基于分區(qū)的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估工作的若干思考

宋秋波，丁志宏，楊朝瀚

（1.天津市中水科技咨詢有限責(zé)任公司，天津300170；2.水利部海河水利委員會(huì)，天津300170）

基于分區(qū)的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估工作的若干思考

宋秋波1，丁志宏1，楊朝瀚2

（1.天津市中水科技咨詢有限責(zé)任公司，天津300170；2.水利部海河水利委員會(huì)，天津300170）

總結(jié)了在流域?qū)用嫔祥_(kāi)展基于分區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估工作的目的和意義，提出了分區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的評(píng)估原則和技術(shù)路線，概括了了農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的3個(gè)層次，剖析了3個(gè)層次節(jié)水潛力的計(jì)算流程，以期為有關(guān)方面開(kāi)展農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估工作提供技術(shù)參考。

海河流域；節(jié)水區(qū)劃；節(jié)水潛力；評(píng)估原則；技術(shù)路線；潛力層次；技術(shù)參考

海河流域水資源貧乏，多年平均水資源總量370億m3，人均水資源量270m3，僅為全國(guó)人均水資源量的12.8%，是全國(guó)七大江河流域中人均水資源量最少的流域。2012年海河流域現(xiàn)狀共有大型灌區(qū)48個(gè)、中型灌區(qū)306個(gè)，農(nóng)業(yè)總用水量252億m3，占總用水量的67.77%。其中，農(nóng)田灌溉用水量221.85億m3，占農(nóng)業(yè)用水量的88.03%；林牧漁業(yè)用水量30.15億m3，占農(nóng)業(yè)用水量的11.97%。海河流域現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)灌溉呈現(xiàn)出用水量大、效率較低、保障率不高、節(jié)水潛力巨大等特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)以水資源的可持續(xù)利用支撐流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展的目的，規(guī)模化發(fā)展節(jié)水灌溉、全面提高農(nóng)業(yè)用水效率是海河流域農(nóng)業(yè)灌溉事業(yè)發(fā)展的必由之路，是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略和根本性措施。

為了按照自然和經(jīng)濟(jì)規(guī)律以及水資源開(kāi)發(fā)利用條件來(lái)擬定各區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源高效利用的方向、措施以及管理意見(jiàn)，便于指導(dǎo)海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的分區(qū)管理工作，2015年，海委組織開(kāi)展了海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)研究工作，編制完成《海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)研究》成果報(bào)告，以海河流域水資源三級(jí)區(qū)套地市單元為分區(qū)基本評(píng)價(jià)單元，采用模糊聚類方法將海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)構(gòu)建為由山前平原區(qū)（含冀東平原區(qū)、北京平原區(qū)、天津平原區(qū)、冀中南平原區(qū)4個(gè)二級(jí)區(qū)）、中部及東部濱海平原區(qū)（含邯鄲平原區(qū)、邢臺(tái)衡水平原區(qū)、滄州平原區(qū)3個(gè)二級(jí)區(qū)）、南部引黃平原區(qū)（含漳衛(wèi)河平原區(qū)、徒駭馬頰河區(qū)2個(gè)二級(jí)區(qū)）、北部燕山區(qū)（含北部山區(qū)、北京山區(qū)、天津山區(qū)、中東部山區(qū)4個(gè)二級(jí)區(qū)）、西北部太行山區(qū)（含大同朔州山區(qū)、烏蘭察布山區(qū)、張家口山區(qū)3個(gè)二級(jí)區(qū)）、西部太行山區(qū)（含北京山區(qū)、邯鄲山區(qū)、一般山區(qū)等3個(gè)二級(jí)區(qū)）6個(gè)一級(jí)區(qū)、19個(gè)二級(jí)區(qū)組成的層次化分區(qū)體系。

1　評(píng)估目的和意義

基于分區(qū)的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估工作的目的是在所劃分得到的農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)體系的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)不同條件、不同層次分區(qū)層面上的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估，為流域機(jī)構(gòu)實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理工作提供引導(dǎo)性、參考性指標(biāo)。

評(píng)估工作應(yīng)通過(guò)調(diào)查研究海河流域不同分區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢(shì)，分析現(xiàn)有各類節(jié)水措施的特點(diǎn)和適用性，結(jié)合流域的自然地理?xiàng)l件、水資源特點(diǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)水平和耕作土地資源的狀況，按照最嚴(yán)格水資源管理制度確定的水資源開(kāi)發(fā)利用的總量與效率控制指標(biāo)，提出不同層次、不同頻率、不同水平年等評(píng)價(jià)因素組合情形下的各個(gè)分區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，為海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水工作的宏觀決策、分類指導(dǎo)、規(guī)劃編制、項(xiàng)目審查、工程建設(shè)等提供科學(xué)基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

評(píng)估工作可以在摸清流域水資源家底、掌握現(xiàn)狀農(nóng)田灌溉發(fā)展情況的同時(shí)，進(jìn)一步增強(qiáng)流域機(jī)構(gòu)對(duì)各個(gè)分區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉管理工作的指導(dǎo)性，是貫徹落實(shí)“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”新時(shí)期治水思路的重要基礎(chǔ)工作，是推進(jìn)實(shí)施《國(guó)家農(nóng)業(yè)節(jié)水綱要（2012—2020年）》的必要技術(shù)工作，是流域機(jī)構(gòu)履行對(duì)流域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工作進(jìn)行宏觀指導(dǎo)和組織工作職責(zé)的重要抓手，是合理開(kāi)發(fā)與高效利用農(nóng)業(yè)水資源的引導(dǎo)性指標(biāo)之一，是確定節(jié)水工程建設(shè)規(guī)模和采取節(jié)水灌溉措施的科學(xué)參考。

2　評(píng)估原則與技術(shù)路線

2.1評(píng)估原則

基于分區(qū)的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估工作是在分析海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等節(jié)水灌溉保障和約束條件的基礎(chǔ)上，深入剖析各種節(jié)水措施的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性，實(shí)現(xiàn)發(fā)展需求與技術(shù)可能之間的有效對(duì)接，結(jié)合最嚴(yán)格水資源管理制度確定的水資源開(kāi)發(fā)利用的總量控制和效率控制紅線，提出不同層次和不同目標(biāo)相互結(jié)合形成的開(kāi)發(fā)利用框架下的分區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，為流域機(jī)構(gòu)履行節(jié)水灌溉工作的管理和指導(dǎo)職能服務(wù)。

為此，評(píng)估工作的原則可確定如下：

（1）突出水資源條件的約束與保障作用。海河流域水資源貧乏，發(fā)展農(nóng)業(yè)灌溉要把水資源條件作為首要影響因素予以考慮，明確“以水定需、以水定地”，將水資源開(kāi)發(fā)利用紅線擺在發(fā)展灌溉（節(jié)水灌溉）面積的前面；同時(shí)，針對(duì)流域水資源開(kāi)發(fā)利用和配置的相關(guān)規(guī)劃，充分考慮南水北調(diào)、引黃等流域外調(diào)水以及地下水壓采等形成的流域水資源配置新格局對(duì)發(fā)展灌溉與節(jié)水灌溉的影響。

（2）體現(xiàn)自然社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件對(duì)于節(jié)水灌溉發(fā)展的約束性。在考慮不同分區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的條件不同、途徑不同、需求不同的同時(shí)，也要關(guān)注同一節(jié)水分區(qū)內(nèi)的不同行政區(qū)域（經(jīng)濟(jì)區(qū)）因?yàn)榻?jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、社會(huì)需求以及節(jié)水灌溉工程基礎(chǔ)等的差異而對(duì)節(jié)水灌溉措施的不同需求，實(shí)現(xiàn)幾者之間的協(xié)調(diào)是開(kāi)展節(jié)水潛力評(píng)估工作的基礎(chǔ)。

（3）體現(xiàn)不同層次目標(biāo)對(duì)節(jié)水潛力評(píng)估工作的引領(lǐng)作用。農(nóng)業(yè)節(jié)水的概念和內(nèi)涵非常豐富，實(shí)現(xiàn)手段各異，影響因素不同，對(duì)于不同概念定義下的節(jié)水潛力應(yīng)該體現(xiàn)概念和內(nèi)涵所展現(xiàn)的層次，實(shí)現(xiàn)節(jié)水潛力的層次化的評(píng)價(jià)。

（4）體現(xiàn)主要影響因素對(duì)節(jié)水潛力量值的綜合影響。影響農(nóng)作物理論需水量和實(shí)際需水量的主要因素有降水量和參考作物騰發(fā)量，這兩個(gè)因素是具有天然相關(guān)性的隨機(jī)變量，在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)價(jià)工作的基礎(chǔ)上，有必要統(tǒng)籌考慮二者的耦合作用，將農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估工作的標(biāo)準(zhǔn)由單一考慮降水量的不同頻率推廣到同時(shí)考慮降水量和參考作物騰發(fā)量的不同頻率組合這一新的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)［1］。

2.2技術(shù)路線

所謂潛力，即是現(xiàn)狀值與期望值的差值。經(jīng)綜合分析，筆者認(rèn)為，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力可以定義為：在保證糧食安全和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不降低的前提下，通過(guò)各類節(jié)水措施的實(shí)施而得以從現(xiàn)有農(nóng)田灌溉水量中減少的水量。據(jù)此定義，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力由三部分組成，分別為水量輸配過(guò)程中的節(jié)水量、作物吸收利用過(guò)程中的節(jié)水量、作物種植結(jié)構(gòu)中的節(jié)水量，可分別稱之為第一層次、第二層次和第三層次上的節(jié)水潛力。

評(píng)估工作采用實(shí)證研究與理論分析相結(jié)合的工作思路，通過(guò)資料收集、文獻(xiàn)調(diào)研、數(shù)據(jù)分析和指標(biāo)計(jì)算，在取水總量控制和用水效率指標(biāo)約束下，將節(jié)水潛力評(píng)估與節(jié)水措施可能這二者緊密結(jié)合，在分析現(xiàn)狀實(shí)際農(nóng)業(yè)灌溉用水量的基礎(chǔ)上，從節(jié)水潛力的定義出發(fā)，分析作物需水量、作物水分利用效率，分別計(jì)算作物需水量和降水量的不同頻率組合框架下的第一層次、第二層次和第三層次上的不同階段的節(jié)水量，提出科學(xué)、合理、實(shí)用的的分區(qū)節(jié)水量值體系。基于分區(qū)的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估技術(shù)路線，如圖1所示。

圖1　基于分區(qū)的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估技術(shù)路線

3　技術(shù)要點(diǎn)

（1）根據(jù)對(duì)農(nóng)作物耗用水量過(guò)程的深入分析，可將海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力劃分為以下3個(gè)層次：①通過(guò)一定的節(jié)水技術(shù)工程措施，直接減少農(nóng)業(yè)用水過(guò)程中的水量損失，從而減少對(duì)水資源的直接消耗量，稱之為節(jié)水的第一層次；②在第一層次節(jié)水的基礎(chǔ)上，通過(guò)施加其他的節(jié)水措施，提高作物將環(huán)境要素轉(zhuǎn)化為糧食干物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率，使得單位用水量所產(chǎn)出的干物質(zhì)數(shù)量有明顯增加，即通過(guò)提高水分生產(chǎn)效率來(lái)減少對(duì)水資源的總需求量，稱之為節(jié)水的第二層次；③在第一層次節(jié)水的基礎(chǔ)上，在確保糧食安全和農(nóng)民收入不降低的前提下，改變作物種植結(jié)構(gòu)，通過(guò)需水側(cè)的需水作物種類的結(jié)構(gòu)性變化來(lái)減少灌溉水量，稱之為節(jié)水的第三層次。

第一層次的節(jié)水主要是減少灌溉用水，節(jié)水潛力也主要或完全來(lái)自于灌溉用水，作物生產(chǎn)過(guò)程中所需要通過(guò)灌溉予以補(bǔ)充的水量即為灌溉需水量。

為了討論節(jié)水潛力問(wèn)題方便，同時(shí)也為了將第一、第二和第三層次的節(jié)水量相聯(lián)接，引入基礎(chǔ)用水量的概念［2］。基礎(chǔ)用水量可以表達(dá)為“在沒(méi)有地下水補(bǔ)給、沒(méi)有鹽堿危害、沒(méi)有病蟲(chóng)危害、供肥充足的條件下，滿足作物產(chǎn)量和正常生長(zhǎng)需求所需要實(shí)際消耗的水量”。基礎(chǔ)用水量是從滿足生產(chǎn)目標(biāo)的角度出發(fā)，立足點(diǎn)在區(qū)域農(nóng)業(yè)供需水量平衡分析。

一般而言，灌溉需水量和基礎(chǔ)用水量具有如下關(guān)系：

式中：WRI為灌溉需水量（mm）；WRB為基礎(chǔ)用水量（mm）；PE為有效降水量（mm）。

則第一層次節(jié)水潛力可以表達(dá)為：

式中：WSP1為第一層次節(jié)水潛力（mm）；TQI為現(xiàn)狀灌溉用水量（mm）；其他符號(hào)含義同上。

現(xiàn)狀灌溉用水量可以通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地調(diào)查等方法來(lái)確定，可以看作是一個(gè)已知數(shù)。因此，確定第一層次節(jié)水潛力的問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為確定農(nóng)田基礎(chǔ)用水量和灌溉需水量的問(wèn)題。基于農(nóng)田灌溉的目的考慮，可認(rèn)為在采取各類工程措施挖掘第一層次節(jié)水潛力時(shí)，不應(yīng)使農(nóng)業(yè)總用水量低于農(nóng)田基礎(chǔ)用水量，即灌溉需水量應(yīng)該采取工程措施予以充分滿足。決定農(nóng)田基礎(chǔ)用水量的主導(dǎo)因子是具有確定種植結(jié)構(gòu)的作物的需水特性和生產(chǎn)目標(biāo)，而需要通過(guò)灌溉來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充的水量主要受作物基礎(chǔ)用水量和有效降水量的影響。因此，第一層次的節(jié)水潛力就是在滿足作物基礎(chǔ)用水量的條件下，通過(guò)實(shí)施各類節(jié)水技術(shù)措施而可以從現(xiàn)有灌溉用水總量中予以直接減少的水量。

其中，各分區(qū)第i種作物的基礎(chǔ)需水量WRBi（mm）可以通過(guò)參考作物騰發(fā)量ET0法來(lái)確定，現(xiàn)狀灌溉用水量TQT（m3）、分區(qū)現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)數(shù)量n、分區(qū)有效降水量PEi（mm）及其種植面積Ai（m2）通過(guò)調(diào)查資料來(lái)分析確定。

第二層次節(jié)水潛力計(jì)算公式為：

第二層次節(jié)水潛力主要是通過(guò)提高作物水分利用效率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。作物水分利用效率可以表示為單位用水量所產(chǎn)出的干物質(zhì)數(shù)量，即：

則有：

式中：WUE為作物水分利用效率；YD為作物干物質(zhì)數(shù)量（kg）；WU為用水量（m3）。

從式（4）中可知，用水量與產(chǎn)量成正比，與水分利用效率成反比，因此提高作物水分利用效率具有明顯的減少用水量的作用。鑒于不同措施的實(shí)踐效果，在開(kāi)展第二層次節(jié)水潛力評(píng)價(jià)時(shí)，YD取為現(xiàn)狀作物產(chǎn)量數(shù)值。在這個(gè)意義上來(lái)看，第二層次節(jié)水潛力就是在保證現(xiàn)有灌溉面積上的干物質(zhì)總量不變的基礎(chǔ)上，依靠田間農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)措施而可以使基礎(chǔ)用水量減少的數(shù)值。

第三層次的節(jié)水潛力是在第一層次和第二層次節(jié)水潛力分析的基礎(chǔ)上，在保證糧食安全和農(nóng)民收入不降低的前提下，按照市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)原則所確定的需水量最小的作物種植結(jié)構(gòu)，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)不同作物類型組合的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)的第一層次節(jié)水潛力，是第一層次節(jié)水潛力的優(yōu)化組合。

綜上所述，第一層次節(jié)水潛力計(jì)算公式為：

式中：WRBi為第i種作物的基礎(chǔ)用水量（m3）；YDPi為第i種作物的現(xiàn)狀平均產(chǎn)量（kg/m2），可通過(guò)現(xiàn)狀調(diào)查資料來(lái)獲取；YDTi為第i種作物的潛在產(chǎn)量值（kg/m2），可通過(guò)調(diào)查農(nóng)業(yè)部門(mén)研究資料來(lái)獲取或者通過(guò)光溫潛力生產(chǎn)值公式來(lái)計(jì)算確定；p為基礎(chǔ)用水量中可以通過(guò)薄膜覆蓋、秸稈覆蓋等措施得以減少的植物株間蒸發(fā)損失所占的最大比例；Ai為現(xiàn)狀第i種作物的種植面積（m2），可以通過(guò)現(xiàn)狀調(diào)查資料確定。

第三層次節(jié)水潛力的計(jì)算可以通過(guò)改變式（5）中的作物種類和種植面積來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體通過(guò)調(diào)整WRBi、n、和Ai值來(lái)進(jìn)行。

（2）不同的降水頻率條件下，同種作物可以利用的有效降水量是不同的。因而，在不同的降水頻率條件下，同種作物的灌溉水需求量也是不同的，與之相對(duì)應(yīng)的節(jié)水潛力也不相同。作為同一問(wèn)題的另一個(gè)方面，在相同的降水頻率下，作為作物需水量計(jì)算基礎(chǔ)參考值的參考作物騰發(fā)量也是不同的，即同樣的降水頻率下，在有效降水量利用值相同的假設(shè)下，同種作物的需水量也是不同的。因此，有必要同時(shí)考慮降水量和參考作物騰發(fā)量之間的隨機(jī)變化，為農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的定量評(píng)估提供一個(gè)綜合考慮降水量和參考作物騰發(fā)量耦合變異情況下的新的描述基準(zhǔn)，此即本次評(píng)估所提出的不同頻率組合的內(nèi)涵所在。

（3）最嚴(yán)格水資源管理制度所確定的2020年的水資源開(kāi)發(fā)利用的總量控制指標(biāo)和用水效率控制指標(biāo)對(duì)于各分區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的發(fā)展具有約束性和引導(dǎo)性，分區(qū)節(jié)水潛力評(píng)價(jià)應(yīng)該核算在總量和效率指標(biāo)約束下的潛力值。

綜上所述，評(píng)估工作的內(nèi)容主要是在明確規(guī)劃水平年的總量控制和灌溉水利用系數(shù)控制指標(biāo)的基礎(chǔ)上，計(jì)算第一、第二和第三層次的節(jié)水潛力，進(jìn)而提出各個(gè)分區(qū)在不同頻率組合、不同節(jié)水潛力層次等評(píng)價(jià)因素組合框架下的的規(guī)劃水平年節(jié)水量值體系。

4　結(jié)語(yǔ)

在劃分得到海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)以分區(qū)為研究范圍，按照節(jié)水潛力的3個(gè)層次概念框架，統(tǒng)籌考慮降水量和參考作物騰發(fā)量對(duì)節(jié)水潛力的影響，開(kāi)展基于分區(qū)的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估工作。這是為流域?qū)用嫔系霓r(nóng)業(yè)灌溉規(guī)劃與管理工作提供技術(shù)參考和基礎(chǔ)支撐的一項(xiàng)重要技術(shù)工作，有利于流域管理機(jī)構(gòu)更好地實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉方面的水行政管理工作。

［1］丁志宏，何宏謀，王浩.灌區(qū)降水量與參考作物騰發(fā)量的聯(lián)合分布模型研究［J］.水利水電技術(shù)，2011，42（7）：15-18.

［2］段愛(ài)旺，信乃詮，王立祥.節(jié)水潛力的定義和確定方法［J］.灌溉排水，2002，21（2）：25-28，35.

TV213.4；S274

A

1004-7328（2016）05-0001-04

2016—05—25

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201101016）

宋秋波（1980—），男，高級(jí)工程師，主要從事水資源咨詢工作。