基于分區的海河流域農業節水潛力評估工作的若干思考

宋秋波，丁志宏，楊朝瀚

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

基于分區的海河流域農業節水潛力評估工作的若干思考

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任公司，天津300170；2.水利部海河水利委員會，天津300170）

總結了在流域層面上開展基于分區的農業節水潛力評估工作的目的和意義，提出了分區農業節水潛力的評估原則和技術路線，概括了了農業節水潛力的3個層次，剖析了3個層次節水潛力的計算流程，以期為有關方面開展農業節水潛力評估工作提供技術參考。

海河流域；節水區劃；節水潛力；評估原則；技術路線；潛力層次；技術參考

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，僅為全國人均水資源量的12.8%，是全國七大江河流域中人均水資源量最少的流域。2012年海河流域現狀共有大型灌區48個、中型灌區306個，農業總用水量252億m3，占總用水量的67.77%。其中，農田灌溉用水量221.85億m3，占農業用水量的88.03%；林牧漁業用水量30.15億m3，占農業用水量的11.97%。海河流域現狀農業灌溉呈現出用水量大、效率較低、保障率不高、節水潛力巨大等特點。

為了實現以水資源的可持續利用支撐流域社會經濟的可持續發展的目的，規模化發展節水灌溉、全面提高農業用水效率是海河流域農業灌溉事業發展的必由之路，是發展現代農業的一項重大戰略和根本性措施。

為了按照自然和經濟規律以及水資源開發利用條件來擬定各區域農業水資源高效利用的方向、措施以及管理意見，便于指導海河流域農業節水灌溉的分區管理工作，2015年，海委組織開展了海河流域農業節水分區研究工作，編制完成《海河流域農業節水分區研究》成果報告，以海河流域水資源三級區套地市單元為分區基本評價單元，采用模糊聚類方法將海河流域農業節水分區構建為由山前平原區（含冀東平原區、北京平原區、天津平原區、冀中南平原區4個二級區）、中部及東部濱海平原區（含邯鄲平原區、邢臺衡水平原區、滄州平原區3個二級區）、南部引黃平原區（含漳衛河平原區、徒駭馬頰河區2個二級區）、北部燕山區（含北部山區、北京山區、天津山區、中東部山區4個二級區）、西北部太行山區（含大同朔州山區、烏蘭察布山區、張家口山區3個二級區）、西部太行山區（含北京山區、邯鄲山區、一般山區等3個二級區）6個一級區、19個二級區組成的層次化分區體系。

1　評估目的和意義

基于分區的海河流域農業節水潛力評估工作的目的是在所劃分得到的農業節水分區體系的基礎上，實現不同條件、不同層次分區層面上的農業節水潛力評估，為流域機構實施農業節水灌溉管理工作提供引導性、參考性指標。

評估工作應通過調查研究海河流域不同分區節水農業現狀及發展態勢，分析現有各類節水措施的特點和適用性，結合流域的自然地理條件、水資源特點、農業灌溉技術水平和耕作土地資源的狀況，按照最嚴格水資源管理制度確定的水資源開發利用的總量與效率控制指標，提出不同層次、不同頻率、不同水平年等評價因素組合情形下的各個分區的農業節水潛力，為海河流域農業節水工作的宏觀決策、分類指導、規劃編制、項目審查、工程建設等提供科學基礎和參考依據。

評估工作可以在摸清流域水資源家底、掌握現狀農田灌溉發展情況的同時，進一步增強流域機構對各個分區農業灌溉管理工作的指導性，是貫徹落實“節水優先、空間均衡、系統治理、兩手發力”新時期治水思路的重要基礎工作，是推進實施《國家農業節水綱要（2012—2020年）》的必要技術工作，是流域機構履行對流域農業節水灌溉工作進行宏觀指導和組織工作職責的重要抓手，是合理開發與高效利用農業水資源的引導性指標之一，是確定節水工程建設規模和采取節水灌溉措施的科學參考。

2　評估原則與技術路線

2.1評估原則

基于分區的海河流域農業節水潛力評估工作是在分析海河流域農業節水分區的自然地理、社會經濟等節水灌溉保障和約束條件的基礎上，深入剖析各種節水措施的優缺點和適用性，實現發展需求與技術可能之間的有效對接，結合最嚴格水資源管理制度確定的水資源開發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相互結合形成的開發利用框架下的分區農業節水潛力，為流域機構履行節水灌溉工作的管理和指導職能服務。

為此，評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，發展農業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”，將水資源開發利用紅線擺在發展灌溉（節水灌溉）面積的前面；同時，針對流域水資源開發利用和配置的相關規劃，充分考慮南水北調、引黃等流域外調水以及地下水壓采等形成的流域水資源配置新格局對發展灌溉與節水灌溉的影響。

（2）體現自然社會經濟條件對于節水灌溉發展的約束性。在考慮不同分區發展農業節水灌溉的條件不同、途徑不同、需求不同的同時，也要關注同一節水分區內的不同行政區域（經濟區）因為經濟基礎、社會需求以及節水灌溉工程基礎等的差異而對節水灌溉措施的不同需求，實現幾者之間的協調是開展節水潛力評估工作的基礎。

（3）體現不同層次目標對節水潛力評估工作的引領作用。農業節水的概念和內涵非常豐富，實現手段各異，影響因素不同，對于不同概念定義下的節水潛力應該體現概念和內涵所展現的層次，實現節水潛力的層次化的評價。

（4）體現主要影響因素對節水潛力量值的綜合影響。影響農作物理論需水量和實際需水量的主要因素有降水量和參考作物騰發量，這兩個因素是具有天然相關性的隨機變量，在傳統的農業節水潛力評價工作的基礎上，有必要統籌考慮二者的耦合作用，將農業節水潛力評估工作的標準由單一考慮降水量的不同頻率推廣到同時考慮降水量和參考作物騰發量的不同頻率組合這一新的評價基準［1］。

2.2技術路線

所謂潛力，即是現狀值與期望值的差值。經綜合分析，筆者認為，農業節水潛力可以定義為：在保證糧食安全和農業經濟效益不降低的前提下，通過各類節水措施的實施而得以從現有農田灌溉水量中減少的水量。據此定義，農業節水潛力由三部分組成，分別為水量輸配過程中的節水量、作物吸收利用過程中的節水量、作物種植結構中的節水量，可分別稱之為第一層次、第二層次和第三層次上的節水潛力。

評估工作采用實證研究與理論分析相結合的工作思路，通過資料收集、文獻調研、數據分析和指標計算，在取水總量控制和用水效率指標約束下，將節水潛力評估與節水措施可能這二者緊密結合，在分析現狀實際農業灌溉用水量的基礎上，從節水潛力的定義出發，分析作物需水量、作物水分利用效率，分別計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水量，提出科學、合理、實用的的分區節水量值體系。基于分區的海河流域農業節水潛力評估技術路線，如圖1所示。

圖1　基于分區的海河流域農業節水潛力評估技術路線

3　技術要點

（1）根據對農作物耗用水量過程的深入分析，可將海河流域農業節水潛力劃分為以下3個層次：①通過一定的節水技術工程措施，直接減少農業用水過程中的水量損失，從而減少對水資源的直接消耗量，稱之為節水的第一層次；②在第一層次節水的基礎上，通過施加其他的節水措施，提高作物將環境要素轉化為糧食干物質的轉化效率，使得單位用水量所產出的干物質數量有明顯增加，即通過提高水分生產效率來減少對水資源的總需求量，稱之為節水的第二層次；③在第一層次節水的基礎上，在確保糧食安全和農民收入不降低的前提下，改變作物種植結構，通過需水側的需水作物種類的結構性變化來減少灌溉水量，稱之為節水的第三層次。

第一層次的節水主要是減少灌溉用水，節水潛力也主要或完全來自于灌溉用水，作物生產過程中所需要通過灌溉予以補充的水量即為灌溉需水量。

為了討論節水潛力問題方便，同時也為了將第一、第二和第三層次的節水量相聯接，引入基礎用水量的概念［2］。基礎用水量可以表達為“在沒有地下水補給、沒有鹽堿危害、沒有病蟲危害、供肥充足的條件下，滿足作物產量和正常生長需求所需要實際消耗的水量”。基礎用水量是從滿足生產目標的角度出發，立足點在區域農業供需水量平衡分析。

一般而言，灌溉需水量和基礎用水量具有如下關系：

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

則第一層次節水潛力可以表達為：

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

現狀灌溉用水量可以通過文獻調研和實地調查等方法來確定，可以看作是一個已知數。因此，確定第一層次節水潛力的問題就轉化為確定農田基礎用水量和灌溉需水量的問題。基于農田灌溉的目的考慮，可認為在采取各類工程措施挖掘第一層次節水潛力時，不應使農業總用水量低于農田基礎用水量，即灌溉需水量應該采取工程措施予以充分滿足。決定農田基礎用水量的主導因子是具有確定種植結構的作物的需水特性和生產目標，而需要通過灌溉來進行補充的水量主要受作物基礎用水量和有效降水量的影響。因此，第一層次的節水潛力就是在滿足作物基礎用水量的條件下，通過實施各類節水技術措施而可以從現有灌溉用水總量中予以直接減少的水量。

其中，各分區第i種作物的基礎需水量WRBi（mm）可以通過參考作物騰發量ET0法來確定，現狀灌溉用水量TQT（m3）、分區現狀種植結構數量n、分區有效降水量PEi（mm）及其種植面積Ai（m2）通過調查資料來分析確定。

第二層次節水潛力計算公式為：

第二層次節水潛力主要是通過提高作物水分利用效率來實現的。作物水分利用效率可以表示為單位用水量所產出的干物質數量，即：

則有：

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

從式（4）中可知，用水量與產量成正比，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。鑒于不同措施的實踐效果，在開展第二層次節水潛力評價時，YD取為現狀作物產量數值。在這個意義上來看，第二層次節水潛力就是在保證現有灌溉面積上的干物質總量不變的基礎上，依靠田間農藝節水技術措施而可以使基礎用水量減少的數值。

第三層次的節水潛力是在第一層次和第二層次節水潛力分析的基礎上，在保證糧食安全和農民收入不降低的前提下，按照市場經濟原則所確定的需水量最小的作物種植結構，其實質是通過不同作物類型組合的調整來實現的第一層次節水潛力，是第一層次節水潛力的優化組合。

綜上所述，第一層次節水潛力計算公式為：

式中：WRBi為第i種作物的基礎用水量（m3）；YDPi為第i種作物的現狀平均產量（kg/m2），可通過現狀調查資料來獲取；YDTi為第i種作物的潛在產量值（kg/m2），可通過調查農業部門研究資料來獲取或者通過光溫潛力生產值公式來計算確定；p為基礎用水量中可以通過薄膜覆蓋、秸稈覆蓋等措施得以減少的植物株間蒸發損失所占的最大比例；Ai為現狀第i種作物的種植面積（m2），可以通過現狀調查資料確定。

第三層次節水潛力的計算可以通過改變式（5）中的作物種類和種植面積來實現，具體通過調整WRBi、n、和Ai值來進行。

（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，與之相對應的節水潛力也不相同。作為同一問題的另一個方面，在相同的降水頻率下，作為作物需水量計算基礎參考值的參考作物騰發量也是不同的，即同樣的降水頻率下，在有效降水量利用值相同的假設下，同種作物的需水量也是不同的。因此，有必要同時考慮降水量和參考作物騰發量之間的隨機變化，為農業節水潛力的定量評估提供一個綜合考慮降水量和參考作物騰發量耦合變異情況下的新的描述基準，此即本次評估所提出的不同頻率組合的內涵所在。

（3）最嚴格水資源管理制度所確定的2020年的水資源開發利用的總量控制指標和用水效率控制指標對于各分區農業節水灌溉的發展具有約束性和引導性，分區節水潛力評價應該核算在總量和效率指標約束下的潛力值。

綜上所述，評估工作的內容主要是在明確規劃水平年的總量控制和灌溉水利用系數控制指標的基礎上，計算第一、第二和第三層次的節水潛力，進而提出各個分區在不同頻率組合、不同節水潛力層次等評價因素組合框架下的的規劃水平年節水量值體系。

4　結語

在劃分得到海河流域農業節水分區的基礎上，繼續以分區為研究范圍，按照節水潛力的3個層次概念框架，統籌考慮降水量和參考作物騰發量對節水潛力的影響，開展基于分區的海河流域農業節水潛力評估工作。這是為流域層面上的農業灌溉規劃與管理工作提供技術參考和基礎支撐的一項重要技術工作，有利于流域管理機構更好地實施農業節水灌溉方面的水行政管理工作。

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

［2］段愛旺，信乃詮，王立祥.節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

水利部公益性行業科研專項經費項目（201101016）

宋秋波（1980—），男，高級工程師，主要從事水資源咨詢工作。