滇中受水區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力估算與分析

顧世祥1，朱 赟,3，李亞龍，劉鳳麗，熊玉江

(1.云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，昆明 650021；2.長江科學(xué)院 農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢 430010；3.太原理工大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024 )

1 研究背景

大力發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水是目前方向性、 戰(zhàn)略性的大事。 農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計算在當(dāng)下社會發(fā)展中具有極重要的理論與實踐意義[1-2]。 農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力主要是指農(nóng)田灌溉節(jié)水潛力， 主要體現(xiàn)在農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)的提高和灌溉用水定額的下降兩方面[3-5]。 現(xiàn)時期節(jié)水潛力分析是以各部門、 各種作物通過綜合節(jié)水措施所達(dá)到的節(jié)水條件下的定額、 水利用系數(shù)、 節(jié)水器具普及率等為參照標(biāo)準(zhǔn), 分析現(xiàn)狀用水水平與節(jié)水條件下的上述指標(biāo)的差值, 并根據(jù)現(xiàn)狀的實物指標(biāo)(如灌溉面積等) 計算最大的可能節(jié)水量[6-8]。

目前， 我國農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力研究多通過構(gòu)建多指標(biāo)多目標(biāo)綜合評價體系, 從區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉綜合評價角度進(jìn)行節(jié)水潛力評價。劉小燕等[9]采用定額比較法分析了通遼市科爾沁區(qū)現(xiàn)狀年和規(guī)劃水平年的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。馬素英等[10]以河北省石家莊市2006—2007年為例, 采用水利部公式、海委公式推求了石家莊市2006—2007年各行業(yè)節(jié)水潛力, 并將兩種結(jié)果與實際節(jié)水潛力進(jìn)行了分析比較, 認(rèn)為水利部節(jié)水潛力計算公式是目前計算節(jié)水潛力的較好方法。王應(yīng)武等[11]基于當(dāng)前已有的灌溉節(jié)水潛力計算理論, 提出了農(nóng)業(yè)灌區(qū)毛節(jié)水量與凈節(jié)水量的區(qū)分與計算, 并以灌區(qū)實際為例, 分別估算了節(jié)水灌溉率提高30%和50%兩種工況下的毛節(jié)水量與凈節(jié)水量。王林威等[12]在對寧蒙引黃灌區(qū)節(jié)水潛力概念辨析、灌溉水量與地下水位變化關(guān)系分析、灌區(qū)合理灌溉定額計算的基礎(chǔ)上, 采用傳統(tǒng)的節(jié)水潛力計算公式, 分析了青銅峽灌區(qū)的節(jié)水潛力。瓊月等[13]針對西北干旱地區(qū)石羊河流域下游民勤縣自然條件和水資源配置不合理的矛盾, 提出了一種基于優(yōu)化的多尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計算方法, 通過計算分析多尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力為當(dāng)?shù)靥岣吡擞盟?。劉柏君等[14]在分析青海西寧海東地區(qū)節(jié)水現(xiàn)狀、解析區(qū)域現(xiàn)狀用水水平的基礎(chǔ)上, 評價了該地區(qū)的節(jié)水潛力, 其中農(nóng)業(yè)節(jié)水部分采用傳統(tǒng)節(jié)水潛力計算方法, 提出了具有針對性與適應(yīng)性的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)生活用水優(yōu)化對策。崔永正等[15]基于超效率SBM模型, 在全國視角下測度分析2008—2018年黃河流域9省的農(nóng)業(yè)用水效率及其分解, 并深入分析流域各省的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。

滇中地區(qū)是云南省的經(jīng)濟(jì)核心區(qū)和農(nóng)業(yè)優(yōu)先發(fā)展區(qū)域, 但受自然條件約束, 也是云南省缺水最嚴(yán)重的地區(qū), 水資源短缺已成為其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突出瓶頸。本文根據(jù)有限的水、土資源數(shù)據(jù)資料, 參考各學(xué)者節(jié)水潛力計算案例研究, 最終選取水利部推薦的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計算方法, 計算分析滇中受水區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力, 旨在為該區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展提供一定參考。

2 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為滇中引水工程受水區(qū)，涉及大理、麗江、楚雄、玉溪、昆明和紅河6個受水片區(qū)，共包含34個受水小區(qū)，涉及6個州(市)的36個縣(區(qū)、市)，國土面積3.69萬km2，約占全省國土面積的9%(圖1)?，F(xiàn)狀耕地面積64.25萬hm2，占全省總耕地面積的10%，人均耕地面積0.1 hm2，低于全省平均水平。滇中受水區(qū)是云南省耕地最為連片、種植水平高的糧食主產(chǎn)區(qū)，主要種植水稻、玉米、豆類和薯類，在云南省農(nóng)業(yè)發(fā)展中具有舉足輕重的地位和作用。2017年底，滇中受水區(qū)所涉及的6個受水片區(qū)共發(fā)展節(jié)水灌溉面積約285.56萬 hm2，其中高效節(jié)水灌溉面積約6.96萬 hm2。平均灌溉水利用系數(shù)為0.59，高于全國平均水平0.542，低于國內(nèi)先進(jìn)水平0.735。平均節(jié)水灌溉率達(dá)到48.01%，略高于全國平均水平36.6%，低于國內(nèi)先進(jìn)水平76%。受水區(qū)現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)較國內(nèi)先進(jìn)水平還有一定距離，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力還有發(fā)展空間。

圖1 滇中受水區(qū)

3 數(shù)據(jù)與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

從中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站收集了22個相應(yīng)區(qū)域縣級典型氣象站點2012—2017年逐日氣象數(shù)據(jù)，包括最高(低)氣溫、空氣相對濕度、日照時間、降雨量和風(fēng)速等，用以了解研究區(qū)年徑流量特征；從云南省1949—2017年統(tǒng)計年鑒[16]、云南省水資源公報、農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年報等收集了滇中受水區(qū)各州(市)水資源、農(nóng)業(yè)用水、農(nóng)業(yè)灌溉、糧食產(chǎn)量等數(shù)據(jù)；參考了《云南省土地利用總體規(guī)劃》《云南省水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造方案編制技術(shù)指南》《中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造方案編制技術(shù)指南》以及《云南省“十三五”高效節(jié)水灌溉實施方案》、《云南省用水定額(2019版)》等項目成果資料。

3.2 計算方法

滇中受水區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的計算采用水利部推薦的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計算方法(式(1))[15-16]。該公式綜合考慮了農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、大中型灌區(qū)改造、節(jié)水灌溉面積擴(kuò)大、渠系水利用系數(shù)提高、灌溉制度改進(jìn)等措施，涵蓋了工程節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、管理節(jié)水3個方面。

Wn=A0(Q0/u0-Qt/ut) 。

(1)

式中：Wn為農(nóng)田灌溉節(jié)水潛力；A0為現(xiàn)狀灌溉面積(hm2)；Q0為現(xiàn)狀作物加權(quán)凈灌溉需水定額(m3/hm2)；Qt為考慮作物布局調(diào)整后的遠(yuǎn)期水平年作物加權(quán)凈灌溉需水定額(m3/hm2)；u0為現(xiàn)狀水平年灌溉水利用系數(shù)；ut為遠(yuǎn)期水平年灌溉水利用系數(shù)。

4 研究區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力估算與分析

4.1 情景設(shè)置

根據(jù)《基于LMDI的滇中受水區(qū)農(nóng)業(yè)用水量變化影響因素分析》[17]一文中對滇中受水區(qū)農(nóng)業(yè)用水量影響因素的分析，認(rèn)為促進(jìn)其農(nóng)業(yè)用水量有增加趨勢的正向效應(yīng)即主要因素是高耗水作物種植比例與綜合灌溉定額。因此在節(jié)水情景設(shè)置時，以2017年(平水年)為現(xiàn)狀基準(zhǔn)年，2030年為規(guī)劃水平年，根據(jù)滇中受水區(qū)34個受水小區(qū)農(nóng)業(yè)用水、農(nóng)業(yè)節(jié)水現(xiàn)狀，選定灌溉水利用系數(shù)、節(jié)水灌溉率、高效節(jié)水灌溉率以及高耗水作物(水稻)種植比例為指標(biāo)，進(jìn)行組合，擬定5個節(jié)水發(fā)展情景，用上述水利部推薦的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計算方法(公式(1))分析計算各情景的節(jié)水潛力。具體如表1所示。

表1 滇中受水區(qū)節(jié)水發(fā)展情景

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力分析

根據(jù)提高灌溉水利用系數(shù)平均水平、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)后得到的5種節(jié)水發(fā)展情景，通過式(1)進(jìn)行農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計算，得到滇中34個受水小區(qū)在各情景下的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力結(jié)果(表2)及滇中受水區(qū)總體農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力情況(圖2)。情景1時各受水小區(qū)維持基準(zhǔn)年灌溉水利用系數(shù)平均水平及種植結(jié)構(gòu)原狀，不具有農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力；情景2時除大理市受水小區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力為394萬m3外，其余33個受水小區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力均為負(fù)值，其中元謀元馬受水小區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力達(dá)到-2 598萬m3，各受水小區(qū)所在片區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力合計值均為負(fù)；在情景3的灌溉水利用系數(shù)平均水平和種植結(jié)構(gòu)下，僅南華龍川、富民永定、昆明四城區(qū)、易門龍泉、通海秀山農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力為負(fù)值，其它受水小區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力均為正，各受水小區(qū)所在片區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力合計值均為正；在情景4的灌溉水利用系數(shù)平均水平和種植結(jié)構(gòu)下，僅富民永定和昆明四城區(qū)2個受水小區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力為負(fù)，其它受水小區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力均為正，其所在受水片區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力合計值均為正；情景5時，各受水小區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力及其所在受水片區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力合計值均為正。

從滇中受水區(qū)總體農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力情況(圖2)分析，情景1維持節(jié)水現(xiàn)狀未作改變，無節(jié)水潛力；情景2農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力為-21 211萬m3，情景3、4、5時，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力均為正且依次增加，分別為18 782萬、20 094萬、41 649萬m3。綜合分析各受水小區(qū)及所在受水片區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力情況，在節(jié)水發(fā)展情景1、2情況下，滇中受水區(qū)不具備農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。

表2 各受水小區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力

圖2 滇中受水區(qū)各情景農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力

4.2.2 區(qū)域糧食安全分析

根據(jù)現(xiàn)狀人口與城鎮(zhèn)化水平，按照云南省新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的要求，采用人口綜合增長率法預(yù)測，參考國民經(jīng)濟(jì)與社會發(fā)展的相關(guān)規(guī)劃成果，確定各受水區(qū)的人口增長率和總?cè)丝谝?guī)模，如表3所示。大理、麗江6個受水小區(qū)現(xiàn)狀總?cè)丝?10.31萬人，城鎮(zhèn)人口102.13萬人，城鎮(zhèn)化率48.6%。預(yù)測滇中受水區(qū)2030年總?cè)丝跒?28.64萬人，年均增長率為7.6‰，其中城鎮(zhèn)人口122.31萬人，城鎮(zhèn)化率53.5%；預(yù)測滇中受水區(qū)2040年總?cè)丝跒?48.71萬人，年均增長率為8.0‰，其中城鎮(zhèn)人口139.71萬人，城鎮(zhèn)化率56.2%。在2030—2040年人口預(yù)測為增長的趨勢下，過度壓縮糧食作物(水稻)種植面積會造成區(qū)域糧食產(chǎn)量一定程度降低。

表3 受水區(qū)總?cè)丝谂c年均增長率預(yù)測

4.2.3 節(jié)水投資分析

依據(jù)《大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造方案編制技術(shù)指南》《中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造方案編制技術(shù)指南》以及《云南省“十三五”高效節(jié)水灌溉實施方案》，節(jié)水灌溉投資、高效節(jié)水灌溉投資分別以1.5萬元/hm2和5.25萬元/hm2計算，單方水純效益以1.30元計算(因節(jié)水情景1、2不具備節(jié)水潛力，此處不做節(jié)水投資效益分析)?？傻贸龅嶂惺芩畢^(qū)在節(jié)水情景3、4、5下的節(jié)水效益情況(表4)。由表4可以看出，節(jié)水發(fā)展情景3、4在農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力與單方節(jié)水能力投資方面相差并不大。與情景3相較而言，情景4農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力增加7%，但單方節(jié)水能力投資卻較情景3降低6.5%；情景5農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力最大，若擬定其為節(jié)水方案，可節(jié)水41 649萬m3，但在該情景下單方節(jié)水能力投資較情景3、4分別高出30.3%、39.4%。

表4 滇中受水區(qū)各情景節(jié)水效益分析

綜上分析可知，由于節(jié)水發(fā)展情景1灌溉水利用系數(shù)平均水平與種植結(jié)構(gòu)都在現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上沒有作出調(diào)整，不具節(jié)水潛力，而情景2的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力值為負(fù)，不滿足節(jié)水指標(biāo)，因此不能將這2種節(jié)水情景作為節(jié)水方案；節(jié)水發(fā)展情景4雖然通過壓縮高耗水作物種植面積，在情景3的基礎(chǔ)上增加了7%的節(jié)水潛力，但由于過度壓縮水稻種植面積，容易造成不利于滇中受水區(qū)糧食安全的問題，故而不可?。磺榫?通過大力推進(jìn)節(jié)水灌溉工程建設(shè)，提高了灌溉水利用系數(shù)，大幅增加了滇中受水區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，但建設(shè)資金投入過大，單方節(jié)水投資較高，根據(jù)滇中受水區(qū)實際發(fā)展情況，不應(yīng)作為規(guī)劃水平年節(jié)水方案。因此，在規(guī)劃水平年2030年，推薦將節(jié)水發(fā)展情景3作為滇中受水區(qū)節(jié)水方案。

5 結(jié) 論

農(nóng)業(yè)節(jié)水與灌溉水利用系數(shù)、節(jié)水灌溉面積、種植結(jié)構(gòu)、水分生產(chǎn)效率和糧食安全等密切相關(guān)。滇中受水區(qū)現(xiàn)狀節(jié)水水平總體上雖處于全國中等水平，但與國內(nèi)先進(jìn)地區(qū)仍有較大差距，農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)水平也較低。通過對5個節(jié)水發(fā)展情景的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力、區(qū)域糧食安全及節(jié)水投資效益進(jìn)行比對分析，最終認(rèn)為，在規(guī)劃水平年2030年，滇中受水區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均水平達(dá)到0.69，節(jié)水灌溉率和高效節(jié)水灌溉率分別達(dá)到80%和30%，種植結(jié)構(gòu)在現(xiàn)狀年水平基礎(chǔ)上，根據(jù)各受水小區(qū)實際情況，在-10%～3%的范圍內(nèi)調(diào)整水稻種植面積時，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力可達(dá)到18 782萬m3。