海河流域農田水循環(huán)模式與水平衡要素

邵薇薇,李海紅,韓松俊,黃 昊,呂華芳

(1.中國水利水電科學研究院水資源研究所,北京 100038;2.清華大學水利水電工程系,北京 100084)

海河流域農田水循環(huán)模式與水平衡要素

邵薇薇1,李海紅1,韓松俊1,黃 昊1,呂華芳2

(1.中國水利水電科學研究院水資源研究所,北京 100038;2.清華大學水利水電工程系,北京 100084)

基于海河流域農業(yè)的現狀與發(fā)展,分析了海河流域農田水循環(huán)的驅動機制,提出了海河流域農田綜合二元水循環(huán)模式,揭示了農田水循環(huán)的機制,并根據農田水循環(huán)的結構與模式分析了海河流域農田水循環(huán)的各項輸入輸出等水平衡要素。對海河流域農田水循環(huán)模式和通量的分析結果表明,海河流域種植結構和耕作方式的改變使有效降水利用量增加,蒸散發(fā)的輸出量整體增加,農業(yè)系統退水量減少。根據海河流域農田水循環(huán)模式和通量的分析結果,提出了海河流域農田水循環(huán)的調控措施,包括節(jié)水灌溉、發(fā)展旱地農業(yè)等。

海河流域;農田二元水循環(huán);水循環(huán)模式;水平衡要素

1 海河流域農業(yè)現狀

1.1 現狀概況

海河流域占全國國土面積2.25％,聚集了7.2％的人口和11.3％的經濟總量。2005年海河流域耕地面積為1061.4萬hm2,其中農田有效灌溉面積為737.2萬hm2,實灌面積639.4萬hm2,占耕地總面積的60％。海河流域大田作物包括冬小麥、水稻、夏玉米;經濟作物主要有谷子、高粱、薯類、大豆、棉花、花生、芝麻以及瓜菜類等;農田作物種植集中于海河南系平原區(qū)。20世紀后期至21世紀初,海河流域糧食作物播種面積呈現明顯下降趨勢,特別是北京市2003年糧食播種面積僅為1980年的25.8％,這一時期經濟作物和蔬菜瓜果播種面積呈緩慢增加態(tài)勢;而2003—2011年,海河流域各地區(qū)糧食播種面積轉而逐年增加,上升趨勢明顯[1]。

1.2 農業(yè)種植結構變化

海河流域農業(yè)種植結構變化是由海河流域自然條件和社會經濟綜合發(fā)展共同驅動的,主要受土壤條件、水資源本底條件、經濟發(fā)展、社會消費需求、國家宏觀調控政策和作物品種改良等約束?？偟膩碚f,水資源短缺的脅迫導致高耗水作物播種面積減少。1980—2003年海河流域糧食作物播種面積大幅下降,以北京市為例,1999年開始玉米、小麥和稻谷播種面積均大幅下降(圖1,數據來自北京統計年鑒)。但玉米和小麥的播種面積于2003年后又開始緩慢回升,而稻谷由于單位面積用水量大,與區(qū)域水資源緊缺條件不相適應,2003年后仍持續(xù)下降。玉米因單位面積用水量小,抗旱能力較強,對灌溉水依賴程度較低,因此2003年后播種面積增加幅度遠高于其他作物?？梢?改良作物品種以及種植灌溉制度變化,導致單產大幅增加,使農田種植系統在播種面積減少的情況下保證了近年來海河流域的糧食總產量,保障了糧食安全,這也是農田種植系統適應海河流域特殊水資源條件和發(fā)展用地需求的自我調節(jié)的有效手段。

圖1 北京市各類糧食作物播種面積

2 海河流域農田水循環(huán)驅動機制

海河流域農田水循環(huán)服務于農業(yè)生產的水分流轉,是典型的自然社會二元驅動。一方面遵循天然水循環(huán)轉換機制,另一方面又在人類活動干擾下改變其循環(huán)通量數量或產匯流方向,形成獨特的自然社會二元水循環(huán)系統。

在農田水循環(huán)的各個物理過程中,都受到自然驅動力的作用,包括太陽能、重力勢能、土水勢能和生物勢能等。太陽輻射通過熱量的供給,主要影響蒸散發(fā)等過程。重力勢能影響農田水循環(huán)的各個方面,降水和下滲甚至田間排水等過程均符合水在重力勢能下的運動形式。土水勢能則是土壤吸附力和表面張力共同作用的結果,不僅影響土壤水分的吸持,而且影響土壤水分的運動。另外,生物勢能和空氣對流運動等其他因素也對水循環(huán)過程產生影響。

農田水循環(huán)系統的人工驅動力主要體現在灌溉水的輸配過程,是針對徑流性水資源的可調控特性,在人工外力(如水泵電能、人力)作用下,通過蓄、引、提水工程措施以及輸水措施克服水的重力,干預自然水循環(huán)過程,將灌溉水源輸送到田間的過程。在海河流域,雖然自然降水是農田系統水分的主要補給來源,但由于海河流域是半濕潤半干旱地區(qū),還需要進行補充灌溉以保證土壤水分適宜作物的需要,并通過排水過程排除過剩的土壤水分。灌溉和排水等人工作用改變了農田原有的天然水循環(huán)系統,取而代之的是人工和天然共同作用的二元水循環(huán)系統。

3 海河流域農田水循環(huán)模式

對海河流域農田水循環(huán)機制的解析,可以為海河流域的糧食安全保障和節(jié)水型農業(yè)建設提供理論依據。海河流域的農田按照其水分來源的不同主要分為雨養(yǎng)農田和灌溉農田,具有不同的水循環(huán)模式。下面通過對農田水循環(huán)模式的認知來揭示海河流域農田二元水循環(huán)的機制。

3.1 雨養(yǎng)農田水循環(huán)模式

雨養(yǎng)農田中作物的水分獲取完全來自于大氣降水,雖然雨養(yǎng)農田水循環(huán)通量和過程在一定程度上受到人類活動的干擾,但其循環(huán)利用完全依賴于自然水循環(huán)的降水、蒸發(fā)、入滲和產流機制等。大氣降水和蒸發(fā)是雨養(yǎng)農田水循環(huán)的輸入輸出源,農田上的降水在太陽能、重力勢能和土壤吸力的驅動下,經作物植被冠層截留、地表洼地蓄留、地表徑流、蒸散發(fā)、入滲、壤中徑流和地下徑流等遷移轉化過程,部分重返大氣,部分排入水域,并再次從水域或陸面蒸發(fā)循環(huán)往復。圖1為海河流域雨養(yǎng)農田水循環(huán)結構示意圖。

圖2 雨養(yǎng)農田水循環(huán)結構

雨養(yǎng)農田種植雖然通過對土地利用方式的改變影響了陸地表面的覆蓋率、植物分布方式和土壤質地,并通過采取集雨調蓄利用等措施調控降水而深刻影響著農田區(qū)域入滲、產流和蒸散發(fā)過程,與完全不受人工干擾的自然水循環(huán)過程存在顯著不同,但依然遵循自然水循環(huán)的基本物理機制,體現在降水入滲、作物蒸散發(fā)和產匯流各個環(huán)節(jié):①降水入滲。農業(yè)耕作和施肥措施等改變了土壤和巖層狀況,或者通過坡改梯、平整土地等改變地表覆被狀態(tài),影響了水量入滲的時空規(guī)律,但是水分入滲機制均與自然水循環(huán)狀態(tài)的入滲機制一樣,不同的只是由于受到人工調節(jié),使得土壤入滲通量的大小和時空發(fā)生變化。②作物蒸散發(fā)。農田取代了自然土地的水分利用和消耗過程,農田節(jié)水采取的調控田間蒸散發(fā)措施也影響了農田蒸散發(fā)過程,但農田蒸散發(fā)仍基于熱動力學機制,遵循自然水循環(huán)的熱量平衡原理。③產匯流。農田產流過程仍然遵循自然水循環(huán)的蓄滿、超滲或者二者同時發(fā)生的產流機制,但由于農田土壤含水率受人類活動的干擾導致了產流量與時空過程發(fā)生變化。農田水流匯集過程仍然根據地形坡度的變化,并在流動過程中逐漸匯集,最后匯集到排水溝或者河道。農業(yè)耕作方式和種植結構調整等都不同程度地影響了農田地表的產匯流量。

下面通過公式來表達農田水循環(huán)的機制,反映出農田水循環(huán)的結構和影響因素。雨養(yǎng)農田水循環(huán)模式就是流域農田在自然驅動力作用下的農田水資源形成與演化基本模式,其概念性通式可以簡要表述為

式中:R1為雨養(yǎng)農田水資源;S1為供水函數,由降水Pn、地下水自然補給Gn構成,其中Pn與區(qū)域氣候、降水過程有關,Gn與農田土壤質地、農田作物特性有關;U1為用水函數,由作物降水利用An構成,與農田土壤狀況、作物的生長期、植株高度、根系深度以及作物葉面積有關;E1為耗水函數,由農田作物冠層截留蒸發(fā)EYn、作物騰發(fā)EPn、農田土壤蒸發(fā)ESn構成,其中EYn與農田作物生理特性等有關,EPn與作物類型、區(qū)域氣候等有關,ESn與農田土壤狀況、作物生長狀況、地下水位有關;O1為排水函數,由農田降水徑流OSn和地下徑流OGn構成,其中OSn與降水過程、農田作物類型等下墊面有關,OGn與降水下滲、農田土壤屬性及墑情有關。

3.2 灌溉農田水循環(huán)模式

由于受到人類土地利用和直接引提水的影響,灌區(qū)天然一元的水循環(huán)結構被打破,形成了自然社會二元水循環(huán)結構,如圖3所示。為了滿足農業(yè)生產水資源的需求,人類從地表和地下水源中取水,通過渠首及其附屬建筑物向農田供水,經由田間工程進行農田灌水,形成了包括取水、輸配水、用水和排水的四大部分,并參與到灌區(qū)大氣水、地表水、土壤水和地下水自然循環(huán)轉化過程中,人類活動外力成為太陽能、重力勢等之外的灌溉農田水循環(huán)的另一個主要驅動因素。

圖3 灌溉農田水循環(huán)結構

灌溉農田水循環(huán)和天然條件下的雨養(yǎng)農田水循環(huán)系統結構形式有所差異。灌溉農田水循環(huán)系統一般包括取水系統、輸水系統、用水系統和排水系統幾個子系統,但復雜程度不一。灌溉農田的輸排水系統的結構比較復雜,其輸水系統一般分為干、支、斗、農、毛等數級渠道,有的大型灌區(qū)在干渠之上還有總干渠,各級輸水渠道在運行時遵從一定的續(xù)灌和輪灌制度。排水系統也分為干、支、斗、農等數級渠道,不受控制的自流排水系統的基本原理和結構形式類似于天然河道系統,很多平原圩區(qū)的排水系統設有很多控制性閘門或者泵站,遇到大水時各級排水渠道需要遵從一定的運行制度。對于水資源統一調度和管理的流域來說,一般包含多個受人工控制的農田水循環(huán)系統,各個農田水循環(huán)系統互相配合、統一調度,共同為區(qū)域社會經濟系統和生態(tài)系統總體利益最大化服務。

所謂灌溉農田水循環(huán)模式就是流域農田自然社會二元驅動力作用下的農田水資源形成與演化基本模式,其概念性通式可以簡要表述為

式中:R2為灌溉農田水資源;S2為供水函數,由降水Pn、人工灌溉Ih、受人類活動影響的地下水補給Gn,h構成,其中Ih與農田作物、農田區(qū)域氣候、作物灌溉制度有關,Gn,h與農田土壤質地、農田作物特性、人為影響(如打井等)有關;U2為用水函數,由作物降水利用An、作物灌溉水利用Ah構成,其中Ah與灌溉過程及農田作物的生長期、植株高度、根系深度以及作物葉面積有關;E2為耗水函數,由農田作物冠層截留蒸發(fā)EYn,h、作物騰發(fā)EPn、農田土壤蒸發(fā)ESn,h構成,其中EYn,h與農田作物生理特性、灌溉方式等有關,ESn,h與作物類型、灌溉方式、地下水位有關,而其中灌溉方式對農田的無效蒸發(fā)控制有極大影響;O2為排水函數,由人類活動影響下的農田降水徑流OSn,h、地下徑流OGn,h、農田人工排水ODn,h構成;Pn、An、EPn與式(1)含義相同。

3.3 流域農田水循環(huán)綜合模式

海河流域農田水循環(huán)過程,一方面遵循自然水循環(huán)的機制與過程,如入滲、蒸散發(fā)和產匯流等,另一方面又受到人類活動影響,如取水輸水蓄水用水耗水排水等社會水循環(huán)的作用,最終形成了農田自然社會二元水循環(huán)系統。通過對雨養(yǎng)及灌溉農田水循環(huán)模式解析,海河流域農田水循環(huán)綜合模式可以表述為以下概念性通式:

式中:R為農田水資源;G為供水函數,包括降水和人工灌溉水及地下水補給;Y為用水函數,包括降水利用量和灌溉利用量;H為耗水函數,包括農田土壤蒸發(fā)、農田作物蒸散發(fā);P為排水函數,包括降水徑流、灌溉徑流及農田排水;n為自然驅動力;h為社會驅動力。

從式(3)可以看出,由于社會驅動項的作用,二元模式下的農田水資源演變過程與一元模式相比發(fā)生了系統變化,人類從地表和地下水源中取水,通過渠首及其附屬建筑物向農田供水,經由田間工程進行農田灌水,完全改變了農田水資源量及其時空變化;作物品種改良、農藝措施改進、農田增墑保墑、灌溉制度及方式的科學制定則可以改變農田用水系統的水資源利用效率和效益,同時也會影響農田蒸散發(fā)的效率及效益;農田排水系統以及農田排水制度的科學制定則會影響農田徑流以及農田退水的時空變化。因此,人類灌排活動的參與對整個農田系統的產匯流過程進行直接控制,完全改變了天然狀態(tài)下農田水循環(huán)相互轉化過程?？梢?農田二元水循環(huán)模式客觀體現了農田水循環(huán)系統的演變過程,反映了人類活動對現代農田水循環(huán)的全面影響。

4 海河流域農田水循環(huán)要素分析

對海河流域農田二元水循環(huán)模式的認知,將有助于對農田水循環(huán)要素進行分析。通過對海河流域農田水循環(huán)結構分析,可知農業(yè)用水有3種供給來源:一是天然降水;二是通過農業(yè)工程供水進行的灌溉補充水量;三是通過土壤毛細作用直接利用的淺層地下水,即潛水蒸發(fā)補給量。田間水分豎直方向耗散有兩種方式:一是向大氣的土壤蒸發(fā)、作物蒸騰和葉面截流蒸騰,二是向地下的滲流;水平方向有地表徑流,最終形成地表地下退水。對于農業(yè)耕種,只有作物蒸騰是有效耗散。隨著海河流域社會經濟的飛速發(fā)展,社會經濟用水量遠超過水資源承載力,競爭性用水導致農田水循環(huán)通量正發(fā)生著巨大變化[2]。下面對海河流域農田水循環(huán)的天然降水量、灌溉用水量、潛水蒸發(fā)量、退水量、農作物水分轉移量、蒸散發(fā)量等各項水平衡要素進行分析。

4.1 天然降水量

根據綜合海河流域主要作物(冬小麥、水稻、夏玉米、谷子、高粱、薯類、大豆、棉花、花生、芝麻、蔬菜瓜果類)種植時間、各省(市、區(qū))降水年內過程、海河流域分省(市、區(qū))作物播種面積,計算得到2000年和2005年海河流域進入農業(yè)系統的天然降水量為375.58億m3和413.87億m3。

4.2 灌溉用水量

4.2.1 灌溉用水總量變化

如圖4所示,1991—2005年,海河流域農田灌溉用水量呈現穩(wěn)定下降趨勢。經分析,對于不同作物類型,菜田灌溉用水量增加趨勢明顯,稻田和大田(小麥、玉米等)灌溉用水量顯著減少,其中2005年稻田灌溉用水量僅為1991年的48％,大田灌溉用水比1991年減少26億m3。

圖4 1991—2005年農田灌溉用水量

4.2.2 灌溉方式變化

海河流域節(jié)水灌溉始于20世紀60年代,主要通過輸水渠道的襯砌提高輸水效率。20世紀80年代以后,灌溉缺水日趨嚴重,農業(yè)節(jié)水技術得到了較快發(fā)展,平原渠灌區(qū)以渠道防滲為主,井灌區(qū)以低壓管道為主,果樹及大棚蔬菜以噴灌、微灌為主;山丘區(qū)以發(fā)展集雨水窖和微型節(jié)水灌溉工程為主。2004年全流域節(jié)水灌溉面積比例達44％,其中北京市由于社會經濟水平高,水資源短缺程度更為嚴重,節(jié)水灌溉率高達85％,因此可以說灌溉方式的改變也是資源脅迫的結果[3]。

4.2.3 灌溉水源方式變化

海河流域由于水資源匱乏,很多大型水庫轉為以保障城市供水為主,加之近幾年地表水資源大量減少(特別是2001—2006年,地表水資源全部屬于枯水年,年平均只有107億m3,僅為1956—2000年多年平均的42％),因此,盡管海河流域農田地表水與地下水灌溉用水量均呈下降趨勢,但是總體來講,海河平原地區(qū)農田人工灌溉用水中,地表水減少幅度大,地下水所占比例略有增加(表1)。目前在海河流域,以地下水為主要水源的灌區(qū)基本上采用井灌方式,灌溉水利用率相對于渠灌區(qū)來講較高,因此實際上進入農田的灌溉水總量中,地下水所占比例更高[4]。

表1 海河流域農田灌溉用水情況

此外,由于水資源的短缺,城市再生水也逐漸成為農業(yè)灌溉用水的另一重要水源,其中海河流域再生水回用以北京市為主。2005年,北京市污水處理回用于農業(yè)灌溉的水量為2.02億m3,占當年全國總量的40％。

4.3 潛水蒸發(fā)量

海河流域社會經濟總用水量逐年增加,地下水超采嚴重,根據中國地質環(huán)境監(jiān)測院等單位的地下水位觀測數據,1995—2005年海河流域整體潛水位逐漸降低,僅濱海平原地區(qū)地下水位變化較小,且地下水位埋深在5 m以內。而一般情況下,地下水埋深超過4 m時基本不考慮潛水蒸發(fā)。海河流域濱海平原區(qū)存在總量約40億m3的潛水蒸發(fā)量,由于該區(qū)域地下水礦化度較高,農業(yè)種植面積較少,占全區(qū)域面積的1/8左右,因此估算海河流域農田水循環(huán)系統約有5億m3的耕地潛水蒸發(fā)量。

參考北京統計年鑒,設定海河流域復種指數為1.5,通過計算,海河流域2000年農業(yè)總供水量為646億m3,其中天然降水總量為376億m3,農田灌溉用水量為265億m3,潛水蒸發(fā)補給量為5億m3,分別占總供水的58.2％、41.0％和0.8％。2005年海河流域農業(yè)總供水量為674億m3,其中有效利用降水總量為414億m3,農田灌溉用水量為255億m3,潛水蒸發(fā)補給量為5億m3,分別占總供水的61.4％、37.8％和0.8％。

4.4 退水量

農業(yè)系統的退水來源于兩部分:一是遇到高強度降水時形成的少量徑流;二是灌溉輸水過程中的輸水損失。本次研究假定降至農業(yè)系統的雨量除有效降水直接利用量外均形成退水。

4.4.1 天然降水形成的農業(yè)系統退水

有效降水利用量與降水特性、氣象條件、土地和土壤特性、土壤水分狀況、地下水埋深、作物特性和覆蓋狀況以及農業(yè)耕作管理措施等因素有關。一般而言,很少有足夠的實測資料可用于定量描述控制降水有效性的過程,而影響有效降水的過程又很多,有關的參數也難以確定。因此,本研究在計算有效降水利用量時,一方面參考我國學者提出的次有效降水量的確定方法[5],將0～50 mm的旬降水量視為全部有效,另一方面也借鑒美國土壤保持局提出的旬有效降水量的預測方法,當降水量大于40 mm 時,確定各旬有效降水量[6-8]。計算公式如下:

式中:Pe為旬平均有效降水量,mm;Pt為旬平均降水量,mm;Ec為旬平均作物需水量,mm;Sf為土壤水分貯存因子。如果用式(4)計算得到的旬有效降水量大于該旬的作物需水量,則將該旬的作物需水量視為有效降水量。海河流域由于水資源本底條件差,通過增加作物種植密度、平整土地、修田坎等措施,大幅度減小地面徑流;采用深耕、耙磨、防止土壤板結等方式增加入滲;加強灌溉管理,采用人工補充灌溉制度,多種措施使有效降水利用系數大幅提高。降水有效利用系數根據月降水量的大小確定,當月降水量小于50 mm時,假定為1;當月降水量為50～150 mm時,假定為0.80;當月降水量大于150 mm 時,假定為0.75,以此為依據對研究區(qū)域以月為時段進行有效降水量計算。

綜合海河流域分省(市、區(qū))作物播種面積、有效降水利用系數和各省(市、區(qū))降水年內過程,計算得到2000年和2005年海河流域農業(yè)有效降水量分別為327億m3和363億m3,進而計算得出2000年和2005年海河流域天然降水形成的農業(yè)系統退水(表2)。

表2 海河流域農業(yè)系統天然降水形成的退水量

4.4.2 農田灌溉形成的農業(yè)系統退水

綜合海河流域井灌區(qū)和渠灌區(qū)的灌溉水利用效率情況,假定2000年和2005年渠系水利用系數分別按照0.65和0.70計算[9],由灌溉用水量可計算得到2000年和2005年渠道滲漏水量分別為93億m3和76億m3。表3為海河流域農業(yè)系統的總退水量。

表3 海河流域農業(yè)系統的總退水量

4.5 農作物水分轉移量

農產品的產出和流通從農田水循環(huán)系統中帶走了一部分水分[10]。本研究對海河流域農業(yè)系統農作物水分轉移量進行了估算。根據2000年和2005年海河流域主要作物產量,經過計算得到2000年和2005年海河流域主要農作物水分轉移量為0.98億m3和1.15億m3(未考慮由于品種改良、秸稈質量下降所帶來的水分轉移量的削減),可見農作物水分轉移量較小。由于種植結構的變化,2005年較2000年農作物水分轉移量大幅增加。

4.6 蒸散發(fā)量

海河流域2005年較2000年降水量大,玉米、蔬菜等生長期與雨季匹配的作物播種面積增加,因此有效降水利用量增加幅度較大。根據水量平衡原理,雖然2005年進入田間的灌溉用水較2000年減少約10億m3,但由于2005年降水量大,且退水量較少,當年農業(yè)系統蒸散發(fā)量較2000年增加約53mm。

5 海河流域農田水循環(huán)特征及調控

通過對海河流域農田水循環(huán)模式和通量的分析,可知在水資源極其短缺條件下海河流域農田水循環(huán)表現出以下兩方面特征:①水循環(huán)通量特征。對一個閉合的農田系統而言,水循環(huán)過程的輸入項是降水或灌溉或地下水補給,輸出項包括水平方向的徑流(即退水項)和垂直方向蒸散項。經過分析可知,海河流域水循環(huán)通量總量近年來并未減少。在輸入項方面,種植結構和耕作方式的改變使有效降水利用量增加,2005年與2000年相比提高了11％;農業(yè)系統的用水競爭劣勢位置可能導致灌溉用水量降低,2005年與1995年和2000年相比分別減少約24億m3和10億m3;全流域地下水位下降,田間土壤包氣帶逐漸增厚,潛水蒸發(fā)能力下降,導致廣大區(qū)域的地下水難以通過潛水蒸發(fā)補給田間水分。另外,在全球氣候變化的影響下,海河流域未來降水在一定程度上可能有所增加,有效降水直接利用量在農業(yè)系統用水總量中所占比例將會進一步加大。在輸出項方面,在人類活動作用下,海河流域農田系統一個突出的水循環(huán)效應就是垂向蒸散發(fā)的輸出整體增加,而水平方向的徑流輸出不斷減少,反映在水資源的高效利用措施使農業(yè)系統退水量急劇降低。而根據水量平衡原理,在一個較長的時段內農田系統儲水量看作基本不變的話,水平方向徑流量的減少量必然等于垂直方向蒸散量的增加。②人工灌溉水結構特征。海河流域人工灌溉水源以地下水為主,正在實施節(jié)水灌溉。2005年海河流域地下水灌溉量占人工灌溉總量的60％以上,地下水灌溉有利于計量監(jiān)測實施與節(jié)水灌溉方式的采用,全流域節(jié)水灌溉率達到44％。但是,由于地下水長期超采所帶來的一系列問題,海河流域逐步落實地下水壓采方案,再加上南水北調工程東、中線調水的實施,未來一些灌區(qū)將逐漸恢復地表水灌溉,農田灌溉用水水源結構也將會隨之發(fā)生改變。

海河流域農業(yè)要想實現節(jié)水與高效用水,由農田水循環(huán)模式和通量分析可知,需要對農田水循環(huán)實施調控[5],主要措施如下:①在地下水已超采的井灌區(qū),可以采用節(jié)水灌溉制度(調虧灌溉)和綜合節(jié)水措施,盡可能降低作物實際耗水量,并保證農作物基本不減產,甚至增產;②在地下水尚有開采潛力的渠灌區(qū),例如徒駭馬頰河平原,結合灌區(qū)改造,推廣井渠結合,既可以減少地下水的潛水蒸發(fā),有利于防治土壤鹽堿化,又可以減少地表水使用量,改善河道水生態(tài)環(huán)境;③海河流域現有旱地面積較大,在采取綜合農業(yè)措施的情況下,利用天然降水發(fā)展旱地農業(yè)仍具有很大潛力;④在大中城市郊區(qū)、經濟條件較好的井灌區(qū)和蔬菜果樹經濟作物區(qū),有條件地推廣噴灌、微灌等先進灌溉技術,加強節(jié)水灌溉。

6 結 語

農田水循環(huán)是人類社會參與自然水循環(huán)過程的典型方式,具有水循環(huán)絕對通量大、與氣候和作物生長特點相關性強等特點。本文提出了海河流域農田水循環(huán)的二元綜合模式,分析了農田水循環(huán)的各項通量及特征,并探討了海河流域農業(yè)實現節(jié)水與高效用水的調控措施,可為海河流域建設節(jié)水型農業(yè)和水資源合理利用提供理論依據和科學指導。

[1]馬文奎,王建剛,閻永軍.海河流域防汛抗旱減災體系建設[J].中國防汛抗旱,2009(19):117-124.(MA Wenkui,WANG Jiangang,YAN Yongjun.The flood control and drought relief system construction in Haihe River basin[J].China Flood＆Drought Management,2009 (19):117-124.(in Chinese))

[2]王中宇.海河流域水之憂[N].科學時報,2007-07-09 (A5).

[3]華北灌溉農田減蒸降耗增效節(jié)水技術集成與示范[R].鄭州:河北省農林科學院,2011.

[4]劉群昌,謝森傳.華北地區(qū)夏玉米田間水分轉化規(guī)律研究[J].水利學報,1998(1):62-68.(LIU Qunchang,XIE Senchuan.A study on field soil water balance for summer corn in north China plain[J].Journal of hydraulic engineering,1998(1):62-68.(in Chinese))

[5]叢振濤,姚本智,倪廣恒.SRA1B情景下中國主要作物需水預測[J].水科學進展,2011,22(1):38-43.(CONG Zhentao,YAO Benzhi,NI Guangheng.Crop water demand in China under the SRA1B emissions scenario[J]. Advances in Water Science,2011,22(1):38-43.(in Chinese))

[6]劉昌明,張喜英,由懋正.大型蒸滲儀與小型棵間蒸發(fā)器結合測定冬小麥蒸散的研究[J].水利學報,1998(10): 36-39.(LIU Changming,ZHANG Xiying,YOU Maozheng. Determination of daily evaporation and evapotranspiration of winter wheat field by large-scale weighing lysimeter and micro lysimeter[J].Journal of Hydraulic Engineering, 1998(10):36-39.(in Chinese))[7]劉曉敏,張喜英,王慧君.太行山前平原區(qū)小麥玉米農藝節(jié)水技術集成模式綜合評價[J].中國生態(tài)農業(yè)學報, 2011,19(2):421-428.(LIU Xiaoming,ZHANG Xiying, WANG Huiun.A comprehensive evaluation of wheat/ maize agronomic water-saving modes in the piedmont plain region of the Mount Taihang[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2011,19(2):421-428.(in Chinese))

[8]李勇,楊曉光,葉清,等.1961—2007年長江中下游地區(qū)水稻需水量的變化特征[J].農業(yè)工程學報,2011,27 (9):175-183.(LI Yong,YANG Xiaoguang,YE Qing,et al.Variation characteristics of rice water requirement in middle and lower reaches of Yangtze River during 1961-2007[J].TransactionsoftheChineseSocietyof Agricultural Engineering,2011,27(9):175-183.(in Chinese))

[9]海河流域節(jié)水和高效用水戰(zhàn)略研究報告[R].天津:天津市中水科技咨詢有限責任公司,2008.

[10]曹永強,姜莉,張偉娜,等.海河流域京津冀地區(qū)農產品虛擬水實證研究[J].水利經濟,2010,28(5):11-14. (CAO Yongqiang,YANG Li,ZHZNG Weina.et al.An empirical study on the agricultural product virtual water in the Beijing-Tianjin-Hebei region of Haihe River basin [J].Journal of Economics of Water Resources,2010,28 (5):11-14.(in Chinese))

Agricultural water cycle scheme and flux in Haihe River Basin

//SHAO Weiwei1,LI Haihong1,HAN Songjun1, HUANG Hao1,Lü Huafang2(1.Department of Water Resources,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing100038,China;2.Department of Hydraulic Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)

Based on the present status and development of the agriculture in the Haihe River Basin,the driving mechanism of the agricultural water cycle is analyzed and the agricultural dualistic water cycle scheme is proposed in this paper.The agricultural water cycle mechanism is also presented.Water balance factors such as the input water volume,drainage water volume,plant water volume,and the evapo-transpiration were calculated according to the structure and pattern of agricultural water cycle.The analysis of the dualistic water cycle scheme and the calculated fluxes indicates that the effective utilization of precipitation and the evapo-transpiration of farmlands is increasing,and the agricultural system return flow is decreasing due to the changes of planting structure and farming mode.Based on the analyzed results,some regulation measures for the Haihe River Basin were proposed,including the water-saving irrigation as well as the dry land farming development.

Haihe River Basin;agricultural dualistic water cycle;water cycle scheme;factors of water balance

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.004

S271

A

10067647(2013)05001506

20121031 編輯:熊水斌)

國家自然科學基金青年科學基金(51109222);科技部創(chuàng)新方法工作專項(2009IM20100);國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2006CB403401)

邵薇薇(1981—),女,江蘇南通人,高級工程師,博士,主要從事水文水資源研究。E-mail:shaoww@iwhr.com