不同頻率與多年平均農(nóng)田單位灌溉面積用水量折算方法研究

童 坤，耿雷華

（1.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點實驗室，南京 210008；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210029）

1 研究背景

目前，我國農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的64%［1］，而灌溉用水又是農(nóng)業(yè)中的用水大戶，約占農(nóng)業(yè)用水的90%，因此，農(nóng)業(yè)上節(jié)約用水，重點是節(jié)約農(nóng)田灌溉用水。但農(nóng)田灌溉用水是個大系統(tǒng)，過程復(fù)雜，受到降水、蒸發(fā)等多個因素的影響［2］。宋妮等［3］研究發(fā)現(xiàn)在一系列影響因子中，降雨量對長江流域早稻灌溉需水量的影響最大；黃仲冬等［4］通過模型計算發(fā)現(xiàn)平均降雨量對夏玉米的灌溉需水量年際波動的貢獻率最大，其次為降雨頻次，潛在蒸散量最小。但根據(jù)不同的水文頻率對農(nóng)業(yè)用水進行相關(guān)計算的文獻較少，僅尹劍等［5］根據(jù)不同的水文年型分別計算關(guān)中灌區(qū)9大灌區(qū)不同水文年型不同情景下可能的資源型節(jié)水潛力和效率型節(jié)水潛力，但文中并未闡述不同的水文頻率之間農(nóng)業(yè)用水的換算關(guān)系。而目前的農(nóng)業(yè)用水量，在大部分規(guī)劃下達的文件中，都是多年平均的概念；張麗君等［6］也提出目前農(nóng)業(yè)的計劃用水偏離實際，不能按照水文氣象變化等及時調(diào)整灌溉定額。因此，如何將不同降水頻率下的單位灌溉面積用水量折射到多年平均上來，為規(guī)劃水平年不同頻率下農(nóng)業(yè)用水定額的下達提供參考依據(jù)是目前亟需解決的問題。

2 不同頻率分區(qū)系數(shù)計算過程

從作物需水的角度分析，豐水年農(nóng)田實際單位灌溉面積用水量可以減小，枯水年農(nóng)田實際單位灌溉面積用水量應(yīng)該加大。但從可供水量的角度考慮，對于某一特定區(qū)域而言，豐水年可供水量通常比枯水年可供水量大，特別是在水資源相對缺乏的北方地區(qū)，由于受到可供水量限制，枯水年農(nóng)田實際單位灌溉面積用水量往往小于豐水年。因此，需要從各個區(qū)域的實際出發(fā)，分析降水量的影響。

為了反映降水量對農(nóng)田實際單位灌溉面積用水量的影響，對于某一特定分區(qū)單元而言，需要收集其農(nóng)田實際單位灌溉面積用水量與降水量的長系列資料，以便根據(jù)降水量排頻結(jié)果，計算出不同降水頻率下的實際單位灌溉面積用水量。

本次研究以31個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）為基本單元，由于農(nóng)田實際單位灌溉面積用水量受當?shù)刈匀粭l件、作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉工程形式、節(jié)水能力建設(shè)及管理水平等因素影響很大，為了對全國各區(qū)域農(nóng)業(yè)用水量進行科學(xué)評估，首先需要根據(jù)地理位置、地形、土壤、氣候條件、水資源特征等進行分區(qū)，確定分區(qū)單元。本次研究將全國劃分成東北地區(qū)［7］、黃淮海地區(qū)［8］、長江中下游地區(qū)、華南地區(qū)、西南地區(qū)和西北地區(qū)共6個區(qū)域，如表1所示。

表1 全國農(nóng)業(yè)用水分區(qū)Table1 Zoning of agricultural water consumption

采用水資源公報中1997—2014年的年度降水量和農(nóng)田實際單位灌溉面積用水量數(shù)據(jù)，計算各分區(qū)單元25%，50%，75%等不同降水頻率下的農(nóng)田實際單位灌溉面積用水量。搜集1997—2014年各省區(qū)的降水、農(nóng)田單位實灌面積用水量等相關(guān)數(shù)據(jù)，利用系列降水量進行排頻，選取降水25%，50%，75%3個頻率，計算對應(yīng)頻率下的農(nóng)田單位實灌面積用水量，與多年平均對比，給出不同區(qū)域農(nóng)業(yè)不同降水頻率下實際單位灌溉面積用水量與多年平均之間的比值，即為該降水頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)。同時，結(jié)合省份之間水文、種植結(jié)構(gòu)、降水之間的差異，計算出區(qū)域不同頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)的區(qū)間。降水頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)如式（1）所示，計算過程如圖1所示。

圖1 分區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)計算步驟Fig.1 Calculation steps for regulation coefficient（the ratio of actual irrigation water consumption per unit area at a given precipitation frequency to multi-year average irrigation water consumption per unit area）

3 分區(qū)計算結(jié)果分析

3.1 全國調(diào)節(jié)系數(shù)計算

以全國為例，分析我國1998—2014年農(nóng)田灌溉用水量，如表2所示。從1998—2014年，灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水85%以上，因此，農(nóng)田灌溉用水是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重頭戲。

表2 全國1998—2014年農(nóng)田灌溉用水量Table2 Water consumption for farmland irrigation across the whole country from 1998 to 2014

收集1997—2014年中國水資源公報中歷年來降水量，對長系列降水量進行P-Ⅲ曲線排頻，如圖2所示。

圖2 我國降水P-Ⅲ曲線Fig.2 P-Ⅲcurve of precipitation in China

根據(jù)P-Ⅲ曲線計算結(jié)果，分析不同水平年的單位灌溉面積用水量，如圖3所示，當降水頻率＜50%時，調(diào)節(jié)系數(shù)基本為1；隨著降水的減少，調(diào)節(jié)系數(shù)呈增長趨勢，在降水70%左右達到頂峰；隨后又逐步下降。

圖3 我國單位灌溉面積用水量不同降水頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)Fig.3 Regulation coefficient of irrigation water consumption per unit area under different precipitation

3.2 分區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)計算

對各省份、不同區(qū)域的長系列不同頻率下的農(nóng)田單位灌溉面積用水量統(tǒng)計分析計算，分區(qū)計算結(jié)果如表3所示。總體而言，我國不同區(qū)域、不同年型的灌溉用水量差異較大，東北地區(qū)、西北地區(qū)在降水25%年型灌溉用水量最高，華南沿海地區(qū)、黃淮海地區(qū)降水75%年型灌溉用水量最高，長江中下游地區(qū)、西南地區(qū)降水50%年型灌溉用水量最高。

表3 分區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)計算結(jié)果Table3 Calculation result of regulation coefficient for different areas

在各農(nóng)作物產(chǎn)量中，東北地區(qū)的稻谷和玉米產(chǎn)量約占東北地區(qū)糧食產(chǎn)量的90%，其中玉米約占65%；黃淮海地區(qū)主要的糧食作物是小麥和玉米，約占糧食產(chǎn)量的90%，主要農(nóng)產(chǎn)品還包含蘋果；長江中下游主要糧食作物是稻谷和小麥，分別約占糧食總產(chǎn)量的65%和20%，其中稻谷的產(chǎn)量較高，需水量較大；華南沿海地區(qū)主要農(nóng)作物為稻谷、甘蔗，其中稻谷產(chǎn)量約占糧食產(chǎn)量的80%；西南地區(qū)主要糧食作物為稻谷、玉米，其產(chǎn)量分別約占糧食產(chǎn)量的41%和27%，甘蔗也是其主要農(nóng)產(chǎn)品；西北地區(qū)玉米、小麥產(chǎn)量分別約占糧食產(chǎn)量的55%和21%。

理論上講，隨著降水的減少，干旱程度的加重，需水量越來越大，調(diào)節(jié)系數(shù)應(yīng)呈上升趨勢。但在各農(nóng)作物產(chǎn)品中，玉米、小麥、大豆、蘋果、甘蔗等均為旱作物，灌溉需水量不高，因此，東北地區(qū)、西北地區(qū)、黃淮海地區(qū)等以旱作物為主的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，由于降水量的減少，供水也有所減少，即呈“無水可供”狀態(tài)。且實際情況中，由于各種農(nóng)作物生長周期短，產(chǎn)量與生長周期內(nèi)降水時空分布息息相關(guān)，而跟全年平均降水量關(guān)系沒有那么明顯，如在來水欠豐年份，雖然來水較少，但恰好降水在作物生長適宜期，農(nóng)作物豐收，產(chǎn)量較高；在有些豐水年份豐水地區(qū)，雖然降水量大，但是分配不均或者時間不適宜，不能被農(nóng)作物所利用，屬于無效降水。因此，在計算時，還涉及到水文干旱及農(nóng)業(yè)干旱的概念及相關(guān)性，都與各個地區(qū)實際情況息息相關(guān)。

4 案例應(yīng)用

4.1 2013年江蘇省用水概況

選取江蘇省作為案例應(yīng)用研究。2013年江蘇省用水總量499億 m3，其中農(nóng)業(yè)用水302億 m3，占比63%；工業(yè)用水144億 m3，占比30%；生活用水49億 m3，其中居民生活用水 36億 m3；生態(tài)用水3億m3。用水結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 2013年江蘇省用水結(jié)構(gòu)Fig.4 Pie chart of water consumption in Jiangsu Province in 2013

圖4 顯示農(nóng)業(yè)用水中，農(nóng)田灌溉用水264億m3，占農(nóng)業(yè)用水比例的87%；林牧漁用水占比較少，為13%。分析1998—2013年農(nóng)田灌溉用水量，見圖5。

圖5 農(nóng)業(yè)及灌溉用水量Fig.5 Agricultural and irrigation water consumption

由圖5可見，江蘇省農(nóng)田灌溉用水量長期以來占農(nóng)業(yè)用水比重較高，基本維持在85%以上，林牧漁用水占比較小，因此，灌溉用水也是江蘇省農(nóng)業(yè)節(jié)約用水的重點。

4.2 調(diào)節(jié)系數(shù)計算

對江蘇省1998—2013年降水量及單位灌溉面積用水量進行統(tǒng)計，如圖6所示。結(jié)果顯示，江蘇省歷年降水量與單位灌溉面積用水量相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)達到0.75，即江蘇省農(nóng)田單位灌溉面積用水量受降水影響較大。因此，通過調(diào)節(jié)系數(shù)測算不同頻率與多年平均用水量之間的關(guān)系，從而推斷規(guī)劃年不同頻率下的單位灌溉面積用水量可以認為是合理的。

圖6 江蘇省降水量及單位灌溉面積用水量Fig.6 Precipitation and irrigation water consumption per unit area in Jiangsu Province

對江蘇省長系列降水量進行排頻計算，結(jié)合歷年來不同頻率下的單位灌溉面積用水量，得到各個頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)，如圖7所示。

圖7 江蘇省不同降水頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)Fig.7 Regulation coefficient at different precipitation frequencies in Jiangsu province

圖7 顯示：隨著降水的減少，江蘇省單位灌溉面積需水量呈增加趨勢，降水頻率＞30%后，需水量趨于穩(wěn)定，需求量略高于多年平均；降水頻率在70%～80%時，需水量達到峰值；其后隨著干旱程度的增加，用水量愈來愈小。這與歷年來江蘇省不同降水頻率下的單位灌溉面積用水量變化趨勢基本一致。

4.3 江蘇省農(nóng)田單位灌溉面積用水量預(yù)測

根據(jù)《江蘇省水利現(xiàn)代化規(guī)劃（2011—2020）》，要求建成標準較高、協(xié)調(diào)配套的排灌工程體系，到2020年，全省農(nóng)業(yè)灌溉保證率達到80%～95%；有效灌溉面積達到413萬 hm2，占總耕地面積的88%；旱澇保收田面積達到360萬 hm2，占總耕地面積的77%；高標準農(nóng)田面積達到280萬 hm2，占總耕地面積的60%；節(jié)水灌溉面積達到287萬 hm2，占總耕地面積的61%。灌溉水利用系數(shù)提高到0.6以上，丘陵山區(qū)單位面積蓄水能力達到315 m3。

根據(jù)《江蘇省水資源公報（2013版）》，2013年江蘇省降水量833.4 mm，根據(jù)P-Ⅲ頻率曲線，降水頻率約為92%，為中等干旱年份；結(jié)合圖7，確定2013年單位灌溉面積用水量與多年平均單位灌溉面積用水量的調(diào)節(jié)系數(shù)約為1.02。

結(jié)合《全國水中長期供求規(guī)劃（2010—2020）》以及“十三五”期間江蘇省農(nóng)業(yè)建設(shè)工程，測算2020年江蘇省農(nóng)田灌溉用水約為244億m3。根據(jù)2013年有效灌溉面積約為3 785 000 hm2，則預(yù)測2020年江蘇省多年平均單位灌溉面積用水量約6 450 m3／hm2。相應(yīng)的，可以預(yù)測2020年江蘇省不同頻率情況下單位灌溉面積用水量，如表4所示。

表4 江蘇省規(guī)劃水平年不同頻率下的單位灌溉面積用水量Table4 Irrigation water consumption per unit area at different precipitation frequencies in planning year of Jiangsu Province

5 結(jié)論與展望

由于規(guī)劃年“三條紅線”中的用水總量紅線是多年平均用水量的概念，而用水總量的組成中，農(nóng)業(yè)用水量隨著降水量的變化也在不斷變化。因此，如何在計算過程中折算到實際降水頻率中，目前一直沒有相關(guān)定論。本文首先將全國進行農(nóng)業(yè)分區(qū)，針對不同水平年的降水年型，計算出相對應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)區(qū)間。在具體計算過程中，結(jié)合各省、市的農(nóng)業(yè)種植特點、水文特點，確定不同降水頻率下的農(nóng)田單位灌溉面積用水量的調(diào)節(jié)系數(shù)，最后根據(jù)下達的多年平均數(shù)值，可以得到不同頻率的農(nóng)田單位灌溉面積用水量。

但另一方面，由于灌溉主要是發(fā)生在作物生育期內(nèi)，理論上應(yīng)該按作物全生育期內(nèi)降水量而不是采用年降水量進行排頻，特別是在灌區(qū)及更小尺度上，主要作物的生長期大致相同，比較容易確定主要作物的生育期。但是隨著空間尺度的不斷加大，區(qū)域內(nèi)部的作物種類不斷增加，主要作物的種類也逐漸增多，各類作物的生育期相互交叉，難以區(qū)分。本研究確定的基本計算單元為省區(qū)，為了簡化計算，本次采用年降水量進行排頻，這可能是造成不同頻率下農(nóng)田實際單位灌溉面積用水量不盡合理的原因之一，也是下一步需要深入研究的內(nèi)容。

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