任東陽，徐 旭，黃冠華

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河套灌區(qū)典型灌排單元農(nóng)田耗水機制研究

任東陽，徐 旭※，黃冠華

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學中國農(nóng)業(yè)水問題研究中心，北京 100083；2. 中國－以色列國際農(nóng)業(yè)研究培訓中心，北京 100083）

由于耕荒地交錯分布、作物插花種植、地下水埋深淺等特點，河套灌區(qū)灌溉水利用情況極為復雜。該研究以灌區(qū)典型灌排單元（農(nóng)渠尺度）為研究對象，基于2 a野外試驗觀測數(shù)據(jù)，對整個觀測區(qū)及其內(nèi)部的不同作物田塊分別建立水平衡方程，推求研究區(qū)平均給水度和不同作物田塊騰發(fā)量，繼而對研究區(qū)灌溉水利用狀況及鹽分歸趨進行了評價分析。結果表明，研究區(qū)給水度為0.062，而僅考慮地下水位變動帶的給水度為0.037；該研究提出的經(jīng)驗方法“上升下降法”可以較好地估算不同作物田塊的騰發(fā)量；2 a中農(nóng)毛渠系統(tǒng)輸水損失水量（包括滲漏和蒸發(fā)）約占引水量的18%，灌到田間的水量占76%，直接退走的水量占6%；通過不同土地類型間地下水的橫向交換，農(nóng)田不但全部利用了田間灌溉水量，還通過地下水側(cè)向流入的方式利用了約12%的渠道滲漏量，荒地利用了約65%的渠道滲漏量，排溝排走了23%；最終研究區(qū)農(nóng)田騰發(fā)消耗了總引水量的78%，積累了總引入鹽分的39%，荒地騰發(fā)消耗了總引水量的11%，承納了總引入鹽分的40%。研究結果可為灌區(qū)水鹽管理提供依據(jù)。

騰發(fā)量；鹽分；地下水；灌排單元；水量平衡模型；給水度

0 引 言

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是黃河上游地區(qū)的特大型灌區(qū)[1-2]。由于地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，多年平均降雨量和蒸發(fā)量（20 cm蒸發(fā)皿）分別為160和2 240 mm[3]，引黃灌溉是該地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必要條件。灌區(qū)地形平緩，地下水水力梯度?。s0.10‰～0.25‰），地下徑流條件較差；地下水運動主要以垂直交替為主，是典型的灌溉入滲-蒸發(fā)型。長期的大量引黃灌溉造成灌區(qū)地下水埋深較淺，主要在 0.5～3.0 m之間變化[4]。河套灌區(qū)光熱資源充沛，農(nóng)作物產(chǎn)量品質(zhì)高且作物種類繁多，主要種植玉米、向日葵、小麥、瓜菜等[5]。由于自然環(huán)境和土地制度的復雜性，耕荒交錯與插花種植結構在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在，作物分布較為破碎散亂。不同作物因生長特性不同，灌溉制度也差別很大，造成在1次灌溉事件中，灌溉田塊與鄰近未灌溉田塊間劇烈的地下水橫向交換[6]；同時，灌區(qū)內(nèi)農(nóng)田與荒地也具有較為密切的水力聯(lián)系（荒地實際上多生長有各種類型的耐鹽天然植被，本文沿襲傳統(tǒng)仍稱之為“荒地”）[7-8]。區(qū)域尺度上，由于水力梯度較小，地下水橫向交換可忽略不計，因此水平衡計算簡便易行，已經(jīng)有多個成功案例[9-12]。然而，針對田塊尺度的水平衡卻因為地下水橫向交換量不清楚而很難實行。同時，灌溉水及其攜帶的鹽分在灌溉系統(tǒng)中的遷移累積規(guī)律尚不明確。針對這些問題，本文擬基于河套灌區(qū)典型灌排單元的詳細田間觀測數(shù)據(jù)，提出可用于簡便高效估算各植被地塊實際騰發(fā)量的“上升下降法”，并對地下水淺埋區(qū)的給水度進行計算探討，進而構建總體水平衡模型以實現(xiàn)對河套灌區(qū)灌溉水復雜耗散路徑及鹽分累積規(guī)律的合理解析。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

羊場渠研究區(qū)（Yangchang canal，YCA）位于河套灌區(qū)解放閘灌域內(nèi)，面積約19.36 hm2，主要為農(nóng)田和荒地2種土地利用類型，包含農(nóng)渠（羊場渠）、毛渠兩級渠系。研究區(qū)地形平緩，水準儀測量結果顯示，農(nóng)田最大地面高差約20 cm，農(nóng)田平均比荒地高約30 cm，年平均地下水埋深約為1.3 m。研究區(qū)有1個進水口，1個排水口，北側(cè)為羊場渠，東、西、南3側(cè)均為排溝（圖1）。由于排溝較淺（約0.6 m），加之管理不善，壅堵嚴重，排水作用微弱。對整個研究區(qū)而言，在灌溉期，隨著地下水位的逐漸抬升，地下水橫向運移頻繁，但排溝切斷了與外界的水力聯(lián)系，并可起到一定的排水作用；灌溉結束后，排溝水位與地下水位達到平衡狀態(tài)，排水作用消失，排溝內(nèi)基本無排水。灌溉降雨引入的水量除在灌溉期排出一部分外，其余全部在研究區(qū)內(nèi)部消耗，因此可認為YCA是一個相對封閉的研究區(qū)。研究區(qū)主要作物為玉米、向日葵和瓜菜（表1），約占土地總面積的70%，另外還夾雜種植著一些小麥。2012年和2013年各土地類型的面積統(tǒng)計如表1所示。研究區(qū)路溝渠交錯分布，其西南部分布有2片天然荒地，主要生長有檉柳等耐鹽植被。各作物及天然植被的生長季也各不相同，小麥為4月初到7月中旬，玉米、檉柳一般從5月初到9月末，向日葵5月末到9月末，瓜菜類一般6月初到8月末。研究區(qū)在作物生長季（4—9月）一般經(jīng)歷5次灌水：第1水一般在5月初，主要灌溉小麥，并作為向日葵及瓜菜類作物的播前水；第2水在5月下旬，只灌小麥；第3水在6月下旬，灌玉米、向日葵和小麥；第4水和第5水分別在7月中旬及8月中旬，主要灌溉玉米和向日葵。近年來雖然小麥種植面積大幅度下降，但原有的灌溉制度依然未變，造成第2次專門針對小麥的灌水十分短暫。瓜菜類作物由于耐旱不耐澇，且地面灌溉容易造成瓜果腐敗，因此除了在播前進行了1次水量很大的漫灌外，整個生育期內(nèi)不灌溉。同時天然荒地在整個生長季內(nèi)也無灌溉。

注：A、B、C、D為4個典型土壤剖面與地下水觀測位置，箭頭方向指排溝或渠系的水流方向。

表1 研究區(qū)不同土地利用類型面積及比例

1.2 試驗布置及數(shù)據(jù)采集

田間試驗于2012年和2013年的4—9月開展。在研究區(qū)布置15個定位監(jiān)測點（圖1），覆蓋其中主要農(nóng)作物及天然荒地。在2012年，玉米有4個觀測點，向日葵有6個觀測點，西瓜有2個觀測點，荒地有2個觀測點；2013年，玉米有4個觀測點，向日葵有4個觀測點，西瓜有4個觀測點，荒地有2個觀測點（圖1）。每10 d監(jiān)測其土壤水分（圖2）、鹽分指標，并于灌溉前后加測。其中，土壤含水率采用烘干法測定，取樣深度依次為0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm和80～100 cm；土壤含鹽量通過測定土水比為1:5（質(zhì)量比例）的土壤浸提液電導率（電導率儀DDS-307A，上海佑科儀器公司）并根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗公式[13]確定，取樣深度同土壤水分。試驗開始前，對研究區(qū)典型點（A、B、C、D）（圖1）0～300 cm土層進行土壤容重、飽和含水率、飽和導水率的剖面觀測，并采用馬爾文激光粒度儀（Master-sizer 2000，英國Malvern公司）測定各監(jiān)測點土壤粒徑級配狀況。根據(jù)調(diào)查結果，研究區(qū)0～300 cm土壤大致可分為4層，按照美國制土壤質(zhì)地分類全部為粉砂壤土，不同地塊間土壤質(zhì)地十分相似，4個典型觀測點的基本物理性質(zhì)見表2。研究區(qū)內(nèi)布有6眼地下水位觀測井，每1～3 d監(jiān)測1次，同時有壓力傳感器進行逐小時的連續(xù)觀測，典型觀測井水位狀況如圖3所示，結果顯示研究區(qū)不同地塊水位波動基本一致，埋深差異更多的是由于地表高程的微小差異造成的。灌溉期，在觀測區(qū)農(nóng)渠入口及4個毛渠口設置流量觀測點，用轉(zhuǎn)子流速儀（LS1206B，江蘇南水科技有限公司）每30 min監(jiān)測進入研究區(qū)的水量。在農(nóng)溝出口監(jiān)測退排水量。同時對典型作物田塊采用梯形流量堰進行灌水量監(jiān)測[6]。降雨量采用自計式雨量筒觀測，輻射、氣溫、風速、濕度等逐日氣象資料從國家氣象信息中心下載。2 a的氣象數(shù)據(jù)如圖4所示，其中2012年為豐水年，2013年為枯水年。

圖2 不同作物田塊0～100 cm土層平均含水率動態(tài)變化

注：A、B、C、D為圖1中4個典型地下水觀測點。

表2 研究區(qū)典型樣點土壤物理特性

圖4 2012年和2013年的降水量與ET0

1.3 水平衡分析

1.3.1 研究區(qū)總體水平衡

以冠層頂部為上邊界，含水層底板為下邊界，對整個研究區(qū)建立總體水平衡方程。由于區(qū)域地下水水力梯度小，側(cè)向徑流穩(wěn)定，加之羊場渠周邊被排溝包圍，認為與外界無水量交換。水平衡計算時段內(nèi)的各要素包括地表騰發(fā)量（土壤蒸發(fā)和植被蒸騰）、引水量、排水量、降雨量、土壤非飽和帶和地下水儲水量的變化量。最終對于某一時段的總體水平衡方程如下：

式中ET為區(qū)域地表騰發(fā)量（L）；為降雨量（L）；為引水灌溉量（L）；為排溝排水量（L）；Δ為時段內(nèi)土壤非飽和帶及地下儲水量的增量（負值代表儲水量減?。↙）。其中，、和由試驗觀測值確定，且均可采用自動觀測儀器方便測量，但Δ和ET的確定則具有一定的難度。

Δ分別由2部分組成：1）過渡帶（即包氣帶與飽和帶交替變化部分）儲水量的變化；2）包氣帶（非飽和帶）土壤含水率的變化。Δ計算公式如下：

式中g,s和g分別為某一時段內(nèi)初末地下水位間土壤剖面的飽和含水率和實際含水率（L3/L3）；Δ為地下水位的增量（L）；Δ為非飽和帶（水位變動區(qū)以上）土壤含水率的增量（L3/L3）；為非飽和區(qū)厚度（L）；y'為地下水位下降單位水頭時，水位變動區(qū)（過渡帶）的單位面積土柱在重力作用下所釋放出的水量（–），此處稱為變動帶給水度（y'）。y'這一概念在總體水平衡計算中被廣泛使用[14-15]，采用y'計算Δ時需另外單獨計算包氣帶的水分變化，適用于包氣帶有含水率觀測值的情況。在地下水埋深較淺地區(qū)，由于包氣帶水分變化（Δ）與地下水位波動密切相關，因此Δ的計算可不單獨考慮包氣帶含水率變化，而采用一個統(tǒng)一的給水度（y）概念：地下水位下降單位水頭時，從地下水位延伸到地面的單位面積土柱在重力作用下所釋放出的水的體積（–）[16]。這樣y包含了水位變化對包氣帶含水率的影響，不需要對包氣帶含水率進行單獨觀測，操作簡單。顯然y'與y并不相等，通常所說的給水度都是指y，如果把y的推薦值誤用作y'，就會造成包氣帶含水率變化的重復計算。為了避免給水度概念的誤用和混用，本文將利用特定時段的觀測數(shù)據(jù)，并應用方程（1）、（2）和（3）對變動帶給水度（y'）和給水度（y）分別進行計算討論。上述各項均指研究區(qū)的空間平均值。當研究時段內(nèi)的、、和Δ都已獲得時，可通過方程（1）計算研究區(qū)的總體騰發(fā)量。同時，為進一步明確各作物騰發(fā)量，本文針對河套灌區(qū)的特點，提出可簡便計算各植被地塊實際騰發(fā)量（ETa）的可靠方法，后續(xù)將作詳細描述。

1.3.2 研究區(qū)給水度計算

給水度的確定是保證水平衡計算準確性的關鍵。目前常用的研究方法有[17-18]：1）通過土壤水分特征曲線確定給水度[19-21]；2）通過土柱試驗確定給水度[22]；3）利用布爾頓(Boulton)公式，根據(jù)抽水試驗資料確定參數(shù)[23]；4）根據(jù)無出流條件下地下水動態(tài)和水面蒸發(fā)資料確定給水度[24]。鑒于本研究有豐富的野外觀測資料，本文將水平衡方程（式（1）～式（3））應用于一特殊時段，即地下水位上升階段（灌溉期），通過計算出該時段內(nèi)的各水平衡要素以反推出未知項Δ進一步推求y'和y。選擇數(shù)據(jù)資料完整并且地下水位抬升明顯的2012年第1、4次灌水及2013年第1、3、4、5次灌水過程進行計算。由于灌溉期時間較短且作物普遍剛灌過水，基本不受水鹽脅迫，可認為蒸散發(fā)接近標準狀態(tài)，故可直接利用作物系數(shù)法確定各植被地塊的實際騰發(fā)量ETa；進一步通過研究區(qū)內(nèi)部不同植被類型地塊的ETa按照面積權重加權求和獲得整個研究區(qū)ET。同時，引水量、排水量根據(jù)流量觀測值確定。灌前與灌后水位及含水率也由實測值確定。研究區(qū)地下水埋深較淺，灌溉期間埋深均減小到了1 m以內(nèi)，甚至不足30 cm。鑒于試驗區(qū)土壤含水率觀測深度為1 m，為了充分利用觀測數(shù)據(jù)，在計算y'時，包氣帶含水率變化直接通過0～1 m土層的觀測含水率變化確定，水位抬升量只考慮1 m以下的部分。基于上述各項的確定，即可代入方程（1）、（2）和（3）反推求出Δ、y'和y。

1.3.3 不同植被地塊ETa的計算

研究區(qū)耕荒交錯與插花種植結構、多樣的灌溉制度及淺埋深地下水位，造成局部地塊間的水文過程呈現(xiàn)一定的復雜性。在一次灌水過程中，灌溉田塊的地下水位往往會迅速抬升1 m以上，甚至接近地表。而此時鄰近未灌溉田塊地下水位還相對很低，在較大的水力梯度驅(qū)動下，灌溉地地下水開始向周邊未灌溉農(nóng)田及荒地作側(cè)向運動。同時，渠系滲漏也加劇了地下水位的抬升。最終，未灌溉地塊的地下水位迅速抬升至與灌溉田塊一致（圖3）。因此，在灌溉期間不同地塊間地下水橫向運移劇烈，該橫向交換量不可忽略且難于確定。在這種情況下，很難通過水平衡方程根據(jù)余項法求得田塊尺度的ETa。同時注意到，灌溉期（地下水位上升期）往往時間不長，且作物普遍剛灌過水或者在地下水位上升作用下根層水分得到了有效補充，因此根系吸水基本不受脅迫。而在非灌溉期，整個研究區(qū)地下水位幾乎同步下降，各田塊間地下水交換與排水作用均十分微弱，二者可忽略不計。因此，為了計算不同植被地塊的騰發(fā)量，可將整個研究時段劃分為地下水位上升期和下降期，對于上升期采用作物系數(shù)法計算：

式中c為無水鹽脅迫、耕作和水管理條件良好下的作物系數(shù)（–），可參考FAO56[25]和河套地區(qū)作物系數(shù)[26-27]獲得；ET0為參考作物騰發(fā)量（L），可由氣象數(shù)據(jù)通過Penman- Monteith方程計算[25]。對于下降期可直接套用總體水平衡方程（式（1））的形式計算。由于地下水位下降期（非灌溉期）引水量為0，同時排溝排水也可忽略不計，各地塊水平衡方程可簡化為：

式中ΔH為相應地塊的地下水位增量（L）。

本文將上述估算河套灌區(qū)田塊尺度騰發(fā)量的計算方法稱為“上升下降法”。該方法相對簡單易行，即在已知給水度的情況下，僅需獲得氣象條件和地下水位的波動狀況便可較為準確地進行各地塊ETa的估算。但需要注意的是，該方法是基于河套灌區(qū)降雨稀少（降雨不足以引起地下水位抬升）、大水漫灌、地下水埋深較淺且對灌溉響應敏感、排溝排水作用微弱的特點提出的，在其他地區(qū)的應用還有待進一步論證。

2 結果與分析

2.1 給水度

根據(jù)羊場渠多次灌水事件的引排水量、灌溉前后的土壤含水率增量和水位增量、灌溉期降雨量和騰發(fā)量，采用水平衡方程（式（1）～式（3）），反推研究區(qū)平均給水度，計算結果如表3所示。結果表明，變動帶給水度（y'）為0.037，給水度（y）為0.062，二者相差較大。張蔚榛等[17]總結的粉砂壤土給水度約在0.04～0.06之間；河套灌區(qū)的眾多水平衡研究中，給水度的取值范圍在0.03～0.07之間[4,14,28-29]，總體來說取值隨意性較大。根據(jù)本研究，在計算土壤和地下水儲水量變化（Δ）時要根據(jù)計算方法選擇相應的給水度值，對單獨考慮包氣帶含水率變化情況下（式（2）），需要選用較小的y'值，否則會造成包氣帶水分的重復考慮；對統(tǒng)一計算土壤和地下儲水量變化時（式（3）），需要選用給水度y的值，否則會遺漏包氣帶水分?？傊?，不管采用哪種給水度概念，一定要保證原理的合理。

本研究測算給水度的方法適用于地下水埋深較淺，地下水位對灌溉或者降雨響應較快的地區(qū)。該方法意義明確，測算簡單，尤其在灌區(qū)可以利用灌溉便利多次重復計算。但是需要選擇合適的平衡區(qū)，以確保研究區(qū)地下水位響應基本一致，同時，引水量、排水量和地下水位變化需要準確監(jiān)測。如果計算變動帶給水度（y'），還要對灌溉前后的土壤含水率進行觀測。

表3 給水度計算

注：凈灌溉深度為引水量與排水量之差。

Note: Net irrigation depth is the difference between water diversion and drainage.

2.2 騰發(fā)量

總體水平衡（式（1））計算得羊場渠研究區(qū)2012年和2013年5—9月的ET分別為514和475 mm。采用“上升下降法”計算的不同植被地塊騰發(fā)量如表4所示。研究區(qū)中的小麥、其他蔬菜等由于面積比例很小，且相對缺乏觀測數(shù)據(jù)，為了保證區(qū)域的完整性，將其面積均攤至玉米、向日葵和西瓜田塊。將各地塊研究時段ETa按面積（表1）加權求和，得到2012年和2013年研究區(qū)空間平均騰發(fā)量分別為535和494 mm，比前述直接利用水平衡方程計算的結果偏大，這可能與加權計算忽略了實際騰發(fā)量較小的路溝渠有關。同時，將本文計算的不同作物及檉柳荒地騰發(fā)量與HYDRUS-dualKc模型模擬結果[6, 30]進行對比，結果顯示二者相差不大，相對誤差都在±5%以內(nèi)。這些都表明，本文ETa的計算結果是比較可靠的，所提出的ETa計算方法具有可行性。

表4 研究時段（05-01—09-30）及生育期不同作物田塊和荒地實際騰發(fā)量

由于不同作物的生育期不同，長短差別較大，造成各植被地塊生育期騰發(fā)量差異較大（表4）。玉米生育期最長且灌水充足，因此2 a騰發(fā)量也最大，分別為567和495 mm。荒地檉柳生育期與玉米一致，但由于長期不灌溉，水鹽脅迫較重，植被覆蓋度低且長勢差，騰發(fā)量相對較低。西瓜生育期（3個月）最短，騰發(fā)量也最小，2012和2013年分別只有345和293 mm。但從整個研究時段來看，不同植被地塊的騰發(fā)量卻相差不大（表4），例如在2012年，灌水頻繁的玉米和向日葵田塊騰發(fā)量較大，分別達到了567和552 mm，只灌一次播前水的西瓜和從未灌水的荒地騰發(fā)量較小，但也分別達到了503和495 mm。對比2 a生育期騰發(fā)量和整個研究時段的騰發(fā)量，發(fā)現(xiàn)生育期較短的西瓜和向日葵騰發(fā)量只占其全研究時段的65%和85%，有大量的水消耗于播種前和收獲后的裸土蒸發(fā)。這是由于播前灌水量較大，造成地下水位急劇抬升，加之土層下部還未完全融通，土壤入滲較慢，田間積水往往持續(xù)1周以上，同時這段時間蒸發(fā)能力較強，造成大量的無效耗水。這表明，瓜菜類作物雖然生育期耗水較少，但在現(xiàn)有灌溉管理條件下，由于裸土蒸發(fā)較大，其最終節(jié)水潛力有限。總體來說，農(nóng)作物生育期的騰發(fā)量占羊場渠整個研究時段騰發(fā)量的70%，荒地騰發(fā)量占14%，其余（16%）被裸土蒸發(fā)損失。同時，2012年騰發(fā)量較2013年普遍偏大，這可能由于2012年是豐水年，降雨量大，土壤水鹽狀況較好，對植被生長起到了一定的促進作用。向日葵2 a騰發(fā)量差別不大，這主要由于其灌溉最為充分且較為耐鹽，生育期基本不受水鹽脅迫，降雨的作用對其不明顯。

2.3 灌溉水耗散及鹽分重分布

2012年和2013年羊場渠總引水量分別約5.5萬m3（54 676 m3）和6.7萬m3（67 440 m3）。2012年引水量較小主要是因為降雨量大，造成了四水、五水的推遲，向日葵也因此少灌了最后一水。研究區(qū)農(nóng)毛渠系統(tǒng)的渠系水利用系數(shù)（即田間灌水量占農(nóng)渠口引水量的比例）在2012年和2013年分別為0.79和0.72（表5）。2012年較大，主要由于2012年水情較好，渠道水量大，行水時間短，灌溉效率高，滲漏較少。但總體來說渠系水利用系數(shù)比前人報告的結果略小[31-33]，這可能是由于該研究區(qū)存在一定的地表棄水造成的。根據(jù)排水礦化度及水鹽平衡方程可推測[12]，排水中約有1/3是地下排水，其余都為灌溉退水。根據(jù)田間觀測（圖5），2 a中農(nóng)毛渠系統(tǒng)輸水損失水量（包括滲漏17%和蒸發(fā)1%）約占引水量的18%，灌到田間的水量占76%，直接退走的水量占6%。渠道滲漏水首先進入兩側(cè)農(nóng)田，與田間滲漏一起抬升農(nóng)田地下水位，然后農(nóng)田地下水開始向荒地推進，同時有一部分開始排出排溝，荒地地下水位抬升后也開始向排溝排水。假設降雨優(yōu)先被蒸散發(fā)消耗，如果不考慮整個生長季渠道、農(nóng)田和荒地水交換的具體過程，最終農(nóng)田消耗了總引水量的78%，荒地消耗了11%，通過地下水排走4%。農(nóng)田不但全部利用了田間灌溉水量，還通過地下水側(cè)向流入的方式利用了約12%的渠道滲漏量，荒地利用了約65%的渠道滲漏量，排溝排走了23%。YCA所引水量的耗散路徑及比例如圖5所示。

羊場渠所引灌溉水礦化度為0.52 g/L，地下水平均礦化度為1.9 g/L。雖然灌溉水攜帶鹽分大量施加到農(nóng)田，而隨地下水遷移到荒地的水量有限，但由于灌溉水礦化度低，而地下水礦化度較高，通過地下水的重分布，遷移到荒地的有限地下水帶走了相當數(shù)量的鹽分。根據(jù)水分遷移路徑（圖5），通過對每個水量遷移項代入相應的礦化度，可估算得到研究區(qū)灌溉引入鹽分的重分布狀況，如圖6所示。結果表明，隨灌溉水引入的總鹽分中，僅有21%（含直接退水6%和地下排水排出的鹽分15%）被排出了研究區(qū)；荒地面積雖然只占研究區(qū)總面積的13%，但卻滯留了40%的總引入鹽量；農(nóng)田最終滯留了總引入鹽量的39%。這說明，研究區(qū)有限的荒地發(fā)揮了容納鹽分的作用，對灌排單元內(nèi)部農(nóng)田的鹽分控制起到了積極作用。

表5 羊場渠研究區(qū)灌溉制度及渠系水利用情況

注：圖中數(shù)值為以總引水量為1.00時的相應比例。

注：圖中數(shù)值為以總引入鹽量為1.00時的相應比例。

3 結論與展望

本研究基于對河套灌區(qū)典型灌排單元（農(nóng)渠尺度）的野外詳細觀測試驗，對水平衡計算中常用的給水度進行了計算分析，提出可以采用“上升下降法”簡便高效地估算不同植被地塊的騰發(fā)量，并根據(jù)田間觀測和計算結果對研究區(qū)灌溉水耗散路徑和鹽分累積分布進行了分析研究。主要結論如下：

1）研究區(qū)給水度為0.062，而僅考慮地下水位變動帶的給水度為0.037，二者差異較大。

2）不同作物騰發(fā)量因其生育期長短不同而差異較大，一般生育期越長騰發(fā)量越大；但對同一研究時段（5—9月）而言，由于非生育期較大的裸土蒸發(fā)，不同植被地塊的騰發(fā)量差異相對不大。

3）在2 a中的生長季（5—9月），研究區(qū)總引水量的18%損失在農(nóng)毛渠系統(tǒng)的輸水過程（包括滲漏和蒸發(fā)），76%灌到了農(nóng)田，6%直接通過地表退出研究區(qū)；渠道滲漏的水（17%）通過不同土地類型間地下水的橫向交換發(fā)生了重分布，農(nóng)田不但全部利用了田間灌溉水量，還通過地下水側(cè)向流入的方式利用了約12%的渠道滲漏量，荒地利用了約65%的渠道滲漏量，排溝排走了23%；最終，農(nóng)田消耗了總引水量的78%，積累了總引入鹽量的39%；荒地以占研究區(qū)13%的面積，消耗了總引水量的11%，卻容納了總引入鹽量的40%。

不同作物田塊由于灌溉管理及耗水規(guī)律不同，其農(nóng)田水文效應也不一樣，因此種植結構的變化對灌溉、蒸散發(fā)、地下水交換等必然會造成一定程度的影響。由于本研究側(cè)重農(nóng)田的整體效應，未對農(nóng)田中不同作物的地下水交換進行分析，也未對種植結構變化下的耗水規(guī)律進行討論，后續(xù)研究需要加強相關方面的工作。

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Irrigation water use in typical irrigation and drainage system of Hetao Irrigation District

Ren Dongyang, Xu Xu※, Huang Guanhua

(1.100083,; 2.100083,)

The Hetao Irrigation District (Hetao) located in the upper Yellow River basin represents a very typical arid agro-ecosystem in northern China. Due to complex cropping pattern and shallow groundwater table, the irrigation water use in Hetao is rather complicated. Clarifying the mechanism of irrigation water use and salt transportation in Hetao is of great significance to agricultural production and ecological sustainability in these areas. In this study, a typical irrigation and drainage system (Yangchang (a second-to-last order canal) canal area (YCA)) located in Hetao was selected as a case study area. Field experiments were conducted in it during the growing season (from April to September) in 2012 and 2013. Based on the 2-yr field observations, water balance model for the whole study area as well as the different crop fields within it were set up. For the field scale water balance model, to overcome the difficulties caused by lateral groundwater exchange among fields, the water balance calculations during groundwater level rising or declining period were conducted separately based on the water table fluctuation characteristics of Hetao. During the water level rising period, the FAO56 crop coefficient method was directly used to estimate actual evapotranspiration (ETa) as most of the fields were irrigated and the root zone had good salt and water conditions (almost no water/salt stress on vegetation). During the groundwater level declining period, a simple water balance equation was used to calculate ETaas the amount of lateral groundwater exchange could be neglected. This method for calculating field scale ETawas named “Up-Down Method”. Thus the regional scale ET could be calculated by summing up all the field scale ETawith their area weight. Then the average specific yield of the study area could be calculated using the regional scale water balance equation during the groundwater level rising period. Based on this, the ETaof different crop fields and ET of the whole study area were calculated. At last, the irrigation water use, salt accumulation and redistribution were discussed through the water and salt balance calculation. Results showed that the specific yield for the groundwater level fluctuation zone was 0.037, while for the whole soil profile was 0.062. The ET of YCA from May to September was respectively 514 mm and 475 mm in 2012 and 2013. For the different crop fields in YCA, their evapotranspiration (ETa) was not so much different during the whole study period, however, that during the growing season of each crop varied a lot. The crops with longer growth period usually had a larger ETaduring the growing season. The empirical method “Up-Down Method” can give a reasonable estimation of crop field ETain Hetao comparing with model simulation. Analysis on the water and salt consumption and redistribution showed that during the growing season, the cropland ET consumed 78% of the total water diversion and accumulated 39% of the total salt introduced; while the natural patches consumed 11% of the total water diversion and accommodated 40% of the total salt introduced. This study provides a sound guidance to water and salt management in irrigation districts.

evapotranspiration; salinity; groundwater; irrigation and drainage system; water balance model; specific yield

2018-07-19

2018-10-10

“十三五”國家重點研發(fā)計劃（2017YFC0403301）；國家自然科學基金（51639009、51679235、51125036）

任東陽，博士后，主要從事灌區(qū)農(nóng)業(yè)水文過程研究。 Email：rendy@cau.edu.cn

徐 旭，博士生導師，副教授，主要從事灌區(qū)水文過程的試驗與模擬研究。Email：xushengwu@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.012

S271

A

1002-6819(2019)-01-0098-08

任東陽，徐 旭，黃冠華. 河套灌區(qū)典型灌排單元農(nóng)田耗水機制研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(1)：98－105. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.012 http://www.tcsae.org

Ren Dongyang, Xu Xu, Huang Guanhua. Irrigation water use in typical irrigation and drainage system of Hetao Irrigation District[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 98－105. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.012 http://www.tcsae.org