基于生態(tài)需水保障的農(nóng)業(yè)用水安全評(píng)價(jià)——以山東省引黃灌區(qū)為例

龐愛萍,易雨君, 李春暉,*

1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875 2 中共南京市委黨校公共管理教研部, 南京 210046

水資源是糧食生產(chǎn)的必備條件,水資源的稀缺性已經(jīng)成為可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要影響因素[1]。一方面,隨著人口的增長,人類將更加依賴于糧食生產(chǎn)和糧食安全,保障農(nóng)業(yè)用水安全依然是流域水資源配置的重點(diǎn)[2]。農(nóng)業(yè)用水安全是一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下,由于水資源量與質(zhì)供需矛盾產(chǎn)生對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村生活乃至社會(huì)穩(wěn)定的危害問題[3]。農(nóng)業(yè)用水安全作為水安全的重要組成部分,評(píng)價(jià)方法的一部分包含于水安全評(píng)價(jià)方法中,國外主要以水貧窮指數(shù)和水資源緊缺指數(shù)來進(jìn)行評(píng)價(jià)[4- 5],近幾年國內(nèi)外學(xué)者采用多目標(biāo)綜合評(píng)價(jià)區(qū)域水資源供需平衡來評(píng)價(jià)水安全狀況[6- 8]。在農(nóng)業(yè)用水安全評(píng)價(jià)方面,已有研究在分析農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,預(yù)測農(nóng)業(yè)用水供需態(tài)勢,并給出糧食安全的農(nóng)業(yè)用水紅線[9- 10],或者預(yù)測氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)用水安全的影響[11- 12],還有相關(guān)研究從用水效率上側(cè)面評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)用水安全[13- 14]。對(duì)于農(nóng)業(yè)用水安全評(píng)價(jià)方面的研究,根據(jù)不同區(qū)域、不同保障目標(biāo)而采取不同的評(píng)價(jià)方法,建立不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)水資源供需平衡帶來的農(nóng)業(yè)用水安全可以為水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。

從另一方面來看,不合理的水資源利用對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)健康造成的嚴(yán)重威脅逐步引起重視[15],人類不能擠占過多的生態(tài)用水而使生態(tài)系統(tǒng)崩潰[16]。灌區(qū)是保障社會(huì)安定和糧食安全的基石,在水資源緊缺的地區(qū),灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水之間的矛盾似乎是不可調(diào)和的,J?germeyr等的研究表明,保障生態(tài)需水后全球?qū)⒂?2%灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨10%以上的損失,考慮到灌溉用水總共可以支撐15%的糧食產(chǎn)量,保障生態(tài)需水造成的農(nóng)業(yè)損失是十分驚人的[17],給農(nóng)業(yè)用水安全帶來了一定的威脅。然而到目前為止,很少研究從保障生態(tài)需水的角度,在灌區(qū)尺度上對(duì)農(nóng)業(yè)用水安全進(jìn)行評(píng)價(jià),使得灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源合理配置缺乏更有力的科學(xué)依據(jù)。

2019年9月,習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上指出“保護(hù)黃河是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興的千秋大計(jì)”。由于自然和人為諸多因素影響,黃河流量也在急驟減少,不僅危及到黃河流域的生態(tài)安全,還威脅到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民飲用。如何分配和利用有限的黃河水資源,已是矛盾重重,尤其是山東省引黃灌區(qū)同黃河口之間的用水矛盾,近幾十年來有愈演愈烈的趨勢。本研究在充分考慮山東省引黃灌區(qū)地理位置、水文氣象條件以及行政歸屬的基礎(chǔ)上,將山東省主要引黃灌區(qū)劃分不同調(diào)控區(qū)。采用閾值分析法和GIS空間分析技術(shù)計(jì)算具有時(shí)空差異的山東省引黃灌區(qū)的灌溉需水量,在優(yōu)先保障黃河口不同等級(jí)生態(tài)需水條件下分析灌區(qū)可用水量的響應(yīng)特征,采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算具有時(shí)空差異的山東省引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù),揭示灌區(qū)的供需水矛盾,客觀反映“精細(xì)配水”情況下的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的水資源保障狀況。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概述

黃河是流經(jīng)山東省主要灌區(qū)的最大河流和主要水源,自山東省的東明縣入境,呈北偏東流向,經(jīng)菏澤、濟(jì)寧、泰安、聊城、德州、濟(jì)南、淄博、濱州、東營9市的25個(gè)縣(市、區(qū)),在墾利縣注入渤海。黃河進(jìn)入山東省的年均徑流量為347億m3(1951—2018年均值),80年代以來受中上游引水及流域偏旱的影響,徑流量呈逐年減少的趨勢。山東省引黃灌區(qū)的年降雨量在163—1766 mm之間,年蒸發(fā)量在439—1407 mm之間,年際變化大。大部分引黃灌區(qū)位于黃河沖積平原,地勢平坦,除泰安和菏澤境內(nèi)的灌區(qū)海拔較高外(高于800 m),其他大部分灌區(qū)的海拔多在100 m以下(圖1)。

圖1 山東省引黃灌區(qū)地理位置及調(diào)控區(qū)分布(圖內(nèi)數(shù)字為調(diào)控區(qū)編號(hào))Fig.1 The location of Shandong irrigated area for the Yellow River and the distribution of the regulatory regions (the figures represent the regulatory region numbers)

山東省引黃工程建設(shè)始于1950s,50年代末期引黃灌溉面積由開始的3.5萬hm2迅速發(fā)展到60.8萬hm2,到2000之后引黃灌溉面積穩(wěn)定在194.9萬hm2(圖2)。

圖2 1951—2018年間山東省新建引黃灌區(qū)數(shù)量及灌溉面積Fig.2 The number of newly built irrigation districts and the irrigation area of the Yellow River in Shandong province from 1951 to 2018

本研究選擇了36個(gè)大型灌區(qū),其面積占山東省總引黃灌溉面積的97%。一個(gè)灌區(qū)往往位于幾個(gè)行政區(qū)內(nèi),而同一行政區(qū)也可能包含一個(gè)以上的灌區(qū),但是引黃資源的調(diào)配離不開行政區(qū)管理者的統(tǒng)籌協(xié)調(diào),因此本研究根據(jù)灌區(qū)所在的位置及行政區(qū)歸屬將其進(jìn)一步合并為18個(gè)調(diào)控區(qū)(圖1和表1)。

表1 引黃調(diào)控區(qū)主要信息

1.2 研究方法

供需水是影響用水安全的主要因素,國內(nèi)外的研究中多采多目標(biāo)綜合分析法和供需平衡法等評(píng)估供需水參數(shù)對(duì)用水安全的影響[6- 8]。供需平衡的方法反映了地表水、地下水、工業(yè)、生活和生態(tài)用水等水資源因子對(duì)灌區(qū)用水安全的影響,本研究在供需平衡法的基礎(chǔ)上[9- 10],加入了降雨、氣溫、風(fēng)速等水文氣象因子的時(shí)空差異對(duì)灌區(qū)用水安全的影響,提高了灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源合理配置的科學(xué)性和精準(zhǔn)性。在計(jì)算中,灌區(qū)的灌溉用水考慮用水因子的影響,灌溉需水考慮水文氣象因子的時(shí)空差異的影響。如果灌區(qū)內(nèi)灌溉可用水量大于等于灌溉需水量,那么灌區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)安全壓力指數(shù)為0,此時(shí)灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水可以滿足作物生長的需求；如果灌溉可用水量小于灌溉需水量,那么兩者的差值除以灌溉需水量即為農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù),該指數(shù)越大,表明灌溉可用水量越少,農(nóng)業(yè)用水安全性越低,評(píng)價(jià)方法如下：

(1)

(2)

其中,Wa為作物需水量(m3)；Pe為有效降雨(mm)；Sp為灌區(qū)灌溉面積(m2)。其中作物需水量Wa可以通過作物不同發(fā)育期蒸散發(fā)(ETm)和種植面積來確定[18]：

Wa=ETmSc/1000

(3)

其中,ETm為不同發(fā)育期作物蒸散發(fā)(mm)；Sc為作物種植面積(m2)。其中ETm通過潛在蒸散發(fā)(ET0)和作物系數(shù)(kc)確定[2]。

利用彭曼公式來計(jì)算潛在蒸散發(fā)[19],計(jì)算過程參考劉鈺等人的研究[20]。

(4)

其中,p0為海平面標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(kPa)；p為測量地點(diǎn)的實(shí)際大氣壓(kPa)；Es為飽和水汽壓(kPa)；Ea為實(shí)際水汽壓(kPa)；c為風(fēng)速修正系數(shù)(無量綱)；U2為2 m高處風(fēng)速(m/s)；△為飽和水汽壓—溫度曲線上的斜率(kPa/℃)；γ為溫度計(jì)常數(shù)(kPa/℃)。

有效降雨P(guān)e為總降雨量中被作物直接或間接利用,以及用作農(nóng)田其他必須耗用的水量,通過以下公式來確定[21]：

(5)

其中,P為總降雨(mm)。

(2) 灌區(qū)可用水量：在引黃水量中農(nóng)業(yè)灌溉用水占80%以上[18]。隨著生態(tài)環(huán)境的惡化,生態(tài)建設(shè)上升為千年大計(jì),而改善河口生態(tài)環(huán)境需要控制人類對(duì)生態(tài)用水的占用,本研究以生態(tài)用水、工業(yè)和生活用水優(yōu)先的原則,確定灌溉用水：

(6)

本研究以保持河口徑流自然狀態(tài)為目標(biāo),根據(jù)“加和性”和“最大值”的原則計(jì)算河口不同等級(jí)生態(tài)需水[22]:

(7)

其中,max(a,b)代表參數(shù)a和b之前的較大值；Wi為消耗性需水量(m3)；Wj為非消耗性需水量(m3)；n和m分別代表消耗性和非消耗性需水目標(biāo)。

一般認(rèn)為生態(tài)需水可以分為最低、適宜和最高3個(gè)等級(jí),其中最小生態(tài)需水量是指為保證特定發(fā)展階段的生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,保護(hù)生物多樣性以及確保水資源功能正常發(fā)揮所必須的、一定質(zhì)量的最小水量；適宜生態(tài)需水量綜合考慮目標(biāo)物種生存繁衍對(duì)生態(tài)系統(tǒng)各方面特性的要求,當(dāng)流量持續(xù)小于這個(gè)數(shù)值時(shí),將導(dǎo)致生物繁殖條件的破壞,減少生物量,進(jìn)而降低生態(tài)系統(tǒng)完整性；最高生態(tài)需水維持生態(tài)系統(tǒng)整體動(dòng)態(tài)平衡,通過影響河流造床輸沙、水文連通性、河流生境等多個(gè)方面,影響河流生態(tài)系統(tǒng)的健康,低于最低生態(tài)需水或者高于最高生態(tài)需水,將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的退化[23]。

(3)GIS的空間分配方案

以ArcGIS10.2為平臺(tái),采用泰森多邊形插值法以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法,將具有空間差異的灌溉需水量分配到相應(yīng)的調(diào)控區(qū),具體分配方案如下：

(8)

圖3 不同調(diào)控區(qū)灌溉需水的空間分配方案(圖內(nèi)數(shù)字為調(diào)控區(qū)編號(hào))Fig.3 Space allocation scheme for irrigation water requirement in different regulatory regions (the figures represent the regulatory region numbers)

(4)水文年的劃分

農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù)體現(xiàn)了不同情境下灌區(qū)需水和用水的關(guān)系,受來水過程和水文保證率等因素的影響。本研究在歷史系列數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,劃分不同水文年,進(jìn)而評(píng)估不同水文保證率下的農(nóng)業(yè)用水安全。在水文年劃分中主要考慮降雨因素,年降水量頻率曲線上小于25%的年份設(shè)定為豐水年,大于75%設(shè)定為枯水年,50%左右的設(shè)定為平水年。

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

引黃灌區(qū)的位置、建成時(shí)間、實(shí)際灌溉面積和所在行政區(qū)等相關(guān)信息主要來自《全國大型灌區(qū)一覽表》[24],以及各灌區(qū)管理部門進(jìn)行訪談和電話咨詢,通過查閱文獻(xiàn)法對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充和校核[25- 32]。山東省引黃灌區(qū)內(nèi)主要作物為冬小麥和夏玉米,采用輪作的方式,占灌區(qū)面積的92.3%[23],本研究中山東省引黃灌區(qū)內(nèi)作物種植面積按照引黃灌區(qū)的灌溉面積進(jìn)行計(jì)算(年序列數(shù)據(jù)見圖2)。

用來計(jì)算潛在蒸散發(fā)的山東省15個(gè)氣象站(朝陽、德州、定陶、東營、菏澤、惠民縣、濟(jì)南、墾利、陵縣、泰安、泰山、兗州、章丘、淄博和淄川)1951—2018年的逐日氣象資料(經(jīng)緯度、海拔、氣壓、氣溫、濕度、降雨、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)等)主要來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心(http://data.cma.cn)。潛在蒸散發(fā)數(shù)據(jù)逐日進(jìn)行計(jì)算,然后累積到月尺度,降雨數(shù)據(jù)由日尺度累積到年尺度。

表2 水文年劃分標(biāo)準(zhǔn)及代表年份

山東省引黃灌區(qū)主要農(nóng)作物信息及作物系數(shù)來自陳玉民等人的研究[33],作物不同發(fā)育期蒸散發(fā)和作物需水量逐月進(jìn)行計(jì)算,然后累積到年尺度。以ArcGIS10.2為平臺(tái),采用泰森多邊形插值法以及地統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法,將具有空間差異的年度灌溉需水量分配到相應(yīng)的調(diào)控區(qū)。

黃河高村站和利津站的實(shí)測年度徑流數(shù)據(jù)主要來自龐愛萍等人的研究[18]以及《黃河水資源公報(bào)》[34]。根據(jù)濟(jì)南市水資源初步評(píng)價(jià),產(chǎn)水系數(shù)取0.378[35]。山東省引黃灌區(qū)多年平均地下可開采資源量約為40億m3[36- 37],本研究將該值定為合理的地下水開采量,一方面維持地下水生態(tài)系統(tǒng)的健康,另一方面通過地表水和地下水聯(lián)用,可以在黃河徑流減少期間最大限度保障農(nóng)業(yè)用水安全。

1998—2017年的工業(yè)和生活用水的數(shù)據(jù)取自《黃河水資源公報(bào)》[34],其中工業(yè)用水和生活用水總量在1990s、2000s和2010s分別占?xì)v年山東省引黃水量的7.4%、14.3%和15.7%。1951—1997和2018年工業(yè)用水和生活用水量分別通過高村和利津水文站實(shí)測徑流年均差值乘以7.4%和15.7%來確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河口不同等級(jí)生態(tài)需水量

黃河河口濕地最低、適宜和最高等級(jí)生態(tài)需水年度總量分別為134.2、162.7和274.9×108m3,最低等級(jí)生態(tài)需水主要滿足河口蒸發(fā)消耗需水及鹽度平衡需水的要求,最高等級(jí)生態(tài)需水中,泥沙輸運(yùn)需水比例相對(duì)最高,有利于整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡[22- 23]。1951—2018年間黃河河口來水量(利津站)的年際變化較大(圖4),整體呈現(xiàn)不斷減少的趨勢,尤其在1997—2002等年份內(nèi)實(shí)際來水量已經(jīng)不足以保障最低等級(jí)的生態(tài)需水量。

圖4 1951—2018年黃河河口來水過程及不同等級(jí)的生態(tài)需水量Fig.4 The water runoff in the Yellow River Estuary and different level of environmental flows from 1951 to 2018

從年均來水過程來看,有30年的來水量可以滿足最高等級(jí)生態(tài)需水要求,有14年的來水量尚不能滿足最低等級(jí)生態(tài)保護(hù)目標(biāo)的需求,其他年份的來水過程在最高和最低等級(jí)生態(tài)需水之間。

表3 來水過程對(duì)應(yīng)的生態(tài)需水等級(jí)

2.2 灌區(qū)需水量與實(shí)際引黃水量

根據(jù)歷年山東省引黃灌區(qū)引水情況分析,20世紀(jì)80年代引黃用水量達(dá)到了歷史的最高水平,比50年代增加了近5倍,在此之前的代際年均需水量的走勢和實(shí)際引水量相當(dāng)。90年代之后因黃河上游來水量偏少,引黃水量有明顯的下降趨勢,但是平均引黃水量仍然維持在60億m3以上,隨著灌區(qū)面積擴(kuò)大和氣候偏枯等因素的影響,使得灌區(qū)需水量和可供水量的差距加大,尤其是2000—2002、2016和2017等年份,黃村站來水量均低于200億m3,已不足歷年年均來水量的50%,2000—2018年山東引黃灌區(qū)代際年均引黃水量僅占灌溉需水量的70%左右(圖5)。

圖5 山東省引黃灌區(qū)代際灌溉需水量與實(shí)際引黃水量 Fig.5 Intergenerational irrigation water requirement and actual irrigation water use by the Yellow River irrigation district in Shandong province

灌區(qū)灌溉需水量受種植面積和氣象條件的雙重影響,總體趨勢隨灌溉面積的增加而上升,在氣象條件的影響下呈現(xiàn)劇烈波動(dòng)(圖6),比如1990年和2003年,山東引黃灌區(qū)年均降雨量均超過900 mm,降雨已經(jīng)基本能夠滿足大部分農(nóng)業(yè)用水的需求,因此灌溉需水僅為34.3和37.8億m3,與此相對(duì)比的1981、1989、1999和2002等年份,年均降雨量均低于500 mm,因此該年份中灌溉需水量普遍高于100億m3。山東省引黃水量在水文條件差的年份是不能滿足農(nóng)業(yè)用水的需求,為了確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全,灌區(qū)內(nèi)還有一部分農(nóng)戶依賴開采地下水灌溉,目前山東省引黃灌區(qū)地下水可開采量約為40億m3,在一定程度上緩解了引黃灌區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)用水短缺。

圖6 1951—2018年山東省引黃灌區(qū)灌溉需水量 Fig.6 Irrigation water requirement by the Yellow River irrigation district in Shandong province from 1951 to 2018

山東省引黃灌區(qū)區(qū)域跨度較大,不同調(diào)控區(qū)需水量的差異顯著,這種差異不僅受灌區(qū)面積的影響,還受到氣象條件的差異和降雨不平衡的影響。調(diào)控區(qū)10包含的陵縣等地區(qū)在典型枯水年(2002)的年降雨量不足300 mm,而調(diào)控區(qū)2和11所包含的淄博和淄川等地區(qū)同時(shí)間內(nèi)的年降雨量達(dá)550 mm。從圖7來看,需水量在10億m3以上為調(diào)控區(qū)6和10,集中在灌區(qū)面積大、降雨量較少的魯西北地區(qū)。需水量低于0.5億m3的主要為調(diào)控區(qū)5、14、18和16,該調(diào)控區(qū)的特點(diǎn)是灌溉面積小,年降雨相對(duì)豐沛。調(diào)控區(qū)的面積對(duì)灌溉需水量的影響毋庸置疑,而水文氣象的空間差異對(duì)其影響也不容忽視,比如在典型豐水年(2003),同樣為9萬hm2左右灌溉面積的調(diào)控區(qū)3和9,前者的灌溉需水量為2.6億m3,而后者的需水量幾乎為0；還有灌溉面積較大的調(diào)控區(qū)6和10,前者面積幾乎為后者的兩倍,然而兩者的需水量卻相當(dāng)。在典型平水年(2016),面積相當(dāng)?shù)恼{(diào)控區(qū)13和4,前者的灌溉需水量為后者的3倍。

圖7 不同水文保障率下灌溉需水的空間差異Fig.7 The spatial disparity of irrigation water requirement under different hydrological years

2.3 基于生態(tài)需水保障的山東省灌區(qū)可用水量

圖8 1951—2018年保障不同等級(jí)生態(tài)需水的灌溉可用引黃水量Fig.8 The amount of irrigation water availability after securing different level of environmental flows from 1951 to 2018

1991年之后,黃河流入山東的水量在大部分年份內(nèi)已不足300億m3,山東境內(nèi)黃河流域的產(chǎn)水量在23—40億m3之間,山東省引黃灌區(qū)年均地下水可采量約為40億m3,滿足黃河口最高等級(jí)生態(tài)需水274.9億m3的需求對(duì)山東省引黃灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水造成很大的影響。圖8代表了保障不同等級(jí)生態(tài)需水的灌溉可用引黃水量,對(duì)比之前的灌區(qū)需水量,保障適宜等級(jí)的生態(tài)需水后,約有水文氣象條件差的31%的年份無法完全滿足灌溉用水的需求,保障最低等級(jí)的生態(tài)需水后,無法保障灌溉需水的年份降低到26%。水文氣象條件差的代表性的年份有1997及1999—2002年,尤其是 1997年,山東省發(fā)生新中國成立以來罕見的夏旱,黃河斷流累計(jì)長達(dá)222 d,在這種狀況下,生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)用水均得不到保障,1999—2002年間,保障最低等級(jí)的生態(tài)需水后,山東灌區(qū)引黃水量不到灌溉需水的40%,在同時(shí)限制開采地下水且無其他外來水源的情況下,山東引黃灌區(qū)的糧食生產(chǎn)將面臨減產(chǎn)。

2.4 山東省引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水安全評(píng)價(jià)

圖9表明保障不同等級(jí)生態(tài)需水的山東省引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù)的差異,即使是在豐水年,黃河口生態(tài)需水的保障也有可能會(huì)給灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來一定的壓力,但是保障適宜或者最低等級(jí)的生態(tài)需水后農(nóng)業(yè)用水壓力較小,保障適宜等級(jí)生態(tài)需水后,約有18%的年份存在35%以下的農(nóng)業(yè)用水壓力,保障最低等級(jí)的生態(tài)需水后,同樣的是18%的年份存在壓力,但是該壓力指數(shù)都在15%以下,而保障最高等級(jí)生態(tài)需水后,約有35%的年份存在農(nóng)業(yè)用水壓力,并且壓力指數(shù)都在40%以上,某些年份的壓力指數(shù)甚至達(dá)到了100%。在平水年,保障最高等級(jí)的生態(tài)需水后有一半以上的年份存在用水安全壓力,這種壓力無論是從出現(xiàn)頻次還是在指數(shù)強(qiáng)度上都有明顯增加,保障適宜等級(jí)的生態(tài)需水后大概有33%的年份農(nóng)業(yè)用水安全存在壓力,保障最低等級(jí)的生態(tài)需水約有27%的農(nóng)業(yè)用水面臨短缺,但是大部分情況下農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù)都在30%之下?？菟曛?保障最低和適宜等級(jí)的生態(tài)需水后雖然農(nóng)業(yè)用水得不到完全保障的年份都在40%以下,但是由于極端氣象條件的存在,使得農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù)會(huì)有超過80%的情況出現(xiàn)。

圖9 保障不同等級(jí)生態(tài)需水的山東省引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù)Fig.9 Agricultural water-use security pressure index for the Yellow River irrigation districts after securing different level of environmental flows

圖10表示在保障不同等級(jí)的生態(tài)需水后,山東省引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水安全在空間的差異性。近年來山東省境內(nèi)黃河來水量逐年減少,在沒有超采地下水的情況下,即使保障最低等級(jí)生態(tài)需水,各大調(diào)控區(qū)的農(nóng)業(yè)用水都不能得到全部的滿足,平均農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù)在15%左右,由于氣象條件的差異,各大調(diào)控區(qū)存在一些差異,以打漁張、劉春家、麻灣和簸箕李等灌區(qū)為代表的調(diào)控區(qū)2、11、13、14和17的農(nóng)業(yè)用水壓力指數(shù)超過了20%。而在保障適宜等級(jí)的生態(tài)需水后,大部分調(diào)控區(qū)的農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù)也超過了20%,比保障最低等級(jí)生態(tài)需水時(shí)增加了8%左右,壓力較大的調(diào)控區(qū)依然是集中在以上調(diào)控區(qū),而且調(diào)控區(qū)2和13的壓力指數(shù)超過了30%。保障最高等級(jí)的生態(tài)需水后,除調(diào)控區(qū)7外,其他調(diào)控區(qū)的壓力指數(shù)都在60%—70%之間。2008—2018年平均情況下,農(nóng)業(yè)用水安全壓力較大灌區(qū)主要分布在山東東部地區(qū),包括東營市區(qū)以及下屬的墾利和利津縣、博興縣和無棣縣等地區(qū)；農(nóng)業(yè)用水安全壓力較小的灌區(qū)主要分布在魯中南地區(qū),包括濟(jì)南市長清區(qū)、平陰縣、章丘和肥城等地區(qū)。2008—2018年,山東東部地區(qū)的淄博、東營、墾利和惠民等地區(qū)的平均降雨量在450—796 mm之間,而魯中南的濟(jì)南、泰安和章丘等地區(qū)的平均降雨量在654—1185 mm之間,氣象條件的差異是各大調(diào)控區(qū)農(nóng)業(yè)用水差異的重要原因之一。

圖10 保障不同等級(jí)生態(tài)需水的農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù)的空間變化(2008—2018年均值)Fig.10 Spatial variations of agricultural water-use security pressure index after securing different levels of environmental flows (the annual mean value from 2008 to 2018)

2.5 山東省引黃灌區(qū)“精細(xì)配水”方案

山東省引黃灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水之間存在著不可調(diào)和的矛盾,保障生態(tài)需水后難免會(huì)造成灌溉農(nóng)業(yè)用水短缺,使得引黃灌區(qū)存在不同程度的用水壓力。利用不同灌區(qū)水文氣象等條件的差異,計(jì)算出最佳的配水方案,可以緩解灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水壓力,表4通過和灌溉用水定額法相對(duì)比的方式給出了平水年保障不同等級(jí)生態(tài)需水后配水比例及灌溉用水短缺。

2010年,山東省出臺(tái)了《山東省地方標(biāo)準(zhǔn)—山東省主要農(nóng)作物灌溉定額》[38],規(guī)定平水年山東省引黃灌區(qū)主要作物平均灌溉定額為0.57m3/m2,配水比例等同于不同調(diào)控區(qū)灌溉面積的比例。在合理利用地表及地下水資源,而又沒有其他調(diào)水工程的前提下,保障最低、適宜和最高等級(jí)的生態(tài)需水的山東省引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水短缺為31.45、55.28及110.78億m3。利用水文氣象條件的空間尺度的差異,考慮調(diào)控區(qū)安全壓力指數(shù)的不同,得出最佳的配水方案,在同樣的條件下的農(nóng)業(yè)用水短缺分別為0、18.25以及73.76億m3。

表4 平水年保障不同等級(jí)生態(tài)需水配水比例及灌溉用水短缺

3 討論

自2000年之后山東省引黃灌區(qū)的面積趨于平穩(wěn),但是氣象水文條件越來越差,旱災(zāi)頻繁發(fā)生,保障生態(tài)需水后的灌區(qū)可用水量也呈減少的態(tài)勢,而最高等級(jí)的生態(tài)需水保障可能會(huì)造成很更大的農(nóng)業(yè)用水壓力,有近一半的平水年內(nèi)農(nóng)業(yè)安全壓力指數(shù)都在50%以上。保證適宜或者最低等級(jí)的生態(tài)需水后,農(nóng)業(yè)用水勉強(qiáng)可以得到滿足,僅有少數(shù)的情況會(huì)出現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水短缺的情況,平水年內(nèi)的農(nóng)業(yè)安全指數(shù)一般不會(huì)超過30%。目前山東引黃灌區(qū)還存在一定的節(jié)水潛力,通過節(jié)水等措施可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)黃河口適宜等級(jí)生態(tài)需水的保障和山東省引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水安全。適宜等級(jí)的生態(tài)需水可以保障黃河口生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,但是要達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡還是有賴于最高等級(jí)生態(tài)需水的保障。

2008—2018年,山東東部地區(qū)和魯西北等地區(qū)的年平均降雨量不足600 mm,而魯中南地區(qū)的年均降雨量在900 mm左右,水文氣象條件的差異使得山東省引黃灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水安全具有明顯的空間異質(zhì)性。在保障適宜等級(jí)的生態(tài)需水后,各大調(diào)控區(qū)的農(nóng)業(yè)用水安全壓力指數(shù)的均值為23%,以打漁張、劉春家、麻灣和簸箕李等灌區(qū)為代表的調(diào)控區(qū)2、11、13、14和17的農(nóng)業(yè)用水壓力較大,其中調(diào)控區(qū)2和13的壓力指數(shù)超過了30%,而以胡家岸、田山和東風(fēng)等灌區(qū)為代表的調(diào)控區(qū)的農(nóng)業(yè)安全指數(shù)普遍低于20%。在山東省引黃灌區(qū)水資源管理過程中,應(yīng)綜合考慮農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的實(shí)施和水文氣象條件差異的影響,在推行農(nóng)業(yè)節(jié)水及調(diào)水工程的同時(shí),考慮灌區(qū)農(nóng)業(yè)安全壓力進(jìn)行“精細(xì)配水”,平水年份保障適宜等級(jí)生態(tài)需水后農(nóng)業(yè)用水短缺由55.28降低到18.25億m3,有效的降低了農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水之間的矛盾。

山東省引黃灌區(qū)內(nèi)水資源短缺與浪費(fèi)現(xiàn)象并存,一方面可用水量減少,另一方面普遍存在大水漫灌、用水效率不高的情況。引黃灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水不僅來自降雨和引黃工程,還有一部分來自地下水,而這部分水資源以井灌的形式被農(nóng)民開采,不容易受到有關(guān)部門的統(tǒng)一監(jiān)管和調(diào)控。在引黃水量不能滿足農(nóng)業(yè)用水需求的情況下,農(nóng)戶會(huì)通過開采地下水來保障農(nóng)業(yè)用水安全,目前山東省引黃灌區(qū)年均地下水可采量約為40億m3,隨著降水系列的偏枯,地下水開采量呈增加趨勢,已經(jīng)造成了地面沉降、地下漏斗區(qū)和海水倒灌等生態(tài)問題。除了保障黃河口生態(tài)安全,提高農(nóng)業(yè)灌溉效率,重視機(jī)井灌溉的管理,科學(xué)的進(jìn)行引水補(bǔ)源,維護(hù)地下水生態(tài)環(huán)境健康也是未來努力的方向。

4 結(jié)論

為保證黃河口生態(tài)安全,國家做出重要決策,堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先的原則,在任何情況下都要保證一定的入海水量。保障不同等級(jí)的生態(tài)需水會(huì)對(duì)山東省農(nóng)業(yè)用水安全造成一定的影響,但是由于水文氣象的空間差異的影響,導(dǎo)致山東省引黃灌區(qū)的農(nóng)業(yè)安全壓力也存在空間異質(zhì)性,因而管理部門可以根據(jù)水文氣象條件,以及不同調(diào)控區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行引黃水量的調(diào)控,爭取在空間上細(xì)化黃河水資源分配方案,結(jié)合農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的實(shí)施,有望達(dá)到適宜等級(jí)生態(tài)需水保障的目標(biāo),維持黃河口生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。為了滿足黃河口整體生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡,保障最高等級(jí)生態(tài)需水,更加需要跨流域調(diào)水、農(nóng)業(yè)節(jié)水和地表水地下水聯(lián)動(dòng)等多途徑入手,最終實(shí)現(xiàn)山東引黃灌區(qū)和黃河口生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)(References):

[1] Lu S B, Bai X, Li W, Wang N. Impacts of climate change on water resources and grain production. Technological Forecasting and Social Change, 2019, 143: 76- 84.

[2] Khan S, Ahmad A, Malano H M. Managing irrigation demand to improve seasonality of river flows. Irrigation and Drainage, 2009, 58(2): 157- 170.

[3] 劉強(qiáng), 嚴(yán)登華, 何巖, 鄧偉, 章光新. 東北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水安全預(yù)警研究. 水土保持通報(bào), 2003, 23(5): 53- 57.

[4] Sullivan C. Calculating a water poverty index. World Development, 2002, 30(7): 1195- 1210.

[5] Falkenmark M, Widstrand C. Population and water resources: a delicate balance. Population Bulletin, 1992, 47(3): 1- 36.

[6] Ali A M, Shafiee M E, Berglund E Z. Agent-based modeling to simulate the dynamics of urban water supply: climate, population growth, and water shortages. Sustainable Cities and Society, 2017, 28: 420- 434.

[7] Garcia-Cuerva L, Berglund E Z, Binder A R. Public perceptions of water shortages, conservation behaviors, and support for water reuse in the U.S. Resources, Conservation and Recycling, 2016, 113: 106- 115.

[8] Ait-Aoudia M N, Berezowska-Azzag E. Water resources carrying capacity assessment: the case of Algeria′s capital city. Habitat International, 2016, 58: 51- 58.

[9] 王西琴, 王佳敏, 張遠(yuǎn). 基于糧食安全的河南省農(nóng)業(yè)用水分析及其保障對(duì)策. 中國人口·資源與環(huán)境, 2014, 24(3): 114- 118.

[10] Zhu W B, Jia S F, Devineni N, Lv A F, Lall U. Evaluating China′s water security for food production: the role of rainfall and irrigation. Geophysical Research Letters, 2019, 46(20): 11155- 11166.

[11] 王鶴齡, 張強(qiáng), 王潤元, 呂曉東, 王力, 張鐳, 齊月. 氣候變化對(duì)甘肅省農(nóng)業(yè)氣候資源和主要作物栽培格局的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 37(18): 6099- 6110.

[12] Hatfield J L, Dold C. Water-use efficiency: advances and challenges in a changing climate. Frontiers in Plant Science, 2019, 10: 103.

[13] 陳洪斌. 我國省際農(nóng)業(yè)用水效率測評(píng)與空間溢出效應(yīng)研究. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2017, 31(2): 85- 90.

[14] Ezenne G I, Jupp L, Mantel S K, Tanner J L. Current and potential capabilities of UAS for crop water productivity in precision agriculture. Agricultural Water Management, 2019, 218: 158- 164.

[15] 鮑超, 鄒建軍. 基于人水關(guān)系的京津冀城市群水資源安全格局評(píng)價(jià). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2018, 38(12): 4180- 4191.

[16] 賈紹鳳, 張軍巖, 張士鋒. 區(qū)域水資源壓力指數(shù)與水資源安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系. 地理科學(xué)進(jìn)展, 2002, 21(6): 538- 545.

[17] J?germeyr J, Pastor A, Biemans H, Gerten D. Reconciling irrigated food production with environmental flows for sustainable development goals implementation. Nature Communications, 2017, 8(1): 15900.

[18] Pang A P, Sun T. Bayesian networks for environmental flow decision-making and an application in the Yellow River estuary, China. Hydrology and Earth System Sciences, 2014, 18(5): 1641- 1651.

[19] Monteith J L. Evaporation and surface temperature. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 1981, 107(451): 1- 27.

[20] 劉鈺, Pereira L S, Teixeira J L, 蔡林根. 參照騰發(fā)量的新定義及計(jì)算方法對(duì)比. 水利學(xué)報(bào), 1997, (6): 27- 33.

[21] Smith M. CROPWAT-A Computer Program for Irrigation Planning and Management. Rome: FAO, 1992.

[22] Sun T, Yang Z F, Cui B S. Critical environmental flows to support integrated ecological objectives for the Yellow river estuary, China. Water Resources Management, 2008, 22(8): 973- 989.

[23] 龐愛萍, 孫濤. 基于生態(tài)需水保障的農(nóng)業(yè)生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn). 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(8): 2550- 2560.

[24] 《中國水利》編輯部. 全國大型灌區(qū)一覽表. 中國水利, 2005, (23): 96- 100.

[25] 王孝青. 田山灌區(qū)現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策. 山東水利, 2001, (11): 15- 15.

[26] 李振賢. 東營市雙河灌區(qū)節(jié)水灌溉發(fā)展方向. 山東水利, 2001, (2): 24- 24.

[27] 韓瑞先, 蔡志強(qiáng). 彭樓引黃灌區(qū)改革淺析. 山東水利, 2008, (11): 50- 51.

[28] 崔璇. 簸箕李灌區(qū)建設(shè)節(jié)水型灌區(qū)措施初探. 山東水利, 2006, (12): 34- 34, 36- 36.

[29] 肖峰. 參與式管理在韓墩引黃灌區(qū)的應(yīng)用研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2012.

[30] 白子韶. 謝寨引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉的發(fā)展措施. 山東水利, 2003, (5/6): 50- 50.

[31] 王衛(wèi)紅. 鄄城縣舊城引黃灌區(qū)防滲工程施工. 山東水利, 2014, (7): 59- 60.

[32] 王建設(shè). 蘇泗莊引黃灌區(qū)水量供需平衡分析. 山東水利, 2012, (5/6): 80- 81.

[33] 陳玉民, 郭國雙, 王廣興, 康紹忠, 羅懷彬, 張大中. 中國主要作物需水量與灌溉. 北京: 水利電力出版社, 1995.

[34] 水利部黃河水利委員會(huì). 黃河水資源公報(bào). 鄭州: 黃河水利出版社, 1998- 2018.

[35] 趙延鑄, 王傳江. 濟(jì)南市水資源初步評(píng)價(jià) // 山東水利學(xué)會(huì)暨水利建設(shè)戰(zhàn)略問題學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集. 濟(jì)南： 山東水利學(xué)會(huì), 1988: 90- 99.

[36] 商廣宇, 趙士賢, 孔憲芳. 山東省引黃灌區(qū)地下水賦存條件與開發(fā)潛力分析. 地下水, 1998, 20(2): 80- 81, 66- 66.

[37] 徐征和, 贠汝安, 王繼光, 郭印坦. 山東省引黃灌區(qū)節(jié)水技術(shù)應(yīng)用研究. 山東水利, 2002, (2): 26- 27.

[38] 山東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局. DB37/T 1640—2010 山東省地方標(biāo)準(zhǔn)—山東省農(nóng)業(yè)灌溉用水定額. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2010.