安達(dá)市灌溉用水需求與節(jié)水灌溉發(fā)展面積閾值分析

管孝艷，呂 燁，韓松俊，彭國(guó)明

(1.國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048；3.黑龍江省安達(dá)市水務(wù)局，黑龍江 安達(dá) 151400)

水資源短缺已成為制約我國(guó)糧食穩(wěn)定發(fā)展的主要瓶頸，干旱災(zāi)害已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要威脅，發(fā)展節(jié)水灌溉已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[1-3]。準(zhǔn)確的分析灌溉用水需求及節(jié)水灌溉面積發(fā)展閾值，對(duì)合理選擇區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式與發(fā)展速度，促進(jìn)水資源可持續(xù)利用具有重大的意義[4]。

用水需求預(yù)測(cè)始于大約100 年前的美國(guó)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)60年代起就開(kāi)始重視對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門未來(lái)用水量的預(yù)測(cè)，1980年前后，在中國(guó)農(nóng)業(yè)區(qū)劃工作的帶動(dòng)下，開(kāi)展了水資源調(diào)查評(píng)價(jià)和水資源利用評(píng)價(jià)工作。薛小杰利用改進(jìn)的徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)黃河流域的農(nóng)業(yè)需水進(jìn)行了預(yù)測(cè)[5]；劉小花根據(jù)開(kāi)封市的歷年地下水、地表水及引黃水的系列資料，采用時(shí)間序列方法進(jìn)行了開(kāi)封市農(nóng)業(yè)灌溉用水的預(yù)測(cè)[6]。黃修橋?qū)ξ覈?guó)中長(zhǎng)期灌溉用水需求進(jìn)行了分析，并總結(jié)了適合我國(guó)國(guó)情的節(jié)水灌溉發(fā)展模式[4]。甘紅分析了中國(guó)東北農(nóng)業(yè)灌溉水資源保障及空間差異，構(gòu)建了農(nóng)業(yè)灌溉水資源保障度分析模型[7]。實(shí)際上影響農(nóng)業(yè)用水的因素復(fù)雜多變，若簡(jiǎn)單地根據(jù)灌溉定額預(yù)測(cè)用水量和灌溉面積發(fā)展規(guī)模會(huì)造成較大誤差，而更加準(zhǔn)確的確定作物需水量，并據(jù)此來(lái)確定灌溉需水將進(jìn)一步提高灌溉用水需求及節(jié)水灌溉面積發(fā)展規(guī)模的研究精度。

為合理利用有限的水資源，大力發(fā)展高效節(jié)水灌溉，提高糧食綜合生產(chǎn)能力，推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)，2012-2015年國(guó)家實(shí)施了東北四省區(qū)(黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古) “節(jié)水增糧行動(dòng)”[8]。黑龍江省安達(dá)市以此為契機(jī)，建設(shè)國(guó)家級(jí)高效節(jié)水灌溉示范區(qū)，本文以安達(dá)市節(jié)水增糧行動(dòng)為背景，研究分析安達(dá)市灌溉用水需求及節(jié)水灌溉面積發(fā)展閾值，以期為安達(dá)市高效節(jié)水灌溉的發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

安達(dá)市位于黑龍江省西南部，屬于松花江流域和松嫩平原腹地，境內(nèi)無(wú)天然江河，地處中溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷、干燥，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)200 d以上，夏季雨熱同期，氣溫變化大，日照時(shí)間長(zhǎng)，降雨時(shí)空分布不均，風(fēng)多風(fēng)大、頻率高，土壤蒸發(fā)量大，春夏之交干旱頻生。多年平均氣溫3.3℃，多年平均降水量405.3 mm，降水年內(nèi)分配不均，6-8月降水量占全年降水量的65.6%，年均蒸發(fā)量(E601)888.2 mm，≥10 ℃的年均積溫2 914 ℃，無(wú)霜期141 d，平均日照2 659 h，凍土層深度2.14 m。年平均風(fēng)速2.6 m/s，風(fēng)向多為西北風(fēng)。

安達(dá)市總面積3 586 km2，其中耕地面積為1 282 km2，現(xiàn)狀總灌溉面積為5.2萬(wàn)hm2，均為旱田，其中節(jié)水灌溉面積為1.70萬(wàn)hm2，均為噴灌工程。在節(jié)水增糧行動(dòng)中，安達(dá)市集中連片大規(guī)模推廣應(yīng)用玉米高效節(jié)水灌溉技術(shù)，2012-2015年安達(dá)市“節(jié)水增糧行動(dòng)”總灌溉面積為4.88萬(wàn)hm2，其中改造2.16 萬(wàn)hm2，新增2.72萬(wàn)hm2[9](見(jiàn)表1)。安達(dá)市節(jié)水增糧行動(dòng)的水源主要為地下水。

表1 安達(dá)市節(jié)水增糧行動(dòng)灌溉面積 萬(wàn)hm2

2 水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀及潛力

安達(dá)市地表水資源比較貧乏，屬于地表徑流量低值區(qū)，根據(jù)《松遼流域水資源綜合規(guī)劃》，確定安達(dá)市多年平均徑流深僅為11.5 mm，由此分析計(jì)算安達(dá)市地表水資源量?jī)H為4 124萬(wàn)m3。根據(jù)黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院2005年完成的《黑龍江省水資源綜合規(guī)劃地下水資源量評(píng)價(jià)報(bào)告》，安達(dá)市全市地下水資源量為2.141 4億m3。地下水可開(kāi)采量為1.698 億m3。安達(dá)市地表水資源量為4 124萬(wàn)m3，地下水資源量為2.141 4 億m3，重復(fù)計(jì)算量為1 080萬(wàn)m3，安達(dá)市水資源總量2.445 8 億m3。

安達(dá)市現(xiàn)狀供水水源主要為地下水，現(xiàn)狀地下水供水量為1.127 7 億m3。安達(dá)市近10 a來(lái)地下水資源開(kāi)采量見(jiàn)表2。

表2 安達(dá)市近10 a來(lái)地下水資源開(kāi)采量表 萬(wàn)m3

現(xiàn)狀年安達(dá)市總用水量1.129 2億m3，其中地表水15萬(wàn)m3，受當(dāng)?shù)氐乇硭Y源條件的限制，地表水利用率雖然僅為0.12%，但是由于當(dāng)?shù)氐乇硭Y源量較少，地表徑流豐枯變化大，產(chǎn)流條件差，剩余可利用量無(wú)法加以利用。地下水用水量為1.127 7 億m3，當(dāng)?shù)氐叵滤砷_(kāi)采量1.698 0億m3，地下水開(kāi)采率為66.41%，剩余可開(kāi)采量為5 708萬(wàn)m3。地下水開(kāi)采程度稍高，但尚有部分用水潛力。而現(xiàn)有地表水蓄水工程調(diào)蓄能力有限，除了現(xiàn)有塘壩春季播種坐水(15萬(wàn)m3)，剩余水量無(wú)法充分利用，安達(dá)市地表水資源開(kāi)發(fā)利用潛力不大。

根據(jù)《黑龍江省安達(dá)市節(jié)水增糧行動(dòng)水資源論證報(bào)告》[10]，安達(dá)市90%頻率年大氣降雨量為316.5 mm， 90%頻率年的地下水可開(kāi)采量6 759.84萬(wàn)m3。

3 灌溉需水量分析

氣象要素變化引起的蒸散發(fā)能力的變化將影響作物需水量，進(jìn)而與降水量的變化一起影響研究區(qū)域灌溉需水量，從而影響區(qū)域灌溉定額制定、灌溉需水預(yù)測(cè)和用水管理。計(jì)算作物需水量最經(jīng)典也是最常用方法是作物系數(shù)法，即：

ETc=KcET0

(1)

式中：ETc為作物需水量，mm；ET0是參照騰發(fā)量，mm；Kc是作物系數(shù)。

為了分析氣象要素變化對(duì)研究區(qū)作物需水量和灌溉需水量的影響，本研究采用FAO推薦的分段單值平均法計(jì)算1956-2014年灌區(qū)主要作物玉米的作物需水量的變化。研究區(qū)域玉米與4月底播種，9月底收獲，生長(zhǎng)期約150 d。初始作物系數(shù)取0.4，生育中期作物系數(shù)取1.15，Kcend取0.35。

作物需水量一部分可以由天然降雨供給，另一部分需由灌溉補(bǔ)充。所謂凈灌溉需水量是指為保證作物正常生長(zhǎng)并取得高產(chǎn)而需要通過(guò)灌溉補(bǔ)充給作物的水量。它是作物需水量與有效降雨量之差。由每種作物各月的凈灌溉需水量可以計(jì)算整個(gè)灌區(qū)各月的綜合凈灌溉需水量，計(jì)算公式如下：

NIR=ETc-PcETc>Pe

(2)

NIR=0ETc≤Pe

(3)

式中：NIR為凈灌溉需水量，mm；ETc為作物需水量，mm；Pe是作物生育期內(nèi)的有效降雨量，mm；P是實(shí)際降雨量，mm。

有效降雨量采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦的方法來(lái)計(jì)算[11-13]：

(4)

可以看出，研究區(qū)內(nèi)作物需水量和凈灌溉需水量都具有顯著下降的趨勢(shì)(見(jiàn)圖1)。

圖1表明作物需水量和凈灌溉需水量受到氣象要素變化的影響，近5 a玉米的作物需水量為418.1 mm，而單位面積凈灌溉需水量為101.4 mm。

圖2給出了1956-2014年和1990-2009年多年平均的月作物需水量ETc和凈灌溉需水量NIR變化。玉米6-8月作物需水量和凈灌溉需水量較大，其中近5 a 8月份灌溉需水量最大，達(dá)到37.2 mm。

4 節(jié)水灌溉發(fā)展面積閾值分析

節(jié)水灌溉發(fā)展的規(guī)模與工農(nóng)業(yè)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人口變化與糧食生產(chǎn)、土地利用狀態(tài)、水資源開(kāi)發(fā)、能源、物資的消耗、水利工程建設(shè)、灌溉發(fā)展、建設(shè)方針政策、資金的投入等因素有關(guān)，其中任一因素供求關(guān)系的變化都將影響灌溉節(jié)水的發(fā)展。東北節(jié)水增糧行動(dòng)中水資源是制約節(jié)水灌溉發(fā)展的最主要因素，本文僅討論水資源約束下的節(jié)水灌溉發(fā)展面積閾值。

圖1 安達(dá)氣象站1956-2014玉米作物需水量ETc和凈灌溉需水量NIR變化過(guò)程

圖2 1956-2014年和1990-2009年多年平均的玉米月平均作物需水量ETc和凈灌溉需水量NIR變化

根據(jù)表1中節(jié)水灌溉面積的發(fā)展情況和灌溉用水需求分析的結(jié)果，同時(shí)，依據(jù)《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50363-2006)要求，噴灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)不應(yīng)低于0.8，滴灌區(qū)不應(yīng)低于0.9，本研究中取噴灌灌溉水利用系數(shù)取0.88，滴灌灌溉水利用系數(shù)取0.95?？梢缘玫桨策_(dá)市的農(nóng)業(yè)灌溉需水量為5 560.88 萬(wàn)m3，其中噴灌需水量為4 762.8萬(wàn)m3，膜下滴灌需水量為798.08萬(wàn)m3。

根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50085-2007)以及《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50485-2009)，確定地下水噴灌灌溉設(shè)計(jì)保證率為90%，地下水滴灌設(shè)計(jì)保證率為85%。參考《黑龍江省安達(dá)市“節(jié)水增糧行動(dòng)”實(shí)施方案》(2012-2015年)，玉米噴灌設(shè)計(jì)灌溉凈定額為975 m3/hm2，玉米膜下滴灌設(shè)計(jì)灌溉凈定額為525 m3/hm2。根據(jù)《國(guó)家農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要(2012-2020年)》和《全國(guó)農(nóng)田水利“十三五”規(guī)劃報(bào)告》，按照節(jié)水灌溉發(fā)展“因地制宜、分區(qū)實(shí)施”的原則，東北地區(qū)合理發(fā)展膜下滴灌、噴灌，在有規(guī)?；鳁l件的地區(qū)集中連片發(fā)展大中型季下滑行走式噴灌。安達(dá)市制定了以噴灌為主，膜下滴灌為輔的節(jié)水灌溉發(fā)展思路。據(jù)此，我們制定了5種不同節(jié)水灌溉發(fā)展規(guī)模(噴微灌比例)，計(jì)算得到安達(dá)市節(jié)水增糧行動(dòng)后仍可以發(fā)展的節(jié)水灌溉面積閾值如表3所示。

表3 安達(dá)市節(jié)水增糧行動(dòng)后節(jié)水灌溉面積發(fā)展閾值

安達(dá)市節(jié)水灌溉面積的發(fā)展與群眾意愿和土地流轉(zhuǎn)的程度密切相關(guān)，今后進(jìn)一步根據(jù)水資源的約束條件以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展速度，合理確定高效節(jié)水灌溉模式及其發(fā)展規(guī)模將是節(jié)水增糧行動(dòng)實(shí)施以后安達(dá)市發(fā)展節(jié)水灌溉需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)安達(dá)市“節(jié)水增糧行動(dòng)”總灌溉面積為4.88 萬(wàn)hm2，地表水資源比較貧乏且開(kāi)發(fā)利用潛力不大，節(jié)水增糧行動(dòng)的水源主要為地下水，90%頻率年的地下水可開(kāi)采量6 759.84萬(wàn)m3。

(2)基于作物系數(shù)法計(jì)算的玉米灌溉需水量表明，由于作物需水量和凈灌溉需水量受到氣象要素變化的影響，作物需水量和凈灌溉需水量都具有顯著下降的趨勢(shì)，近5 a玉米的作物需水量為418.1 mm，而單位面積凈灌溉需水量為101.4 mm，8月份灌溉需水量最大，達(dá)到37.2 mm。

(3)安達(dá)市的農(nóng)業(yè)灌溉需水量為5 560.88萬(wàn)m3，其中噴灌需水量為4 762.8萬(wàn)m3，膜下滴灌需水量為798.08萬(wàn)m3。在水資源約束下的節(jié)水灌溉發(fā)展面積閾值為節(jié)水增糧行動(dòng)后地下水可開(kāi)采量1 198.96萬(wàn)m3，擬定的5種節(jié)水灌溉發(fā)展模式(100%噴灌、90%噴灌+10%膜下滴灌、80%噴灌+20%膜下滴灌、70%噴灌+30%膜下滴灌、60%噴灌+40%膜下滴灌)下可發(fā)展灌溉面積閾值分別為1.23、1.34、1.44、1.55和1.65萬(wàn)hm2。

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[8] 關(guān)于支持黑龍江省 吉林省 內(nèi)蒙古自治區(qū) 遼寧省實(shí)施“節(jié)水增糧行動(dòng)”的意見(jiàn)(財(cái)農(nóng)[2011]502號(hào))(EB/OL).http:∥nys.mof.gov.cn/zhengfuxinxi/.

[9] 中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，黑龍江省安達(dá)市水務(wù)局.黑龍江省安達(dá)市“節(jié)水增糧行動(dòng)”實(shí)施方案(2012-2015年)[R]. 2012.

[10] 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 黑龍江省安達(dá)市節(jié)水增糧行動(dòng)水資源論證報(bào)告[R]. 2013.

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