海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算工作的若干思考

丁志宏，鄧方方，解文靜

海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算工作的若干思考

丁志宏1，鄧方方2，解文靜3

（1.天津市中水科技咨詢有限責(zé)任公司，天津300170；2.河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050021；3.水利部海河水利委員會(huì)，天津300170）

為了便于開展海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算工作，推導(dǎo)了流域尺度上的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算公式，概括了農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力概念的3個(gè)層次，梳理了3個(gè)概念層次上的節(jié)水潛力計(jì)算流程，論述了計(jì)算過程中的若干技術(shù)要點(diǎn)，以期為有關(guān)方面開展流域尺度上的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算工作提供技術(shù)參考。

海河流域；農(nóng)業(yè)灌溉；節(jié)水潛力；計(jì)算公式；潛力層次；計(jì)算流程；技術(shù)要點(diǎn)

定量地分析和評(píng)價(jià)流域農(nóng)業(yè)灌溉的節(jié)水潛力是流域機(jī)構(gòu)開展農(nóng)業(yè)節(jié)水管理工作的重要技術(shù)支撐和工作內(nèi)容。所謂農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，可以理解為是現(xiàn)狀水平年農(nóng)業(yè)灌溉需水量與規(guī)劃水平年農(nóng)業(yè)灌溉需水量之間的差值，是現(xiàn)狀值與期望值之間的差值。則，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的大小是與現(xiàn)狀水平年的農(nóng)業(yè)灌溉需水量、種植結(jié)構(gòu)、節(jié)水水平、節(jié)水措施、節(jié)水措施實(shí)施面積以及規(guī)劃水平年的農(nóng)業(yè)灌溉需水量、種植結(jié)構(gòu)、節(jié)水水平、節(jié)水措施、節(jié)水措施實(shí)施面積、節(jié)水規(guī)劃投資額、相關(guān)方面的利益主體的積極性等諸多技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)因素有關(guān)的復(fù)雜因變量，是用水結(jié)構(gòu)、節(jié)水模式、規(guī)劃水平、投資力度、利益調(diào)整等相關(guān)因素綜合作用的結(jié)果，是一種未來水平年可能得以實(shí)現(xiàn)的“最大”或“潛在”的節(jié)水量，具有復(fù)雜性、尺度性、動(dòng)態(tài)性、敏感性等特點(diǎn)。

綜上所述，流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的實(shí)現(xiàn)過程是一個(gè)涉及自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等多維度影響因子的復(fù)雜系統(tǒng)工程，而流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力量值的計(jì)算、分析與評(píng)價(jià)是此項(xiàng)系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)性技術(shù)工作。

1 計(jì)算公式

基于“真實(shí)節(jié)水”的概念[1]，本文以作物土壤層作為研究對(duì)象，構(gòu)建土壤水量平衡概念模型[2]，如圖1所示。考慮可能出現(xiàn)的各種水量要素，建立水量

式中：ΔW土壤為土壤含水量的變化量（mm）；P為冠層截流后到達(dá)地面的降水量（mm）；Rp為降水產(chǎn)生的地表徑流（mm）；Sp為降水產(chǎn)生的深層滲漏（mm）；Igross為理論毛灌溉需水量（mm）；Ri為灌溉產(chǎn)生的地表徑流（mm）；Si為灌溉產(chǎn)生的深層滲漏（mm）；Rpr和Spr分別為降水產(chǎn)生的地表徑流（mm）和深層滲漏的重復(fù)利用量（mm）；Rir和Sir分別為灌溉產(chǎn)生的地表徑流（mm）和深層滲漏的重復(fù)利用量（mm）；GR為地下水補(bǔ)給（不包括灌溉和降雨滲入地下水的水量對(duì)土壤的補(bǔ)給）（mm）；ETf為滿足作物正常生長(zhǎng)所需的蒸騰蒸發(fā)量，即作物需水量（mm）；Ls為土壤水側(cè)向流出研究區(qū)域的水量（mm）；Win為其它入流項(xiàng)（mm），如從研究區(qū)域外進(jìn)入研究區(qū)域土壤層的引水量或入流量等。平衡方程如下：

圖1 土壤水量平衡概念模型

對(duì)式（1）進(jìn)行變換，得：

式中：等號(hào)的左邊是凈灌溉需水量，記為理論凈灌溉需水量Inet，等號(hào)的右邊是有效灌溉供水量；βET為作物灌溉調(diào)節(jié)系數(shù)；其余變量含義同上。

假設(shè)降水的回歸水重復(fù)利用量為傳統(tǒng)的降水損失乘以降水回歸水利用系數(shù)βp，記為Rpr+Spr= (Rp+Sp)βp，則理論凈灌溉需水量計(jì)算公式為：

式中：Pe為有效降水量（mm）；其余變量含義同上。

當(dāng)計(jì)算時(shí)段為年時(shí)，土壤含水量的變化ΔW土壤很小，可忽略不計(jì)；土壤層水分運(yùn)動(dòng)以垂向?yàn)橹?，因此土壤層的水分?cè)向流出量Ls一般較小，也可忽略不計(jì)。則，理論凈灌溉需水量計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

假設(shè)灌溉回歸水重復(fù)利用量為傳統(tǒng)的灌溉損失乘以灌溉回歸水利用系數(shù)βi，記為：

式中：Iloss為灌溉損失量（mm）；其余變量含義同上。

由于Iloss=Igross(1-ηi)，其中ηi為灌溉水利用系數(shù)，則式（5）可改寫為：

將式（6）進(jìn)一步簡(jiǎn)化，可得：

式（7）也可寫作：

式（7）中的理論毛灌溉需水量是考慮了作物需水量、降水和灌溉回歸水的重復(fù)利用情況下的理論毛灌溉需水量，有別于傳統(tǒng)意義上的毛灌溉節(jié)水量。

實(shí)施節(jié)水措施后的理論毛灌溉需水量計(jì)算公式為：

則農(nóng)業(yè)理論節(jié)水潛力ΔW計(jì)算公式為：

基于如下假設(shè)，將式（4）和（7）從灌區(qū)尺度推廣到流域尺度上：在流域尺度上考慮，降水損失所形成的回歸水重復(fù)利用量為零，即認(rèn)為降水損失所形成的地表和地下水的回歸水是被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)以外的生活、工業(yè)或生態(tài)系統(tǒng)加以利用而未回歸到農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中得以重復(fù)利用，因而βp=0；灌溉損失水量的重復(fù)利用量為零，即認(rèn)為灌溉損失所形成的地表和地下水的回歸水是被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)以外的生活、工業(yè)或生態(tài)系統(tǒng)加以利用而未回歸到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中得以重復(fù)利用，因而βi=0。

基于上述假設(shè)，式（4）變?yōu)椋?/p>

式（7）變?yōu)椋?/p>

式（11）變?yōu)椋?/p>

式中：ET′f、P′e、G′R分別為實(shí)施節(jié)水措施后的作物正常需水量（mm）、有效降水量（mm）、地下水補(bǔ)給量（mm）；其余變量含義同上。

鑒于海河流域地下水現(xiàn)狀埋深普遍較大且平原區(qū)地下水超采嚴(yán)重的實(shí)際，不考慮地下潛水對(duì)作物補(bǔ)給作用的變化，也不考慮降水有效利用系數(shù)的變化，則式（11）變?yōu)椋?/p>

式（15）即為本文提出的流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算的基本公式，其節(jié)水潛力計(jì)算的基準(zhǔn)是現(xiàn)狀年的作物灌溉需水量，而非現(xiàn)狀年的作物實(shí)際灌溉水量，主要是考慮從作物本身生長(zhǎng)對(duì)水分的需求出發(fā)來探索未來節(jié)水潛力更有意義，更主要的是由于現(xiàn)狀年作物實(shí)際灌溉水量組成復(fù)雜、灌溉對(duì)作物需水的滿足程度差異較大，受降水因素、經(jīng)濟(jì)因素和農(nóng)民灌溉意愿的影響較大，缺乏各類作物詳細(xì)灌溉水量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，難以衡量，用于計(jì)算缺乏實(shí)際可行性。

2 潛力層次

由式（15）可知，流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的來源主要有以下兩個(gè)方面（從實(shí)際灌溉實(shí)踐出發(fā)，本文不考慮調(diào)虧灌溉等改變?chǔ)翬T的節(jié)水措施）：①改變?chǔ)莍的值，即提高灌溉水利用系數(shù)。通過一定的節(jié)水技術(shù)工程措施，直接減少農(nóng)業(yè)用水過程中的水量損失，從而減少對(duì)水資源的直接消耗量，本研究稱之為節(jié)水的第1層次，即工程型節(jié)水潛力；②改變ETf的值，即降低農(nóng)作物潛在需水量。降低作物潛在需水量的途徑有2個(gè)：第1個(gè)途徑是在第1層次節(jié)水的基礎(chǔ)上，通過施加其它的節(jié)水措施，提高作物將環(huán)境要素轉(zhuǎn)化為糧食干物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率，使得單位用水量所產(chǎn)出的干物質(zhì)數(shù)量有明顯增加，即通過提高水分生產(chǎn)效率來減少對(duì)水資源的總需求量，本研究稱之為節(jié)水的第2層次，即效率型節(jié)水潛力，在保證現(xiàn)有灌溉面積上的干物質(zhì)總量不變的基礎(chǔ)上，依靠田間農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)措施可以使作物潛在需水量減少的數(shù)值；第2個(gè)途徑是：在確保糧食安全和農(nóng)民收入不降低的前提下，改變作物種植結(jié)構(gòu)，通過需水側(cè)的需水作物種類的結(jié)構(gòu)性變化來減少作物潛在需水量，進(jìn)而減少灌溉需水量，本研究稱之為節(jié)水的第3層次，即結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力。

綜上所述，本文所定義的第1層次、第2層次和第3層次節(jié)水潛力，即工程型、效率型和結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力，其計(jì)算公式分別如下所述：

2.1 工程型節(jié)水潛力

工程型節(jié)水潛力計(jì)算公式為：

式中：η1和η2分別表示采用節(jié)水技術(shù)前后的工程型水分利用系數(shù)，即灌溉水利用系數(shù)；I需表示分區(qū)的作物凈灌溉需水量（m3），取決于作物的蒸騰蒸發(fā)量ET（mm）、降水P（mm）、降水有效利用系數(shù)α、地下水利用量G（mm）以及作物種植面積A（hm2）。

式中：i表示分區(qū)內(nèi)的作物種類；Ai為第i種作物種植面積（hm2）；ETi為第i種作物的需水量，即蒸騰蒸發(fā)量（mm）；其余變量含義同上。

2.2 效率型節(jié)水潛力

效率型節(jié)水潛力計(jì)算公式為：

式中：?1表示通過調(diào)整作物生理過程所能產(chǎn)生的農(nóng)田耗水減少的百分比；?2表示通過采用滴灌等節(jié)水灌溉措施和秸稈覆蓋等農(nóng)藝措施使得農(nóng)田耗水減少的百分比[4]；其余變量含義同上。

2.3 結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力

結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力計(jì)算公式為：

式中：I規(guī)需表示分區(qū)規(guī)劃水平年的作物灌溉需水量（m3）；I現(xiàn)需表示分區(qū)現(xiàn)狀水平年的作物灌溉需水量（m3）；Ai規(guī)為規(guī)劃水平年的第i種作物的種植面積（hm2）；Ai現(xiàn)為現(xiàn)狀水平年的第i種作物的種植面積（hm2）；其余變量含義同上。

必須指出的是，流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的3個(gè)層次之間不能簡(jiǎn)單相加而得出總體節(jié)水潛力。

3 技術(shù)要點(diǎn)

在開展海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算、分析和評(píng)價(jià)工作的過程中，有一些需要注意的問題，現(xiàn)集中闡述如下：

3.1 作物需水量的計(jì)算

作物需水量的計(jì)算可以采用2種途徑：一是在流域降水量站點(diǎn)數(shù)量較多、分布較為均勻、系列長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，可以先根據(jù)同期的氣象數(shù)據(jù)采用Penman-monteith公式計(jì)算選定的代表性作物的參考作物騰發(fā)量ET0，再選擇適宜的作物系數(shù)進(jìn)而求得長(zhǎng)系列的作物需水量。此種方法的好處是可以考慮降水量和參考作物騰發(fā)量這2個(gè)農(nóng)作物理論需水量的主要影響因素的耦合作用，將農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估工作的標(biāo)準(zhǔn)由單一考慮降水量的不同頻率推進(jìn)到同時(shí)考慮降水量和參考作物騰發(fā)量的不同頻率組合這一新的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)[5]，不足之處是需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較多、基礎(chǔ)計(jì)算工作量較大、作物系數(shù)確定較為困難，對(duì)基礎(chǔ)資料的齊備程度和詳細(xì)程度要求較高。二是采用流域內(nèi)的各省級(jí)行政區(qū)的水行政主管部門頒布的農(nóng)業(yè)灌溉用水定額標(biāo)準(zhǔn)，流域灌溉需水量作為農(nóng)田水利工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和灌溉用水管理的重要參數(shù)，長(zhǎng)期以來一直受到水利科學(xué)界的重視，各級(jí)水利部門開展了大量的灌溉試驗(yàn)工作，取得了豐富的作物灌溉需水量成果，各?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）都提出了各自行政區(qū)域范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)灌溉用水定額，在計(jì)算節(jié)水潛力時(shí)可以直接引用，采用這種方法的不足之處是只能計(jì)算灌溉定額標(biāo)準(zhǔn)中給定的降水頻率下的作物需水量，不能同時(shí)考慮降水量和參考作物騰發(fā)量的不同頻率組合。

3.2 現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)的確定

現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，尤其是冬小麥、春玉米、夏玉米、棉花、水稻、花生、大豆等大田作物的種植面積，是農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力計(jì)算的現(xiàn)狀用水端的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以通過查閱有關(guān)?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）的農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒、水利統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)附表等來獲取。

3.3 種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方向

農(nóng)業(yè)灌溉用水是海河流域的用水大戶，占海河平原區(qū)總用水量的75%，是導(dǎo)致地下水超采的主要原因，特別是在冬小麥生育期，實(shí)際耗水量遠(yuǎn)大于有效降水量，降水對(duì)冬小麥的水分滿足率很低，以地下水為主要水源的人工灌溉成為糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保障。相比之下，玉米因?yàn)槠渖谠谙那飪杉?，降水量較為集中，與海河流域降水量的年內(nèi)分布特征匹配度較好，對(duì)人工灌溉的需求量相對(duì)較小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，華北平原冬小麥的播種面積自1998年以來的近20年間出現(xiàn)了一定程度的減少，長(zhǎng)期以來占主導(dǎo)地位的冬小麥—夏玉米一年兩熟耕作制度在部分區(qū)域已演變?yōu)榇?夏玉米一年一熟制，夏玉米的播種面積不斷增加。與冬小麥相比，玉米生育期恰好是年內(nèi)降水的豐水期，水分虧缺量相對(duì)較小，灌溉水需求量也較小。因此，冬小麥播種面積的減少以及耕作制度的變化必然會(huì)節(jié)約一部分農(nóng)業(yè)灌溉水量。

海河流域各分區(qū)的節(jié)水均不能滿足冬小麥的需水情況，且需灌溉的水量較大，整體優(yōu)勢(shì)不太明顯，近年來種植結(jié)構(gòu)和規(guī)模比較穩(wěn)定，因而可以根據(jù)水情適當(dāng)壓縮冬小麥的種植面積。玉米的降水利用率和效益都比較高，對(duì)于發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)意義重大。海河平原區(qū)的玉米種植已經(jīng)具有較大規(guī)模，且近年種植規(guī)模比較穩(wěn)定。目前玉米的市場(chǎng)前景較好，可作為動(dòng)物飼料和工業(yè)原料。因而，應(yīng)將玉米作為海河平原區(qū)重點(diǎn)發(fā)展的作物，并著重提高其單產(chǎn)。棉花較適應(yīng)海河平原區(qū)的降水分布情況，近年來平原區(qū)的棉花種植面積和單產(chǎn)都有較大增幅，是海河流域較有發(fā)展?jié)摿Φ淖魑?，但棉花價(jià)格近年來波動(dòng)較大且費(fèi)工，應(yīng)以穩(wěn)定種植面積為宜。水稻需水量較大，除了冀東平原區(qū)和天津平原區(qū)可保留一定面積的水稻種植以外，海河流域其余各分區(qū)宜不再種植水稻，以節(jié)約灌溉用水。

4 結(jié)語

流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力是在理想狀態(tài)下的作物的廣義節(jié)水潛力，是理論上的最大可能的節(jié)水量，其各種影響因素具有時(shí)間易變性和空間異質(zhì)性且相互之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，因而農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力具有復(fù)雜性、敏感性、動(dòng)態(tài)性、尺度性?；谕寥浪科胶夥匠?，從整體和宏觀著眼，抓住問題的主要環(huán)節(jié)，推導(dǎo)了流域尺度上的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力3個(gè)層次的計(jì)算公式并探討了計(jì)算和評(píng)價(jià)過程中的一些技術(shù)問題。

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TV214

A

1004-7328（2017）02-0016-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.007

2016—11—11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51309202）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201101016）

丁志宏（1979—），男，博士，高級(jí)工程師，主要從事水文水資源研究與咨詢工作。