柳園口灌區作物ET0變化及節水灌溉模式研究

陳 誠

(黃河水利職業技術學院，河南 開封 475003)

1 概 述

作物需水量就是作物生長發育過程中所需的水量，一般包括生理需水量和生態需水量兩部分。生理需水量是指作物生長過程中各項生理活動(蒸騰、光合作用及構成生物體系等)所需要的水量；生態需水量是指為作物正常生長發育創造良好生活環境所需要的水分，如調節土壤溫度、影響肥料分解、改善田間小氣候等所需要的水分。由于上述各項需水量不好測定和計算，在生產實踐中用作物的蒸騰量和蒸發量來表示作物需水量，又叫騰發量。作物從土壤中吸收的水分，絕大部分(99%以上)是通過植物葉面源源不斷地蒸發進入大氣，剩余不足0.2%的水量留在體內成為植物的組成部分。對干旱田，需要考慮植株蒸騰與棵間土壤蒸發以及田間滲漏等各種水量之和。一般情況下，不考慮滲漏水量，只將植株蒸騰與棵間蒸發兩項所消耗的水量加起來，稱為作物田間需水量或者田間騰發水量。

羅玉峰、彭世彰等[1,2]采用FAO56推薦的方法計算了了江蘇灌區1955-2007年的水稻灌溉需水量，深入研究了氣候變化對作物需水量變化的影響。仕玉治、張弛等[2]針對灌溉資料相對缺乏流域，利用改進的SWAT模型，研究了灌溉需水量、灌溉回歸水量的變化情況并且進一步量化分析了灌溉用水對水循環的影響。顧世祥、李遠華等[4]采用聯合國糧農組織推薦的修正Penman公式分析計算了霍泉灌區長系列參考作物的騰發量及其變化規律，在此基礎上提出了該灌區冬小麥、夏玉米需水量預報模型。張振偉、李彥彥、韓宇平等[5-8]分別建立作物需水量變化預測模型，計算預測作物不同灌區的灌溉水量的變化規律。本文在前人研究的基礎上，采用聯合國糧農組織最新推薦的penman-Monteith修正公式，研究灌區主要參考作物的需水量變化規律，并結合引黃河流域來水量與來沙量的變化情況，研究提出大型引黃灌區節水灌溉模式。

2 計算方法及數據

2.1 作物需水量計算方法

(1)模型基本原理。采用聯合國糧農組織最新推薦的penman-Monteith修正公式和柳園口灌區實測氣象數據資料，計算逐月的日平均作物蒸散量ET0，計算公式如下：

式中：ET0為參考作物蒸發蒸騰量，mm/d；Rn為輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤的熱通量，MJ/(m2·d)；T為灌區的平均氣溫；U2為2 m處的平均風速；es為飽和水氣壓；ea為實際的水氣壓；r為濕度常數，kPa/℃；Ra為大氣頂層的太陽輻射值，mm/d；n為實際日照小時數，h/d；N為最大可能日照時數，h/d；σT4k為黑體輻射量，mm/d；σ為斯蒂芬博茨曼常數；Tk為絕對溫度，可取273+t(℃)；ed為實際水汽壓，hPa；a、b為計算凈輻射的經驗系數。

2.2 數據來源可靠性分析

柳園口灌區缺乏氣象觀測設施，本文采用惠北科學試驗站的長序列試驗監測數據進行計算。惠北試驗站始建于1958年，試驗區域面積約74.17 km2，耕作土地面積大于5 000 hm2。惠北試驗站試驗區土壤質地與柳園口灌區有較大的相似性，資料能夠滿足柳園口灌區實際需要，具有較好的代表性，可以直接用于計算柳園口灌區的作物需水量。

圖1 柳園口灌區示意圖

月份日照時間/h平均氣溫/℃相對濕度/%風速/(m·s-1)13.80.4701.624.33.4651.834.98.4632.346.015.6642.356.121.0682.066.025.8641.975.327.3771.685.326.1801.595.421.7741.7105.315.9691.7114.98.6682.1124.22.6712.0

3 柳園口灌區ET0變化規律分析

3.1 柳園口灌區ET0年際變化規律分析

利用國內penman修正公式的ET0計算結果(見圖2)，分析柳園口灌區參考作物蒸騰量變化規律；研究認為柳園口灌區ET0近年來處于穩定態勢，整體略有下降。可以看出小麥多年的平均需水量處于320～360 mm之間，棉花多年平均需水量處于400～420 mm之間，玉米需水量處于290～310 mm之間，近10年來主要作物的需水量基本保持一定的穩定水平，整體略有下降，下降幅度大約15 mm/10 a。可以看出，受主要參考作物成長季節和生育期周期的限制，棉花生育期需水量大于小麥，小麥的需水量大于玉米。

圖2 棉花、小麥、玉米等主要作物歷年來生育期ET0變化情況

3.2 主要作物ET0年內變化規律分析

根據柳園口灌區多年來實測選取2012年典型年份對主要作物的年內變化情況進行分析(見圖3～圖5)。可以看出，小麥需水量在每年四、五月份達到最大值，占全年需水量60%以上；由于受柳園口灌區氣候變化的影響，需水量一般在每年9-10月份開始減小，于每年2-3月份受氣溫升高的影響，作物需水量逐漸增加。

圖3 小麥年內需水量變化

圖4 棉花年內需水量變化

圖5 玉米年內需水量變化

棉花與玉米屬于秋季作物，年內需水量變化規律相似。棉花4-5月份棉花處于幼苗期，作物需水量為全年的最小值；7月份處于棉花生長發育的關鍵階段，需水量達到峰值，占到全年的52%以上，9-10月份處于生長發育的后期，處于生殖發育階段，需水量明顯減小。玉米需水量變化與小麥相似，玉米在7月份需水量最大，8-9月份處于生殖階段，需水量逐步減小，至9月份需水量達到最小值。

河南省柳園口灌區是黃河下游典型的引黃灌區，該地區豐水季節一般處于4-8月，這與農作物的需水變化規律一致，為灌區主要糧食的作物的增產增收奠定了基礎；但是由于近年來黃河來水量處于減小趨勢，引黃灌溉水量受流域整體來水量的限制，需要根據引黃灌區水量分配特點，探討有效的節水灌溉模式，發揮有限水資源利用效率，滿足灌區農作物生長發育的需求。

4 引黃灌區節水灌溉模式研究

4.1 引黃灌區灌溉需水量變化研究

柳園口灌區位于河南省開封市，是黃河下游一個典型的引黃灌區，根據Allen 等(1998年)，灌區作物需水量為：

ET=kET0

式中：ET為作物需水量，mm/d；k作物系數，無量綱；ET0為參考作物需水量，mm/d。

柳園口灌區為依靠降雨及黃河水補給大型引黃灌區，灌溉需水量一般與ET呈正比例關系。近年來灌區逐月日平均需水量變化如圖6所示，可以看出柳園口灌區日平均水量整體處于穩定但略有下降趨勢，灌區灌溉需水量呈類似變化規律。根據惠北實驗站實測資料，近年來灌區有效降雨量沒有明顯的變化，但由于黃河來水量呈明顯逐年減小趨勢(圖6)，需要采探討有效的節水灌溉模式應對灌溉水資源不足問題，保證農作物生長發育的需水量。

圖6 灌區近年來逐月日平均需水量變化

4.2 引黃灌區節水灌溉模式研究

根據黃河下游地區半干旱半濕潤氣候特征，結合洪枯季降水特點及黃河來水來沙量的特征，研究提出柳園口灌區有效的節水灌溉模式。對于黃河下游的引黃游灌區，灌溉水資源利用效率一般處于40%～50%之間，大量的水通過田間滲漏滲入農田濕潤層以下，補充了地下水源；柳園口灌區洪枯季降水季節性分配不均勻，干旱季節時常出現，可以人為利用地下水庫的天然調節功能，有效配置地表與地下水資源，推行以井灌與引黃水資源季節性優勢互補灌溉模式。同時受黃河高含沙量水體特征影響，分析黃河上游來水量及含沙量變化規律，充分利用冬季黃河水含沙量較小優勢，大量引黃河水進行灌溉并補充地下水源；根據對黃河水體含沙量監測結果調整引黃灌區灌溉取水量，一旦含沙量大于標準值應停止灌溉。灌區管理過程中應結合作物需水量和黃河水體含沙量變化規律，適時調整引黃灌溉和井灌的灌溉模式，有效節約引黃灌溉水量，控制土壤鹽堿化程度。

針對柳園口灌區特點，應逐步推廣實施噴灌、微灌等先進的節水技術；現狀情況下應優先考慮軟管灌溉的節水優勢，減小灌溉過程中的水量損失。調整灌區農作物種植結構，發展高產種植、大棚栽培以及大型機械化操作模式；適度控制蔬菜、水果等需水型作物種植面積；優先發展區域化、大型化的節水農作物種植結構。

圖7 黃河下游近年來流量變化情況

5 結 論

本文基于最新推薦的penman-Monteith修

圖8 黃河下游近年來水體含沙量變化情況

正公式，分析研究主要作物的需水量變化規律，并結合引黃河來水來沙分布特點，提出了地表水與地下水適時調整的灌溉模式。主要結論為：

(1)柳園口灌區ET0逐年處于穩定態勢，整體略有下降，主要農作物受生長季節和生育周期的限制，棉花生育期需水量大于小麥，小麥的需水量大于玉米。小麥需水量在每年4、5月份達到最大值，占全年需水量60%以上；棉花7月份處于生長發育的關鍵階段，需水量達到峰值，占到全年的52%以上；玉米需水量變化與小麥相似，玉米在7月份需水量最大，8-9月份處于生殖階段，需水量逐步減小。

(2)由于近年來黃河來水量呈減小趨勢，現狀情況下應軟管灌溉方式，減小輸水過程中的水量損失；結合黃河下游地區半干旱氣候特點，充分利用灌區降水和黃河來水來沙分布特點，適時調整引黃灌溉和井灌的灌溉模式，充分發揮有限水資源的最大效益。

[1] 羅玉峰, 彭世彰, 王衛光,等. 氣候變化對水稻灌溉需水量的影響-以高郵灌區為例[J]. 武漢大學學報，2009，42(10):609-613.

[2] 羅玉峰，張亞東，韓 冰,等 江蘇省水稻灌溉需水量空間分布規律研究[J]. 水電能源科學，2014，32(11)27-30.

[3] 仕玉治，張 弛，周惠成,等. SWAT 模型在水稻灌區的改進及應用研究[J]. 水電能源科學，2010，28(7):18-22.

[4] 顧世祥，李遠華，袁宏源. 霍泉灌區作物需水量實時預報究[J]. 武漢水利電力大學學報，1998，31(1):37-41.

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