新疆灌溉定額空間分布規律淺析

林志強 馬鐵成

(新疆維吾爾自治區灌溉排水發展中心,新疆 烏魯木齊 830000)

灌溉定額在解決灌區水資源供需矛盾、促進灌溉工程良性運行、注重水資源利用與水環境監管制度深入實施、強化水資源科學管理等方面發揮著重要作用[1]。新疆地處我國西部內陸腹地,氣候干旱、降水稀少、蒸發強烈、生態脆弱,形成了我國典型的“荒漠綠洲灌溉農業”格局,目前新疆大面積推廣應用滴灌高效節水技術,研究分析滴灌灌溉定額分布規律,為農業水資源高效利用管理提供技術支撐尤顯迫切。楊波等[2]利用克里金插值法繪制西藏燕麥灌溉定額分布圖,分析西藏燕麥主要種植區灌溉定額空間分布及影響因素,得出日照時數對燕麥灌溉定額影響最大的結論。周和平等[3]通過PM方法選取新疆 1952—2008 年氣象資料計算出多年ET0并進行時空發展趨勢研究。馬鐵成等[4]采用MK和回歸分析法對新疆參考作物蒸散量時空分布與年際變化規律進行分析,得出各區域ET0值南疆最大、東疆次之、北疆最小的結論。林棟等[5]通過對遙感影像的解譯和灌區土樣采集檢測,分析南疆典型灌區適宜鹽分淋洗定額空間分布規律,得出土壤鹽分空間分布主要呈現“西多東少、北多南少”特征的結論。羅紅英等[6]采用土壤水量平衡原理計算灌溉定額長系列值,利用克里金插值法得到灌溉定額及其主要影響因子的等值線圖,分析西藏青稞灌溉定額的空間分布規律。目前,針對灌溉定額空間分布的研究較少,本文根據新疆灌溉定額最新研究成果,分析當地灌溉定額空間分布規律和原因。

1 研究區概況

新疆地處中國西北,亞歐大陸腹地,約占全國陸地總面積的1/6;地貌可以概括為“三山夾兩盆”:北面是阿爾泰山,南面是昆侖山,天山橫亙中部,把新疆分為南北兩部分,習慣稱天山以南為南疆,天山以北為北疆[7]。新疆屬于典型的溫帶大陸性干旱、半干旱氣候,降水稀少、蒸發量大,年降雨量多在200mm以內,且南北差異較大。當地水資源時空分布極不均衡,表現出西多東少、北多南少、山區多平原少的主要特點。2021年,新疆用水總量為571.37億m3,其中農業用水量為526.72億m3,約占總用水量的92%,屬于典型的灌溉農業[8]。為更好地發揮水資源在新疆農牧業生產和水生態水環境方面的積極作用,提升用水保障和水土資源保護能力,使新疆水利邁向更高質量、更有效率、更可持續發展的新階段,研究新疆灌溉定額空間分布規律具有十分重要的意義。

2 研究方法

本文基于新疆農業用水定額最新成果中的灌溉定額,利用ArcGIS10.8軟件,對75%灌溉用水保證率下春小麥、春玉米、油葵、棉花、其他果樹、防護林木(防護生態苗圃)等作物的灌溉定額,運用克里金(Kriging)插值繪制分布圖并進行分析。分析使用的氣象站位置見圖1。

圖1 氣象站分布

克里金插值法,又稱多項式插值法,是一種重要的數學多項式插值方法,本質是由一些給定的離散數據,通過穿插方法構造一個多項式來進行插值擬合,可以用來表示未知函數或進行未知函數的作圖等工作[9]。

解析型插值方法是根據位置的精度和多項式的次數來確定多項式的系數,并求解擬合出未知函數的解析形式。這種插值法中最具有代表性的是克里金插值法,也是應用最多的一種插值方法。

克里金插值原理如下:給定n+1個離散點(xi,yi)(i=0,1,2,…,n),其中xi互異,它們可以通過一個多項式Pn(x)來擬合,即

Pn(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+

bn(x-x0)(x-x1)…(x-xn1)

通過確定相應的系數,可以擬合出xi,yi之間的關系,即可以精確求解未知函數。

克里金插值原理表示為

Pn(x)=y0+b1(x-x0)+b2(x-x0)(x-x1)+…+

bn(x-x0)(x-x1)…(x-xn1)

其中:b1,b2,…,bn分別為克里金插值的系數,有如下的解析公式:

b1=[y1y0](x1x0),b2=[y2y0](x2x0)(x2x1),…,

bn=[yny0](xnx0)(xnx1)…(xnx1)

通過確定系數b1,b2,…,bn,便可以根據Pn(x)擬合出相應的多項式,來插補所有的未知數據,從而實現函數求解。

3 結果與分析

3.1 空間分析

為更加直觀地對新疆灌溉定額空間分布情況進行分析,選取75%灌溉用水保證率下新疆具有代表性的春小麥、春玉米、油葵、棉花、其他果樹、防護林木(防護生態苗圃)6種作物灌溉定額數值,運用克里金插值繪制出新疆農業灌溉定額空間分布圖(見圖2)。

圖2 灌溉定額分布

從圖2(a)可以看出,春小麥灌溉定額最大值為若羌縣260m3/畝,最小值為裕民縣215m3/畝,整體分布呈現三塊區域,分別在準格爾盆地、塔里木盆地、吐哈盆地周邊,其中,灌溉定額準格爾盆地周邊最低,塔里木盆地周邊居中,吐哈盆地周邊最高。

從圖2(b)可以看出,春玉米灌溉定額最大值為托克遜縣370m3/畝,最小值為青河縣250m3/畝,分布呈現兩塊區域,基本以天山為界限,灌溉定額天山以北低,天山以南高。分析原因是天山北坡有來自北冰洋和大西洋的濕潤氣流,濕潤氣流被天山阻擋導致北坡降水多于南坡。

從圖2(c)可以看出,油葵灌溉定額最大值為于田縣300m3/畝,最小值為裕民縣245m3/畝,分布基本呈現兩塊區域,分別為準格爾盆地周邊、塔里木盆地和吐哈盆地周邊,準格爾盆地周邊灌溉定額低于塔里木盆地和吐哈盆地周邊。

從圖2(d)可以看出,棉花灌溉定額最大值為若羌縣330m3/畝,最小值為拜城縣275m3/畝,分布基本呈現兩塊區域,以天山為界限,天山以北灌溉定額低,天山以南灌溉定額高。還有一部分呈現藍色區域,主要分布在阿勒泰地區和塔城地區,由于未種植棉花,所以灌溉定額數據不存在,導致分布圖呈現藍色。

從圖2(e)可以看出,其他果樹灌溉定額最大值為托克遜縣470m3/畝,最小值為青河縣260m3/畝,分布基本呈現兩塊區域,以天山為界,灌溉定額天山以北低,天山以南高。

從圖2(f)可以看出,防護林木(防護生態苗圃)灌溉定額最大值為博湖縣340m3/畝,最小值為塔城市280m3/畝, 基本呈現兩塊區域,南疆受到塔克拉瑪干沙漠氣候影響,整體呈現干旱缺水現象,灌溉定額最大;東疆受到吐哈盆地干燥少雨氣候影響,灌溉定額整體偏高;北疆灌溉用水最低。

導致春小麥與其他作物的灌溉定額空間分布規律不同的原因是,春小麥在新疆各個縣(市)均有種植,最能反映新疆灌溉定額分布規律,其余幾種作物由于有部分地區未種植,導致沒有灌溉定額數值,用克里金插值法繪制的圖不能完全反映新疆灌溉定額的分布規律。春小麥的灌溉定額在北疆平均270m3/畝左右、南疆300m3/畝左右、東疆350m3/畝左右,數值差異較為明顯。其余作物灌溉用水定額數值差異無春小麥明顯。春小麥需水高峰期在抽穗～灌漿期,一般在每年的6—7月,而新疆蒸散量最大值主要出現在5—7月,春小麥需水高峰期和蒸散量最大值出現時間高度重合,導致春小麥灌溉定額分布與蒸散量基本分布一致,新疆蒸散量呈北疆、南疆、東疆分布,故春小麥定額分布呈現三塊區域。

3.2 氣溫年內分布分析

采用新疆多年7月平均氣溫數據,用克里金插值法繪制出多年7月平均氣溫分布(見圖3)。氣溫分布基本呈兩塊區域分布,以塔里木盆地為界限,北部氣溫低于南部,西南角溫度低于周邊,是由于海拔升高導致氣溫降低,氣溫分布情況與灌溉定額分布近似但不完全一致。

綜上可以看出,新疆灌溉定額極大值普遍分布在東疆,極小值一般分布在北疆,灌溉定額極值差較大。整體上新疆灌溉定額分布存在東疆高、北疆低,東邊大、西邊小的規律。新疆地域面積大,各地溫度差值較大,降水差異較大,水資源分布不均,導致灌溉定額分布呈現南高北低、東多西少的規律。經分析,產生這種分布情況的原因是南疆平均氣溫要高于北疆,南疆風速季節變化的一致性要比北疆差一些。新疆整體降水偏少,北疆大部分地區的年降水量只有200mm左右,而南疆降水更少,年降水量不足100mm。塔里木盆地受到塔克拉瑪干沙漠氣候影響,整體呈現干旱缺水現象,塔里木盆地內部降水量尚不及20mm。吐哈盆地干燥少雨,平均每年只有11天下雨,年降水量只有十幾毫米,一般情況,每次下雨僅能把地表淋濕,至于沙漠腹地,甚至有時終年滴雨不下。準噶爾盆地周邊西北風吹入盆地,冬季氣候寒冷,雨雪相對豐富。而吐哈盆地周邊干燥少雨的氣候注定灌溉定額高于準噶爾盆地周邊。

3.3 月均氣溫分析

選取和田市、若羌縣、伊州區、阿勒泰市、石河子市、伊寧市6個縣(市)氣象資料,繪制月均氣溫變化趨勢,見圖4。

圖4 月均氣溫變化趨勢

通過月均氣溫變化趨勢分析發現,新疆年內氣溫整體變化幅度較大,呈現出年中氣溫高、年初和年底氣溫低、南北溫差大的特點,并且山區氣溫低于平原區。4月氣溫均值最高的是和田地區18.51℃,氣溫最低的是阿勒泰地區9.59℃,溫差達到8.92℃;7月氣溫均值最高的是若羌縣27.83℃,氣溫最低的是阿勒泰地區21.92℃,溫差達到5.91℃。但是從6種作物灌溉定額分布圖上可以看出,和田地區和巴州沒有一種作物灌溉定額為最高,阿勒泰地區只有兩種作物的灌溉定額最低。這表明雖然灌溉定額分布與氣溫有一定的關系,但并不完全取決于氣溫,這是由于灌溉定額是通過Penmanship-Monteith公式計算,測算因子包括緯度、高程、平均氣溫、水氣壓、2m處風速、日照時數6項指標[4],氣溫對灌溉定額影響較大,灌溉定額分布規律與氣溫分布存在較大的關聯性。

4 結 語

本文選擇新疆在75%灌溉用水保證率條件下6種作物的微灌灌溉定額,采用克里金插值法繪制分布圖并分析,發現新疆灌溉定額呈現這種分布情況是多種原因造成的。氣候上,北疆屬于溫帶大陸性干旱半干旱氣候,南疆屬暖溫帶大陸性干旱氣候。在氣溫上,南疆的氣溫高于北疆,北疆年均氣溫-4～9℃,南疆年均氣溫7～14℃。降水上,北疆的降水量高于南疆,北疆全年降水量為150～200mm,南疆全年降水量為25～100mm。三山夾兩盆的地形因素影響,緯度、高程、平均氣溫、水氣壓、2m處風速、日照時數等指標的影響,北冰洋和大西洋的濕潤氣流也對灌溉定額的分布有所影響。全區灌溉定額整體上呈現東疆>南疆>北疆的特點,灌溉定額最大值普遍在東南區域,灌溉用水最小值普遍在西北區域。新疆灌溉定額分布呈現出越往東南越高、越往西北越低的規律。