灌溉调度实践评估与Tana-Beles甘蔗灌溉方案性能：埃塞俄比亚西北部案例研究

《Advances in Agriculture》：Assessment of the Existing Irrigation Scheduling Practices and Performance of Scheme: Case of Tana-Beles Sugarcane Irrigation Scheme, Northwestern Ethiopia

　　

摘要：Tana Beles灌溉方案中甘蔗的生产力受到灌溉调度不当、灌溉水管理不善及灌溉基础设施老化的显著制约。本研究旨在分析灌溉调度实践并评估该方案的关键性能指标。在实验室分析了土壤物理性质，包括质地、田间持水量（FC）和永久萎蔫点（PWP）。沿渠道和田间进水口的水流采用V形堰测量，最大和最小流量分别为13.2和0.18 L s^?1。各甘蔗生长阶段的灌溉间隔采用CROPWAT 8估算，并与现有实践进行比较。评估了应用效率、输水效率和蓄水效率、渗漏损失、水面高程比（WSER）、基础设施有效性、灌溉面积可持续性及基础设施状况。现有和计算的灌溉间隔分别为：发芽期8天和5天，初期8天和9天，发育期15天和10天，中期20天和13天，后期20天和22天。平均应用效率、蓄水效率和渗漏比（PR）分别为71.7%、89.5%和28.3%，三级渠道和田间渠道的平均输水效率分别为79.1%和70.2%。就基础设施的物理状况和功能性而言，WSER、基础设施有效性和灌溉面积可持续性的平均值分别为74.0%、72.7%和89.8%。渗漏和淤积影响了约76.9%的未衬砌渠道长度，而78.6%的手动提拉闸门已老化。总体而言，需要改进灌溉调度以使间隔更好地与作物需水相匹配。应加强渠道维护以减少渗漏和淤积，老化的闸门修复也至关重要，以确保可靠运行。未来工作应优先通过整合实时土壤水分监测和本地化气候预估来优化灌溉间隔，并评估主干渠和二级渠道（SCs）的效率，以增强方案的长期功能性。

研究背景：甘蔗是全球最重要的农工业作物之一，2024年全球年产量超过19亿吨，主要产自巴西和印度。非洲年产量约9500万吨，主要贡献来自南非、埃及和苏丹。埃塞俄比亚优先发展大型灌溉方案以满足国内糖需求，现代甘蔗种植始于20世纪50年代的Wonji，随后扩展至Metahara、Finchaa和Shoa等种植园。Awash河流域、Beles谷地和埃塞俄比亚南部部分地区现为主要产区。然而，这些方案的扩展面临显著运营瓶颈，主要挑战包括灌溉调度不当、配水效率低下和灌溉基础设施损坏，这些是农场和渠道系统灌溉水损失的主要来源。灌溉间隔是特定作物和田间两次连续灌溉之间的天数，受土壤田间持水量（FC）、永久萎蔫点（PWP）和当地气候参数直接控制。使灌溉间隔与阶段特异性作物需水相匹配对于减少田间灌溉水损失和防止水分胁迫至关重要。尽管埃塞俄比亚各地已有先前研究，但尚未有关于Tana Beles甘蔗地面灌溉方案的研究，特别是关于二级渠道7（SC-7）控制区域。灌溉调度实践、应用效率、蓄水效率、输水效率和渗漏损失尚未在各田块间评估。此外，方案基础设施的功能性，包括WSER、基础设施有效性、灌溉面积可持续性及其物理状况（如淤积和杂草侵染），尚未全面评估。因此，本研究旨在比较当前灌溉间隔与计算的作物阶段特异性灌溉间隔，评估田间性能，并评估灌溉基础设施的物理状况和运营有效性。

研究人员开展的研究与结论：研究人员在SC-7控制区域（灌溉面积约4242公顷）开展了描述性和评估性研究设计，整合田间评估与农业气候建模，评估灌溉调度、输水效率、深层渗漏损失和整体方案功能性。研究聚焦于种植Natal Coimbatore（NCo 334）甘蔗品种的田块，田间数据收集于2023年12月至2024年11月进行。研究得出结论：Tana Beles甘蔗方案存在灌溉间隔不匹配、效率水平中等和基础设施挑战等问题，共同降低了生产力和可持续性。现有与计算灌溉间隔之间的偏差突出了改进调度的必要性。效率指标显示蓄水效率可接受但深层渗漏损失显著且输水效率降低，强调了采用节水实践和加强渠道性能的重要性。基础设施评估揭示了未衬砌渠道的渗漏和淤积以及手动提拉闸门的老化，表明需要系统性三级渠道基础设施维护和修复。该方案应采用计算的阶段灌溉间隔，在上游、中游和下游实施均匀施水，并在三级渠道进行常规除草和淤积管理以提高灌溉效率。本研究局限性在于未评估主干渠和二级渠道，未来工作应针对这些渠道的输水效率开展研究。

关键技术方法：研究人员采用CROPWAT 8模型基于气候、土壤和作物数据估算作物需水量和灌溉调度；使用90°标准V形堰（经3英寸Parshall槽校准）测量三级渠道和田间渠道流量；通过压力膜仪测定FC和PWP，双环入渗仪测定土壤入渗率，比重计法分析土壤质地；采用水量平衡法计算应用效率、蓄水效率和渗漏比；通过田间实地检查评估渠道水面高程比（WSER）、基础设施有效性、灌溉面积可持续性及物理状况（淤积、杂草、闸门老化等）。气象数据来自Pawe站（国家气象局），作物参数取自FAO灌溉与排水论文第56号，工程设计参数来自Tana-Beles糖业项目办公室。

研究结果：（1）土壤物理性质：研究区主导土壤类型为黏土，土壤干容重范围为1.27 g cm^?3（0–30 cm深度）至1.33 g cm^?3（90–120 cm深度）。FC从头部区域的32.7%增至中部和尾部的36.1%和35.9%，PWP均值23.3%。总可用水（TAW）均值分别为头部143.2 mm m^?1、中部148.6 mm m^?1、尾部179.9 mm m^?1，方案总体均值157.2 mm m^?1。尽管质地均匀为黏土，容重和持水参数的空间变异控制着根区储水能力，证实土壤对甘蔗等深根作物高度适宜。（2）土壤入渗率：研究区基本入渗率为4.5 mm h^?1，在270分钟田间试验后达到恒定值，属于细质地黏土典型的低入渗能力，与均匀黏土质地一致。（3）灌溉间隔：现有灌溉调度采用发芽期8天和后期20天的固定间隔，全方案统一应用而未根据作物生长阶段或土壤水力特性空间变异进行调整。计算的灌溉间隔为发芽期5天、初期9天、发育期10天、中期13天、后期22天。现有采用的灌溉间隔是发芽期灌溉水损失和甘蔗生长后期水分胁迫的来源。（4）灌溉性能指标：三级渠道平均输水效率在76.1%至80.0%之间，均值79.1%；田间渠道平均输水效率70.2%，各渠道值在68.0%至72.7%之间。平均应用效率71.7%（范围68.8%–73.5%），略高于沟灌推荐值55%–70%，表明田间浇水管理良好。蓄水效率范围87.4%–91.9%，均值89.5%，超过Omo Kuraz III（85.0%）、Metehara（84.0%）和Wonji-Shoa（86.5%）的报道值。渗漏损失在头部区域达31.2%，中部和尾部降至26.5%和27.2%，方案平均PR为28.3%，显著低于Wonji-Shoa糖业庄园的52.2%。（5）基础设施物理状况与功能性：WSER均值为0.74，表明渠道受杂草和淤积问题影响。基础设施有效性方面，SC头部调节闸和分水闸、TC取水口和跌水结构均为100%，但流量调节机制严重退化，田间渠道调节闸有效性59.6%、SC横向调节闸62.5%、TC横向调节闸64.7%，田间渠道取水口80.8%，方案平均基础设施有效性72.7%。SC-7计划灌溉面积412公顷，实际种植灌溉370.2公顷，面积可持续性89.8%。未衬砌三级、田间和排水渠道受渗漏和淤积影响平均76.9%，水工建筑物平均86.7%，手动提拉闸门平均78.58%。重度水生杂草生长减缓水流、加速淤积，混凝土工程结构开裂和闸门缺失消除了水力水头控制，导致不受控的分流。

讨论与结论：讨论部分将本研究结果与埃塞俄比亚及其他地区类似方案进行了广泛比较。输水效率方面，本研究三级渠道均值79.1%略低于Omo Kuraz（80.2%）和Temsa小规模灌溉方案（84.7%），主要归因于未衬砌土渠渠床渗漏、渠岸侵蚀及杂草和沉积物堆积导致的局部漫溢。应用效率高于Tendaho糖业庄园（65%–72%），与Wonji-Shoa糖业庄园（70%–75%）相当。蓄水效率超过Omo Kuraz III、Metehara和Wonji-Shoa的报道值，归因于较长的截断时间和每次灌溉较大的施水量。渗漏损失显著低于Wonji-Shoa（52.2%），归因于较短的灌溉持续时间和受控的入渠流量，但头部区域因堵塞沟渠和延长积水仍保持较高渗漏。WSER均值0.74低于Hare灌溉方案（0.90）和Omo Kuraz甘蔗灌溉方案（1.00），原因包括缺乏定期清淤、除草效果不佳和渠岸维护疏忽。基础设施有效性72.7%低于Omo Kuraz的94.6%，归因于缺乏维护、日常磨损和安装结构处严重渠岸坍塌。结论翻译：该研究得出结论，Tana Beles甘蔗方案存在灌溉间隔不匹配、效率水平中等和基础设施挑战，共同降低了生产力和可持续性。现有与计算灌溉间隔之间的偏差突出了改进调度的必要性。应用效率、蓄水效率和PR均值分别为71.7%、89.5%和28.3%。效率指标显示蓄水效率可接受但深层渗漏损失显著且输水效率降低，强调了采用节水实践和加强渠道性能的重要性。高渗漏损失的来源为无正式排水系统的堵塞沟渠系统，延长积水时间迫使更大水量向下渗过根区，尽管土壤为黏土。基础设施评估揭示了未衬砌渠道的渗漏和淤积以及手动提拉闸门的老化，表明需要系统性三级渠道基础设施维护和修复。该方案应采用计算的阶段灌溉间隔，在上游、中游和下游实施均匀施水，并在三级渠道进行常规除草和淤积管理以提高灌溉效率。本研究局限性在于未评估主干渠和二级渠道，未来工作应针对这些渠道的输水效率开展研究。