范雷雷 史海濱 李瑞平 苗慶豐 裴文武 華智敏

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018； 2.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)管理總局， 巴彥淖爾 015000；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院， 呼和浩特 010020)

0 引言

20世紀(jì)80年代以來，隨著全球性水危機(jī)的加劇，節(jié)水灌溉受到高度重視[1-2]。2019年中國水資源公報(bào)指出全國農(nóng)業(yè)用水超3 682億m3，占全國總用水量的61.2%，節(jié)水潛力巨大。節(jié)水優(yōu)先考慮的是農(nóng)業(yè)節(jié)水，同時(shí)農(nóng)業(yè)節(jié)水也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要抓手[3]，進(jìn)一步說，農(nóng)業(yè)節(jié)水也是山水林田湖草生命共同體健康發(fā)展的必要要求，農(nóng)業(yè)節(jié)水及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)應(yīng)得到全社會(huì)的關(guān)注[4]。

河套灌區(qū)是我國最大引黃灌區(qū)，同時(shí)也是北方重要的糧食基地之一[5-6]，隨著灌區(qū)的快速發(fā)展和非農(nóng)業(yè)用水的不斷增加，水資源需求量不斷上升[7]。但黃河上游來水日趨減少，灌區(qū)年引水量逐年下降，水資源供需矛盾日益突出[8]。灌區(qū)以畦灌為主要代表的田間灌水技術(shù)較發(fā)達(dá)國家有較大差距，灌溉水利用效率僅有0.41，水資源浪費(fèi)的同時(shí)嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[9-11]。隨著灌區(qū)續(xù)建配套、節(jié)水改造、水權(quán)轉(zhuǎn)換等一系列項(xiàng)目的實(shí)施[12-14]，灌區(qū)灌排渠道系統(tǒng)日益完善，畦田長度基本固定，但是寬畦田、大畦塊仍是該地區(qū)畦田的主要特點(diǎn)，影響了灌水效率的進(jìn)一步提高。由于灌區(qū)來水流量、來水時(shí)間及其持續(xù)時(shí)間的不確定性，對灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來諸多壓力，這使得已有相關(guān)農(nóng)業(yè)決策存在不足[15-18]，故需根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，以減輕不確定因素帶來的不利影響。

田間灌溉設(shè)計(jì)和優(yōu)化的研究，以往主要集中在固定供水流量的常規(guī)畦灌系統(tǒng)上[19-21]，而河套灌區(qū)引水流量不穩(wěn)定。對此，本研究在典型畦灌試驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用WinSRFR模型模擬計(jì)算大、中、小入畦流量下不同畦田規(guī)格和灌水時(shí)間下的灌水效率、灌水均勻度和儲(chǔ)水效率等指標(biāo)。進(jìn)而對不同方案畦田灌溉性能進(jìn)行評價(jià)優(yōu)選，確定灌區(qū)適宜的田塊布局和灌水設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上分析不同參數(shù)對最佳方案灌水質(zhì)量的敏感性。以提高灌區(qū)黃河水分配效率，保證灌溉充足性，為灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源高效利用發(fā)展提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市磴口縣境內(nèi)，地處河套灌區(qū)沈?yàn)豕嘤蛑杏?，屬典型的干旱溫帶大陸性季風(fēng)氣候；年均降雨量142.1 mm，蒸發(fā)量超2 300 mm，無霜期130 d左右。黃河水作為試驗(yàn)區(qū)灌溉的主要水源，水中泥沙含量大，pH值約為7.8，耕作層土壤鹽分大多為氯化物-硫酸鹽，典型試驗(yàn)區(qū)布設(shè)在沈?yàn)豕嘤蚪ㄔO(shè)二分干渠管理所附近，土壤類型為砂土，平均容重為1.586 g/cm3。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究方案分析的目的是對實(shí)際農(nóng)田現(xiàn)場布局和灌溉參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以減少由于農(nóng)渠來水流量變化造成的水資源浪費(fèi)等問題。由內(nèi)蒙古自治區(qū)水利廳2018年“內(nèi)蒙古黃河干流水權(quán)盟市間轉(zhuǎn)讓河套灌區(qū)沈?yàn)豕嘤蛟圏c(diǎn)現(xiàn)狀評估報(bào)告”可知，沈?yàn)豕嘤颥F(xiàn)狀砂土2 001 m2及以上畦田面積的地塊占灌域砂土總灌溉面積的57%以上，結(jié)合灌域?qū)嶋H情況，本文選取當(dāng)?shù)氐湫蜕巴撂飰K(80 m×25 m)作為主要研究對象。并且在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了3種灌溉方案：灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案；田塊規(guī)格+灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案；田塊規(guī)格+入畦流量設(shè)計(jì)方案。具體方案布置見圖1，其中W為畦田寬度，m；L為畦田長度，m；Q為入畦流量，L/s；Tco為灌水時(shí)間，min。入畦流量是影響灌溉性能的主要因素之一，并且其大小在很大程度上取決于毛渠流量和入田灌水閘門規(guī)格，根據(jù)灌區(qū)實(shí)際，灌溉期間入畦流量Q大多在10～30 L/s之間[11]，表1為模型模擬所需的5種不同入畦流量(30 L/s(極大)、26 L/s(大)、20 L/s(中)、16 L/s(小)、10 L/s(極小))和對應(yīng)的可能灌水時(shí)間Tco的參數(shù)組合。

表1 模型所需參數(shù)Tab.1 Parameters required for model

表2為典型田塊部分基本參數(shù)及灌水參數(shù)，玉米播種前對典型試驗(yàn)田進(jìn)行了激光平地，沿畦長方向每隔10 m設(shè)置2～4個(gè)觀測點(diǎn)用以觀測水流推進(jìn)與消退。沿試驗(yàn)田畦長方向設(shè)置5個(gè)取樣點(diǎn)，每隔10 d測定土壤含水率，灌水以及降雨前后加測。入畦水量通過梯形量水堰測得，畦首處水深通過水尺測定，灌水時(shí)間用秒表確定；入滲參數(shù)的估算采用Kostiakov方程進(jìn)行描述[22]。灌溉水量及其他田間管理措施與當(dāng)?shù)厮揭恢隆?/p>

表2 典型田塊基本參數(shù)及灌水參數(shù)Tab.2 Basic parameters and irrigation parameters of typical fields

2.1.1灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案

此方案設(shè)計(jì)主要是在當(dāng)前典型畦田規(guī)格(80 m×25 m)以及不同入畦流量(30、26、20、16、10 L/s，單寬流量q分別為1.20、1.04、0.80、0.64、0.40 L/(m·s))下通過改變灌水時(shí)間Tco(300、270、240、210、180、150、120 min)分析灌水質(zhì)量變化情況。

2.1.2田塊規(guī)格+灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案

該方案設(shè)計(jì)通過將現(xiàn)有畦田劃分為兩個(gè)相等尺寸的小畦田：垂直分割(80 m×12.5 m)或水平分割(40 m×25 m)。每個(gè)均分小畦田與典型大畦田均采用相同入畦流量，灌水時(shí)間Tco在兩個(gè)小畦田內(nèi)均分設(shè)計(jì)，即該灌溉方案灌水質(zhì)量指標(biāo)是在入畦流量Q為30、26、20、16、10 L/s，垂直分割(80 m×12.5 m)田塊單寬流量q分別為2.40、2.08、1.60、1.28、0.80 L/(m·s)，水平分割(40 m×25 m)田塊單寬流量q分別為1.20、1.04、0.80、0.64、0.40 L/(m·s)和0.5Tco(150、135、120、105、90、75、60 min)下獲得的。

2.1.3田塊規(guī)格+入畦流量設(shè)計(jì)方案

此方案設(shè)計(jì)在典型田塊中增加1個(gè)進(jìn)水口，保證入畦流量在兩個(gè)垂直分割或者水平分割小畦田內(nèi)均勻分配，且每個(gè)小田塊灌水時(shí)間均為Tco，即分析各個(gè)田塊在0.5Q為15、13、10、8、5 L/s，垂直分割(80 m×12.5 m)田塊單寬流量q分別為1.20、1.04、0.80、0.64、0.40 L/(m·s)，水平分割(40 m×25 m)田塊單寬流量q分別為0.60、0.52、0.40、0.32、0.20 L/(m·s)和Tco(300、270、240、210、180、150、120 min)組合下的灌水質(zhì)量變化情況。

2.2 研究方法

2.2.1灌水質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)

采用灌水效率(AE)、灌水均勻度(DU)和儲(chǔ)水效率(AD)評價(jià)灌水質(zhì)量[23]。

2.2.2WinSRFR模型

采用零慣量(WinSRFR)模型對灌溉水水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬，基本方程表達(dá)式為

(1)

(2)

式中x——水流推進(jìn)距離，m

h——水深，m

t——關(guān)口時(shí)間，s

Z——累計(jì)入滲量，m

τ——凈入滲時(shí)間，s

y——水流深度，m

S1——田面坡度，m/m

Sf——田面阻力坡降，m/m

當(dāng)利用WinSRFR模型對試驗(yàn)灌水過程進(jìn)行模擬時(shí)，需要輸入的參數(shù)有畦長、畦寬、畦尾開閉口情況、計(jì)劃需水水深、土壤入滲參數(shù)(k、α)、田面糙率系數(shù)n、灌溉水量、入畦流量以及灌水時(shí)間等[24-25]，進(jìn)而通過軟件計(jì)算得出灌水質(zhì)量模擬指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型精度

圖2為典型田塊(80 m×25 m)分別通過田間實(shí)測以及WinSRFR模型模擬兩種方法得到的3次灌水水流推進(jìn)與消退曲線，從圖中可以看出，兩種方法得到的3次灌水水流推進(jìn)時(shí)間的均方根誤差(RMSE)分別為8.11、13.89、7.73 min，水流消退時(shí)間的RMSE分別為15.03、20.51、11.30 min；盡管這些誤差對于其他畦田灌溉系統(tǒng)可能略有偏高，但是對于在本研究中的典型田塊(砂土規(guī)格2 000 m2左右，灌水時(shí)間210～300 min)中誤差是可以接受的。

表3為典型田塊3次灌水質(zhì)量指標(biāo)實(shí)測值與模擬值精度對比情況，從表中可以看出，兩種方法得到的灌水效率(AE)、灌水均勻度(DU)和儲(chǔ)水效率(AD)的相對誤差不大于4.84%、3.95%、5.00%，表明利用WinSRFR模型對灌水質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)可行，結(jié)果可靠。并且在當(dāng)?shù)毓嗨畻l件下，由于畦田規(guī)格較大并且土壤入滲較快，使得水流推進(jìn)過程中深層滲漏損失增加，灌水時(shí)間延長，3次灌水AE分別為62%、52%、59%， DU分別為0.84、0.76、0.81，AD分別為1.26、1.40、1.34，灌水效果始終較差。

表3 典型田塊灌水指標(biāo)實(shí)測值與模擬值精度對比Tab.3 Accuracy comparison between measured and simulated values of irrigation indicators in typical fields

3.2 改進(jìn)方案評價(jià)與優(yōu)選

改進(jìn)方案的優(yōu)選是基于不同單寬流量水平下對不同灌溉設(shè)計(jì)方案灌水質(zhì)量評價(jià)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行的，盡管灌水質(zhì)量評價(jià)時(shí)有多個(gè)指標(biāo)，但參照ARIF等[26]方法評價(jià)灌水質(zhì)量，將最大權(quán)重分配給灌水均勻度，灌水均勻度不低于0.7；其次盡可能控制儲(chǔ)水效率，避免超量灌溉的發(fā)生，灌水效率和水流推進(jìn)指標(biāo)所占權(quán)重最低，這是由于它們受深層滲漏損失、表面粗糙度以及田面坡度影響較大，但由于土壤特性及灌區(qū)農(nóng)田布置等現(xiàn)狀因素影響使得灌水損失無法避免。

3.2.1灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案

通過WinSRFR模型模擬典型田塊(80 m×25 m)在現(xiàn)有單寬流量水平下通過改變灌水時(shí)間Tco可能獲得的灌水質(zhì)量指標(biāo)，結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明只有在較大單寬流量(Q為26～30 L/s、q為1.04～1.20 L/(m·s))情況下，采用適當(dāng)灌水時(shí)間(對應(yīng)Tco分別不低于210 min和150 min)，才能獲得適宜的灌水均勻度(DU大于等于0.7)，此時(shí)灌溉水能填滿整個(gè)田塊，但由于砂土入滲較大，水流推進(jìn)過程中滲漏損失偏大，并且農(nóng)民始終保持著 “大水漫灌”的灌水習(xí)慣，造成農(nóng)田過度灌溉(AD大于1.0)，灌水效率AE普遍不高，并且隨著蓄水時(shí)間的延長，畦尾聚集大量灌溉水，滲漏損失增多，灌水效率顯著下降。該方案顯示在中等和偏小單寬流量水平下，改變灌水時(shí)間得到的灌水質(zhì)量指標(biāo)均較差，并且可以看出，在現(xiàn)有中等單寬流量(Q=20 L/s、q=0.80 L/(m·s))水平下減少尾部25%的畦田面積(改水成數(shù)從1.0減少至0.75)可節(jié)省40%的灌水時(shí)間，使得水流推進(jìn)過程中的滲漏損失較典型較大田塊減少16%以上，節(jié)水效果顯著。

從表4可以看出，在q=1.04 L/(m·s)、Tco=210 min和q=1.20 L/(m·s)、Tco=150 min情況下可以獲得最佳灌水方案，該方案表明砂土較大田塊灌溉時(shí)只有保持較大單寬流量情況下才能獲得最佳灌水質(zhì)量，而在其他單寬流量水平下改變灌水時(shí)間難以獲得較優(yōu)的灌水效果。

表4 典型田塊灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案性能指標(biāo)Tab.4 Performance indicators of typical field irrigation time design schemes

3.2.2田塊規(guī)格+灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案

2種畦田分割方式(垂直(80 m×12.5 m)和水平(40 m×25 m))與不同灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案的畦田灌水質(zhì)量指標(biāo)結(jié)果在大、中、小不同入畦流量下具有相同的變化規(guī)律。由圖3可以看出，水平分割畦田灌水效果整體優(yōu)于垂直分割畦田，這是由于畦田長度的縮短，使得田面水流分布更加均勻。并且只有在較大單寬流量水平下灌水均勻度較大，這是由于在砂土土壤條件下，增大單寬流量會(huì)減小畦首灌溉入滲水深，使得入滲水深分布更加均勻，灌水均勻度得到改善。

對比不同入畦流量水平下灌水指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，較大流量(垂直和水平分割畦田q分別不低于2.08、1.04 L/(m·s))水平下隨著灌水時(shí)間的延長，滲漏損失增加，導(dǎo)致灌水效率逐漸降低，當(dāng)灌水時(shí)間大于135 min時(shí)， AE不超過50%，滲漏損失超過總灌水量的50%以上，但DU始終保持較高水平，有利于土壤鹽分淋洗及作物產(chǎn)量的形成。中等流量(垂直和水平分割畦田q分別為1.60、0.80 L/(m·s))水平下，當(dāng)灌水時(shí)間大于120 min時(shí)，AE不超過70%，滲漏損失占到總灌溉水的30%以上，并且灌水時(shí)間低于75 min時(shí)，灌溉水甚至不能充滿整個(gè)田塊。流量較小時(shí)(垂直和水平分割畦田q分別不超過1.28、0.64 L/(m·s))，縮短灌水時(shí)間會(huì)導(dǎo)致水流推進(jìn)提前結(jié)束，灌水深度達(dá)不到作物需水水深，此時(shí)灌水效率隨著灌水時(shí)間的縮短而增大，灌水均勻度和儲(chǔ)水效率等灌水質(zhì)量指標(biāo)整體較差。對于大流量和極大流量水平，灌水時(shí)間為60 min時(shí)，兩種畦田灌溉設(shè)計(jì)方案灌水質(zhì)量最優(yōu)；中等流量水平下，灌水時(shí)間為90 min時(shí)，灌水質(zhì)量最優(yōu)；對于小流量和極小流量，灌水時(shí)間不低于135 min。

3.2.3田塊規(guī)格+入畦流量設(shè)計(jì)方案

垂直(80 m×12.5 m)和水平(40 m×25 m)分割田塊在0.5Q和Tco灌溉設(shè)計(jì)方案的灌水質(zhì)量模擬結(jié)果具有相同的變化規(guī)律并且各處理之間差異變化不顯著，表5為不同田塊規(guī)格和入畦流量設(shè)計(jì)方案情形下的灌水指標(biāo)變化情況。對于每個(gè)小田塊而言，盡管畦田規(guī)格縮小1/2，但由于土壤入滲較快，流量較小時(shí)，造成水流推進(jìn)較慢，q低于0.40 L/(m·s)，灌溉水在有限時(shí)間內(nèi)均不能充滿整個(gè)田塊，并且造成滲漏損失較大，為獲得最佳灌水性能指標(biāo)，需適當(dāng)提高入畦單寬流量。并且從表中可以看出，極大流量(0.5Q=15 L/s，垂直和水平分割田塊q分別為1.20、0.60 L/(m·s))水平下灌水時(shí)間為150 min，以及大流量(0.5Q=13 L/s，垂直和水平分割田塊q分別為1.04、0.52 L/(m·s))水平下灌水時(shí)間為210 min時(shí)，灌水質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)灌水均勻度大于0.7，有效避免農(nóng)田過度灌溉，節(jié)水效果顯著。

3.2.4最佳方案優(yōu)選

表6為3種設(shè)計(jì)方案在不同流量水平下獲得最佳灌水效果時(shí)的單寬流量和灌水時(shí)間的灌水組合推薦值及其對應(yīng)的灌水質(zhì)量指標(biāo)結(jié)果，從表中可以看出，田塊規(guī)格+灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案能產(chǎn)生更高的灌水質(zhì)量指標(biāo)值，結(jié)合毛渠來水流量實(shí)際大小，根據(jù)田塊規(guī)格選擇適宜的灌水時(shí)間可以獲得最佳灌水性能。圖4對比了在3種灌溉設(shè)計(jì)方案下入畦流量Q和灌水時(shí)間Tco最佳組合對應(yīng)的灌水質(zhì)量指標(biāo)變化情況。顯然，與其他灌溉設(shè)計(jì)方案相比，灌水效率、灌水均勻度以及儲(chǔ)水效率在田塊規(guī)格+灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案中得到了顯著改善。結(jié)合實(shí)際情況可知，水平分割田塊時(shí)為保證同時(shí)進(jìn)行灌溉需要開挖一條新的灌水渠道，但是新型毛渠的常年維修會(huì)造成農(nóng)民種植成本的增加，并且渠道輸水過程中的滲漏損失不可忽略不計(jì)，因此，綜合考慮灌區(qū)現(xiàn)狀灌溉水平暫時(shí)不考慮水平分割畦田的灌溉設(shè)計(jì)方案，只分析垂直分割畦田相關(guān)內(nèi)容。

與典型較大田塊(80 m×25 m)灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案未能實(shí)現(xiàn)所有灌水質(zhì)量指標(biāo)的可接受組合不同，垂直分割田塊(80 m×12.5 m)的3個(gè)灌水質(zhì)量指標(biāo)在較大單寬流量水平(Q為26～30 L/s、q為2.08～2.40 L/(m·s))下具有良好表現(xiàn)，灌水效率從67%～80%提升至97%～99%，灌水均勻度從0.59～0.79提高至0.84～0.95，儲(chǔ)水效率從1.17降低至0.76，并且至少可以節(jié)省當(dāng)前灌水時(shí)間的20%以上，中等單寬流量(Q=20 L/s、q=1.60 L/(m·s))情況下在獲得更優(yōu)灌水質(zhì)量的同時(shí)可以節(jié)省40%的灌水時(shí)間，節(jié)水效果顯著。

3.3 敏感性分析

為確定不同流量水平下改變設(shè)計(jì)參數(shù)對最佳畦田布置方案(80 m×12.5 m)灌水指標(biāo)的敏感性變化情況，明確不同變量因素對灌水質(zhì)量的影響規(guī)律，通過WinSRFR模型模擬分析了計(jì)劃需水水深、田面坡度以及畦田長度等變量因素對灌水質(zhì)量指標(biāo)的影響。不同變量參數(shù)如下：計(jì)劃需水水深為60、70、80、90、100、110、120、130 mm，田面坡度為0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%，畦田長度為50、70、90、110、130、150 m。大、中、小單寬流量水平下不同參數(shù)對灌水質(zhì)量的敏感性分析如圖5所示。

表5 田塊規(guī)格+入畦流量設(shè)計(jì)方案灌水質(zhì)量指標(biāo)對比Tab.5 Comparison of irrigation performance indicators for field specifications and border flow design scheme

從圖5可以看出，不同參數(shù)對灌水質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)具有相同的變化規(guī)律。計(jì)劃需水水深Dreq對灌水質(zhì)量具有明顯的變化規(guī)律，大、中型單寬流量期間，Dreq<80 mm時(shí)過度灌溉，而Dreq>90 mm時(shí)灌溉不足。小流量時(shí)期，Dreq<100 mm時(shí)發(fā)生過度灌溉，而Dreq>110 mm時(shí)灌溉不足。由于Dreq不是定義DU的主要參數(shù)，因此可以觀察到DU并未隨Dreq的變化而變化。大、中、小單寬流量期間，隨著田面坡度的增大，灌水效率、灌水均勻度和儲(chǔ)水效率均呈現(xiàn)先增加后減少的變化趨勢，田面坡度分別超過0.15%、0.25%、0.35%時(shí)，灌溉水快速推進(jìn)至畦尾，造成畦尾灌溉水聚集，而畦首入滲水深減少，灌水效率、灌水均勻度和儲(chǔ)水效率均開始降低，但變化不顯著。畦田長度對灌水均勻度及儲(chǔ)水效率影響明顯，均隨畦田長度的增加而減少，灌水效率受畦田長度影響不大，并且當(dāng)單寬流量較小時(shí)，水流推進(jìn)減慢，造成滲漏損失增加，灌水效率較大、中型單寬流量時(shí)期顯著降低。當(dāng)畦田長度不變時(shí)，灌水均勻度隨著單寬流量的減小而減小，儲(chǔ)水效率隨著單寬流量的減小而增大。

表6 不同設(shè)計(jì)方案最佳灌水組合推薦值Tab.6 The best irrigation combination of different design schemes

4 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，單純提高灌水效率并不能改善灌溉的充分性和均勻性，這與XU等[27]研究結(jié)果一致。通過一系列模型模擬結(jié)果可以看出，在灌區(qū)現(xiàn)有灌溉方案中，畦灌灌溉水滲漏損失超過總灌水量的40%，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，這一方面與農(nóng)民灌水習(xí)慣有關(guān)，農(nóng)民節(jié)水意識(shí)較差；另一方面現(xiàn)有畦灌灌水方案未考慮灌區(qū)常見畦田規(guī)格、來水流量以及灌水時(shí)間等因素對灌水質(zhì)量的綜合影響，造成部分方案節(jié)水性能較差。并且史海濱等[28]提出由于灌溉水大量補(bǔ)給地下水，造成地下水水位上升，隨著土壤蒸發(fā)及作物蒸騰影響，鹽隨水走，造成地表鹽分聚集，造成灌區(qū)土壤鹽漬化加劇，對此必須對灌區(qū)現(xiàn)狀灌水方案進(jìn)行調(diào)整，以緩解由于過度灌溉帶來的土壤鹽漬化及水資源浪費(fèi)等問題。

本研究發(fā)現(xiàn)，田塊規(guī)格和灌水時(shí)間是影響灌水質(zhì)量的主要因素，這與GILLIES等[29]結(jié)果略有差異，其建議將較大入畦流量作為改善畦灌灌溉質(zhì)量的一種主要改進(jìn)手段。本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)田面坡度超過一定值后，不同單寬流量水平下灌水質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)基本不受田面坡度影響，這與GONZALEZ等[30]研究成果略有不同，其提出在極小單寬流量條件下灌水均勻度基本不受田面坡度影響。

結(jié)合上文可知，畦灌灌水質(zhì)量受諸多因素影響，同時(shí)各因素之間又具有明顯的變異性[31]，各個(gè)技術(shù)要素和參數(shù)變化直接影響了灌水質(zhì)量的形成，但完全消除這些影響是不現(xiàn)實(shí)的。因此，進(jìn)行灌水質(zhì)量評價(jià)及其敏感性分析是提高農(nóng)田灌溉管理水平、改善灌溉質(zhì)量的重要依據(jù)[32]。本文對灌水質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行敏感性分析時(shí)，只分析了計(jì)劃需水水深、田面坡度、畦田長度等因素對灌水質(zhì)量的影響，其他影響因素(糙率、單寬流量、田面精度等)需要進(jìn)一步研究。研究發(fā)現(xiàn)計(jì)劃需水水深會(huì)影響灌水質(zhì)量形成，本文僅考慮了砂土土壤情況下常見玉米作物灌溉時(shí)灌水質(zhì)量變化及相關(guān)灌水設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣情況，存在一定局限性。河套灌區(qū)土壤類型復(fù)雜，種植作物多樣，由于種植方式或其他因素的變化而導(dǎo)致的Dreq的任何變化都需要建立新的灌溉設(shè)計(jì)方案，這與ISHAK等[33]研究結(jié)果一致。

本研究提出的最佳灌水方案可以認(rèn)為是針對不同流量水平下的后適應(yīng)措施，具體措施包括：縮寬縮塊、增加進(jìn)水口等。根據(jù)毛渠實(shí)際來水流量，通過縮小畦田規(guī)格、增加單寬流量等方式提高灌水質(zhì)量，減少灌溉過程中的滲漏損失，最終達(dá)到縮短灌水時(shí)間、降低農(nóng)民勞動(dòng)成本的目的。研究結(jié)果對于改善農(nóng)民用水習(xí)慣、提高水資源利用效率具有重要意義。

5 結(jié)論

(1)在現(xiàn)狀研究基礎(chǔ)上研究了3種灌溉設(shè)計(jì)方案，即灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案、田塊規(guī)格+灌水時(shí)間設(shè)計(jì)方案以及田塊規(guī)格+入畦流量設(shè)計(jì)方案。與其他灌溉設(shè)計(jì)方案相比，第2種灌溉設(shè)計(jì)方案灌水效果更佳。垂直分割田塊(80 m×12.5 m)在較大單寬流量(Q為26～30 L/s、q為2.08～2.40 L/(m·s))情況下可以節(jié)省當(dāng)前灌水時(shí)間的20%以上，在中等流量(Q=20 L/s、q=1.60 L/(m·s))情況下在獲得更優(yōu)灌水質(zhì)量的同時(shí)可以節(jié)省40%的灌水時(shí)間，節(jié)水效果顯著。

(2)砂土畦田規(guī)格(80 m×25 m)較大時(shí)，中等單寬流量(Q=20 L/s、q=0.80 L/(m·s))水平下，減少尾部25%的田塊面積(改水成數(shù)從1.0降低至0.75)可節(jié)省40%的灌水時(shí)間，并可減少16%的灌溉水在水流推進(jìn)過程中的滲漏損失，節(jié)水效果顯著。單寬流量較小(Q為10～16 L/s、q為0.40～0.64 L/(m·s))時(shí)，減小田塊規(guī)格能顯著減少畦首灌溉入滲水深，但灌水性能指標(biāo)整體不佳，不建議采用。

(3)通過對灌域砂土典型田塊不同灌溉設(shè)計(jì)方案畦田灌水質(zhì)量結(jié)果對比分析得出，縮小田塊規(guī)格后灌水質(zhì)量得到顯著改善，考慮到當(dāng)前農(nóng)業(yè)耕作水平和現(xiàn)狀灌溉技術(shù)等限制因素影響，建議灌區(qū)采用的砂土畦田規(guī)格為80 m×12.5 m，并且根據(jù)實(shí)際來水流量選擇畦灌所需的最佳單寬流量和灌水時(shí)間組合。