甘肅北部棉花灌溉保證率分析

李松敏，韓娜娜，周青云，王仰仁

(天津農學院水利工程學院，天津 300384)

0 引 言

甘肅位于中國西北內陸，地域狹長，是我國水資源短缺的省份之一。隨著工業和城市用水量的逐年增加，農業缺水矛盾更加突出。因此，在保證最高效益的基礎上做到節水灌溉，對減少水資源利用具有重要意義。灌溉設計保證率作為農業經濟分析的一項重要技術指標，受到供水水源的制約，不合理的灌溉設計保證率阻礙著我國農業的發展。尹正杰[1]等人對北方的幾個灌區的灌溉保證率進行分析，表明現行灌溉保證率指標沒有考慮到缺水的時間效應和程度效應，不能客觀反映灌溉供水的實際效果。趙惠新等[2]曾提出，目前我國的灌溉保證率標準普遍偏低，已經基本不能滿足我國農業生產對水的需求，嚴重阻礙了我國農業經濟的發展。因此，選定合理的灌溉設計保證率，將直接影響灌區的經濟效益。發展節水灌溉，需要依據自然科學，實現可持續的高效節水。

1 灌溉保證率分析理論方法

1.1 參考作物蒸發蒸騰量

參考作物蒸發蒸騰量ET0采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Menteith)公式(1998年)[3-7]和甘肅瓜州地區水文站的氣象資料計算。

1.2 作物生長期的需水量

作物需水量是指作物在適宜的土壤水分和肥力下，經過正常生長發育，獲得高產時的植株蒸騰、顆間蒸發以及構成植株體的水量之和。現有作物需水量的計算普遍推薦采用的方法是通過計算參考作物蒸發蒸騰量來計算作物需水量的間接法。其主要過程是首先利用氣象因子計算參考作物蒸發蒸騰量，然后乘以作物系數而得到。計算公式見式(1)：

ETm=KcET0

(1)

式中：ETm為作物生長期內的作物需水量，mm；ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm；Kc為生長期的作物系數。

1.3 作物灌溉供水量

作物的灌溉供水量由公式(2)來確定：

M=ETm-βP

(2)

式中：M為作物生長期內的灌溉供水量，mm；P為相應時段內的降水量，mm；β為作物的降水利用系數，

若P<2 mm，則取值為0；若2 mm

1.4 作物產量

由于某一階段受旱引起的減產量，不僅與本階段的水分敏感指數和水分虧缺程度有關，而且還與其他階段是否受旱有密切的關系。以階段相對騰發量為自變量建立的階段水分虧缺對產量影響的乘法模型反應了階段受旱對作物產量影響的相關性，較其他模型更符合作物的生長過程特性。為此作物產量的計算采用國內外學者普遍選擇的Jensen模型[3,4]：

(3)

式中：n為階段劃分的數目；λ為水分敏感指數，此值的大小反應該作物某一階段缺水后引起的減產程度，即λ值越大，減產率越大，詳見表1；Ya為作物實際產量，kg/hm2；Ym為作物潛在產量，kg/hm2。

表1 敏感指數及作物系數表

1.5 增產效益

作物增產效益指的是灌水之后所得的效益值與未灌水時所得的效益值之差，再扣除所用水的費用，見式(4)：

P效益=(Y-Y0)PY-10PwM

(4)

式中：P效益為每公頃作物的增產效益，元/hm2；Y為灌水后的平均產量，kg/hm2；Y0為未灌水時的平均產量，kg/hm2；Pw為灌溉用水價格，元/m3；PY為作物收購價格，元/kg。

2 甘肅瓜州地區棉花灌溉保證率分析

2.1 模型參數及取值

甘肅瓜州地區棉田土壤容重取γ=1.42 t/m3，田間持水率為30%，凋萎含水率為10%。單次灌水用水量設為H=55 mm，將棉花的生長階段分為了播種出苗期、苗期-蕾期、蕾期-花鈴期、花鈴期-吐絮期4個階段。作物系數根據FAO推薦的作物系數，結合當地試驗站的試驗資料所得[8]，各階段λ值參考甘肅平涼地區棉花的λ值[8]，具體數值見表1。

2.2 作物需水量計算結果

根據甘肅瓜州地區1983-2012年的氣象資料，利用公式(1)計算出甘肅瓜州地區多年棉花的作物需水量，結果見圖1。

圖1 多年棉花作物需水量

2.3 灌溉供水量的確定

利用公式(2)和1983-2012年甘肅瓜州地區降水量資料計算出30 a的灌溉供水量，結果見表2，對這30年的灌溉供水量進行頻率分析，得出不同灌溉設計保證率下的灌溉供水量及其典型年，見表3。

表2 多年棉花灌溉供水量

表3 不同灌溉設計保證率下的灌溉供水量

2.4 灌水次數對效益的影響

在研究甘肅瓜州地區棉花30年長系列資料時，假定30年每年灌水均在相同時間進行，在其灌水次數一定條件下，對30年的棉花資料運用模式搜索法[9]進行計算分析，先確定出作物在其生長期內灌水日期，通過模擬計算，繼而得到增產效益的最大值。隨著灌水次數的不斷增長，增產效益持續呈現上升趨勢，直至增產效益值不再增加，出現減產現象則停止計算。為此，可得出該地區棉花的最優灌水次數和其最大增產效益，從而可得到最優的灌溉設計保證率。增產效益和灌水次數的關系如圖2，增產效益和灌溉保證率的關系曲線如圖3所示。

圖2 效益隨灌水次數變化圖

圖3 效益隨灌溉保證率變化圖

由圖2和圖3可知，假定灌水10次，在單次灌水定額一定的情況下，灌水量隨著灌水次數的增加而增大。同時灌溉設計保證率不斷增加，棉花的產量也是持續上升。但對其凈增長效益的影響卻是先升后降。以灌溉設計保證率50%左右為界，之前隨著保證率的增長，效益增長較快，而后其變化趨勢變得比較平緩。在灌水次數為8次時出現了增產效益的最大值，分別在“播種-出苗期”的第18天，“苗期-蕾期”的第32天，“蕾期-花鈴期”內的第34天、第50天、第55天和第64天，“花鈴期-吐絮期”第20天和第37天進行灌水，其效益最大值為34 118.4元/hm2。此時增產效益曲線出現拐點，隨后灌溉設計保證率增加，凈增產效益值減少。對應得出的最優灌溉設計保證率為53%。與現行的規范[10]中規定的“以旱作為主的缺水地區的灌溉設計保證率為50%～75%”是相近的，同時也說明了現有規范中的灌溉設計保證率建議值的合理性。

3 結 語

通過對甘肅瓜州地區棉花的最優灌溉設計保證率的計算與分析，利用模式搜索法進行灌溉時間上的優化，得出棉花灌水次數在8次時經濟效益最大，這時灌水總量為440 mm，對應最大增產效益為34 118.4元/hm2，所以在甘肅瓜州地區比較適宜的灌水量為440 mm，對應最優灌溉設計保證率為53%，為甘肅北部地區棉花的節水灌溉提供了理論依據。

[1] 尹正杰，王小林，胡鐵松，等．灌溉供水可靠度的經濟設計[J]．灌溉排水學報，2005，(2)：52-54.

[2] 趙惠新，李兆宇．關于提高灌溉設計保證率的必要性分析[J]．中國農村水利水電，2011(6 )：52-54.

[3] Allen R G, Pereira L S, Raes D, Smith M. Crop evapotranspiration[J]. FAO Irrigation and Drainage Paper, 1998:23-28.

[4] 王仰仁，孫小平．山西農業節水理論與作物高效用水模式[M]．北京：中國科學技術出版社．2003：41-44，86-95．

[5] 劉 鈺，PereiraL S，Teixeira J L等．參照騰發量的新定義及計算方法對比[J]．水利學報，1997,(6)：27-33．

[6] 蔡學良，崔遠來，宋志強，等．陡山灌區實時灌溉預報研究[J]．灌溉排水學報，2003，22(3)：33-36．

[7] 張 麗，魏曉妹，趙鳳偉，等．寶雞峽灌區農田灌溉水量供需平衡分析[J]．人民黃河，2007，29(4)：46-48．

[8] 段愛旺，孫景生，劉 鈺，等．北方地區主要農作物灌溉用水定額[M]．1版，北京：中國農業科學技術出版社，2004.

[9] 尚松浩．水資源系統分析方法及應用[M]．1版，北京：清華大學出版社，2006：87-88.

[10] GB 50288-1999，灌溉排水工程設計規范[S].