基于CROPWAT模型的灌溉需水分析

張志堅 錢俊

摘要：為研究西非基礎(chǔ)資料匱乏地區(qū)的灌溉需水預(yù)測，提出了基于CROPWAT模型的灌溉規(guī)劃設(shè)計思路與方法，從作物需水量、降雨模型、土壤參數(shù)、種植規(guī)劃以及灌溉流量設(shè)計等方面展開了分析，提出了項目灌溉設(shè)計流量。結(jié)果表明：①對于資料匱乏的國際工程項目，利用CROPWAT開展分析工作具有較充分的理論基礎(chǔ)和較高的計算精度，具有一定的實用性;②作物種植計劃的變化對于灌溉毛需水量峰值（GIWRpeak）的影響較大，而灌溉系數(shù)、工作時間等參數(shù)對于設(shè)計流量的影響較大，在實際設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)項目實際情況調(diào)整優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：灌溉需水;CROPWAT模型;干旱地區(qū);西非

中圖法分類號：S274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.011

文章編號：1006 - 0081（2022）02 - 0063 - 05

0 引 言

研究項目所在地區(qū)北部為熱帶沙漠氣候，從20世紀(jì)70年代開始的干旱導(dǎo)致該地區(qū)的自然資源遭到嚴(yán)重破壞，農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)發(fā)展受到限制。水資源時空分布不均衡性導(dǎo)致該地區(qū)干旱缺水問題已持續(xù)多年，采取工程措施進(jìn)行合理的水資源調(diào)配是解決區(qū)域性水資源短缺，有效緩解區(qū)域干旱缺水問題，改善區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件的重要舉措。灌溉需水量、灌溉設(shè)計流量等是確定引水工程規(guī)模的重要指標(biāo)，但該地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對落后，缺乏一般灌溉設(shè)計[1-2]所需的各種觀測數(shù)據(jù)及實驗資料。CROPWAT模型目前比較廣泛應(yīng)用于各類作物的需水預(yù)測[3-4]、單個作物灌溉制度分析[5-7]及區(qū)域蒸發(fā)量的分析研究等，鑒于中國已有比較完善的灌溉定額、灌溉制度等，直接采用CROPWAT模型進(jìn)行工程規(guī)劃設(shè)計的情況比較少。因此，本文提出利用基于FAO的CROPWAT模型開展灌溉需水預(yù)測與規(guī)劃設(shè)計的思路。本文結(jié)合西非地區(qū)的工程實際，按照作物需水量、作物系數(shù)、降雨、土壤、種植規(guī)劃等步驟分析凈灌溉需水量（NIWR），利用灌溉系數(shù)計算灌溉毛需水量峰值（GIWRpeak），依據(jù)灌溉面積、灌溉工作時間等最終確定灌溉設(shè)計流量，可為類似地區(qū)引水工程的規(guī)劃設(shè)計研究提供思路。

1 研究區(qū)域概況

1.1 基本概況

項目位于非洲西部地區(qū)，屬于沙漠草原氣候，年平均氣溫29 ℃，年均降雨量約314 mm。項目所在國為全球最不發(fā)達(dá)國家之一，農(nóng)業(yè)是其主要支柱產(chǎn)業(yè)之一，該國超過50%的人從事農(nóng)業(yè)。擬建工程從河道引水，利用渠道、湖泊以及疏浚河道作為輸水通道，并在輸水通道末端修建泵站和渠道為規(guī)劃灌區(qū)進(jìn)行灌溉，工程疏挖河道約87 km，新建主干渠約150 km。

1.2 灌區(qū)現(xiàn)狀及存在問題

項目所在地區(qū)為平原地形，平均高程約25 m，平均坡度約0.1‰，高程逐漸向西和西北方向降低。平原受樹狀河網(wǎng)（現(xiàn)狀無水）切割，形成面積多樣的扇形條帶，區(qū)域現(xiàn)狀大部分為灌木草原和裸地。地區(qū)約90%的人口從事農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)，農(nóng)業(yè)主要種植花生、小米等。由于該地區(qū)處于撒哈拉沙漠邊緣地帶，屬于沙漠草原氣候，降雨量少、農(nóng)田產(chǎn)量低。此外土壤質(zhì)量較差、有機(jī)肥料施用少、農(nóng)藥使用量低、農(nóng)田設(shè)備設(shè)施不足，以及耕種技能缺乏也是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。按照聯(lián)合國糧農(nóng)組織標(biāo)準(zhǔn)，目前該區(qū)域糧食無法自給。根據(jù)研究，因水資源缺乏，該區(qū)域現(xiàn)狀農(nóng)田較少，呈零星斑塊狀分布。

2 研究方法與參數(shù)

研究項目地處非洲西部的干旱地區(qū)，缺乏各種基礎(chǔ)水文氣象及灌溉實驗數(shù)據(jù)等，綜合考慮各種因素，擬采用FAO（世界糧農(nóng)組織）開發(fā)的CROPWAT模型進(jìn)行需水預(yù)測分析，主要研究方法與工作步驟如圖1所示。

2.1 作物需水量

采用FAO-56號文[8]中單作物系數(shù)方法計算作物需水量，計算步驟如下：①計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量ETo;②確定作物的生長發(fā)育階段及各發(fā)育階段的長度，選定作物在此階段的作物系數(shù)Kc（可參考FAO-56），并根據(jù)區(qū)域的氣象條件調(diào)整;③ETo乘以Kc得到ETcrop。

2.1.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量ETo

CROPWAT模型是在Penman-Monteith方程的基礎(chǔ)上建立的，該方程以能量平衡和水汽擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)，考慮了作物的生理特征和空氣動力學(xué)參數(shù)的變化，具有較充分的理論基礎(chǔ)和較高的計算精度，經(jīng)過多年研究改進(jìn)，F(xiàn)AO-56號文推薦使用的公式形式為

式中：ETo 為 參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d;[Δ]為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，KPa/℃;Rn 為冠層凈輻射，MJ/（m2 ·d）;G為土壤熱通量，MJ/（m2 ·d）;T為日平均氣溫，℃;u2 為 2 m高度處的風(fēng)速，m/s;es為飽和水汽壓，kPa;en為實際水汽壓，kPa。

CROPWAT模型計算需要的參數(shù)數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、日照時間、蒸發(fā)、風(fēng)，上述氣象數(shù)據(jù)依據(jù)FAO提供的CLIMWAT模型導(dǎo)出，再輸入CROPWAT模型中，項目所在區(qū)域的ETo計算結(jié)果如表1所示。

2.1.2 作物系數(shù)

作物系數(shù)Kc反映作物和參考作物之間需水量的差異，體現(xiàn)了作物本身的生物學(xué)特性，主要取決于作物冠層的生長發(fā)育。作物系數(shù)可用一個系數(shù)來綜合反映，也可用兩個系數(shù)分別來描述蒸發(fā)和蒸騰的影響，即所謂的單作物系數(shù)和雙作物系數(shù)，一般設(shè)計可采用單作物系數(shù)，F(xiàn)AO建議將作物的生育期劃分為4個階段：初期、發(fā)育期、中期和后期，本項目主要依據(jù)FAO-56號文提供的作物系數(shù)，并適當(dāng)調(diào)整。

2.1.3 作物需水量

作物需水量（ETcrop，mm/d）定義為作物在整個蒸散過程中所需的水的深度，可用作物系數(shù)（Kc）乘以參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ETo）得出，具體公式如下：

式中： ETo 為參考蒸發(fā)蒸騰量，mm;Kc 為計劃耕作作物的作物系數(shù)，取自FAO-56號文。

將作物系數(shù)輸入CROPWAT模型，即可計算出作物的需水量ETcrop，項目典型作物（玉米）的作物需水量（ETcrop）計算結(jié)果如表2所示。

2.2 降雨參數(shù)

國外項目一般采用P=80%頻率的降雨進(jìn)行灌溉設(shè)計，依據(jù)當(dāng)?shù)?962～2016年降雨統(tǒng)計資料，按經(jīng)驗頻率公式，采用頻率曲線分析P=80%的年均降雨量，并利用式（3）計算設(shè)計枯水年份的月均降雨量，作為程序輸入數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，項目所在地區(qū)年平均降雨量為314.8mm，P=80%的年降雨量為234.4 mm。設(shè)計枯水年（P=80%）降雨計算結(jié)果見圖2。

式中：Piav 為月均降雨量，mm;Pidry 為設(shè)計枯水年月均降雨量，mm; Pav 為年平均降雨量，mm;Pdry 為設(shè)計枯水年平均降雨量，mm，P=80%。

有效降雨量（effective rainfall），即考慮了地表徑流和深層滲透的降雨損失后可供作物有效利用的降雨量。CROPWAT模型中提供了多種有效降雨量分析方法，本項目有效降雨采用FAO的AGLW公式進(jìn)行計算，經(jīng)計算有效年降雨量為102.6 mm，模型輸出計算結(jié)果如表3所示。

式中：Pe為有效降雨量，mm;Ptot 為平均月降雨量，mm。

2.3 土壤參數(shù)

2.3.1 土壤情況

項目所在河谷地區(qū)為沙漠草原氣候環(huán)境，土壤中松散層厚度超過0.6 m，且不存在土質(zhì)差、卵石多、板結(jié)、含鹽、風(fēng)蝕或水蝕敏感、較大坡度等限制因素，評估認(rèn)為該區(qū)土壤適合種植及灌溉。對河谷兩側(cè)各20 km的帶狀區(qū)域進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)大部分的研究區(qū)域都是潛在的適合耕種和灌溉的土壤，初步勘測了區(qū)域適合、一般、不適合發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉的土地范圍，河谷原河道兩岸區(qū)域大部分土地都適合耕種和灌溉。

2.3.2 土壤參數(shù)

CROPWAT模型土壤數(shù)據(jù)參數(shù)分為水稻和非水稻作物兩種，本項目主要作物為非水稻作物，土壤數(shù)據(jù)模塊參數(shù)包括，總可用水量 （TAW）、最大滲透率（maximum infiltration rate）、最大生根深（maximum rooting depth）、初始土壤水分（initial soil moisture depletion），依據(jù)項目地區(qū)土壤情況選定。

2.4 種植規(guī)劃

收集地區(qū)已有作物及相關(guān)研究資料，初步擬定項目規(guī)劃灌區(qū)的主要種植作物為玉米、土豆、甘蔗、番茄、洋蔥等，主要作物種植計劃如表4所示。

3 結(jié)果分析與討論

依據(jù)上述氣象、降雨、土壤以及種植規(guī)劃等參數(shù)，CROPWAT模型可以計算出項目凈灌溉需水量（NIWR），利用模型計算結(jié)果進(jìn)一步分析項目灌溉設(shè)計流量。

3.1 凈灌溉需水量

ETcrop 和有效降雨量（Pe） 的差額為凈灌溉需水量（NIWR），計算見式（6）所示，通過CROPWAT模型可自動輸出計算結(jié)果，如表5所示。

式中：ETcrop為作物需水量，mm/d;Pe 為有效降雨量，mm。

3.2 毛灌溉需水量

毛灌溉需水量（GIWR）即滿足作物的蒸發(fā)蒸騰需求，以及不可避免的損失水量和滲漏水量，計算公式如下：

式中：Ep 為項目灌溉系數(shù)，%。

Ep主要考慮灌溉方法、滲流損失、渠道和相關(guān)結(jié)構(gòu)的損失以及取水口與田間的損失，本項目灌溉系數(shù)取為60%。

3.3 灌溉設(shè)計流量

依據(jù)CROPWAT程序計算結(jié)果，分析各月中的峰值灌溉需水量作為灌溉設(shè)計流量（m3/s），計算公式如下：

式中：A 為灌溉面積，hm2;GIWRpeak 為 灌溉毛需水量峰值，mm/d;h 為每天的工作小時數(shù)（項目取16 h）;v為每周的工作日（項目取6 d），若用月天數(shù)，則v為每月工作日。

結(jié)合模型計算結(jié)果，項目灌溉凈需水量峰值為2.6 mm/d，據(jù)此估算灌溉毛需水量峰值GIWRpeak為4.33 mm/d，項目灌溉面積24 348 hm2，分析項目設(shè)計流量Q設(shè)=21.4 m3/s。

3.4 討 論

CROPWAT模型有效降雨公式有4種，有效降雨計算結(jié)果為102.6～207.7 mm，對于作物需水量有一定影響，本文選擇偏保守的公式;由于項目灌溉高峰月在旱季，有效降雨量的變化對于最終設(shè)計流量影響不大。種植計劃的變化特別是作物的起始種植時間的變化對灌溉毛需水量峰值有一定影響，需要依據(jù)項目實際情況調(diào)整。灌溉設(shè)計流量對于灌溉系數(shù)、工作時間的變化較為敏感，若灌溉系數(shù)在0.55～0.65變化，則相應(yīng)設(shè)計流量變化幅度約為15%;工作小時數(shù)若在16～24 h間變化，相應(yīng)設(shè)計流量變化幅度約為33%，規(guī)劃設(shè)計過程應(yīng)合理選取各類參數(shù)。

4 結(jié) 論

（1） 國際項目工程灌溉規(guī)劃設(shè)計面臨各種困難，特別是非洲等國別農(nóng)業(yè)發(fā)展需求迫切，但難以獲取各種農(nóng)業(yè)灌溉的試驗資料、土壤以及作物灌溉制度等資料，為工程規(guī)劃設(shè)計帶來了諸多實際困難。

（2） CROPWAT是FAO開發(fā)的軟件，可用于作物需水量預(yù)測、灌溉工程設(shè)計以及灌溉制度分析等工作，對于在資料缺乏地區(qū)開展規(guī)劃設(shè)計工作具有重要意義，工作過程中發(fā)現(xiàn)很多國外咨詢機(jī)構(gòu)也經(jīng)常采用該模型開展規(guī)劃設(shè)計工作。

（3） CROPWAT程序中的氣象、作物系數(shù)、降雨資料以及土壤資料數(shù)據(jù)是重要的輸入數(shù)據(jù)，應(yīng)盡可能地依據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況獲取或者調(diào)整;種植計劃變化對于灌溉毛需水量峰值有一定影響，而灌溉設(shè)計流量對于灌溉系數(shù)、工作時間的變化較為敏感，在實際設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)項目實際情況調(diào)整優(yōu)化。

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（編輯：江 文）