基于高效灌溉的肇州縣玉米需水量分析與計算

鄭越馨，戴長雷,*，李治軍，高 宇，李 洋

(1.黑龍江大學 a.水利電力學院;b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080；2.東北農(nóng)業(yè)大學 水利與土木工程學院，哈爾濱 150030)

肇州縣地處松嫩平原的腹地，是黑龍江省西部典型的旱灌區(qū)[1-2]，農(nóng)業(yè)灌溉主要依賴于地下水，基于高效灌溉主要是改善原有井和灌溉方式，采用不同的灌溉技術，以此來減少灌溉用水量，提高農(nóng)業(yè)用水水平。為了促進節(jié)水增糧行動的有利進行，對肇州縣水文年型進行分析，根據(jù)玉米生育期的需水特征給出灌溉制度，采用不同的灌溉制度和方式，對肇州縣區(qū)域玉米灌溉的需水量進行分析和計算[3]。玉米是肇州縣主要種植作物，玉米灌溉需水量占總需水量的85%，分別采用灌水3次和灌水2次的灌溉方案，對玉米生育期需水量進行分析與計算，在確保地下水生態(tài)平衡的情況下，選擇玉米生育期灌溉需水量最優(yōu)的灌水方案，達到在肇州縣旱灌區(qū)高效灌溉的目的。

1 肇州區(qū)域水文年型分析

肇州縣位于大慶市東南部，地處松嫩平原的腹地，面積為2 445 km2，是黑龍江省典型的旱田灌區(qū)，肇州縣轄6個鎮(zhèn)：肇州鎮(zhèn)、永樂鎮(zhèn)、朝陽溝鎮(zhèn)、豐樂鎮(zhèn)、興城鎮(zhèn)、二井鎮(zhèn)；6個鄉(xiāng)：雙發(fā)鄉(xiāng)、托古鄉(xiāng)、朝陽鄉(xiāng)、永勝鄉(xiāng)、榆樹鄉(xiāng)、新福鄉(xiāng)。農(nóng)業(yè)灌溉面積大,需水量隨之增加，選定肇州縣為論證區(qū)。

水文年按總體蓄量變化最小的原則所選的連續(xù)12個月，一個自然水文年從當年的第一次漲水當月的第一天開始起算12個月，也就是汛期的當月開始算往后12個月，肇州地區(qū)是從3月或4月到次年的2月或3月。肇州縣多年平均降水量為452.1 mm，年降水量年際變化幅度小，地區(qū)分布差異較小，降水量年內(nèi)變化十分劇烈，故選具有代表性的2005—2014年各月降水量，肇州縣多年月降水量統(tǒng)計見表1。

表1 肇州縣多年月降水量統(tǒng)計Table 1 Monthly precipitation statistics in Zhaozhou County for years mm

由表1可見，降水主要集中在6—9月，6—9月降水量占全年降水量的82.1%。肇州地區(qū)氣候干燥，尤其在春季和初夏降水量小，蒸發(fā)強度大，并且地表不存在天然江河，全區(qū)境內(nèi)賦存地下水。肇州為農(nóng)業(yè)大縣，全區(qū)需水尤其是農(nóng)業(yè)灌溉需水主要依賴于開采地下水資源，對肇州縣典型年月降水量進行研究，主要有保證率為20%、50%和95%的降水量，肇州縣雨量代表站降水量年內(nèi)分配見表2。

在豐水年和平水年降水量能滿足灌溉需水量，主要考慮干旱年的農(nóng)作物灌溉需水量。由于大量開采地下水資源，許多地區(qū)已形成區(qū)域性的地下水開采漏斗甚至超采區(qū)，地下水系統(tǒng)遭到破壞[4-6]。干旱年定義當水源為地下水時，由于地下水庫的調(diào)節(jié)能力較強，水量變化不大，供水保證率相對較高[7-9]。但隨著地下水的超采，供水工程的正常供水量也會受到影響，從而降低供水保證率，因此選擇干旱年作為主要研究的水文年型。

表2 肇州縣雨量代表站降水量年內(nèi)分配Table 2 Rainfall on behalf of the station annual distribution of precipitation in Zhaozhou County

2 基于高效灌溉的肇州縣農(nóng)業(yè)需水量與灌溉制度

2.1 肇州縣耕地分布與作物布局

肇州縣農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)統(tǒng)計見表3，玉米種植面積126 392 hm2，玉米種植面積占總耕地面積的86.7%,是肇州縣主要農(nóng)作物。

表3 肇州縣農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)統(tǒng)計Table 3 Agricultural planting structure statistics in Zhaozhou County

2.2 基于高效灌溉的農(nóng)業(yè)需水量

基于高效灌溉主要是改善原有井和灌溉方式，采用不同的灌溉技術，主要有噴灌和滴灌，以此來減少灌溉用水量，提高農(nóng)業(yè)用水水平。以提高灌溉水利用效率為核心，重點研究實用性強、節(jié)水、增產(chǎn)、增效玉米高效灌溉技術，形成具有區(qū)域特色的農(nóng)業(yè)高效灌溉技術體系。肇州縣需水量主要來源有農(nóng)業(yè)需水量、生活需水量和工業(yè)需水量。肇州縣節(jié)水灌溉區(qū)2010—2020年各水平年需水量見表4。

表4 肇州縣節(jié)水灌溉區(qū)各水平年需水量(104 m3)Table 4 Annual water demand of water-saving irrigation area in Zhaozhou County(104 m3)

農(nóng)業(yè)灌溉用水量是肇州縣主要用水量，占總需水量的66%。

肇州縣境內(nèi)玉米生育期為4月下旬至8月中旬共125～130 d，共需要補水3次，總需水量3 150 m3/hm2，相當于314.8 mm，肇州縣玉米生育期需水變化特征見表5。因玉米的生育期需補水3次，分別為5、6、7月，平均一次補水約為105 mm，其中玉米補給水量包括降水入滲補給量和灌溉補給量，在豐水年和平水年期間，降雨入滲補給量可以滿足玉米在生育期內(nèi)的需水量，但干旱年時肇州縣的降水不能滿足玉米的正常生長，干旱發(fā)生頻率最高為91.18%，缺水相當嚴重，需要在適當時期進行人工補水，最好在播種期、苗期和封壟前期適量補水，才能保證玉米的正常生長發(fā)育[10-13]。主要研究在干旱年玉米的灌溉需水量，因此需扣除降雨入滲補給量，即為玉米的灌溉補水量。

表5 肇州縣玉米生育期需水變化特征Table 5 Water demand characteristics of corn growth period in Zhaozhou County

2.3 農(nóng)作物灌溉制度

作物地面灌溉凈定額，干旱年生育期內(nèi)灌水3～4次，一般年2～3次，玉米每次灌水50 mm；濕潤年1次，玉米灌水50 mm。根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗，與地面灌比較，噴灌節(jié)水40%。將地面灌凈定額乘以0.6的系數(shù)即為肇州縣噴灌的凈定額，因此采用噴灌的灌溉技術。

3 不同水文年的肇州縣灌溉需水量分析與計算

玉米灌溉補水期主要有播種—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽雄期和抽雄—灌漿期，灌水次數(shù)3次左右，玉米灌溉需水量計算有A、B兩類方案，具體方案如下：

A類方案：玉米生育期灌溉3次，即播種—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽雄期和抽雄—灌漿期。

B類方案：玉米生育期灌溉2次,分別為B1播種—拔節(jié)期和拔節(jié)—抽雄期，B2播種—拔節(jié)期和抽雄—灌漿期，B3拔節(jié)—抽雄期和抽雄—灌漿期。

計算扣除保證率為P=95%時降水量的玉米灌溉需水量，當需水量小于降水補給量時不需要灌溉，降水量能滿足玉米的需水量。玉米灌溉需水量：

P灌=P需-10P降m

(1)

式中P灌為玉米灌溉需水量( m3/hm2)；P需為需水量( m3/hm2);P降為保證率下的降水量(mm)；m為折算系數(shù)，取0.9。

根據(jù)4種灌溉方案計算玉米在灌溉期各月的需水量， 玉米灌溉期各月需水量見表6。

表6 玉米灌溉期各月需水量Table 6 Water demand monthly in corn irrigation /(m3·hm-2)

計算保證率P=95%時A類方案和B類方案在生育期內(nèi)所需的地下水灌溉水量，計算結(jié)果見表7～表11。

表7 A類方案:灌溉3次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 7 Plan A:Amount of dry years of irrigation three times (P=95%)

表8 B1類方案：灌溉2次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 8 Plan B1:Amount of dry years of irrigation twice(P = 95%)

表9 B2類方案 灌溉2次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 9 Plan B2:Amount of dry years of irrigation twice(P = 95%)

表10 B3類方案 灌溉2次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 10 Plan B3：Amount of dry years of irrigation twice(P = 95%)

表11 P=95%不同方案玉米需水量Table 11 Different scenarios of corn water demand(P=95%)

在特枯水年(P=95%)，采用A方案，玉米灌溉需水量為1 710.6 m3/hm2；采用B1方案，玉米灌溉需水量為1 118.5 m3/hm2；采用B2方案，玉米灌溉需水量為631.0 m3/hm2；采用B3方案，玉米灌溉需水量為882.1 m3/hm2?？梢夿2方案所需地下水灌溉水量最小，在肇州縣地區(qū)可在播種—拔節(jié)期和抽雄—灌漿期對玉米進行灌溉補水，可達到節(jié)水增糧的效果。

4 結(jié) 論

基于高效灌溉的目的對肇州縣玉米生育期的灌溉需水量進行分析和計算，得到的主要結(jié)論有：

1)充分灌溉時采用A方案，灌溉時段為1、2、3，3個時段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量為1 710.6 m3/hm2；采用B1方案，灌溉時段為1、2,2個時段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量為1 118.5 m3/hm2；采用B2方案，灌溉時段為1、3,2個時段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量為631.0 m3/hm2；采用B3方案，灌溉時段為2、3,2個時段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量為882.1 m3/hm2。

2)對比分析4種灌溉方案，得出B2方案在播種—拔節(jié)期和抽雄—灌漿期灌水2次所需水量為631 m3/hm2，是用水量最少的一種灌溉方案，達到高效灌溉的目的。

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