甘肅北部棉花灌溉保證率分析

李松敏，韓娜娜，周青云，王仰仁

(天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津 300384)

0 引 言

甘肅位于中國西北內(nèi)陸，地域狹長，是我國水資源短缺的省份之一。隨著工業(yè)和城市用水量的逐年增加，農(nóng)業(yè)缺水矛盾更加突出。因此，在保證最高效益的基礎(chǔ)上做到節(jié)水灌溉，對減少水資源利用具有重要意義。灌溉設(shè)計保證率作為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟分析的一項重要技術(shù)指標(biāo)，受到供水水源的制約，不合理的灌溉設(shè)計保證率阻礙著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。尹正杰[1]等人對北方的幾個灌區(qū)的灌溉保證率進行分析，表明現(xiàn)行灌溉保證率指標(biāo)沒有考慮到缺水的時間效應(yīng)和程度效應(yīng)，不能客觀反映灌溉供水的實際效果。趙惠新等[2]曾提出，目前我國的灌溉保證率標(biāo)準(zhǔn)普遍偏低，已經(jīng)基本不能滿足我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水的需求，嚴重阻礙了我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。因此，選定合理的灌溉設(shè)計保證率，將直接影響灌區(qū)的經(jīng)濟效益。發(fā)展節(jié)水灌溉，需要依據(jù)自然科學(xué)，實現(xiàn)可持續(xù)的高效節(jié)水。

1 灌溉保證率分析理論方法

1.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量

參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Menteith)公式(1998年)[3-7]和甘肅瓜州地區(qū)水文站的氣象資料計算。

1.2 作物生長期的需水量

作物需水量是指作物在適宜的土壤水分和肥力下，經(jīng)過正常生長發(fā)育，獲得高產(chǎn)時的植株蒸騰、顆間蒸發(fā)以及構(gòu)成植株體的水量之和?，F(xiàn)有作物需水量的計算普遍推薦采用的方法是通過計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量來計算作物需水量的間接法。其主要過程是首先利用氣象因子計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量，然后乘以作物系數(shù)而得到。計算公式見式(1)：

ETm=KcET0

(1)

式中：ETm為作物生長期內(nèi)的作物需水量，mm；ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm；Kc為生長期的作物系數(shù)。

1.3 作物灌溉供水量

作物的灌溉供水量由公式(2)來確定：

M=ETm-βP

(2)

式中：M為作物生長期內(nèi)的灌溉供水量，mm；P為相應(yīng)時段內(nèi)的降水量，mm；β為作物的降水利用系數(shù)，

若P<2 mm，則取值為0；若2 mm

1.4 作物產(chǎn)量

由于某一階段受旱引起的減產(chǎn)量，不僅與本階段的水分敏感指數(shù)和水分虧缺程度有關(guān)，而且還與其他階段是否受旱有密切的關(guān)系。以階段相對騰發(fā)量為自變量建立的階段水分虧缺對產(chǎn)量影響的乘法模型反應(yīng)了階段受旱對作物產(chǎn)量影響的相關(guān)性，較其他模型更符合作物的生長過程特性。為此作物產(chǎn)量的計算采用國內(nèi)外學(xué)者普遍選擇的Jensen模型[3,4]：

(3)

式中：n為階段劃分的數(shù)目；λ為水分敏感指數(shù)，此值的大小反應(yīng)該作物某一階段缺水后引起的減產(chǎn)程度，即λ值越大，減產(chǎn)率越大，詳見表1；Ya為作物實際產(chǎn)量，kg/hm2；Ym為作物潛在產(chǎn)量，kg/hm2。

表1 敏感指數(shù)及作物系數(shù)表

1.5 增產(chǎn)效益

作物增產(chǎn)效益指的是灌水之后所得的效益值與未灌水時所得的效益值之差，再扣除所用水的費用，見式(4)：

P效益=(Y-Y0)PY-10PwM

(4)

式中：P效益為每公頃作物的增產(chǎn)效益，元/hm2；Y為灌水后的平均產(chǎn)量，kg/hm2；Y0為未灌水時的平均產(chǎn)量，kg/hm2；Pw為灌溉用水價格，元/m3；PY為作物收購價格，元/kg。

2 甘肅瓜州地區(qū)棉花灌溉保證率分析

2.1 模型參數(shù)及取值

甘肅瓜州地區(qū)棉田土壤容重取γ=1.42 t/m3，田間持水率為30%，凋萎含水率為10%。單次灌水用水量設(shè)為H=55 mm，將棉花的生長階段分為了播種出苗期、苗期-蕾期、蕾期-花鈴期、花鈴期-吐絮期4個階段。作物系數(shù)根據(jù)FAO推薦的作物系數(shù)，結(jié)合當(dāng)?shù)卦囼炚镜脑囼炠Y料所得[8]，各階段λ值參考甘肅平?jīng)龅貐^(qū)棉花的λ值[8]，具體數(shù)值見表1。

2.2 作物需水量計算結(jié)果

根據(jù)甘肅瓜州地區(qū)1983-2012年的氣象資料，利用公式(1)計算出甘肅瓜州地區(qū)多年棉花的作物需水量，結(jié)果見圖1。

圖1 多年棉花作物需水量

2.3 灌溉供水量的確定

利用公式(2)和1983-2012年甘肅瓜州地區(qū)降水量資料計算出30 a的灌溉供水量，結(jié)果見表2，對這30年的灌溉供水量進行頻率分析，得出不同灌溉設(shè)計保證率下的灌溉供水量及其典型年，見表3。

表2 多年棉花灌溉供水量

表3 不同灌溉設(shè)計保證率下的灌溉供水量

2.4 灌水次數(shù)對效益的影響

在研究甘肅瓜州地區(qū)棉花30年長系列資料時，假定30年每年灌水均在相同時間進行，在其灌水次數(shù)一定條件下，對30年的棉花資料運用模式搜索法[9]進行計算分析，先確定出作物在其生長期內(nèi)灌水日期，通過模擬計算，繼而得到增產(chǎn)效益的最大值。隨著灌水次數(shù)的不斷增長，增產(chǎn)效益持續(xù)呈現(xiàn)上升趨勢，直至增產(chǎn)效益值不再增加，出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象則停止計算。為此，可得出該地區(qū)棉花的最優(yōu)灌水次數(shù)和其最大增產(chǎn)效益，從而可得到最優(yōu)的灌溉設(shè)計保證率。增產(chǎn)效益和灌水次數(shù)的關(guān)系如圖2，增產(chǎn)效益和灌溉保證率的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 效益隨灌水次數(shù)變化圖

圖3 效益隨灌溉保證率變化圖

由圖2和圖3可知，假定灌水10次，在單次灌水定額一定的情況下，灌水量隨著灌水次數(shù)的增加而增大。同時灌溉設(shè)計保證率不斷增加，棉花的產(chǎn)量也是持續(xù)上升。但對其凈增長效益的影響卻是先升后降。以灌溉設(shè)計保證率50%左右為界，之前隨著保證率的增長，效益增長較快，而后其變化趨勢變得比較平緩。在灌水次數(shù)為8次時出現(xiàn)了增產(chǎn)效益的最大值，分別在“播種-出苗期”的第18天，“苗期-蕾期”的第32天，“蕾期-花鈴期”內(nèi)的第34天、第50天、第55天和第64天，“花鈴期-吐絮期”第20天和第37天進行灌水，其效益最大值為34 118.4元/hm2。此時增產(chǎn)效益曲線出現(xiàn)拐點，隨后灌溉設(shè)計保證率增加，凈增產(chǎn)效益值減少。對應(yīng)得出的最優(yōu)灌溉設(shè)計保證率為53%。與現(xiàn)行的規(guī)范[10]中規(guī)定的“以旱作為主的缺水地區(qū)的灌溉設(shè)計保證率為50%～75%”是相近的，同時也說明了現(xiàn)有規(guī)范中的灌溉設(shè)計保證率建議值的合理性。

3 結(jié) 語

通過對甘肅瓜州地區(qū)棉花的最優(yōu)灌溉設(shè)計保證率的計算與分析，利用模式搜索法進行灌溉時間上的優(yōu)化，得出棉花灌水次數(shù)在8次時經(jīng)濟效益最大，這時灌水總量為440 mm，對應(yīng)最大增產(chǎn)效益為34 118.4元/hm2，所以在甘肅瓜州地區(qū)比較適宜的灌水量為440 mm，對應(yīng)最優(yōu)灌溉設(shè)計保證率為53%，為甘肅北部地區(qū)棉花的節(jié)水灌溉提供了理論依據(jù)。

[1] 尹正杰，王小林，胡鐵松，等．灌溉供水可靠度的經(jīng)濟設(shè)計[J]．灌溉排水學(xué)報，2005，(2)：52-54.

[2] 趙惠新，李兆宇．關(guān)于提高灌溉設(shè)計保證率的必要性分析[J]．中國農(nóng)村水利水電，2011(6 )：52-54.

[3] Allen R G, Pereira L S, Raes D, Smith M. Crop evapotranspiration[J]. FAO Irrigation and Drainage Paper, 1998:23-28.

[4] 王仰仁，孫小平．山西農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與作物高效用水模式[M]．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社．2003：41-44，86-95．

[5] 劉 鈺，PereiraL S，Teixeira J L等．參照騰發(fā)量的新定義及計算方法對比[J]．水利學(xué)報，1997,(6)：27-33．

[6] 蔡學(xué)良，崔遠來，宋志強，等．陡山灌區(qū)實時灌溉預(yù)報研究[J]．灌溉排水學(xué)報，2003，22(3)：33-36．

[7] 張 麗，魏曉妹，趙鳳偉，等．寶雞峽灌區(qū)農(nóng)田灌溉水量供需平衡分析[J]．人民黃河，2007，29(4)：46-48．

[8] 段愛旺，孫景生，劉 鈺，等．北方地區(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額[M]．1版，北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[9] 尚松浩．水資源系統(tǒng)分析方法及應(yīng)用[M]．1版，北京：清華大學(xué)出版社，2006：87-88.

[10] GB 50288-1999，灌溉排水工程設(shè)計規(guī)范[S].