變化環境下寶雞峽灌區農業需水量的合理確定

唐雅君， 魏曉妹

(1.河海大學 水利水電學院， 江蘇 南京 210098； 2.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院， 陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

農業需水在灌區總用水中占有較高比重，農業需水量的大小既受氣候變化的影響，也與灌區種植結構、灌溉種植面積及灌溉水利用系數等人為因素密切相關。目前，關于變化環境對灌溉需水量的影響研究較多，Irmak等[1]、Liu 等[2]研究表明參考作物需水量ET0與各項氣候因素間相關性密切，流域ET0空間變化較大；Tansey等[3]研究表明，由于作物對溫度，太陽輻射和水汽壓虧缺的敏感性強，ET0與作物種類相關性強；Feng等[4]基于STELLA的供需模型研究表明，在未來氣象因素綜合作用下，除濕潤年以外，供水不能滿足要求；宋悅等[5]研究了變化環境下涇惠渠灌區的凈灌溉需水響應，結果表明總種植面積下降、種植結構調整和氣候變化的綜合作用使得灌區凈灌溉需水量出現了小幅度的增加，影響凈灌溉需水量的主要因素是參考作物需水量和種植面積；李萍等[6]研究了變化環境下農業需水量演變趨勢及驅動力，指出影響農業需水量變化的主要驅動因素為種植面積、降水量和蒸發量，降水量的減少和蒸發量的增多使得作物需水量明顯增多，而農作物種植面積的減少，引起農業需水量的顯著減少；馮東溥[7]研究灌區供需水量對變化環境的響應和農業用水安全問題，研究表明人類活動因子中對灌區農業需水量影響程度的大小順序為種植面積、種植結構、灌溉水有效利用系數；于濤[8]以玉米種植為例分析計算灌溉需水量，并討論定額法計算灌溉需水量時應注意的問題；宋揚等[9]分析了涇惠渠灌區作物需水量特征及影響因素，認為作物需水量與氣溫呈正相關，與降水呈負相關，與風速和相對濕度相關性較小，氣溫、日照時數和相對濕度是影響作物需水量的主要因素；張智韜等[10]分析了作物種植變化對灌溉需水量的影響，涇惠渠灌區總的作物需水量和灌溉需水量的下降主要是由農作物種植面積大量減少所致，種植結構的變化對其影響較小，但灌區種植結構調整后的作物需水量狀況更符合區域有效降水特點。

農業需水量的準確計算直接關系到灌區的供需水量平衡及水資源的合理配置，探討變化環境下灌區農業需水量的合理確定問題對農業水資源的合理利用具有重要的理論意義和應用價值。然而，有關灌區農業需水量的確定由于研究者的出發點不同，采用方法不同，相應計算結果也存在較大的差異，尤其是單一方法的計算結果也存在不確定性。在目前對農業需水量的研究中，較常用的是FAO Penman-Monteith法[11]和定額法。FAO Penman-Monteith法估算值精度高且具備良好的可比性。基于定額法計算農業需水量的方法簡單，在具有準確灌水定額的情況時，確定水文年、選定合適的灌水定額后，可以得到充分灌溉條件下和非充分灌溉條件下的農業需水量的計算結果。但由于灌區供用水的主體與客體之間缺乏有機聯系，需水量計算與實際用水量脫節，計算的農業需水量難以反映灌區群眾的用水意愿、灌水習慣及比較利益等實際用水問題，計算需水量難以指導灌區實際用水行為。針對上述情況，本文利用FAO Penman-Monteith法和定額法計算寶雞峽灌區農業需水量，根據實際用水情況對灌區農業需水量進行分析，提出灌區農業需水量合理確定方法。

2 資料與方法

2.1 灌區概況與資料來源

寶雞峽灌區灌溉寶雞、咸陽、西安3市14縣(區)的19.44×104hm2農田，其中有效灌溉面積18.85×104hm2，是陜西省最大的國有灌區。同時，該灌區具有30年的氣象、20年種植面積及灌溉用水量統計資料。灌區農作物主要由糧食作物和經濟作物構成。糧食作物以冬小麥、玉米為主，經濟作物主要有油菜、棉花和果類。

研究所用的氣象資料來自陜西省氣象局，包括灌區內11個氣象站1981-2010年降水量、氣溫、蒸發量、相對濕度、日照時數和風速的逐月資料，以及各站點的海拔高度、經緯度等地理信息。通過調研獲得灌區1991-2010年糧食作物和經濟作物種植面積資料以及農作物總播種面積資料。

2.2 作物需水量的計算方法

FAO Penman-Monteith公式計算參考作物需水量ET0。公式如下：

ET0=

(1)

式中：ET0為參考作物需水量，mm/d；Δ為飽和水汽溫度曲線斜率，kPa/℃；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d) ；G為土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓,kPa；es-ea為飽和氣壓虧缺量，kPa；T為地面以上2 m處的平均溫度，℃；γ為濕度計常數，kPa/℃ ；u2為地面以上2 m處的風速，m/s。

本文采用作物系數法[12]計算灌區主要作物需水量。對于某一具體的作物j，其整個生育期的需水量等于該作物在各個生育階段的作物系數與同期參考作物需水量的乘積，即:

(ETc)j=∑(Kci)j(ET0i)j

(2)

式中： (ETc)j為第j種作物全生育期的需水量，mm； (ET0i)j為第j種作物第i月份的參考作物需水量，mm； (Kci)j為第j種作物第i月份的作物系數，根據《陜西省作物需水量及分區灌溉模式》[13]關中西部寶雞峽灌區的作物系數得到。

2.3 灌區農業需水量的計算方法

(1)基于作物需水量的灌區農業需水量計算方法。利用農田水量平衡方程[14]及作物種植面積，計算得到灌區凈灌溉農業需水量，將凈灌溉需水量除以灌溉水利用系數得到毛灌溉需水量。

農田水量平衡方程計算公式為：

IN=ΔW+ETc-Pe-G

(3)

式中：IN為作物全生育期內的凈灌溉需水量，mm；ETc為作物全生育期內總需水量，mm；ΔW為作物生育期內土壤水分變化量，mm；Pe為作物生育期內有效降水量，mm；G為作物生育期內地下水補給量，mm。

在計算作物凈灌溉需水量時，考慮寶雞峽灌區地下水埋深普遍大于3 m且灌區土壤水分變化量不明顯，故忽略地下水補給量及土壤水分變化量[15]。上式可簡化為：

IN=ETc-Pe

(4)

灌區作物生育期內的有效降水計算公式如下：

Pe=δ·P

(5)

式中：Pe為作物生育期有效降水量，mm；P為作物生育期降水量，mm；δ為降水有效利用系數，通過查閱《陜西省作物需水量及分區灌溉模式》[13]得到。

灌區農田凈灌溉需水量為各種作物凈灌溉需水量之和。作物凈灌溉需水量由作物全生育期內的凈灌溉需水量和作物種植面積相乘而確定，其計算公式為：

(6)

式中：W為灌區農田凈灌溉需水量，108m3；Wj為灌區第j種作物凈灌溉需水量，108m3；Aj為灌區第j種作物的種植面積，104hm2； (IN)j為第j種作物全生育期內的凈灌溉需水量，mm；N為作物種類數。

毛灌溉需水量[16]是包含損失在內的灌溉需水量，采用下式計算：

(7)

式中：W為毛灌溉需水量，m3；Wj為凈灌溉需水量，m3；η為灌溉水利用系數。

(2)基于定額法的灌區農業需水量計算方法。依據陜西省行業用水定額(DB 61/T 943-2014)[17]，確定作物灌溉用水定額。定額法計算公式如下：

(8)

式中：Wj為第j種作物凈灌溉需水量，m3；Aj為第j種作物灌溉面積，hm2；M為第j種作物灌溉用水定額，m3/hm2。

2.4 變化環境下農業需水量的變化特征與驅動因素的分析

基于彭曼公式計算出充分灌溉條件下的農業需水量后，運用趨勢法分析變化環境下農業需水量的演變特征及影響因素，在此基礎上，利用灰色關聯法[18]分析影響農業需水量變化的主要驅動因素。灰色關聯分析法是一種多因素系統分析法，計算關聯度越大說明該變化環境因子對農業需水量的影響越大，其計算步驟如下：

(1)確定分析序列

設農業需水量為因變量序列，降水量、日照時數、相對濕度、平均溫度、平均風速、糧食作物比、種植面積、灌溉水利用系數為自變量序列。因變量序列為參考序列X0，自變量序列為Xi(i=0,1,2,···,7)，這8個序列構成一個矩陣X=(X0，X1，X2，…，X8)。

(2)求各序列的初值像

(9)

i=0,1,2,…,7

(3)求差序列

(10)

i=1,2,…,7

Δi=(Δi(1),Δi(2),…,Δi(m))

(11)

i=1,2,…,7

(4)求兩級最大差與最小差

(12)

(5)求關聯系數

(13)

k=1,2,…,m;i=1,2,…,7

(6)計算關聯度

(14)

由上述計算方法，根據寶雞峽灌區20年各氣候因素與各人類活動因素的測量值，得出各變化環境因子對農業需水量的灰色關聯度表(表1)。

表1 變化環境因子對農業需水量的灰色關聯度

2.5 農業需水量的合理確定

根據農業需水量以及實際用水量的對比分析，考慮變化環境因素對農業需水量的影響，同時考慮國家最嚴格水資源管理制度[19]實施、節水灌溉技術[20]推廣以及群眾灌溉意愿及用水需求，提出變化環境下灌區農業需水量的合理確定方法。

3 結果與分析

3.1 變化環境下農業需水量的變化特征及驅動因素分析

(1)農業需水量的變化趨勢分析。根據寶雞峽灌區20年農田凈灌溉與毛灌溉需水量計算值繪出灌區農田灌溉需水量年際變化圖如圖1所示。根據圖1中線性傾向分析，灌區農業需水量在近20年來總體呈下降趨勢。

(2)變化環境對農業需水量的影響分析。影響農業需水量的變化環境因素分為氣候因素和人類活動因素。其中對參考作物需水量影響較大的氣候因子有溫度、日照時數、風速、降水量、相對濕度。人類活動因子有作物種植結構、作物種植面積及灌溉水利用系數。

圖1 灌區農田灌溉需水量年際變化圖

氣候因素分析如下：

依據寶雞峽灌區20年農業需水量計算值與各氣候因素的測量值作出灌區各氣候因素與農業需水量的對比圖如圖2所示。由圖2看出，農業需水量和降水量、相對濕度呈負相關關系，農業需水量和日照時數、風速、平均溫度呈正相關關系。圖2(a)為降水量與農業需水量對比圖，灌區降水量增大，農業需水量則減小，在2003年，降水量達到最大值，農業需水量達到最小值。圖2(b)為相對濕度與農業需水量的對比圖，灌區相對濕度增大，農業需水量則減小，在2003年，相對濕度達到最大值，農業需水量達到最小值。圖2(c)為日照時數與農業需水量的對比圖，日照時數與農業需水量同增同減，農業需水量和日照時數的轉折點也有很高的一致性。圖2(d)為風速與農業需水量的對比圖，農業需水量和日照時數的曲線趨勢相同。圖2(e)為平均溫度與農業需水量的對比圖，農業需水量和平均溫度的曲線趨勢及轉折點的位置一致。

圖2 灌區各氣候因素條件與農業需水量對比圖

人類活動因素分析如下：

影響灌區農業需水量的人類活動因素主要有灌溉水利用系數、糧食作物比及作物種植面積。灌溉水利用系數是指灌入田間可被作物利用的水量與渠首引水量的比值，是衡量節水灌溉水平的一個重要指標。灌溉水利用系數與灌區農業需水量呈負相關關系，灌溉水利用系數的值越高，損耗的水量越少，農業用水效率越高。寶雞峽灌區為大型灌區，灌溉渠系建設標準較高，灌溉制度管理規范，近30年來灌溉水利用系數保持在0.53～0.56，因此灌溉水利用系數對農業需水量的影響無法從與農業需水量對比關系圖觀察得出。

圖3為灌區糧食作物比及種值面積與農業需水量對比圖。由圖3可知，農業需水量和糧食作物比、種植面積呈正相關關系。

圖3 灌區糧食作物比及種植面積與農業需水量對比圖

3.2 農業需水量的主要驅動因素分析

根據表1中的數據，各變化環境因子對農業需水量影響的排序如下：種植面積>糧食作物比>日照時數>相對濕度>灌溉水利用系數>風速>平均溫度>降水量，種植面積為灌區農業需水量減少的最大影響因子。

3.3 變化環境下農業需水量與實際用水量的對比分析

(1)農業需水量與用水量變化趨勢及變化特征分析。基于彭曼公式計算的灌區1991-2010年充分灌溉條件下農業需水量與實際用水量的變化趨勢如圖4所示，20年來灌區農業需水量及用水量均呈逐年下降的趨勢。

圖4 農業需水量與實際用水量變化趨勢圖

灌區農業需水量與實際用水量數據基本統計特征值如表2所示。綜合分析圖4及表2可知，充分灌溉條件下灌區農業需水量的均值、最大值、最小值均大于實際用水量的各特征值。充分灌溉條件下灌區農業需水量與實際用水量的最大值出現在1994年，降水量為465.764 mm，降水頻率為68%；實際用水量在2005年達到最小值，降水量為545.818 mm，降水頻率是42%；農業需水量在2007年達到最小值，降水量為688.964 mm，降水頻率為12%。因此可以認為接近干旱年時灌區農業需水量與實際用水量達到最大值，在接近濕潤年時農業需水量與實際用水量達到最小值。

表2 寶雞峽灌區農業需水量與實際用水量數據基本統計特征值 108m3

(2)不同水文年灌區農業需水量與用水量的比較分析。灌區不同水文年充分和非充分灌溉條件下農業需水量與實際用水量的對比結果如表3所示，在中等年及干旱年時，實際用水量既小于基于定額法計算出的農業需水量，也小于基于彭曼公式計算出的農業需水量，更接近于非充分灌溉條件下基于定額法計算出的農業需水量。基于定額法計算的非充分灌溉條件下的農業需水量是考慮在保證作物需水要求的同時又考慮節水原則的情況，而在灌區實際用水中，受水價、經濟利益及灌水習慣的影響，農民會根據經驗對農田進行灌溉，在保證作物需水要求的同時又充分考慮用水成本問題，所以利用非充分灌溉條件下的灌溉用水定額計算出的農業需水量更接近實際用水量。在濕潤年時，實際用水量大于基于定額法計算出的農業需水量，略小于基于彭曼公式計算出的農業需水量，分析原因是濕潤年時供水充足，充分灌溉以提高農作物產量，對農田進行了充分的灌溉。此外，可能存在種植觀念改變，農業灌溉政策的調整最終導致實際用水量偏小的情況。出現實際用水量與農業需水量存在較大差距的原因可能是我國城市化進程加快，城鎮居民生活用水和工業用水大幅增加，但供水不足，通過擠占農業用水來維持國民經濟的高速發展，導致灌溉供水無法保證農田產量，所以需要提高農田灌溉的重視程度以合理的利用水資源。

表3 不同水文年農業需水量與實際用水量108m3

3.4 變化環境下灌區農業需水量的合理確定

實際用水量和基于彭曼公式計算的充分灌溉條件下農業需水量的對比分析見表4，不同水文年實際用水量和基于定額法計算的充分與非充分灌溉條件下農業需水量對比分析表如下表5所示。根據兩表所列數據，并結合不同計算結果分析及實際用水需求，對灌區需水量的合理確定進行分析。

由表4可知，實際用水量與基于彭曼公式計算的充分灌溉條件下農業需水量倍比為30%～40%的年份降水量少，屬干旱年，供水不足；倍比為40%～50%的年份屬中等年，農業供水量有限；但偶有年份，如1992年2003年，倍比為86%、75%，是由于在1992年及2003年降水量極大，供水量充足，實際用水量接近充分灌溉條件下彭曼公式計算出的農業需水量。

表4 實際用水量和基于彭曼公式計算的充分灌溉條件下農業需水量的對比分析

表5 不同水文年的實際用水量和充分與非充分灌溉條件下農業需水量對比分析

由表5可知，濕潤年實際用水量為基于定額法計算出的充分灌溉農業需水量的80%～110%，是基于定額法計算出的非充分灌溉農業需水量的120%～150%；中等年的實際用水量為基于定額法計算出的充分灌溉農業需水量的50%～80%，是基于定額法計算出的非充分灌溉農業需水量的70%～100%；干旱年的實際用水量為基于定額法計算的充分灌溉農業需水量的35%～45%，是基于定額法計算出的非充分灌溉農業需水量的50%～70%。通過農業需水量與實際用水量的對比分析可知，在濕潤年供水充足的條件下，灌溉充分，實際用水量偏高；在中等年及干旱年時，灌區普遍供水不足，實際用水量偏小。考慮國家最嚴格水資源管理制度實施，農業需水量合理確定值應控制在根據彭曼公式計算出的充分灌溉條件下農業需水量的40%～60%，并用定額法進行校核，不宜低于非充分灌溉條件下定額法確定農業需水量，以避免減產，充分考慮水資源利用效率和灌溉的經濟性，不宜超過充分灌溉條件下定額法確定農業需水量的計算值。

4 結 論

在眾多變化環境因素共同作用下，寶雞峽灌區近20年農業需水量呈下降趨勢，并用灰色關聯分析法計算出各變化環境因子與灌區農業需水量的灰色關聯度，認為導致近20年灌區農業需水量下降的主要變化環境因素是種植面積的減小及糧食作物種植比的減小。

對比分析不同水文年條件下實際用水量與農業需水量，得出灌區農業需水量的合理確定值為根據彭曼公式計算出充分灌溉條件下灌區農業需水量的40%～60%，并用定額法進行校核，其值應介于定額法計算出的非充分灌溉及充分灌溉條件下農業需水量之間。