海河流域農業節水潛力計算工作的若干思考

丁志宏，鄧方方，解文靜

海河流域農業節水潛力計算工作的若干思考

丁志宏1，鄧方方2，解文靜3

（1.天津市中水科技咨詢有限責任公司，天津300170；2.河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北石家莊050021；3.水利部海河水利委員會，天津300170）

為了便于開展海河流域農業節水潛力計算工作，推導了流域尺度上的農業節水潛力計算公式，概括了農業節水潛力概念的3個層次，梳理了3個概念層次上的節水潛力計算流程，論述了計算過程中的若干技術要點，以期為有關方面開展流域尺度上的農業節水潛力計算工作提供技術參考。

海河流域；農業灌溉；節水潛力；計算公式；潛力層次；計算流程；技術要點

定量地分析和評價流域農業灌溉的節水潛力是流域機構開展農業節水管理工作的重要技術支撐和工作內容。所謂農業節水潛力，可以理解為是現狀水平年農業灌溉需水量與規劃水平年農業灌溉需水量之間的差值，是現狀值與期望值之間的差值。則，農業節水潛力的大小是與現狀水平年的農業灌溉需水量、種植結構、節水水平、節水措施、節水措施實施面積以及規劃水平年的農業灌溉需水量、種植結構、節水水平、節水措施、節水措施實施面積、節水規劃投資額、相關方面的利益主體的積極性等諸多技術、經濟和社會因素有關的復雜因變量，是用水結構、節水模式、規劃水平、投資力度、利益調整等相關因素綜合作用的結果，是一種未來水平年可能得以實現的“最大”或“潛在”的節水量，具有復雜性、尺度性、動態性、敏感性等特點。

綜上所述，流域農業節水潛力的實現過程是一個涉及自然、社會、經濟、技術等多維度影響因子的復雜系統工程，而流域農業節水潛力量值的計算、分析與評價是此項系統工程的基礎性技術工作。

1 計算公式

基于“真實節水”的概念[1]，本文以作物土壤層作為研究對象，構建土壤水量平衡概念模型[2]，如圖1所示。考慮可能出現的各種水量要素，建立水量

式中：ΔW土壤為土壤含水量的變化量（mm）；P為冠層截流后到達地面的降水量（mm）；Rp為降水產生的地表徑流（mm）；Sp為降水產生的深層滲漏（mm）；Igross為理論毛灌溉需水量（mm）；Ri為灌溉產生的地表徑流（mm）；Si為灌溉產生的深層滲漏（mm）；Rpr和Spr分別為降水產生的地表徑流（mm）和深層滲漏的重復利用量（mm）；Rir和Sir分別為灌溉產生的地表徑流（mm）和深層滲漏的重復利用量（mm）；GR為地下水補給（不包括灌溉和降雨滲入地下水的水量對土壤的補給）（mm）；ETf為滿足作物正常生長所需的蒸騰蒸發量，即作物需水量（mm）；Ls為土壤水側向流出研究區域的水量（mm）；Win為其它入流項（mm），如從研究區域外進入研究區域土壤層的引水量或入流量等。平衡方程如下：

圖1 土壤水量平衡概念模型

對式（1）進行變換，得：

式中：等號的左邊是凈灌溉需水量，記為理論凈灌溉需水量Inet，等號的右邊是有效灌溉供水量；βET為作物灌溉調節系數；其余變量含義同上。

假設降水的回歸水重復利用量為傳統的降水損失乘以降水回歸水利用系數βp，記為Rpr+Spr= (Rp+Sp)βp，則理論凈灌溉需水量計算公式為：

式中：Pe為有效降水量（mm）；其余變量含義同上。

當計算時段為年時，土壤含水量的變化ΔW土壤很小，可忽略不計；土壤層水分運動以垂向為主，因此土壤層的水分側向流出量Ls一般較小，也可忽略不計。則，理論凈灌溉需水量計算公式可簡化為：

假設灌溉回歸水重復利用量為傳統的灌溉損失乘以灌溉回歸水利用系數βi，記為：

式中：Iloss為灌溉損失量（mm）；其余變量含義同上。

由于Iloss=Igross(1-ηi)，其中ηi為灌溉水利用系數，則式（5）可改寫為：

將式（6）進一步簡化，可得：

式（7）也可寫作：

式（7）中的理論毛灌溉需水量是考慮了作物需水量、降水和灌溉回歸水的重復利用情況下的理論毛灌溉需水量，有別于傳統意義上的毛灌溉節水量。

實施節水措施后的理論毛灌溉需水量計算公式為：

則農業理論節水潛力ΔW計算公式為：

基于如下假設，將式（4）和（7）從灌區尺度推廣到流域尺度上：在流域尺度上考慮，降水損失所形成的回歸水重復利用量為零，即認為降水損失所形成的地表和地下水的回歸水是被農業生產系統以外的生活、工業或生態系統加以利用而未回歸到農業系統中得以重復利用，因而βp=0；灌溉損失水量的重復利用量為零，即認為灌溉損失所形成的地表和地下水的回歸水是被農業生產系統以外的生活、工業或生態系統加以利用而未回歸到農業生產系統中得以重復利用，因而βi=0。

基于上述假設，式（4）變為：

式（7）變為：

式（11）變為：

式中：ET′f、P′e、G′R分別為實施節水措施后的作物正常需水量（mm）、有效降水量（mm）、地下水補給量（mm）；其余變量含義同上。

鑒于海河流域地下水現狀埋深普遍較大且平原區地下水超采嚴重的實際，不考慮地下潛水對作物補給作用的變化，也不考慮降水有效利用系數的變化，則式（11）變為：

式（15）即為本文提出的流域農業節水潛力計算的基本公式，其節水潛力計算的基準是現狀年的作物灌溉需水量，而非現狀年的作物實際灌溉水量，主要是考慮從作物本身生長對水分的需求出發來探索未來節水潛力更有意義，更主要的是由于現狀年作物實際灌溉水量組成復雜、灌溉對作物需水的滿足程度差異較大，受降水因素、經濟因素和農民灌溉意愿的影響較大，缺乏各類作物詳細灌溉水量的統計數據，難以衡量，用于計算缺乏實際可行性。

2 潛力層次

由式（15）可知，流域農業節水潛力的來源主要有以下兩個方面（從實際灌溉實踐出發，本文不考慮調虧灌溉等改變βET的節水措施）：①改變ηi的值，即提高灌溉水利用系數。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，本研究稱之為節水的第1層次，即工程型節水潛力；②改變ETf的值，即降低農作物潛在需水量。降低作物潛在需水量的途徑有2個：第1個途徑是在第1層次節水的基礎上，通過施加其它的節水措施，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，本研究稱之為節水的第2層次，即效率型節水潛力，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可以使作物潛在需水量減少的數值；第2個途徑是：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作物潛在需水量，進而減少灌溉需水量，本研究稱之為節水的第3層次，即結構型節水潛力。

綜上所述，本文所定義的第1層次、第2層次和第3層次節水潛力，即工程型、效率型和結構型節水潛力，其計算公式分別如下所述：

2.1 工程型節水潛力

工程型節水潛力計算公式為：

式中：η1和η2分別表示采用節水技術前后的工程型水分利用系數，即灌溉水利用系數；I需表示分區的作物凈灌溉需水量（m3），取決于作物的蒸騰蒸發量ET（mm）、降水P（mm）、降水有效利用系數α、地下水利用量G（mm）以及作物種植面積A（hm2）。

式中：i表示分區內的作物種類；Ai為第i種作物種植面積（hm2）；ETi為第i種作物的需水量，即蒸騰蒸發量（mm）；其余變量含義同上。

2.2 效率型節水潛力

效率型節水潛力計算公式為：

式中：?1表示通過調整作物生理過程所能產生的農田耗水減少的百分比；?2表示通過采用滴灌等節水灌溉措施和秸稈覆蓋等農藝措施使得農田耗水減少的百分比[4]；其余變量含義同上。

2.3 結構型節水潛力

結構型節水潛力計算公式為：

式中：I規需表示分區規劃水平年的作物灌溉需水量（m3）；I現需表示分區現狀水平年的作物灌溉需水量（m3）；Ai規為規劃水平年的第i種作物的種植面積（hm2）；Ai現為現狀水平年的第i種作物的種植面積（hm2）；其余變量含義同上。

必須指出的是，流域農業節水潛力的3個層次之間不能簡單相加而得出總體節水潛力。

3 技術要點

在開展海河流域農業節水潛力計算、分析和評價工作的過程中，有一些需要注意的問題，現集中闡述如下：

3.1 作物需水量的計算

作物需水量的計算可以采用2種途徑：一是在流域降水量站點數量較多、分布較為均勻、系列長度較長時，可以先根據同期的氣象數據采用Penman-monteith公式計算選定的代表性作物的參考作物騰發量ET0，再選擇適宜的作物系數進而求得長系列的作物需水量。此種方法的好處是可以考慮降水量和參考作物騰發量這2個農作物理論需水量的主要影響因素的耦合作用，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進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[5]，不足之處是需要的基礎數據較多、基礎計算工作量較大、作物系數確定較為困難，對基礎資料的齊備程度和詳細程度要求較高。二是采用流域內的各省級行政區的水行政主管部門頒布的農業灌溉用水定額標準，流域灌溉需水量作為農田水利工程規劃、設計和灌溉用水管理的重要參數，長期以來一直受到水利科學界的重視，各級水利部門開展了大量的灌溉試驗工作，取得了豐富的作物灌溉需水量成果，各省（自治區、直轄市）都提出了各自行政區域范圍內的農業灌溉用水定額，在計算節水潛力時可以直接引用，采用這種方法的不足之處是只能計算灌溉定額標準中給定的降水頻率下的作物需水量，不能同時考慮降水量和參考作物騰發量的不同頻率組合。

3.2 現狀種植結構的確定

現狀農業種植結構，尤其是冬小麥、春玉米、夏玉米、棉花、水稻、花生、大豆等大田作物的種植面積，是農業灌溉節水潛力計算的現狀用水端的基礎數據，可以通過查閱有關省（自治區、直轄市）的農村統計年鑒、水利統計年鑒、水資源公報附表等來獲取。

3.3 種植結構調整方向

農業灌溉用水是海河流域的用水大戶，占海河平原區總用水量的75%，是導致地下水超采的主要原因，特別是在冬小麥生育期，實際耗水量遠大于有效降水量，降水對冬小麥的水分滿足率很低，以地下水為主要水源的人工灌溉成為糧食高產穩產的重要保障。相比之下，玉米因為其生育期在夏秋兩季，降水量較為集中，與海河流域降水量的年內分布特征匹配度較好，對人工灌溉的需求量相對較小。據統計，華北平原冬小麥的播種面積自1998年以來的近20年間出現了一定程度的減少，長期以來占主導地位的冬小麥—夏玉米一年兩熟耕作制度在部分區域已演變為春/夏玉米一年一熟制，夏玉米的播種面積不斷增加。與冬小麥相比，玉米生育期恰好是年內降水的豐水期，水分虧缺量相對較小，灌溉水需求量也較小。因此，冬小麥播種面積的減少以及耕作制度的變化必然會節約一部分農業灌溉水量。

海河流域各分區的節水均不能滿足冬小麥的需水情況，且需灌溉的水量較大，整體優勢不太明顯，近年來種植結構和規模比較穩定，因而可以根據水情適當壓縮冬小麥的種植面積。玉米的降水利用率和效益都比較高，對于發展節水農業意義重大。海河平原區的玉米種植已經具有較大規模，且近年種植規模比較穩定。目前玉米的市場前景較好，可作為動物飼料和工業原料。因而，應將玉米作為海河平原區重點發展的作物，并著重提高其單產。棉花較適應海河平原區的降水分布情況，近年來平原區的棉花種植面積和單產都有較大增幅，是海河流域較有發展潛力的作物，但棉花價格近年來波動較大且費工，應以穩定種植面積為宜。水稻需水量較大，除了冀東平原區和天津平原區可保留一定面積的水稻種植以外，海河流域其余各分區宜不再種植水稻，以節約灌溉用水。

4 結語

流域農業節水潛力是在理想狀態下的作物的廣義節水潛力，是理論上的最大可能的節水量，其各種影響因素具有時間易變性和空間異質性且相互之間的關系錯綜復雜，因而農業節水潛力具有復雜性、敏感性、動態性、尺度性。基于土壤水量平衡方程，從整體和宏觀著眼，抓住問題的主要環節，推導了流域尺度上的農業節水潛力3個層次的計算公式并探討了計算和評價過程中的一些技術問題。

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[3]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.

[4]尹劍，王會肖，劉海軍，等.關中地區典型作物農業節水潛力研究[J].北京師范大學學報（自然科學版），2013，（Z1）：205-209

[5]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.

TV214

A

1004-7328（2017）02-0016-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.007

2016—11—11

國家自然科學基金項目（51309202）；水利部公益性行業科研專項經費項目（201101016）

丁志宏（1979—），男，博士，高級工程師，主要從事水文水資源研究與咨詢工作。