安達市灌溉用水需求與節水灌溉發展面積閾值分析

管孝艷，呂 燁，韓松俊，彭國明

(1.國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京 100048；2.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100048；3.黑龍江省安達市水務局，黑龍江 安達 151400)

水資源短缺已成為制約我國糧食穩定發展的主要瓶頸，干旱災害已成為農業生產的主要威脅，發展節水灌溉已成為現代農業可持續發展的必然選擇[1-3]。準確的分析灌溉用水需求及節水灌溉面積發展閾值，對合理選擇區域經濟發展模式與發展速度，促進水資源可持續利用具有重大的意義[4]。

用水需求預測始于大約100 年前的美國，許多發達國家從20世紀60年代起就開始重視對國民經濟各部門未來用水量的預測，1980年前后，在中國農業區劃工作的帶動下，開展了水資源調查評價和水資源利用評價工作。薛小杰利用改進的徑向基函數網絡對黃河流域的農業需水進行了預測[5]；劉小花根據開封市的歷年地下水、地表水及引黃水的系列資料，采用時間序列方法進行了開封市農業灌溉用水的預測[6]。黃修橋對我國中長期灌溉用水需求進行了分析，并總結了適合我國國情的節水灌溉發展模式[4]。甘紅分析了中國東北農業灌溉水資源保障及空間差異，構建了農業灌溉水資源保障度分析模型[7]。實際上影響農業用水的因素復雜多變，若簡單地根據灌溉定額預測用水量和灌溉面積發展規模會造成較大誤差，而更加準確的確定作物需水量，并據此來確定灌溉需水將進一步提高灌溉用水需求及節水灌溉面積發展規模的研究精度。

為合理利用有限的水資源，大力發展高效節水灌溉，提高糧食綜合生產能力，推進現代農業建設，2012-2015年國家實施了東北四省區(黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古) “節水增糧行動”[8]。黑龍江省安達市以此為契機，建設國家級高效節水灌溉示范區，本文以安達市節水增糧行動為背景，研究分析安達市灌溉用水需求及節水灌溉面積發展閾值，以期為安達市高效節水灌溉的發展提供參考依據。

1 研究區概況

安達市位于黑龍江省西南部，屬于松花江流域和松嫩平原腹地，境內無天然江河，地處中溫帶大陸性半干旱季風氣候區，冬季寒冷、干燥，時間長達200 d以上，夏季雨熱同期，氣溫變化大，日照時間長，降雨時空分布不均，風多風大、頻率高，土壤蒸發量大，春夏之交干旱頻生。多年平均氣溫3.3℃，多年平均降水量405.3 mm，降水年內分配不均，6-8月降水量占全年降水量的65.6%，年均蒸發量(E601)888.2 mm，≥10 ℃的年均積溫2 914 ℃，無霜期141 d，平均日照2 659 h，凍土層深度2.14 m。年平均風速2.6 m/s，風向多為西北風。

安達市總面積3 586 km2，其中耕地面積為1 282 km2，現狀總灌溉面積為5.2萬hm2，均為旱田，其中節水灌溉面積為1.70萬hm2，均為噴灌工程。在節水增糧行動中，安達市集中連片大規模推廣應用玉米高效節水灌溉技術，2012-2015年安達市“節水增糧行動”總灌溉面積為4.88萬hm2，其中改造2.16 萬hm2，新增2.72萬hm2[9](見表1)。安達市節水增糧行動的水源主要為地下水。

表1 安達市節水增糧行動灌溉面積 萬hm2

2 水資源開發利用現狀及潛力

安達市地表水資源比較貧乏，屬于地表徑流量低值區，根據《松遼流域水資源綜合規劃》，確定安達市多年平均徑流深僅為11.5 mm，由此分析計算安達市地表水資源量僅為4 124萬m3。根據黑龍江省水利水電勘測設計研究院2005年完成的《黑龍江省水資源綜合規劃地下水資源量評價報告》，安達市全市地下水資源量為2.141 4億m3。地下水可開采量為1.698 億m3。安達市地表水資源量為4 124萬m3，地下水資源量為2.141 4 億m3，重復計算量為1 080萬m3，安達市水資源總量2.445 8 億m3。

安達市現狀供水水源主要為地下水，現狀地下水供水量為1.127 7 億m3。安達市近10 a來地下水資源開采量見表2。

表2 安達市近10 a來地下水資源開采量表 萬m3

現狀年安達市總用水量1.129 2億m3，其中地表水15萬m3，受當地地表水資源條件的限制，地表水利用率雖然僅為0.12%，但是由于當地地表水資源量較少，地表徑流豐枯變化大，產流條件差，剩余可利用量無法加以利用。地下水用水量為1.127 7 億m3，當地地下水可開采量1.698 0億m3，地下水開采率為66.41%，剩余可開采量為5 708萬m3。地下水開采程度稍高，但尚有部分用水潛力。而現有地表水蓄水工程調蓄能力有限，除了現有塘壩春季播種坐水(15萬m3)，剩余水量無法充分利用，安達市地表水資源開發利用潛力不大。

根據《黑龍江省安達市節水增糧行動水資源論證報告》[10]，安達市90%頻率年大氣降雨量為316.5 mm， 90%頻率年的地下水可開采量6 759.84萬m3。

3 灌溉需水量分析

氣象要素變化引起的蒸散發能力的變化將影響作物需水量，進而與降水量的變化一起影響研究區域灌溉需水量，從而影響區域灌溉定額制定、灌溉需水預測和用水管理。計算作物需水量最經典也是最常用方法是作物系數法，即：

ETc=KcET0

(1)

式中：ETc為作物需水量，mm；ET0是參照騰發量，mm；Kc是作物系數。

為了分析氣象要素變化對研究區作物需水量和灌溉需水量的影響，本研究采用FAO推薦的分段單值平均法計算1956-2014年灌區主要作物玉米的作物需水量的變化。研究區域玉米與4月底播種，9月底收獲，生長期約150 d。初始作物系數取0.4，生育中期作物系數取1.15，Kcend取0.35。

作物需水量一部分可以由天然降雨供給，另一部分需由灌溉補充。所謂凈灌溉需水量是指為保證作物正常生長并取得高產而需要通過灌溉補充給作物的水量。它是作物需水量與有效降雨量之差。由每種作物各月的凈灌溉需水量可以計算整個灌區各月的綜合凈灌溉需水量，計算公式如下：

NIR=ETc-PcETc>Pe

(2)

NIR=0ETc≤Pe

(3)

式中：NIR為凈灌溉需水量，mm；ETc為作物需水量，mm；Pe是作物生育期內的有效降雨量，mm；P是實際降雨量，mm。

有效降雨量采用美國農業部土壤保持局推薦的方法來計算[11-13]：

(4)

可以看出，研究區內作物需水量和凈灌溉需水量都具有顯著下降的趨勢(見圖1)。

圖1表明作物需水量和凈灌溉需水量受到氣象要素變化的影響，近5 a玉米的作物需水量為418.1 mm，而單位面積凈灌溉需水量為101.4 mm。

圖2給出了1956-2014年和1990-2009年多年平均的月作物需水量ETc和凈灌溉需水量NIR變化。玉米6-8月作物需水量和凈灌溉需水量較大，其中近5 a 8月份灌溉需水量最大，達到37.2 mm。

4 節水灌溉發展面積閾值分析

節水灌溉發展的規模與工農業、國民經濟的發展、人口變化與糧食生產、土地利用狀態、水資源開發、能源、物資的消耗、水利工程建設、灌溉發展、建設方針政策、資金的投入等因素有關，其中任一因素供求關系的變化都將影響灌溉節水的發展。東北節水增糧行動中水資源是制約節水灌溉發展的最主要因素，本文僅討論水資源約束下的節水灌溉發展面積閾值。

圖1 安達氣象站1956-2014玉米作物需水量ETc和凈灌溉需水量NIR變化過程

圖2 1956-2014年和1990-2009年多年平均的玉米月平均作物需水量ETc和凈灌溉需水量NIR變化

根據表1中節水灌溉面積的發展情況和灌溉用水需求分析的結果，同時，依據《節水灌溉工程技術規范》(GB/T50363-2006)要求，噴灌區灌溉水利用系數不應低于0.8，滴灌區不應低于0.9，本研究中取噴灌灌溉水利用系數取0.88，滴灌灌溉水利用系數取0.95。可以得到安達市的農業灌溉需水量為5 560.88 萬m3，其中噴灌需水量為4 762.8萬m3，膜下滴灌需水量為798.08萬m3。

根據《噴灌工程技術規范》(GB/T50085-2007)以及《微灌工程技術規范》(GB/T50485-2009)，確定地下水噴灌灌溉設計保證率為90%，地下水滴灌設計保證率為85%。參考《黑龍江省安達市“節水增糧行動”實施方案》(2012-2015年)，玉米噴灌設計灌溉凈定額為975 m3/hm2，玉米膜下滴灌設計灌溉凈定額為525 m3/hm2。根據《國家農業節水綱要(2012-2020年)》和《全國農田水利“十三五”規劃報告》，按照節水灌溉發展“因地制宜、分區實施”的原則，東北地區合理發展膜下滴灌、噴灌，在有規模化耕作條件的地區集中連片發展大中型季下滑行走式噴灌。安達市制定了以噴灌為主，膜下滴灌為輔的節水灌溉發展思路。據此，我們制定了5種不同節水灌溉發展規模(噴微灌比例)，計算得到安達市節水增糧行動后仍可以發展的節水灌溉面積閾值如表3所示。

表3 安達市節水增糧行動后節水灌溉面積發展閾值

安達市節水灌溉面積的發展與群眾意愿和土地流轉的程度密切相關，今后進一步根據水資源的約束條件以及經濟社會發展速度，合理確定高效節水灌溉模式及其發展規模將是節水增糧行動實施以后安達市發展節水灌溉需要進一步研究的問題。

5 結 語

(1)安達市“節水增糧行動”總灌溉面積為4.88 萬hm2，地表水資源比較貧乏且開發利用潛力不大，節水增糧行動的水源主要為地下水，90%頻率年的地下水可開采量6 759.84萬m3。

(2)基于作物系數法計算的玉米灌溉需水量表明，由于作物需水量和凈灌溉需水量受到氣象要素變化的影響，作物需水量和凈灌溉需水量都具有顯著下降的趨勢，近5 a玉米的作物需水量為418.1 mm，而單位面積凈灌溉需水量為101.4 mm，8月份灌溉需水量最大，達到37.2 mm。

(3)安達市的農業灌溉需水量為5 560.88萬m3，其中噴灌需水量為4 762.8萬m3，膜下滴灌需水量為798.08萬m3。在水資源約束下的節水灌溉發展面積閾值為節水增糧行動后地下水可開采量1 198.96萬m3，擬定的5種節水灌溉發展模式(100%噴灌、90%噴灌+10%膜下滴灌、80%噴灌+20%膜下滴灌、70%噴灌+30%膜下滴灌、60%噴灌+40%膜下滴灌)下可發展灌溉面積閾值分別為1.23、1.34、1.44、1.55和1.65萬hm2。

[1] 康紹忠. 水與糧食安全[J].中國生態農業學報，2014,22(8): 880-885.

[2] Turral H, Burke J, Faures J. FAO water reports No 36: climate change, water and food security[R]. Rome: FAO, 2001:174.

[3] Piao S, Ciais P, Huang Y, et al. The impacts of climate change on water resources and agriculture in China[J]. Nature, 2010,7 311(467):43-51.

[4] 黃修橋. 灌溉用水需求分析與節水灌溉發展研究[D].陜西楊凌：西北農林科技大學，2005.

[5] 薛小杰，黃 強，惠泱河，等. 基于徑向基函數神經網絡與改進遺傳算法的黃河流域需水預測[J]. 水土保持學報，2002,16(3):83-85.

[6] 劉小花，袁宏源，洪 林，等. 水資源利用隨機預測模型研究[J]. 中國農村水利水電，2002，(12)：70-72.

[7] 甘 紅，劉彥隨．中國東北農業灌溉水資源保障及空間差異分析[J]．農業工程學報，2005，21(10)：31-35．

[8] 關于支持黑龍江省 吉林省 內蒙古自治區 遼寧省實施“節水增糧行動”的意見(財農[2011]502號)(EB/OL).http:∥nys.mof.gov.cn/zhengfuxinxi/.

[9] 中國灌溉排水發展中心，黑龍江省安達市水務局.黑龍江省安達市“節水增糧行動”實施方案(2012-2015年)[R]. 2012.

[10] 黑龍江省水利水電勘測設計研究院. 黑龍江省安達市節水增糧行動水資源論證報告[R]. 2013.

[11] Smith M. CROPWAT-a computer program for irrigation planning and management[Z]. FAO irrigation and drainage paper 46．Rome: Food and Agriculture Organization of the United，1992: 20-21．

[12] Doll P，Siebert S．Global modeling of irrigation water requirements[J]．Water Resources Research，2002，38(4):1-8．

[13] Li Y，Yang X G，Ye Q，et al． Variation characteristics of rice water requirement in middle and lower reaches of Yangtze River during 1961-2007[J]．Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2011，27(9):175-183．