2.2　灌区灌溉水有效利用系数首尾测算分析方法

2.2.1　基本原理

灌区灌溉水有效利用系数的定义为：某时段内灌区田间净灌溉用水量与灌溉系统从水源取用的毛灌溉用水量的比值。“首尾测算分析法”是从灌溉水有效利用系数的定义出发，通过测量、统计获取毛灌溉用水量和田间净灌溉用水量两个基础数据，计算其比值，即得到灌区的灌溉水有效利用系数。计算公式如下：

式中　ηw——灌区灌溉水有效利用系数；

Wj——灌区净灌溉用水量，m3；

Wa——灌区毛灌溉用水量，m3。

式（2.1）中的净灌溉用水量可以通过亩均综合净灌溉用水量乘以实灌面积获得，则灌溉水有效利用系数按式（2.2）计算，灌区亩均综合净灌溉用水量M综按式（2.3）计算：

式中　Mi——灌区第i种作物亩均净灌溉用水量，m3/亩；

Ai——灌区第i种作物实灌面积，亩；

N——灌区作物种类总数；

A——灌区实际灌溉面积，，亩。

理论上，根据式（2.2）可以分析计算一个灌溉季节或任何一个时段的灌区灌溉水有效利用系数。从宏观分析灌区灌溉水有效利用系数角度来说，一般取日历年为测算分析时段，分析灌区某年的灌溉水有效利用系数平均情况。

评价分析灌区灌溉水有效利用系数时，“首尾测算分析法”不但具有可靠的理论基础，而且操作相对简便，准确性有保障，适应目前我国灌区宏观管理的实际情况，便于测算统计分析。该方法绕开测定渠系水利用系数和田间水利用系数两个环节，既减少了测定工作量和不确定因素，又弥补了传统测量方法的不足，满足宏观管理与决策需要。

2.2.2　毛灌溉用水量确定

灌区毛灌溉用水量Wa指灌区全年从水源取用的且仅仅用于农田灌溉的水量。当灌区供水用途单一，且水源相对集中、供水情况简单时，灌区毛灌溉用水量根据水源供水量测资料统计汇总即可。

对于灌区多水源、多用途供水等一些特殊情况，还应视情况具体量测分析灌区毛灌溉用水量。几种常见情况处理如下：

（1）灌区向多用户供水情况。灌区除向农业灌溉供水外，还向其他用户供水（包括工业、生活、生态、渔业、畜牧等），并且共用取水口和输水渠道，此时需从灌区全年取用总水量中扣减上述非灌溉用水量，如果从渠首取水口至非灌溉取水口间有输水渗漏等损失，则非灌溉用水户也应分摊相应的损失量，即非灌溉用水量应将分水点的水量，考虑分摊损失水量，并从分水点反推到渠首。

对于土地属性没有改变，临时种植果林的耕地，其灌溉用水量也应计入灌区耕地（农田）灌溉用水量中，将该部分水量计入灌区毛灌溉用水量中；同时，该部分耕地的净灌溉用水量也应计入灌区净灌溉用水量中一并考虑。

（2）有塘坝或其他水源联合供水的灌区。灌区内如有蓄积降水径流的塘（堰）坝水量用于灌溉，应计入灌区毛灌溉用水量。如果塘坝作为调蓄设施其蓄水由灌区渠系供给，当年又被用于灌溉的水量，不应与灌区毛灌溉用水量重复计算；如果是跨年度使用的水量，应反推到渠首，并从当年灌区取水量中扣除，计入下一年的毛灌溉用水量。

（3）渠系纳蓄雨水用于灌溉情况。当有降水径流纳蓄到渠道时，应进行渠系纳蓄雨水量测量与统计。如不具备量测条件，则应进行降水径流分析，将进入渠系并用于灌溉的水量计入年毛灌溉用水量中。

2.2.3　净灌溉用水量确定

净灌溉用水量是指灌入田间能被作物有效利用的水量。

净灌溉用水量原则上应通过田间观测分析获得。在不具备条件的地方，可以利用水文气象、灌溉试验等资料分析计算获得，但其结果精度将受到影响。如果灌区范围较大，区域内灌溉用水情况、土壤质地、灌水技术、灌水习惯等差异明显，则应在灌区内分区域进行净灌溉用水量分析测算，再以分区结果为依据汇总分析整个灌区的净灌溉用水量。测算分析灌区田间净灌水量时，需在灌区内分区域选取典型田块，首先测算分析典型田块年亩均净灌溉用水量，进而分析计算分区和整个灌区年净灌溉用水量。

2.2.3.1　典型田块选择

目前，我国绝大多数地区农业生产仍以家庭耕作为主体，集约化生产水平较低，因此，一个灌区的种植结构和灌溉情况，除受灌区土壤类型、地下水条件、农业气象特征、灌溉条件等因素的影响外，还受到农业生产者的种植和耕作（包括灌溉）习惯的影响。因此，在选取典型田块时，特别是在大型、中型灌区，宜首先对灌区有效灌溉面积进行合理分区，然后再在不同分区内选择典型田块。分区的具体数量，可根据灌区规模、差异程度确定。对于小型灌区、纯井灌区可根据灌区规模、差异变化情况来确定是否分区。一般来说，小型灌区和纯井灌区由于规模小，差异不大，可不分区。对于每个分区，按照分区内种植结构、耕作和灌溉习惯、田间平整度、土壤类型等因素，选择不少于3个典型田块，且年际间应相对固定。

典型田块应边界清楚、形状规则、面积适中；同时综合考虑作物种类、灌溉方式、畦田规格、地形、土地平整程度、土壤类型、灌溉制度与方法、地下水埋深等方面的代表性。典型田块应有固定的进水口和排水口，并配备量水设施。

2.2.3.2　典型田块亩均净灌溉用水量

为合理确定和复核灌区实际灌溉情况、田间净灌溉用水量等，原则上对每个分区的典型田块进行田间灌水次数、灌水方式与习惯等详细调查，然后进行田间灌溉用水量量（观）测。

典型田块亩均净灌溉用水量可采用直接量测法和观测分析法，如图2.1所示。

1.直接量测法

直接量测法是在每次灌水前后按SL 13—2015《灌溉试验规范》有关规定，观测典型田块内不同作物年内相应生育期内土壤计划湿润层的土壤含水量（或田间水层）变化，进而计算典型田块该次灌水的亩均净灌溉用水量。

（1）旱作灌溉。根据典型田块灌溉前后土壤计划湿润层土壤含水率的变化确定某次亩均净灌溉用水量，计算公式如下：

式中　w田净i——典型田块某次亩均净灌溉用水量，m3/亩；

H——灌水期内典型田块土壤计划湿润层深度，mm；

γ——典型田块H土层内土壤干容重，g/cm3；

γ水——水的容重，g/cm3，一般可取1.0g/cm3；

θg1——某次灌水前典型田块H土层内土壤质量含水率，%；

θg2——某次灌水后典型田块H土层内土壤质量含水率，%。

或

式中　θv1——某次灌水前典型田块H土层内土壤体积含水率，%；

θv2——某次灌水后典型田块H土层内土壤体积含水率，%；

其他符号意义同前。

（2）水稻灌溉。

1）淹水灌溉。根据典型田块灌溉前后田面水深变化来确定某次亩均净灌溉用水量，计算公式如下：

式中　h1——某次灌水前典型田块田面水深，mm；

h2——某次灌水后典型田块田面水深，mm；

其他符号意义同前。

2）湿润灌溉。根据典型田块灌溉前后田间土壤计划湿润层土壤含水率变化来确定某次亩均净灌溉用水量，计算公式同式（2.4）。

当水稻采用节水型灌溉模式（如灌溉时田间不形成水层）时，严格按照需水量进行灌溉，其灌入田间的水量即可作为田间净灌溉用水量。

如水稻包括育秧环节，还应将育秧期灌水的净灌溉用水量按秧田与本田的面积比例折算到本田亩均净灌溉用水量，计入水稻年内生育期亩均净灌溉用水量。

（3）典型田块年亩均净灌溉用水量。在各次亩均净灌溉用水量w田净i的基础上，推算该作物年亩均净灌溉用水量w田净，即

式中　w田净——某典型田块某作物年亩均净灌溉用水量，m3/亩；

n——典型田块年内灌水次数，次；

其他符号意义同前。

2.观测分析法

观测分析法需观测实际进入典型田块年亩均灌溉用水量，再根据当年气象资料、作物种类等情况，依据水量平衡原理计算典型田块当年的净灌溉定额。然后，对两者比较进行判断，得出典型田块年亩均净灌溉用水量。

（1）典型田块年亩均灌溉用水量w田的观测。

1）渠道输水。在典型田块进水口设置量水设施，观测某次灌水进入典型田块的水量W田进i。在有排水的典型田块，同时在田块排水口设置量水设施并观测排水量W田排i，再根据典型田块灌溉面积A田，推算典型田块某作物种类年亩均灌溉用水量w田，计算公式如下：

式中　w田——典型田块年亩均灌溉用水量，m3/亩；

W田进i——年内第i次灌水进入典型田块的水量，m3；

W田排i——年内第i次灌水排出典型田块的水量（不包括因管理不当造成的退水量），m3；

A田——典型田块的灌溉面积，亩。

具体方法参见GB/T 21303—2007《灌溉渠道系统量水规范》。

2）管道输水。在管道出水口处安装计量设备，计量每次进入典型田块的水量W田进i。在有排水的典型田块，同时在田块排水口设置量水设施量测排水量W田排i，再根据典型田块灌溉面积A田，推算典型田块某作物种类年亩均灌溉用水量w田，计算公式同式（2.8）。

3）喷灌。在控制典型田块的喷灌系统管道上加装水量计量设备，计量喷头的出水量W出i。

然后，将不同灌水次数的灌溉用水量W出i相加，乘以喷洒系数η喷洒，再除以典型田块灌溉面积A田，从而得到该典型田块中作物全生育期的亩均净灌溉用水量w田，计算公式为

式中　η喷洒——喷洒水利用系数，应考虑灌溉期间典型田块处的喷头类型、风力、温度等条件，并参考有关试验研究成果或资料确定；

W出i——年内控制典型田块支管第i次灌水的出水量，m3；

其他符号意义同前。

4）微灌。对于滴灌、小管出流等灌溉类型，可在控制典型田块的支管安装计量设备，计量典型田块某次灌溉用水量W田i，再根据典型田块灌溉面积A田，推算典型田块某作物种类年亩均灌溉用水量w田，计算公式同式（2.8）。微喷可参考喷灌进行计算。

（2）典型田块净灌溉定额计算。

1）旱作物净灌溉定额。旱作物净灌溉定额计算公式为

式中　M旱作——某种作物净灌溉定额，m3/亩；

ETc——某种作物的蒸发蒸腾量，mm；

Pe——某种作物生育期内的有效降水量，mm；

Ge——某种作物生育期内地下水利用量，mm；

H——土壤计划湿润层深度（需要确定作物不同生育期的土壤计划湿润层深度），mm；

θv0——某种作物生育期开始时土壤体积含水率，%；

θvs——某种作物生育期结束时土壤体积含水率，%。

如按土壤质量含水率计算，则

式中　θg0——某种作物生育期开始时土壤质量含水率，%；

θgs——某种作物生育期结束时土壤质量含水率，%。

2）水稻净灌溉定额。水稻灌溉定额包括秧田定额、泡田定额和生育期定额3部分。

a.秧田定额计算公式如下：

式中　M水稻1——水稻育秧期净灌溉定额，m3/亩；

a——秧田面积与本田面积比值，可根据当地实际经验确定；

ETc1——水稻育秧期蒸发蒸腾量，mm；

H1——水稻秧田犁地深度，m；

θv1——播种时H1深度内土壤体积含水率，%；

θvb1——H1深度内土壤饱和体积含水率，%；

F1——水稻育秧期田间渗漏量，mm；

P1——水稻育秧期有效降水量，mm。

b.泡田定额计算公式如下：

式中　M水稻2——水稻泡田期净灌溉定额，m3/亩；

ETc2——水稻泡田期蒸发蒸腾量，mm；

H2——水稻稻田犁地深度，m；

θv2——秧苗移栽时H2深度内土壤体积含水率，%；

θvb2——秧苗移栽时H2深度内土壤饱和体积含水率，%；

h0——秧苗移栽时稻田所需水层深度，mm；

F2——水稻泡田期田间渗漏量，mm；

P2——水稻泡田期有效降水量，mm。

c.淹灌水稻生育期净灌溉定额计算公式如下：

式中　M水稻3——水稻生育期净灌溉定额，m3/亩；

ETc3——水稻生育期蒸发蒸腾量，mm；

P3——水稻生育期有效降水量，mm；

F3——水稻生育期田间渗漏量，mm；

hc——秧苗移栽时田面水深，mm；

hs——水稻收割时田面水深，mm。

因此，淹水灌溉水稻净灌溉定额为

式中　M水稻——水稻净灌溉定额，m3/亩；

其他符号意义同前。

计算方法详见GB 50288—1999《灌溉与排水工程设计规范》。

另外，对于湿润灌溉（无水层）的水稻，可采用旱作物净灌溉定额的计算方法计算其净灌溉定额。淹水和湿润交替灌溉采用的水稻则可分别采用淹水灌溉水稻和旱作物净灌溉定额的计算方法分段计算确定后相加，得出生育期的净灌溉定额M水稻3。已经推广采用水稻节水灌溉模式的区域，可以直接采用水稻节水灌溉模式设计的亩均净灌溉定额。在有灌溉试验成果的地区，可引用节水灌溉模式试验中所测得的节水灌溉定额作为净灌溉定额。

（3）典型田块年亩均净灌溉用水量确定。在获得典型田块的净灌溉定额M（M旱作或M水稻）和年亩均灌溉用水量w田后，将两者进行比较。当kw田≥M时，为充分灌溉，w田净＝M；当kw田＜M时，为非充分灌溉，w田净＝kw田。其中，k为折减系数，对于旱作物，k可取0.90；对于水稻，k可取0.90～0.95。

尚不具备直接量测和观测条件的小型灌区和纯井灌区，可通过收集与典型田块种植作物和灌溉方式相同的当地（或临近地区）灌溉试验站灌溉试验结果，或者灌区规划、可行性研究报告等资料中不同水平年的净灌溉定额，结合当地灌溉经验拟定复核当年降水年型的灌溉制度（灌水次数、灌水定额、灌溉定额等）。在此基础上对典型田块进行实地调查，了解当年的实际灌水次数和每次灌水量，通过与灌溉制度比较，分析典型田块灌溉用水情况，并参考前述方法确定典型田块年亩均净灌溉用水量。

对于实灌面积占总实灌面积10%及以下的作物种类，可以上述测算分析得出的相近作物亩均净灌溉用水量为依据估算。

2.2.3.3　灌区年净灌溉用水量测算

根据2.2.3.2节中观测与分析得出的第i种作物典型田块的年亩均净灌溉用水量w田净l，计算某灌区同区域或同种灌溉类型第i种作物的年净灌溉用水量，计算公式如下：

式中　wi——灌区同分区内（或同灌溉类型）第i种作物的亩均净灌溉用水量，m3/亩；

w田净l——灌区同分区内（或同灌溉类型）第i种作物第l个典型田块亩均净灌溉用水量，m3/亩；

N——灌区同分区内（或同灌溉类型）第i种作物典型田块数量，个。

再根据灌区内不同分区（或灌溉类型）不同作物种类灌溉面积，结合不同作物在不同分区（或灌溉类型）的年亩均净灌溉用水量，计算得出灌区年净灌溉用水总量W样净，计算方法如下：

（1）大型、中型、小型灌区（不包括纯井灌区，下同）年净灌溉用水量。计算公式如下：

式中　W净——灌区年净灌溉用水总量，m3；

wij——灌区第j个分区内第i种作物亩均净灌溉用水量，m3/亩；

Aij——灌区第j个分区内第i种作物灌溉面积，亩；

m——灌区第j个分区内的作物种类，种；

n——灌区分区数量，个（大型灌区n≥3，中型灌区n≥2，小型灌区n≥1）。

（2）纯井样点灌区年净灌溉用水总量。计算公式如下：

式中　W净——灌区年净灌溉用水总量，m3；

wik——灌区第k种灌溉类型第i种作物亩均净灌溉用水量，m3/亩；

Aik——灌区第k种灌溉类型第i种作物灌溉面积，亩；

m——灌区第k种灌溉类型作物种类数量，种；

p——灌区灌溉类型数量，p＝1～5（纯井灌区分土质渠道地面灌、防渗渠道地面灌、管道输水地面灌、喷灌、微灌等5种灌溉类型）。

2.2.3.4　作物套种情况净灌溉用水量

在许多灌区，往往采用两种或多种作物间作套种，如玉米与大豆、棉花与大豆、小麦与玉米等。

套种期间：在灌溉实践中，一般以满足主体作物的需水为主，其净灌溉用水量可根据主体作物种植情况按前述方法确定；实灌面积以套种作物实灌面积计。

非套种期间：按照单种作物的实际情况按前述方法确定净灌溉用水量。

2.2.4　特殊情况灌溉水有效利用系数计算

（1）淋洗盐碱用水情况。对于有淋洗盐碱要求的灌区，所需的田间净淋洗盐碱水量应为田间净灌溉水量的一部分。净淋洗盐碱灌溉定额通过灌区试验资料或生产经验科学合理地确定。

此时，灌溉水有效利用系数应按式（2.18）修正：

式中　Lx——洗碱净定额，m3/亩；

Ax——洗碱面积，亩；

其他符号意义同前。

（2）井渠结合灌溉情况。对于采用地表水与地下水互补的“井渠结合”灌区，可分别观测记录井灌提水量和渠灌引水量，以两者之和作为灌区总的灌溉用水量。此时，灌溉水有效利用系数则按式（2.19）计算：

式中　W渠毛——灌区渠灌年毛灌溉用水量，m3；

W井毛——灌区井灌年毛灌溉用水量，m3；

其他符号意义同前。

有些渠灌区中虽包含有井灌面积，但两者相对独立，这种情况下井灌和渠灌应作为两种类型分别单独计算。