面向綠洲安全和干旱區可持續發展的農業節水潛力研究

譚翻 楊鵬年 汪昌樹 張林海 楊一飛 徐杰 王翠

摘 要：為確保用水總量控制下綠洲安全及干旱區可持續發展目標的實現，以新疆開孔河流域為例，提出基于用水總量控制指標、地下水安全等約束條件的干旱區灌溉節水潛力計算新方法。結果表明：１） 開孔河流域現狀年（２０２０ 年） 地下水開采量為１２．９７ 億ｍ３，灌溉用水總量為３４．８５ 億ｍ３；傳統節水模式下，流域中期規劃年（２０３０ 年）節水潛力為０．７４ 億ｍ３，遠期規劃年（２０５０ 年）節水潛力為５．０２ 億ｍ３。２）在節水潛力新內涵下，開孔河流域中期規劃年沒有節水潛力，且需要休耕１８ ６６７ ｈｍ２，遠期規劃年節水潛力為１．７７ 億ｍ３。３）為防止干旱區次生鹽漬化，實現水資源短缺的干旱區可持續發展，在節水后應控制綠洲地下水位在３．５～４．０ ｍ 之間。對于水土不均衡的干旱區灌區而言，傳統節水思路對綠洲安全的重視程度不夠，對節水潛力評價過高。

：節水潛力；灌區節水；用水總量控制指標；干旱區；開孔河流域

中圖分類號：ＴＶ２１３．４ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０１３

引用格式：譚翻，楊鵬年，汪昌樹，等．面向綠洲安全和干旱區可持續發展的農業節水潛力研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：７０－７４．

聯合國氣候變化專門委員會（ＩＰＣＣ）評估報告認為，未來全球極端氣象災害可能呈現多發、頻發的態勢，涵蓋農業生產在內的世界可持續發展將面臨巨大挑戰。全球自然與社會環境變化的不確定性，使干旱區綠洲安全和可持續發展面臨一系列重大問題。隨著最嚴格水資源管理制度的落實，水資源日益成為經濟社會發展與生態保護的決定性要素。西北干旱區綠洲農業如何化解經濟社會高質量發展與生態安全用水間的矛盾成為當前面臨的重大問題。

節水灌溉是有效解決變化環境下保障國家糧食安全及農業可持續發展的關鍵舉措［１］ 。針對節水在農業生產中的重要作用，許多學者進行了深入探討。Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ 等［２］ 分析了美國加利福尼亞州的農業灌溉節水潛力，Ｚｅｒｉｈｕｎ 等［３］ 指出可使用農業灌溉水有效率評價農業節水潛力。還有學者從不同角度對節水潛力進行研究并給出了不同耗水方式下的節水潛力計算方法［４－１０］ 。沈振榮等［１１］ 分析了我國農業節水現狀和存在問題，認為需大力推進農業節水的發展，加大農業節水技術應用力度。趙西寧等［１２］ 研究表明農業節水方法和水平、區域農業用水規模等因素對農業節水潛力的影響較大。王學淵等［１３］ 綜合多種因素分析表明中國農業還有巨大的節水潛力。裴源生等［１４］ 定義了取水節水和耗水節水的概念，認為耗水節水為真正的節水潛力?？傮w來看，前人的研究多側重于水量的節約，而對灌區生態與水土安全等問題研究不多，不能滿足目前用水總量控制下的經濟、環境、可持續發展等用水安全要求。因此，針對變化環境下干旱區節水潛力研究思路及計算方法存在的問題，本文提出節水潛力新內涵，探討在用水總量控制下兼顧綠洲安全和可持續發展的干旱區農業節水潛力計算方法。

１ 研究區概況與數據來源

以開孔河流域為研究區，該流域地處新疆南部、塔里木盆地東北側，屬大陸干旱氣候區，包括開都河和孔雀河兩個子流域（見圖１）。開都河子流域的焉耆盆地與孔雀河灌區分屬兩個不同的地貌單元與氣候類型，因此兩個區域的作物種植類型及灌溉制度有一定的差異。焉耆盆地年平均降水量７６．１ ｍｍ，年均日照時數為２ ９８０ ｈ，年均氣溫８．５ ℃，年均水面蒸發量１ ８７６．７ｍｍ，主要種植作物有小麥、玉米、辣椒等。孔雀河子流域的庫爾勒市年平均降水量５８．６ ｍｍ，年均日照時數為２ ９９０ ｈ，年均氣溫１１．４ ℃，年均水面蒸發量２ ７８８．２ｍｍ，主要種植作物有香梨、棉花等。

研究區內有焉耆和庫爾勒兩個氣象站，觀測項目包括逐日降水量、氣溫、風速、日照時數和相對濕度等。本研究所用的這兩個氣象站的氣象數據來源于國家氣象數據中心（ｈｔｔｐ：／／ ｄａｔａ．ｃｍａ．ｃｎ）。各類土地類型面積來源于２０２０ 年遙感影像數據解譯，并與第三次全國土地調查數據進行對比得到；結合實地踏勘，得到灌區供耗水過程與物候特征等基礎信息。

開孔河流域２０２０ 年灌溉面積為３５４ １０７ ｈｍ２，地表水實際供水量為２１．８８ 億ｍ３［ １６］ 。開孔河流域現有機井１１ ７３６ 眼，地下水開采量不僅與當年地表水的引水量有關，而且與農作物需水及灌溉方式有關，因此地下水的實際開采量不易準確獲取。鑒于農作物基本為充分灌溉，因此本文利用水量平衡法計算得出現狀年（２０２０ 年）地下水實際開采量為１２．９７ 億ｍ３，并由此得到灌溉水總量為３４．８５ 億ｍ３。

３ 開孔河流域節水潛力分析

傳統節水潛力一般包括取用水節水和耗水節水，取用水節水反映區域水資源取用的節約量，耗水節水是采取節水措施的耗水與不采取節水措施的耗水差值（蒸發蒸騰量的減少量）。本文從取用水節水和耗水節水兩方面分析開孔河流域在用水總量控制下兼顧灌區發展與生態安全等多重目標的節水潛力。

３．１ 取用水節水

開孔河流域除香梨等成齡果樹主要采用管道灌溉外，絕大部分農田采用膜下滴灌，因此現狀灌溉模式下斗渠以下基本為膜下滴灌。其中：地表水從斗渠末端進入壓力前池，經加壓后送入田間；地下水則從井口進入壓力前池或直接進入管道經加壓后送入田間。目前流域灌溉水利用系數較低，有較大的提升空間，可通過對灌區渠系進行防滲襯砌、加強田間配套工程建設及提升田間灌溉節水技術水平等措施提高灌溉水利用系數。考慮到灌區地表水與地下水的灌溉水利用系數不同，根據現狀年灌區地表用水量與地下用水量的占比加權計算出規劃年綜合灌溉水利用系數（見表１）。

３．２ 耗水節水

１）田間農藝節水。農作物灌溉定額主要由土壤蒸發與葉面蒸騰兩部分水量組成。農作物在生長早期耗水以土壤蒸發為主，生長中后期耗水則以葉面蒸騰為主?？紤]采取覆膜、中耕等田間措施、選用抗旱農作物品種、發展農藝節水技術等，預測中期規劃年（２０３０年） 灌溉定額比現狀年低１５０ ｍ３ ／ ｈｍ２，遠期規劃年（２０５０ 年）灌溉定額比現狀年低３００ ｍ３ ／ ｈｍ２［１７］ 。

２）冬灌控水。開孔河流域冬灌定額約為１ ８００ｍ３ ／ ｈｍ２，冬灌在以地表水灌溉為主的時期起到調控水鹽的作用。隨著灌區地下水利用量增大后潛水位下降、生長期采用滴灌對土壤鹽分定向調控等措施，冬灌對土壤鹽分淋洗的作用大為減弱。因此，中、遠期規劃年灌區冬灌可定為３ ａ 冬灌１ 次，預測２０３０ 年灌溉定額為１ ８００ ｍ３ ／ ｈｍ２、２０５０ 年為１ ５００ ｍ３ ／ ｈｍ２［１７］ 。

３．３ 傳統節水模式下的節水潛力

１）主要農作物及其植被覆蓋度（見圖２、圖３）。開孔河流域２０２０ 年主要農作物種植面積為４５．０２ 萬ｈｍ２，其中：開都河子流域主要農作物小麥、玉米、辣椒種植面積分別為５．１２ 萬、１１．１４ 萬、５．４５ 萬ｈｍ２，利用Ｅｎｖｉ 軟件的監督分類法計算得到的植被覆蓋度分別為３４％、４２％、５３％；孔雀河子流域主要農作物棉花、香梨種植面積分別為２０．１１ 萬、３．２ 萬ｈｍ２，植被覆蓋度分別為４４％、３９％。

２）主要農作物需水量。開孔河流域農作物需水量根據庫爾勒市、焉耆縣兩個氣象站的氣象數據和不同農作物植被覆蓋度，利用ＦＡＯ－５６ 推薦的彭曼公式計算得出。開都河子流域主要農作物小麥、玉米、辣椒平均需水量分別為３８４、４１７、３９３ ｍｍ，孔雀河子流域主要農作物棉花、香梨平均需水量分別為４８４、７３６ ｍｍ。農作物需水量空間分布見圖４。

３）節水潛力。根據上文確定的節水潛力相關參數，在滿足充分灌溉的前提下，可計算出開孔河流域現狀灌溉面積的需水量為３４．８５ 億ｍ３，開孔河流域中期規劃年（２０３０ 年）農業灌溉需水量為３４．１１億ｍ３、遠期規劃年（２０５０ 年）農業灌溉需水量為２９．８３ 億ｍ３。結合流域現狀灌溉水量，可計算得出２０３０ 年的節水潛力為０．７４ 億ｍ３、２０５０ 年的節水潛力為５．０２ 億ｍ３（相當于１ ４１８ ｍ３ ／ ｈｍ２）。

４ 變化環境下節水潛力內涵分析

傳統方法利用規劃年需水量與現狀年耗水量差值計算出的節水量未考慮用水總量紅線、灌區生態安全和干旱區可持續發展等。本文提出變化環境下節水潛力新內涵：在用水總量紅線與綠洲安全目標約束下，對于水土不均衡的干旱區而言，規劃年灌溉可用水量將遠小于現狀用水量，計算節水潛力的目標水量會隨著不同階段而變。

４．１ 開孔河綠洲安全內涵分析

在用水總量的約束下，如何保障綠洲生態安全、糧食安全、干旱區可持續發展等是目前需要解決的重要問題。開都河子流域是開孔河流域重要的糧食生產基地，孔雀河子流域農作物以香梨、棉花等為主，確保了流域的糧食安全和農民收入。因此，在不突破用水總量的前提下保障灌區水土資源的可持續發展，灌區節水不僅顯得更加重要，而且被賦予了更多內涵。

４．２ 用水總量紅線約束指標

根據《巴音郭楞蒙古自治州用水總量控制規劃》，２０３０ 年規劃水平年巴音郭楞蒙古自治州用水總量為３６．９９ 億ｍ３。根據文獻［１８］可知，２０３０ 年開孔河流域城鎮居民生活需水量為１．４０ 億ｍ３、工業需水量為２．４１億ｍ３，２０５０ 年生活需水量為１．４４ 億ｍ３、工業需水量為３．９５ 億ｍ３。在用水總量紅線約束條件下，２０３０ 年、２０５０ 年開孔河流域農業可用水量分別為３３．１８ 億、３１．６０億ｍ３，灌溉用水量分別為３４．１１ 億、２９．８３ 億ｍ３，通過計算可得出節水潛力分別為－０．９３ 億、１．７７億ｍ３。２０３０ 年流域節水潛力為負值，表明在紅線約束條件下２０３０ 年無節水潛力、無法滿足灌溉需水要求，需要采取休耕輪作等措施，休耕輪作面積為１８ ６６７ ｈｍ２。

４．３ 灌區地下水生態水位約束指標

在挖掘農業節水潛力的同時，為避免井渠結合灌區出現地下水超采風險，必須確保灌溉水對地下水的凈補給量為正值。通過對開孔河流域中、遠期規劃年水量平衡計算可知：流域中期規劃年（２０３０ 年）蒸發蒸騰總量為２７．８８ 億ｍ３、地下水開采量為７．２８ 億ｍ３、地下水凈補給量為６．０２ 億ｍ３，遠期規劃年（２０５０ 年）蒸發蒸騰總量為２９． ５９ 億ｍ３、地下水開采量為７．０４億ｍ３、地下水凈補給量為３．６９ 億ｍ３。在用水總量紅線約束下，盡管因渠系水利用系數提高而對地下水補給量減小，但地下水開采量的壓減幅度更大，因此流域地下水位仍將處于上升狀態，可避免因地下水位下降而引發生態問題。

４．４ 干旱區節水潛力新內涵下未來可能的風險分析

綠洲安全內涵會隨著時間推移和人類活動而不斷變化。在地下水超采的綠洲區，地下水位的回升對維持綠洲安全非常重要，但當地下水位太高時會出現鹽漬化等環境問題，因此厘清灌區次生鹽漬化問題將成為節水潛力新內涵的研究重點。

為避免未來可能出現的次生鹽漬化問題，需要弄清地下水埋深與土壤含鹽量、地下水礦化度之間的關系，確定綠洲適宜地下水埋深。土壤積鹽程度主要與大氣蒸發能力、土壤巖性特征、地下水埋深和礦化度有直接關系。在大氣蒸發能力和土壤巖性一定的情況下，土壤積鹽程度主要與地下水埋深和礦化度有關。根據相關資料，開孔河流域地下水適宜埋深為３．５ ～４．０ ｍ。

５ 討論

本文從取用水和耗水節水出發，對開孔河流域農業節水潛力進行了定量計算，確定２０５０ 年流域農業節水潛力為１ ４１８ ｍ３ ／ ｈｍ２。與２００４ 年吳旭春等［１９］ 研究得到的巴音郭楞蒙古自治州節水潛力２ ５２０ ｍ３ ／ ｈｍ２有一定差異，原因是該研究是基于早期新疆水利基礎設施較弱、工程性節水和技術性節水水平較低背景下進行的，且研究尺度較大；本研究采用的渠系水利用系數是根據２０２０ 年開孔河流域各縣（市）統計渠系防滲數據及新疆水利廳發布的《水利統計資料匯編》相關數據計算所得，結果可信度更高。

本文基于節水潛力新內涵得到２０３０ 年開孔河流域節水潛力為－０．９３ 億ｍ３、２０５０ 年節水潛力為１．７７億ｍ３，與王水獻［２０］ 的研究結果基本一致。隨著時間的推移，遠期規劃年用水總量紅線存在重新調整的可能性。目前提出的用水總量控制制度對應的供水保證率不明確，若不管來水頻率如何變化，那么堅持用水總量紅線可能導致灌區用水量與生態用水量比例的失衡。

節水不僅要關注用戶端技術性節水，而且要關注全過程節水，尤其需要在規模、結構和效率層次上深度節水，同時要關注節水邊際效益，深入研究節水潛力與成本之間的關系，做到節水綜合效益最大化。

６ 結論

１）在用水總量控制的經濟、環境等多目標用水安全背景下，本文提出了針對變化環境下干旱區節水要兼顧綠洲安全和干旱區可持續發展的研究思路。

２）在水土不均衡的干旱區，傳統節水思路對可持續發展、地下水安全等考慮不足。為保證綠洲安全，除采取強化節水及休耕輪作等措施外，還需合理開采地下水，維持適宜的生態水位。

３）為確保綠洲安全和干旱區可持續發展，開孔河流域中期規劃水平年（２０３０ 年）需休耕１８ ６６７ ｈｍ２，休耕面積可在遠期規劃水平年（２０５０ 年）逐步恢復，遠期規劃年（２０５０ 年）節水潛力為１．７７ 億ｍ３。

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【責任編輯 張華興】