氣候變化對汾西灌區(qū)灌溉用水量的影響研究

季建鑫，楊 玫，薛麗萍

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.山西省水土保持科學(xué)研究所，太原 030024）

0 引 言

氣候變暖既引起了降水變化，導(dǎo)致水資源時(shí)空分布變化及旱澇災(zāi)害的發(fā)生[1]，也會使灌區(qū)作物的蒸散量增加，降低土壤水的時(shí)效性[2]，從而對灌區(qū)灌溉用水產(chǎn)生較大影響。定量研究長期氣候變化特征及對灌區(qū)灌溉用水量的影響，既可以明晰氣候及灌區(qū)用水量歷史變化規(guī)律，也可以預(yù)測未來變化，為灌區(qū)灌溉用水提供科學(xué)指導(dǎo)。

線性傾向估計(jì)法用來研究氣象要素長序列年際變化特征時(shí)，可以快速地得到多年趨勢變化傾向。Mann-kendall法無需假定樣本特殊分布，可避免個人異常值干擾[3,4]，這兩種方法常被結(jié)合使用。M-K 法進(jìn)行突變檢驗(yàn)時(shí)可能會有雜點(diǎn)，可結(jié)合距平值法來確定突變期[5,6]。氣候變化對灌區(qū)灌溉用水量影響研究主要集中于不同氣候變化情景下灌溉用水量的變化和灌溉用水量的影響因子研究兩個方面[7]。鄭潤橋[8]等研究區(qū)域灌溉用水量時(shí)空變化及影響因素，發(fā)現(xiàn)相對濕度與日照時(shí)數(shù)對魯西北地區(qū)灌溉用水量的影響較大。馬文津[9]等發(fā)現(xiàn)黑龍江部分區(qū)域出現(xiàn)“蒸發(fā)悖論”現(xiàn)象，但灌溉用水量還是呈增加趨勢。宋悅[10]等研究變化環(huán)境下涇惠渠灌區(qū)凈灌溉需水量的響應(yīng)，結(jié)果表明灌區(qū)降水減少，ET0增加，凈灌溉需量水增加，ET0和種植面積是凈灌溉需水量的主要影響因子。前人的研究成果多集中于歷史氣候或未來氣候變化下灌區(qū)灌溉用水量總體變化，對灌區(qū)灌溉用水量的年內(nèi)變化及其在不同典型年份條件下的變化研究較少。本文研究山西汾西灌區(qū)降水與氣溫的變化特征及不同典型年灌溉用水量的變化，建立各水文典型年下降水、作物需水量與灌溉用水量的回歸方程，定量分析各因素對灌溉用水量的影響，揭示該灌區(qū)40 年來氣候變化特征及其對灌溉用水量的影響，為進(jìn)一步掌握灌區(qū)氣候變化特征及灌溉用水規(guī)律、進(jìn)一步科學(xué)合理地指導(dǎo)灌溉提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

汾西灌區(qū)位于汾河下游、臨汾盆地的汾河西側(cè)，南北長約120 km，東西寬約13 km，受益范圍包括洪洞、堯都、襄汾（氣象站點(diǎn)見圖1），受益面積達(dá)28 800 hm2。灌區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，四季分明，雨熱同期。冬季寒冷干燥，降雪稀少；春季干旱多風(fēng)，秋季陰雨連綿；夏季酷熱多暴雨，伏天旱雨交錯。降水年際變化較大，年內(nèi)分配不均。本文選擇灌區(qū)3個氣象站點(diǎn)1975-2018年44年的日觀測氣象資料進(jìn)行計(jì)算與分析。

圖1 汾西灌區(qū)及氣象站概況圖Fig.1 Overview map of Fenxi Irrigation area and weather station

1.2 研究方法

1.2.1 氣象要素分析方法

氣象要素序列常見的分析方法包括趨勢分析、突變檢驗(yàn)和周期計(jì)算。本文采用線性傾向估計(jì)法分析時(shí)間序列非周期成分的變化特征與趨勢，用氣候傾向率來表示變化率；用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法（采用置信度為95%的顯著性指標(biāo)）與距平值法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，確定降水與氣溫的突變年份與變化的顯著性。

1.2.2 灌區(qū)灌溉用水量計(jì)算方法

（1）作物需水量采用FAO_56 的作物系數(shù)法計(jì)算[11]，公式為：

式中：ETc為作物需水量，mm；ET0為參考作物騰發(fā)量，采用Penman-Monteith 公式計(jì)算得出，mm；Kc為作物系數(shù)，汾西灌區(qū)主要作物為冬小麥、春玉米和夏玉米，參考FAO 推薦的夏玉米、汾河灌區(qū)春玉米和臨汾冬小麥的作物系數(shù)[12-14]。

（2）灌溉用水量。灌溉用水量為灌區(qū)的灌溉毛用水量，包括作物生長所需灌溉用水量、渠系輸水損失量和田間損失量，本文通過灌區(qū)凈灌溉用水量除以灌溉用水綜合利用系數(shù)得到：

式中：W為灌區(qū)灌溉用水量，mm；W凈為灌區(qū)凈灌溉用水量，mm；η為灌區(qū)灌溉用水綜合利用系數(shù)。

灌區(qū)凈灌溉用水量為各種作物凈灌溉需水量乘以加權(quán)系數(shù)之和，灌區(qū)種植面積占比約為80%，冬小麥、春玉米和夏玉米分別占種植面積的70%、20%、50%。公式為：

式中：W凈為灌區(qū)凈灌溉用水量，mm；IN冬小麥、IN春玉米和IN夏玉米分別為冬小麥、春玉米和夏玉米的凈灌溉需水量，mm。

作物凈灌溉需水量由農(nóng)田水量平衡方程得出，汾西灌區(qū)地下水埋深大且土壤水分變化不大，不考慮地下水補(bǔ)給和土壤水變化，則凈灌溉需水量公式[15]為：

式中：IN為作物凈灌溉需水量，mm；Pe為作物生育期內(nèi)有效降水量，mm，日降水量在3～50 mm 之間，日降水量即為有效降水量，小于3 mm 則不計(jì)，大于50 mm 時(shí)，有效降水量則為日降水量的0.8倍[16]。

1.2.3 灌區(qū)豐水年、平水年、枯水年，灌溉保證率等的確定

對降水序列進(jìn)行排頻計(jì)算，用皮爾遜3型曲線配線得到各頻率情況下對應(yīng)的降水量值。一般取P=25%、50%、75%對應(yīng)的降水量為豐、平、枯水年的設(shè)計(jì)值，然后在實(shí)測系列中選取與設(shè)計(jì)值相等或接近的年份作為代表年，并用線性回歸法建立降水、作物需水量與灌溉用水量之間的關(guān)系式，灌溉保證率取50%與75%。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌區(qū)氣候變化特征分析

2.1.1 趨勢變化特征分析

年降水與平均氣溫年際變化見圖2，由圖2 可知：1975 年到2018 年汾西灌區(qū)年降水量以2.7 mm/10a 的速率下降，未通過顯著性檢驗(yàn)，下降趨勢不顯著。降水CV值為20%，波動較大，1997 年降至最低301.7 mm，2003 年達(dá)到最大762 mm，降水極差達(dá)460.3 mm。

圖2 年降水與平均氣溫年際變化及其距平值曲線圖Fig.2 Interannual variation of precipitation and average temperature and its parity curve

44 年來灌區(qū)平均氣溫以0.67 ℃/10a 的速率上升，于2015年達(dá)到最大值15.79 ℃，通過顯著性檢驗(yàn)，上升趨勢顯著。平均氣溫的CV值為7%，較為穩(wěn)定，1997 年之前多數(shù)年份為負(fù)距平，1997 年之后多數(shù)年份為正距平，故灌區(qū)平均氣溫在20世紀(jì)90年代后期之前處于相對偏冷狀態(tài)，而從20世紀(jì)90年代末開始處于升溫狀態(tài)。

2.1.2 突變檢驗(yàn)特征分析

年降水突變檢驗(yàn)結(jié)果見圖3（a），由圖3 可知：UF與UB交點(diǎn)于1977、2014、2016、2018 年，但只有1977 年以后超出顯著水平線，確定1977 年是第一次突變時(shí)間，其他點(diǎn)的真?zhèn)芜€需結(jié)合降水累計(jì)距平曲線（圖2）進(jìn)一步分析得到：降水在2014 和2016 年變化較大，轉(zhuǎn)變前后降水量差值達(dá)到248 mm、151 mm，結(jié)合兩種方法分析結(jié)果得到灌區(qū)降水的突變時(shí)間為1977、2014 和2016 年，確定該年份為降水對灌溉用水量影響的典型年，降水量分別為473.1 mm、613.9 mm、391.18 mm。

圖3 年降水與平均氣溫M-K統(tǒng)計(jì)量曲線圖Fig.3 Curve of annual precipitation and average temperature M-K statistics

年平均氣溫突變檢驗(yàn)結(jié)果見圖3（b），其變化特征為：1975-1989年間，氣溫冷暖交替變化；1989年以后氣溫增加顯著。UB與UF的交點(diǎn)出現(xiàn)在1997 年，因此確定1997 年為突變點(diǎn)；結(jié)合平均氣溫距平曲線結(jié)果得到汾西灌區(qū)的氣溫突變點(diǎn)僅僅發(fā)生在1997 年，確定該年份為氣溫對灌溉用水量影響的典型年，氣溫為14.16 ℃。

2.2 灌溉用水量分析

2.2.1 灌溉用水量年際與年內(nèi)變化

灌區(qū)1975-2018年作物需水量和灌溉用水量年際變化情況如圖4 所示，灌區(qū)的作物需水量與灌溉用水量呈現(xiàn)上升趨勢，分別為7.6 mm/10a、25.4 mm/10a，灌溉用水量的遞增速度大于作物需水量的遞增速度且年際波動較大，是因?yàn)榻陙砉鄥^(qū)降水年際波動大且總體呈下降趨勢，而氣溫上升，作物需要更多的水分，這使得灌區(qū)對灌溉用水的需求增大。

圖4 灌區(qū)作物需水量和灌溉用水量年際變化Fig.4 Inter-annual variation of crop water demand and irrigation water in irrigated areas

灌區(qū)作物需水量、有效降水量及灌溉用水量的年內(nèi)分布見表1，可以看出三者的年內(nèi)變化都比較大，作物需水量的變化符合灌區(qū)作物的種植生長規(guī)律，在年內(nèi)呈雙峰曲線，在5、8 月達(dá)到峰值，峰值之差為24.23 mm；有效降水呈單峰曲線，先漲后消，在夏季的7月達(dá)到峰值；灌溉用水量的變化與作物需水量相似，不過因?yàn)樽魑镄杷颗c降水一側(cè)大而另一側(cè)小發(fā)生的概率比較大，兩者較大或較小發(fā)生的概率較低，5、8月的有效降水之差較大，它的峰值之差遠(yuǎn)大于作物需水量的峰值之差，為131 mm。由以上三者的年內(nèi)分布來看，春灌多發(fā)生在4、5 月份且5 月份的灌溉用水量為一年中的最大值，冬灌多發(fā)生在11 月份；作物在秋季多數(shù)處于成熟期，灌溉需水較少。

2.2.2 氣候突變年灌溉用水量變化分析

降水突變年發(fā)生在1977、2014、2016 年，氣溫突變年為1997年，故選取這4個年份為典型年，氣候突變年灌溉用水量變化見圖5，由圖5 可知：灌溉用水量與降水量呈負(fù)相關(guān)，氣溫突變年的灌溉用水量為多年最大值894.4 mm，比多年均值大396.8 mm，這是因?yàn)闅鉁赝蛔兪菇邓眲∠陆禐槎嗄暌詠淼淖钚≈?，灌溉用水量的變化量約為降水變化量的2.4 倍。在降水突變年，降水量接近多年均值時(shí)，灌溉用水量的變化遠(yuǎn)大于降水量變化，這是降水的年內(nèi)分布不均導(dǎo)致的；降水量大于多年均值時(shí)，灌溉用水量的變化量約為降水變化量的1.7倍；降水量低于多年均值時(shí)，灌溉用水量的變化量為降水變化量的2倍。

圖5 氣候突變年灌溉用水量年際變化Fig.5 Interannual variation of irrigation water consumption in abrupt climate change years

2.2.3 典型水文年灌溉用水量變化及對灌溉制度影響

降水頻率曲線見圖6，由圖6 可知：P為25%、50%、75%，降水對應(yīng)的設(shè)計(jì)值分別為515 mm、473 mm、395 mm，可分為豐、平、枯水年3個序列。水文典型年降水與灌溉用水量變化見圖7～圖9，豐、平、枯水年的多年降水均值分別為572.1 mm、462 mm、354 mm，多年灌溉用水量均值分別為293.2 mm、489 mm、737 mm，灌溉用水量均值之差約為降水均值之差的2倍。灌溉用水量和灌區(qū)作物需水量、降水之間的多元線性回歸方程分別為：

圖6 降水頻率曲線Fig.6 Precipitation frequency curve

圖7 豐水年降水與灌溉用水量變化Fig.7 Changes in precipitation and irrigation water consumption in abundant years

圖8 平水年降水與灌溉用水量變化Fig.8 Changes in annual precipitation and irrigation water consumption in flat water

圖9 枯水年降水與灌溉用水量變化Fig.9 Changes in precipitation and irrigation water consumption in dry years

式中：W豐、W平、W枯分別為豐、平、枯水年的灌溉用水量，mm；ET為灌區(qū)作物需水量，由主要作物需水量乘以加權(quán)系數(shù)相加得到，mm；P為降水，mm。

各水文典型年回歸方程的決定系數(shù)均大于0.9，相關(guān)系數(shù)均大于0.8，F(xiàn)檢驗(yàn)的P值均遠(yuǎn)小于0.05，這證明灌溉用水量和灌區(qū)作物需水量、降水之間的線性關(guān)系顯著。由方程可看出，作物需水量增加1 mm 時(shí)，灌溉用水量增加1.92 mm；降水對灌溉用水量的影響隨著降水增多而減小，降水增加1 mm，在豐水年、平水年與枯水年可使灌溉用水量分別減少1.29 mm、1.74 mm、2.72 mm。平水年與枯水年的降水設(shè)計(jì)值相差78 mm，由方程計(jì)算出的灌溉用水量相差139 mm，可推出枯水年的灌溉定額比豐、平水年的灌溉定額多出20%左右。

根據(jù)以上分析結(jié)果，建議灌區(qū)在作物生長期與灌漿期充分保證灌溉，冬小麥、春玉米和夏玉米的灌溉定額分別在180 mm、160 mm、120 mm 左右，成熟期可不灌水。豐水年與平水年灌溉制度的灌溉保證率為50%，冬小麥在越冬前、返青期、生長期和抽穗灌漿期各灌溉1次，夏玉米在生長期和抽雄灌漿期各灌溉1 次，春玉米比夏玉米在播種前多灌溉1 次。枯水年灌溉制度的灌溉保證率為75%，冬小麥增加播種前灌溉一次，玉米在抽雄灌漿期多灌溉1 次。灌溉可進(jìn)行生長期節(jié)水，把農(nóng)作物生長期達(dá)到某一產(chǎn)量水平必須消耗的水量控制在最低限度，保證生育階段澆關(guān)鍵性水，降低灌溉用水量。

3 討 論

灌區(qū)氣象要素變化特征研究有助于探明灌區(qū)歷史與未來氣候變化趨勢，本文分析降水與氣溫時(shí)間變化規(guī)律，得出灌區(qū)氣候偏向暖干趨勢發(fā)展，這與全球的氣候變化趨勢一致。灌區(qū)與山西降水、氣溫的變化趨勢一致，但是灌區(qū)降水的下降速率低于山西整體的-15.7 mm/10a，突變時(shí)間早于山西整體[17]，平均氣溫的上升速率大于山西整體的0.306 ℃/10a，突變時(shí)間遲于山西整體[18,19]。這可能與汾西灌區(qū)的位置以及城鎮(zhèn)化活動有關(guān)，灌區(qū)位于山西省南部地區(qū)，降水偏多、氣溫偏高，靠近汾河，水汽資源易補(bǔ)充，近年來灌區(qū)大興水利設(shè)施建設(shè)[20]，臨汾區(qū)域工業(yè)發(fā)展迅速，對增溫也有促進(jìn)作用。

一般情況下，氣溫越高，蒸發(fā)越強(qiáng)，大氣持水能力增強(qiáng)，水循環(huán)加強(qiáng)，降水也隨之增多。但在氣溫突變年，氣溫增加1.31 ℃的情況下，汾西灌區(qū)的降水卻降至多年最低值301.7 mm，這與厄爾尼諾現(xiàn)象密切相關(guān)[21,22]。1997 年發(fā)生了20 世紀(jì)最強(qiáng)的一次厄爾尼諾現(xiàn)象[23]，赤道東太平洋海溫異常升高,中緯度的西南季風(fēng)減弱,無充沛的水汽向北傳送，且6 月西太平洋副熱帶高壓位置偏東南,強(qiáng)度較弱,不能將雨帶推向北方[24],而臨汾地區(qū)基本受西北氣流控制，因此降水降至多年最低值[25]。而枯水年單位降水量的變化對灌溉用水量的影響較大，故在厄爾尼諾現(xiàn)象當(dāng)年，應(yīng)考慮增加灌溉用水量。

分析灌區(qū)灌溉用水量發(fā)現(xiàn)春季是灌溉用水量最多的季節(jié)，這是因?yàn)槎←準(zhǔn)枪鄥^(qū)種植面積最大的作物，春季正值冬小麥的生長期與抽穗灌漿期，也是春玉米種植與生長的時(shí)期，作物需水量大[13,14]。作物需水量與降水一側(cè)大而另一側(cè)小發(fā)生的概率比較大，兩者較大或較小發(fā)生的概率較低，這與JIE F[26]等研究結(jié)果相符，這兩者也是灌溉用水量的主要影響因子，與宋悅[10]、李萍[27]等的研究成果相符。

4 結(jié) 論

（1）汾西灌區(qū)年降水量以2.7 mm/10a 的速率下降，年際波動大，在1977、2014、2016 年從高向低轉(zhuǎn)變；平均氣溫以0.471 ℃/10a 的速率顯著上升，在1993 年發(fā)生暖性氣溫突變；灌區(qū)氣候向暖干方向發(fā)展。

（2）灌區(qū)的作物需水量與灌溉用水量分別以7.6 mm/10a、25.4 mm/10a 的速率上升，灌溉用水量的增長速率大于作物需水量。氣溫的突變伴隨著降水急劇減少，灌溉用水量為多年最大值，遠(yuǎn)大于降水突變年的灌溉用水量。因此氣溫突變對灌溉用水量的影響大于降水突變對灌溉用水量的影響。

（3）3種水文典型年的多年灌溉用水量均值之差約為多年降水量均值之差的2 倍。作物需水量增加1 mm 時(shí)，灌溉用水量增加1.92 mm；降水增多，其對灌溉用水量的影響減小，單位降水量變化在豐、平、枯水年可分別引起1.29、1.74、2.72單位灌溉用水量的變化。枯水年的灌溉定額比平、豐水年增加20%，灌溉次數(shù)增加一次。灌溉時(shí)可進(jìn)行生長期節(jié)水，減少灌溉用水量。