农业灌溉试验的灌溉水量调节技术研究

王建军

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 景泰 730400）

0 引言

水是农业发展必不可少的自然资源，水资源灌溉效果直接影响农业产值。目前我国的人均水资源严重不足，由水资源不足造成的经济发展和环境建设问题也越来越多，因此，需要从农业灌溉着手，调节灌溉水量，降低灌溉耗水总量。截至2021年9月，我国农田有效灌溉面积达到0.69亿hm，但应用节水灌溉调节工程的仅占总灌溉面积的1/2，其中满足节水灌溉高效性要求的更是少之又少。这也证明现有的灌溉水量调节技术的调节效果有限，无法满足目前的灌溉需求。

我国将现有的灌溉区域划分大型灌溉区、中型灌溉区、小型灌溉区3种，其中大型灌溉区有400多处，中型灌溉区有5 000多处，小型灌溉区有1 000多万处。不同类型灌溉区的灌溉面积不同，使用的灌溉水量调节技术自然存在一定的差异。为了满足农业灌溉的可持续发展需求，降低农业灌溉总耗水量，需要根据农业生产现状设计一种新的灌溉水量调节技术，保证高效灌溉调节，为后续的农业灌溉发展奠定基础。

1 农业灌溉水量调节技术优化设计

1.1 多目标优化配置灌溉水资源

不同作物在不同生长阶段所需的灌溉水资源总量存在一定的差异。为了提高农业灌溉水量的调节效果，笔者使用多目标优化配置原则进行灌溉水资源配置。首先，需要寻找一个初始灌溉水量调节向量，组成一个初始向量函数。该函数必须满足目前的灌溉水资源配置调节。此时设计的水资源多目标配置框架如图1所示。

图1 水资源多目标配置框架

由图1可知，可以将该水资源多目标配置框架看成一个目标方程，存在一个初始决策变量和若干个约束条件，此时存在的目标函数()、决策变量、约束条件g()如下所示：

公式（1）～（3）中：(),(),…,f()代表目标函数项，,…,x代表目标函数向量，代表决策变量。结合上述计算式可以对灌溉水资源进行定量分析。

经过进一步研究发现，进行灌溉水量调节求解较困难，无法进行有效的多目标规划，因此，笔者使用帕累托最优概念进行理想化资源分配。假设存在一个基础的水资源调节灌溉群体，且可分配的资源始终呈动态变化状态，此时可以结合Pareto解集完成灌溉水资源多目标优化。

Pareto解集是一种最优解支配解集，能快速进行多目标优化分配，得到2个不同的可行解，此时该解集内部的数据存在相互支配关系。因此，各个求解目标都是等价的，无法进行统一比较。该解集的描述式如式（4）所示：

公式（4）中：λ代表解集目标，代表最优解矢量，X代表交叉解。该解集可以有效地在目标空间中映射，形成一个Pareto前沿面，在该前沿面进行决策可以成功得出一个有效、满意的灌溉水资源配置解，完成灌溉水资源的多目标优化配置。

1.2 计算农业灌溉总需水量

各个农业灌溉区种植的作物不同，其需水规律也存在一定的差异。为了提高灌溉水量调节的有效性，需要统一计算农业灌溉所需的总水量。研究表明，各个灌溉区灌溉需水量存在较多的影响因素。基于此，笔者绘制了灌溉总需水量影响示意图，如图2所示。

图2 灌溉需水量影响示意图

由图2可知，作物的种植起始时间及各个种植区域的适宜水层上限、土壤含水量下限、最大蓄水深度、计划湿润层深均对作物总需水量有较大的影响。因此，笔者使用均值求解法进行灌溉需水量求解。首先，结合水面蒸发总量与作物吸水系数，计算需水量，如公式（5）所示：

公式（5）中：代表作物吸水系数，代表相同时间段水面的蒸发总量，单位为mm。在自然条件不同的情况下，作物的需水量存在一定的差异。因此，在进行灌溉水量调节时需要计算标准的灌溉定额M，单位为mm，如公式（6）所示：

公式（6）中：代表某时间段的渗漏量，单位为mm；代表某时间段的灌溉水量，单位为mm。在实际灌溉过程中，该灌溉定额应该始终处于最大值，且应该满足农业灌溉水量调节的平衡方程（），如公式（7）所示：

公式（7）中：H代表灌溉区水层深度，单位为mm；代表有效降雨量，单位为mm；代表深层渗透量，单位为mm；W代表排水总量，单位为m/s。结合上述计算式可以构建灌溉需水量调节模型，如公式（8）所示：

使用该调节模型可以成功计算灌溉区域的需水总量，进行高效的灌溉水量调节，降低灌溉水量调节难度。

1.3 设计灌溉水量调节优化方案

根据农业灌溉总需水量的计算结果，设计灌溉水量调节优化方案。在设计灌溉水量调节优化方案前，需要判断灌溉区域的实时水面蒸发情况，确定初始水层深度，再结合不同工作环境制订恒定非均匀灌溉水量调节框架，如图3所示。

图3 灌溉水量调节优化方案框架

由图3可知，在进行灌溉调节初期，可以根据灌水定额及灌溉调节单元数量进行灌溉水量调节模拟，再根据区域供水计划和灌溉水流量构建相关的调节模拟模型，最后结合灌溉面积和闸下水位完成灌溉水量调节优化。在上述方案应用过程中，需要考虑灌溉水量调节区域的实际情况，可以将每个调节区域看作一个调节单元进行调节，调节后还需要进行调节验证，即每个调节单元的调节参数均需要大于标准调节参数。这样才能最大限度地降低灌溉水量调节的难度，提高灌溉水量调节的有效性，降低灌溉耗水总量。

2 实例分析

2.1 概况及准备

为了验证设计的农业灌溉水量调节技术的调节效果，选取景泰川提灌工程进行实例分析，划分了10个不同大小的灌溉区域，测试不同区域的灌溉总耗水量。

景泰川提灌工程属于Ⅱ型提灌工程，位于甘肃省，整体扬程、流量均较大，运行梯级也较高。该工程的建设使用使整个灌溉区域改变了原有的沙丘荒芜灌溉环境，给灌溉区的人们带来了一定的生活保障。景电二期工程平田整地、渠系配套、植树造林等10多项田间工程获得了联合国世界粮食计划署援助，工程建设质量和效益得到了世界粮食计划署和国家多部委的充分肯定。除此之外，景电工程相关人员在建管过程中总结形成了一整套高扬程电力提灌工程运行管理制度，工程效益明显提升，水资源利用率排在全国前列；制造并使用直径达1.4 m的砼预应力管，实现高扬程电力提灌泵站远程开停机控制；成功在西北高寒地区运用碎砂石换填施工技术增加冻深，解决渠道冻胀难题；使用了北方多泥沙明渠一体化远程智能闸门测控量水设备，实现灌区水资源高效管理和节水灌溉，优化水资源配置。

为提高景泰川提灌工程的灌溉性能，相关部门近几年进行了小规模的支渠、干渠改造，加大了灌溉水量调节力度。景泰川提灌工程分不同的工期，二期工程于1994年竣工，平均提水高度约460 m，灌溉总面积也达到了34 700 hm。二期工程始于左岸二泵站，跨越大沙河，途径六泵站、七泵站，进入灌区。该灌区共涵盖若干条渠道，修建了若干个泵站。景泰川提灌工程渠道的主要参数如表1所示。

表1 景泰川提灌工程渠道参数

由表1可知，该提灌工程共含5个干渠，存在不同规格的石渠断面。为了提高灌溉有效性，规划了4种不同类型的过水断面，如图4所示。

图4 过水断面类型

由图4可知，不同石渠的断面面积不同。由于景泰川提灌工程处于黄土高原向沙漠高原的过渡地带，气温干旱，日照时间较长，因而，其温差也较大，平均降雨量小，冻土深度较深。为了提高灌溉水量调节试验的有效性，试验进行了特征断面选取，在78个基础特征断面中提取与灌溉调节试验最拟合的灌溉断面，并将该断面划分成不同的灌溉区域进行灌溉编号。选取的灌溉水量调节区域及其面积如表2所示。

表2 灌溉面积

由表2可知，划分的灌溉面积存在一定的差异，符合试验的需求，可以作为后续应用效果评估的基础。

2.2 应用效果与讨论

结合景泰川提灌工程的灌溉概况，在划分的10个不同的灌溉区域分别使用设计的农业灌溉水量调节技术和常规的农业灌溉水量调节技术进行灌溉水量调节，记录两种方法在不同灌溉区域的灌溉耗水总量，结果如表3所示。

表3 两种农业灌溉水量调节技术灌溉耗水总量

由表3可知，笔者设计的农业灌溉水量调节技术在不同灌溉区域的灌溉耗水总量较低，而常规的农业灌溉水量调节技术灌溉耗水总量则较高，证明设计的农业灌溉水量调节技术的灌溉效果好，符合绿色可持续发展要求，有一定的应用价值。

3 结语

农业是我国的基础产业，农业灌溉效果直接影响粮食总产值，对我国的经济发展也有重要意义。随着我国人均水资源占有量的降低，常规的农业灌溉水量调节技术已经逐渐无法满足可持续发展需要，灌溉耗水总量较高。因此，笔者结合农业灌溉现状设计了一种新的农业灌溉水量调节技术，并进行实证分析。结果表明，采用笔者设计的农业灌溉水量调节技术，不同区域调节后的灌溉总耗水量均较低，证明其调节效果较好，有一定的应用价值，可满足农业绿色可持续发展要求。