体）的水量;W1、W2分别为给定时段始、末区域（或水体）的蓄水量;△W为时段内蓄水量的变化量，△W>0表示区域蓄水量增加，△W<0则蓄水量减少。

2.2 农田灌溉定额
2.2.1 农田灌溉定额的基本定义
按照《中国资源科学百科全书》，农业灌溉用水定额即农田灌溉定额指某一种作物在单位面积上各次灌水定额的总和，即在播种前以及全生育期内单位面积的总灌水量，通常以
m3/hm2来表示。

灌水时间和灌水次数根据作物需水要求和土壤水分状况来确定，以达到适时适量灌溉。

农田灌溉定额是指导农田灌水工作的重要依据，也是编制灌区水利规划、设计灌溉工程、制订制灌区用水计划的基础资料[3]。

2.2.2 长序列农田灌溉定额
分析既往关于农田灌溉定额方面的研究成果可知，一般以论述典型年不同作物的农田灌溉定额测算为主，长序列（30a以上）农田灌溉定额的测算鲜见论述。

在具体工作实践的基础上，结合水资源调查评价、水资源综合规划等有关成果，笔者提出了长序列农田灌溉定额的测算方法。

计算分区B（水资源三级区套地级市）位于淮河以北，总面积超过3000km2。

该分区内有建站时间较长的水文站及农田灌溉试验站，水文及灌溉制度等资料较为齐备。

区域内以旱作物种植为主，部分地区存在水稻种植情况，就测算农田灌溉定额而言，其具有很好的代表性。

限于篇幅，本文以计算分区B为例，阐述长序列农田灌溉定额测算方法的应用。

3 基础数据及其采集
3.1 降水量、蒸发量
降水量、蒸发量是测算农田灌溉定额的最基本数据，其来源于各气象站的实测资料，一般应选用建站时间较长、实测资料较为完整的气象站;对于建站时间较短、资料不完整的气象站，应根据周边气象站实测资料对已有数据进行插补延长。

对于面积较小的区域，若有两个以上气象站，应采用泰森多边形法测算面均值;对于面积较大的区域，应选择足够多的气象站，确保每个基本计算分区内至少有一个代表气象站。

对计算分区B内各气象站实测数据进行处理后，得出其面均降水量及蒸发量序列值，考虑到数据量较多，统计到年值。

计算分区B序列年降水量及水面蒸发量统计值见表1和表2。

3.2 通过灌溉试验确定的基本参数
旱作物灌溉定额测算基本参数主要包括土壤计划湿润层深度Q t、作物需水量ET[4]、土壤适宜含水量上限H m及下限H n、不同生育阶段需水模系数A等（见表3）。

水稻灌溉定额测算基本参数主要包括蒸发系数a、最小水深h n、最大水深h m、适宜水深h s、日渗漏量s等[5]（见表4）。

这些数据一般通过多年灌溉试验获取。

笔者在实际工作中，通过各地水行政主管部门获取这些数据，并用于农田灌溉定额的测算。

3.3 灌溉制度及复种指数
3.3.1 灌溉制度
灌溉制度一般通过3种方式确定：总结群众丰产灌水经验;根据灌溉试验资料制定灌溉制度;按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度[6]。

笔者通过水行政主管部门获取了根据灌溉试验资料制定的灌溉制度，考虑到灌溉试验站设立的位置因素，又通过实地调研的方式获取了群众在生产过程中总结的灌水经验，通过二者的结合，最终确定用于测算农田灌溉定额的灌溉制度。

以冬小麦、夏玉米、春棉花、大豆和水稻为代表作物，调查统计了计算分区B内各作物的灌溉制度，各代表作物灌溉制度详见表5-表9[7]。

3.3.2 复种指数
复种指数是指一定时期内（一般为1a）在同一地块耕地面积上种植农作物的平均次数，即年内农作物总播种面积与耕地面积之比。

复种指数主要用于测算农田综合灌溉定额，即在各单项作物灌溉定额测算的基础上，根据各单项作物的种植面积比计算区域综合灌溉定额[8]。

规划水平年复种指数一般在现状农作物种植情况调查的基础上，结合区域水资源条件、农业发展规划、水资源综合规划等综合分析确定。

4 长序列农田灌溉定额测算方法
4.1 基本公式
4.1.1 旱作物
播前期：式中W t+1为t+1日土壤含水量;W t为t日土壤含水量;p为日有效降雨量;e t为播种前土壤日消耗水量;e为日蒸发量;W max为土壤最大含水量，即土壤计划湿润层深度×田间持水率（体积比）。

正常生育期：
H=H1+p-e0（4）
e0=ET·A/D（5）式中：H为灌溉、排水判别值;H1为日初土壤含水量;e0为作物日需水量;A 为不同生育阶段需水模系数;D为作物生育阶段天数。

4.1.2 水稻
泡田期：
H p=a1+S1+E1-P1（6）式中：凡为泡田定额;。

，为插秧时田面所需的水层深度;S1为泡田期间的总渗漏量，等于逐日渗漏量之和;E1为泡田期间的总蒸发量，可以用水面蒸发量代替;P1为泡田期间的总降水量。

正常生育期：
h=h1+p-E0（7）
E0=s+ae（8）式中：h为灌溉、排水判别值（当h>h，时，排水至h m，h2=h m;当hn时，灌水至h s，h2=h s;当h n m时，不排不灌，h2=h;h1、h2分别为日初、末田间水层深度）;E0为日需水量，包括田间腾发量和渗漏水量;：为日渗漏量;a为某标准型号蒸发皿蒸发系数。

4.1.3 综合灌溉定额
综合灌溉定额D z为式中：d i（i=1，2，…，n）为某单项作物灌溉定额泪;为某单项作物种植比例，以某单项作物计划种植面积占计算分区有效灌溉面积的比例计算;γ为计算分区复种指数，等于各单项作物种植比例之和。

4.2 建立基本参数数据库
长序列农田灌溉定额测算所需数据量较大，特别是对于大尺度、多计算分区的区域，测算所需的基础数据更庞大，因此需要建立相应的数据库用于存储所有基础参数，供定额测算时调用。

基于需要存储的数据量，建议采用Access作为存储数据库，对于数据存储量更大的，建议采用SQL Server作为存储数据库。

存储的基础数据应涵盖计算公式中所含的所有参数。

4.3 编制测算程序
农田灌溉定额测算的基本思路并不复杂，建议采用Visual Basic计算机语言编程。

笔者在实际工作中分别编制相应的子程序测算旱作物和水稻灌溉定额。

旱作物定额测算涉及的子程序包括基础数据录入、旱作物降水频率录入、播前期需水定额计算、旱作物需水量录入、旱作物日需水量计算、逐日灌溉量及排水量计算、逐月和逐年灌溉水量累计计算等模块。

水稻定额测算涉及的子程序包括基础数据录入、水稻晒田期适宜含水量下限折算、日需水量及泡田定额测算、逐日灌排水量计算、日定额计算、逐月和逐年灌溉水量累计计算等模块。

4.4 农田灌溉定额测算
在基本参数收集、基本参数数据库和灌溉定额测算程序编制等准备工作完毕的情况下，即可开展长序列农田灌溉定额的测算，其基本步骤如下。

（1）逐日蒸发量、降水量、土壤计划湿润层深度等基础参数录入数据库。

（2）分别计算旱作物和水稻灌溉定额。

（3）计算旱作物播前期需水量，逐日调算旱作物生育期需水量，按旬或月统计旱作物灌溉净定额。

（4）计算水稻泡田期需水量，逐日调算水稻正常生育期需水量，按旬或月统计水稻灌溉净定额。

（5）在单作物灌溉定额测算的基础上，按照设计的复种指数，进一步计算长序列综合灌溉净定額。

（6）按照各地区灌溉水利用系数，计算各计算分区的长序列农田灌溉毛定额。

这些数据一般通过多年灌溉试验获取。

笔者在实际工作中，通过各地水行政主管部门获取这些数据，并用于农田灌溉定额的测算。

3.3 灌溉制度及复种指数
3.3.1 灌溉制度
灌溉制度一般通过3种方式确定：总结群众丰产灌水经验;根据灌溉试验资料制定灌溉制度;按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度[6]。

笔者通过水行政主管部门获取了根据灌溉试验资料制定的灌溉制度，考虑到灌溉试验站设立的位置因素，又通过实地调研的方式获取了群众在生产过程中总结的灌水经验，通过二者的结合，最终确定用于测算农田灌溉定额的灌溉制度。

以冬小麦、夏玉米、春棉花、大豆和水稻为代表作物，调查统计了计算分区B内各作物的灌溉制度，各代表作物灌溉制度详见表5-表9[7]。

3.3.2 复种指数
复种指数是指一定时期内（一般为1a）在同一地块耕地面积上种植农作物的平均次数，即年内农作物总播种面积与耕地面积之比。

复种指数主要用于测算农田综合灌溉定额，即在各单项作物灌溉定额测算的基础上，根据各单项作物的种植面积比计算区域综合灌溉定额[8]。

规划水平年复种指数一般在现状农作物种植情况调查的基础上，结合区域水资源条件、农业发展规划、水资源综合规划等综合分析确定。

4 长序列农田灌溉定额测算方法
4.1 基本公式
4.1.1 旱作物
播前期：式中W t+1为t+1日土壤含水量;W t为t日土壤含水量;p为日有效降雨量;e t为播种前土壤日消耗水量;e为日蒸发量;W max为土壤最大含水量，即土壤计划湿润层深度×田间持水率（体积比）。

正常生育期：
H=H1+p-e0（4）
e0=ET·A/D（5）式中：H为灌溉、排水判别值;H1为日初土壤含水量;e0为作物日需水量;A 为不同生育阶段需水模系数;D为作物生育阶段天数。

4.1.2 水稻
泡田期：
H p=a1+S1+E1-P1（6）式中：凡为泡田定额;。

，为插秧时田面所需的水层深度;S1为泡田期间的总渗漏量，等于逐日渗漏量之和;E1为泡田期间的总蒸发量，可以用水面蒸发量代替;P1为泡田期间的总降水量。

正常生育期：
h=h1+p-E0（7）
E0=s+ae（8）式中：h为灌溉、排水判别值（当h>h，时，排水至h m，h2=h m;当hn时，灌水至h s，h2=h s;當h n m时，不排不灌，h2=h;h1、h2分别为日初、末田间水层深度）;E0为日需水量，包括田间腾发量和渗漏水量;：为日渗漏量;a为某标准型号蒸发皿蒸发系数。

4.1.3 综合灌溉定额
综合灌溉定额D z为式中：d i（i=1，2，…，n）为某单项作物灌溉定额泪;为某单项作物种植比例，以某单项作物计划种植面积占计算分区有效灌溉面积的比例计算;γ为计算分区复种指数，等于各单项作物种植比例之和。

4.2 建立基本参数数据库
长序列农田灌溉定额测算所需数据量较大，特别是对于大尺度、多计算分区的区域，测算所需的基础数据更庞大，因此需要建立相应的数据库用于存储所有基础参数，供定额测算时调
用。

基于需要存储的数据量，建议采用Access作为存储数据库，对于数据存储量更大的，建议采用SQL Server作为存储数据库。

存储的基础数据应涵盖计算公式中所含的所有参数。

4.3 编制测算程序
农田灌溉定额测算的基本思路并不复杂，建议采用Visual Basic计算机语言编程。

笔者在实际工作中分别编制相应的子程序测算旱作物和水稻灌溉定额。

旱作物定额测算涉及的子程序包括基础数据录入、旱作物降水频率录入、播前期需水定额计算、旱作物需水量录入、旱作物日需水量计算、逐日灌溉量及排水量计算、逐月和逐年灌溉水量累计计算等模块。

水稻定额测算涉及的子程序包括基础数据录入、水稻晒田期适宜含水量下限折算、日需水量及泡田定额测算、逐日灌排水量计算、日定额计算、逐月和逐年灌溉水量累计计算等模块。

4.4 农田灌溉定额测算
在基本参数收集、基本参数数据库和灌溉定额测算程序编制等准备工作完毕的情况下，即可开展长序列农田灌溉定额的测算，其基本步骤如下。

（1）逐日蒸发量、降水量、土壤计划湿润层深度等基础参数录入数据库。

（2）分别计算旱作物和水稻灌溉定额。

（3）计算旱作物播前期需水量，逐日调算旱作物生育期需水量，按旬或月统计旱作物灌溉净定额。

（4）计算水稻泡田期需水量，逐日调算水稻正常生育期需水量，按旬或月统计水稻灌溉净定额。

（5）在单作物灌溉定额测算的基础上，按照设计的复种指数，进一步计算长序列综合灌溉净定额。

（6）按照各地区灌溉水利用系数，计算各计算分区的长序列农田灌溉毛定额。