我國糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力估算研究

趙 令，雷 波，蘇 濤，周 亮

(1. 安徽理工大學(xué), 安徽 淮南 232001；2 中國水利水電科學(xué)研究院, 北京 100048)

0 引 言

我國是人口大國，糧食安全是我國最基本的國家戰(zhàn)略，而農(nóng)業(yè)灌溉供水與我國糧食安全有著密切的關(guān)系，對糧食生產(chǎn)有重要影響[1]。但隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，其他行業(yè)需用水量增長過快，導(dǎo)致我國農(nóng)業(yè)用水所占比例不斷減少，農(nóng)業(yè)灌溉受到嚴(yán)重威脅，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)無法得到保障[2]。長期以來，我國一直面臨著水資源短缺的問題，水資源合理開發(fā)至關(guān)重要[3,4]。與此同時，農(nóng)業(yè)灌溉用水浪費現(xiàn)象的日益嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)低，進一步加劇了灌溉水不足問題[5]。我國糧食主產(chǎn)區(qū)包括河北、河南、黑龍江、吉林、遼寧、湖北、湖南、江蘇、江西、內(nèi)蒙古、山東、四川、安徽等13個省份，是我國糧食供給的主要來源，保證其農(nóng)業(yè)灌溉用水安全對我國糧食供給意義重大[6]。因此，對我國糧食主產(chǎn)區(qū)開展農(nóng)業(yè)節(jié)水研究，摸清糧食主產(chǎn)區(qū)農(nóng)業(yè)用水和缺水現(xiàn)狀、估算其不同發(fā)展階段的農(nóng)業(yè)需水狀況和節(jié)水潛力，對制定區(qū)域水資源合理配置方案至關(guān)重要，也是發(fā)展節(jié)水灌溉、克服水資源短缺問題以及保障糧食生產(chǎn)安全的必然選擇[7,8]。

我國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉研究多集中在節(jié)水灌溉技術(shù)設(shè)施和綜合效益評價等方面[9-11]。但對于區(qū)域發(fā)展節(jié)水灌溉，首先對其進行節(jié)水潛力的計算與評估必不可少。對于節(jié)水潛力的研究，雷波等[12]提出了基于灌區(qū)尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力估算理論與方法，并成功估算了徒駭馬頰河流域的12個大型灌區(qū)的工程措施的節(jié)水潛力。趙西寧等[13]利用實碼加速遺傳投影尋蹤的區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力綜合評價模型對黑河中游地區(qū)各區(qū)縣的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力進行了評價，評價結(jié)果客觀、準(zhǔn)確，基本符合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，可為區(qū)域節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。尹劍等[14]以渭河流域關(guān)中段九大灌區(qū)為例，計算了不同水文頻率下的灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力并對其進行分析，提出了提高農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的措施和建議。前人的研究大多是在灌區(qū)尺度下進行的，而在更大的省級尺度乃至全國尺度綜合評價各省份節(jié)水潛力卻鮮有研究。本文嘗試將農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力估算理論與方法應(yīng)用到我國糧食主產(chǎn)區(qū)，對糧食主產(chǎn)區(qū)各省份進行節(jié)水潛力綜合分析評價，以期為全國農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的發(fā)展提供新思路。

1 農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力理論概述

農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力是在滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展階段需求的前提下，通過經(jīng)濟投入，推行農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，從而減少的耗用水量[12]。受農(nóng)業(yè)發(fā)展需求、技術(shù)發(fā)展水平和投資能力制約，不同階段農(nóng)業(yè)節(jié)水的標(biāo)準(zhǔn)是不同的。農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力不僅與用水現(xiàn)狀有關(guān)，還與經(jīng)濟發(fā)展水平、投資力度、節(jié)水模式、用水結(jié)構(gòu)等多因素相關(guān)，是多種因素綜合作用的體現(xiàn)[15]。從節(jié)約用水量和節(jié)約耗水量的角度分析農(nóng)業(yè)節(jié)水，可將農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力分為毛節(jié)水潛力和凈節(jié)水潛力兩個層次。

本文探究的農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力可用毛節(jié)水量和凈節(jié)水量兩個指標(biāo)來表示。毛節(jié)水量是指通過采用工程節(jié)水措施來降低無效蒸發(fā)和無效流失，提高輸水效率，從而減少取水量。毛節(jié)水量主要包括減少的滲漏損失量和無效消耗量兩方面。滲漏損失量包括可利用的地表水回歸量、可利用的地下水回歸量以及不可利用的無效流失量(無法重復(fù)利用的水體)[16]。無效消耗量包括田間土面蒸發(fā)、渠系水面蒸發(fā)以及無效潛水蒸發(fā)，而這些水量是真正消耗不可回收的，減少的這部分水量與減少的無效流失量為凈節(jié)水量，也就是凈節(jié)水潛力。圖1為農(nóng)業(yè)灌溉工程節(jié)水潛力的構(gòu)成。

圖1 農(nóng)業(yè)灌溉工程節(jié)水潛力構(gòu)成

2 農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力估算方法

2.1 農(nóng)業(yè)灌溉工程節(jié)水措施效果分析

我國農(nóng)業(yè)節(jié)水措施主要包括工程類節(jié)水措施、管理類節(jié)水措施和農(nóng)藝類節(jié)水措施，本文主要針對工程節(jié)水措施進行節(jié)水效果分析。表1為我國糧食主產(chǎn)區(qū)主要工程節(jié)水措施分類以及各類節(jié)水技術(shù)的節(jié)水效果。

表1 工程節(jié)水措施及節(jié)水效果

2.2 農(nóng)業(yè)灌溉工程節(jié)水潛力指標(biāo)選取與計算

本文主要探究的是農(nóng)業(yè)灌溉工程性節(jié)水潛力，因此選取節(jié)水灌溉率、凈節(jié)水量和毛節(jié)水量作為表征區(qū)域節(jié)水潛力的指標(biāo)。

(1)節(jié)水灌溉率。節(jié)水灌溉率是指已采取節(jié)水工程措施的灌溉面積占總有效灌溉面積的比重。計算方法為：

(1)

式中：R節(jié)為節(jié)灌率；A節(jié)為已采取節(jié)水工程措施的面積；A有效為總有效灌溉面積。

(2)凈節(jié)水量。凈節(jié)水量是指通過節(jié)水措施減少的無效耗水和無效流失水量的總和。計算方法：

ΔQ凈=ΔQ消耗+ΔQ流失

(2)

式中：ΔQ凈為凈節(jié)水量；ΔQ消耗為無效消耗減少量；ΔQ流失為無效流失減少量。

(3)

式中：ΔAi為增加的第i種節(jié)水措施面積；ΔIi為第i種節(jié)水措施減少的凈灌溉定額。

ΔQ流失=Q0(η耗0-η灌0)-Qt(η耗t-η灌t)

(4)

式中：Q0和Qt分別為開展節(jié)水工程前后的灌溉引水量；η耗0和η耗t分別為開展節(jié)水工程前后的灌溉耗水系數(shù)；η灌0和η灌t分別為開展節(jié)水工程前后的灌溉水有效利用系數(shù)。

(3)毛節(jié)水量。毛節(jié)水量包含凈節(jié)水量和減少的各種滲漏損失。其計算方法為：

(5)

式中：I凈綜0、I凈綜t分別為開展節(jié)水工程前后的凈灌溉定額。二者的計算方法如式(6)和式(7)；η灌0現(xiàn)狀調(diào)查統(tǒng)計值，η灌t計算方法如式(8)。

I凈綜0=Q0η灌0

(6)

(7)

(8)

3 我國糧食主產(chǎn)區(qū)節(jié)水潛力估算與分析

3.1 情景設(shè)置

將灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力理論運用到我國糧食主產(chǎn)區(qū)各省份，應(yīng)用上述估算方法估算各省份農(nóng)業(yè)灌溉工程措施節(jié)水潛力。設(shè)置2016年為現(xiàn)狀基準(zhǔn)年，節(jié)灌率提高5%為情景一，節(jié)灌率提高10%為情景二。計算過程中，在提高節(jié)水灌溉率的同時假設(shè)各省有效灌溉面積與基準(zhǔn)年相同，種植結(jié)構(gòu)與節(jié)水灌溉工程措施實施比例在提高節(jié)灌率后不發(fā)生改變，進而計算上述兩種情景下的節(jié)水潛力。

3.2 結(jié)果與分析

表2為現(xiàn)狀年我國糧食主產(chǎn)區(qū)各省份節(jié)水灌溉工程實施情況。由表2可以看出，我國糧食主產(chǎn)區(qū)各省份中，河北、內(nèi)蒙古、遼寧、江蘇、山東、四川的節(jié)水灌溉率都超過了50%，其中內(nèi)蒙古和河北的節(jié)灌率分別達到了84.26%和74.35%，節(jié)水灌溉措施較為完善。湖南和湖北兩省節(jié)灌率分別為11.44%和14.03%，節(jié)灌率較低，主要原因可能是湖南和湖北兩省水資源較為豐富，可以滿足傳統(tǒng)模式下的對農(nóng)業(yè)灌溉水量的需求，使得兩省開展的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉措施較少。

表2 現(xiàn)狀年各省份節(jié)水灌溉工程實施情況

表3為我國糧食主產(chǎn)區(qū)各省份在不同節(jié)水灌溉工程發(fā)展情景下的節(jié)水潛力。從表中可以看出，各省在提高5%的平均節(jié)灌率以后，灌溉水利用系數(shù)都有了明顯的提高，整體平均增加0.04，其中河北、吉林、遼寧、山東的灌溉水利用系數(shù)平均提升效果達到0.04以上，其余各省份灌溉水利用系數(shù)平均提高了0.03以上。各省份毛灌溉定額下降比較明顯，平均毛灌溉定額由原來的4 801.65 m3/hm2降低到4 480.20 m3/hm2，平均降低321.60 m3/hm2，其中江西毛灌溉定額下降了489.60 m3/hm2

表3 各省不同情景下節(jié)水潛力情況

以上，河北、河南、安徽以及山東的毛灌溉定額下降相對較少，分別為185.10、170.10、243.90和180.30 m3/hm2。而各省份凈灌溉定額下降很少，平均凈灌溉定額由原來的2 645.55 m3/hm2降低到2 632.20 m3/hm2，平均降低13.35 m3/hm2，其中黑龍江降低了3.30 m3/hm2，下降最少，而湖南省下降最多，但也僅有30.9 m3/hm2。從節(jié)水量來看，我國糧食主產(chǎn)區(qū)各省份平均凈節(jié)水量為0.18 億m3，其中河北、河南以及山東的凈節(jié)水量都超過0.3 億m3，分別為0.31、0.31、0.34 億m3；各省毛節(jié)水量平均可達10.73 億m3，其中黑龍江在增加5%節(jié)灌率后毛節(jié)水量都達到了20 億m3以上，高于糧食主產(chǎn)區(qū)內(nèi)其他各省份，工程性節(jié)水潛力很大。但糧食主產(chǎn)區(qū)內(nèi)北方各省凈節(jié)水量平均0.2 億m3，毛節(jié)水量平均9.90 億m3；南方各省凈節(jié)水量平均0.16 億m3，毛節(jié)水量平均11.70 億m3。可見，凈節(jié)水潛力北方略強于南方，但是毛節(jié)水潛力南方各省整體要強于北方。主要原因是南方水資源相對充足，農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水工程較少，節(jié)灌率較低，通過節(jié)水改造后節(jié)水潛力提升空間較大。值得注意，由于多數(shù)節(jié)水工程措施通過減少渠道滲漏來提高農(nóng)業(yè)灌溉效率，因此，節(jié)水潛力主要體現(xiàn)在毛節(jié)水量上，凈節(jié)水量的節(jié)水潛力很小。

當(dāng)提高10%的平均節(jié)灌率后，我國糧食主產(chǎn)區(qū)內(nèi)各省份節(jié)水潛力指標(biāo)再次變化幅度變小，但各指標(biāo)均有提升。其中各省灌溉水利用系數(shù)平均提高0.05；各省平均凈灌溉定額由原來的2 645.55 m3/hm2降低到2 622.60 m3/hm2，平均降低22.95 m3/hm2；平均毛灌溉定額由原來的4 801.65 m3/hm2降低到4 351.80 m3/hm2，平均降低449.85 m3/hm2；各省可實現(xiàn)平均凈節(jié)水量0.37 億m3，平均毛節(jié)水量14.80 億m3。可以看出，工程性節(jié)水措施在一定程度上可以提高灌溉效率、減少灌溉用水，但由于各地實際情況有所差異，工程節(jié)水潛力大小不同，在工程性節(jié)水潛力較低的地區(qū)應(yīng)考慮非工程性節(jié)水措施來提高其灌溉效率，如改進灌溉制度、改進作物栽培技術(shù)等。而我國在大力開展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的同時也應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域?qū)嶋H情況將工程節(jié)水措施與非工程節(jié)水措施相結(jié)合，提高整體灌溉效率，從而達到節(jié)水灌溉，實現(xiàn)高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，保證糧食安全。

4 結(jié) 論

本文通過農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力理論與估算方法，分析估算不同節(jié)灌率情景下我國糧食主產(chǎn)區(qū)各省份的農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力，并得出以下結(jié)論。

(1)將農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力理論與估算方法應(yīng)用于我國糧食主產(chǎn)區(qū)內(nèi)，求取的各省份節(jié)水潛力符合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，對各地區(qū)的灌溉工程規(guī)劃與建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

(2)我國糧食主產(chǎn)區(qū)各省份提高5%平均節(jié)灌率后，農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率有明顯提升，灌溉水利用系數(shù)平均增加0.04，凈灌溉定額平均降低13.35 m3/hm2，毛灌溉定額平均降低321.60 m3/hm2，各省平均凈節(jié)水量為0.18 億m3，平均毛節(jié)水量為10.73 億m3，工程措施的節(jié)水潛力很大，但節(jié)水潛力主要是毛節(jié)水量。當(dāng)節(jié)灌率提高10%后，其中各省灌溉水利用系數(shù)平均提高0.05，凈灌溉定額平均降低22.95 m3/hm2，毛灌溉定額平均降低449.85 m3/hm2，實現(xiàn)平均凈節(jié)水量0.37 億m3，平均毛節(jié)水量14.80 億m3。相比于提高5%節(jié)灌率，各省份節(jié)水指標(biāo)再次變化幅度變小。

(3)從節(jié)水量來看，北方地區(qū)平均凈節(jié)水量略高于南方，但平均毛節(jié)水量南方各省整體要高于北方，因此，南方各省的工程節(jié)水潛力較強。由于各地實際情況有所差異，工程節(jié)水潛力大小不同，在工程性節(jié)水潛力較低的地區(qū)此時應(yīng)充分考慮其他非工程性節(jié)水措施，如改善灌溉制度，降低無效蒸發(fā)和奢侈蒸發(fā)。各地區(qū)應(yīng)聯(lián)系實際情況，將工程節(jié)水措施與非工程節(jié)水措施相結(jié)合，提升農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，保障地區(qū)糧食安全，維持和改善地區(qū)生態(tài)環(huán)境。