近50 a滹沱河平原冬小麥灌溉需水時空特征研究

杜麗艷

（山西省水利建設開發中心，山西 太原 030002）

近50 a滹沱河平原冬小麥灌溉需水時空特征研究

杜麗艷

（山西省水利建設開發中心，山西 太原 030002）

應用彭曼公式、反距離權重插值（IDW）及相關分析等方法，研究了氣候變化對滹沱河平原冬小麥灌溉需水量時空變化的影響，主要得出以下幾點結論：①近50a來滹沱河平原冬小麥灌溉需水量以18.5 mm/10 a的速率呈顯著下降趨勢（P＜0.01）；②在空間特征上，冬小麥需水量以藁城、趙縣和寧晉一線為界，分界線以東需水量在500～530 mm，分界線以西在530～600 mm；③降水量是冬小麥需水量變化的主控因素，降水量每增大100 mm，需水量將減少124 mm，日照時數和近地風速顯著下降是造成該區需水量下降的主要原因。

氣候變化；滹沱河平原；冬小麥；灌溉需水量

冬小麥是滹沱河平原主要耗水作物，種植面積占全區農作物種植面積的比例達30%以上[1]，灌溉水量占全區農業用水量的40%左右[2]。該區灌溉農業與氣候變化密切相關，據前人研究[3-8]，降水量、氣溫、相對濕度及風速等氣象因子的變化均對冬小麥灌溉需水有一定程度的影響，尤其是極端降水枯水或極端降水豐水年份。近50 a來，滹沱河平原氣候條件發生較大變化，年均氣溫以0.25℃/10 a的增大速率升高，相對濕度、近地風速和日照時數等也發生不同程度的變化[9]。在此氣候背景下，開展氣候變化條件下冬小麥灌溉需水時空變化特征及主控因素的研究，對提出有針對性的灌溉農業調控措施、提高水資源合理開發利用水平具有重要意義。

筆者基于滹沱河平原23個氣象站降水、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度及風速等氣象數據，研究了該區近50 a來冬小麥灌溉需水量時空特征及主控因素，研究結果可為該區灌溉制度的制定及水資源可持續開發利用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

滹沱河平原位于華北平原中部，面積約8 205 km2，多年平均年降水量536.9 mm。區內主要河流為滹沱河，近50 a來，隨著上游大中型水庫的修建，下游河道的徑流量明顯減少。20世紀80年代以來，河道常年干涸無水，地表水資源匱乏。地下水為區內發展的重要水源，地下水開采量占全區總供水量的80%以上，其中農業開采量的比重達到70%以上。淺層地下水超采嚴重，地下水位平均每年下降1.0 m左右。農業灌溉驅動地下水開采量不斷增大是滹沱河平原淺層地下水急劇變化的重要原因，20世紀70年代以來，該區水澆地面積呈現不斷增加趨勢。其中，1975—2005年，水澆地面積的年增長率為0.81萬hm2；灌溉開采井數從1975年的6.75萬眼增至2005年的19.29萬眼[10]。

1.2 數據來源

筆者采用滹沱河平原23個氣象站1961—2010年逐月降水、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、日照時數和風速等氣象數據（上述數據均可以從中國氣象數據網http：//data.cma.cn/下載），計算冬小麥灌溉需水量。氣象站點分布狀況，如圖1所示。氣象站點的降水量、最高氣溫和最低氣溫等數據源自中國氣象網中的中國地面降水月值0.5°×0.5°格點數據集（V2.0）和中國地面氣溫月值0.5°×0.5°格點數據集（V2.0），相對濕度、日照時數和近地風速等數據采用已有長系列站點觀測數據經反距離權重插值（IDW）法插值后得到。

圖1 研究區域

1.3 研究方法

本研究擬采用彭曼公式計算參照作物潛在蒸發量，其計算公式為：

式中：ET0為參照作物潛在蒸發量（mm）；Rn為地表凈輻射（J/m2）；G為土壤熱通量（J/m2）；T 為2 m高處平均氣溫（℃）；U2為2 m高處風速（m/s）；es為參考高度處飽和水氣壓（kPa）；ea為參考高度處實際水氣壓（kPa）；Δ為飽和水氣壓-溫度曲線斜率（kPa/℃）；γ為干濕表常數（kPa/℃）。

作物需水量計算公式為：

式中：ET為作物需水量（mm）；Kc為作物需水系數；其余變量含義同上。

灌溉需水量計算公式為：

式中：Pe為作物生育期內有效降水量（mm）；其余變量含義同上。

作物生育期內有效降水量與計算時段有關。研究表明，以旬為計算時段，采用如下公式可以滿足計算精度要求：

式中：P為作物生育期內降水量（mm）；其余變量含義同上。

采用T檢驗法分析作物需水量時間演變特征，采用偏相關分析法辨析作物需水量主控因素，將每個氣象因子的相關系數絕對值除以所有氣象因子相關系數絕對值之和[11]，比重越大說明該因子對冬小麥灌溉需水影響權重越大；反之，比重越小，說明該因子對冬小麥灌溉需水影響越小。

2 研究結果

2.1 冬小麥需水量時空演變特征

基于研究區23個氣象站點月降水量、最高氣溫、最低氣溫、近地風速、相對濕度和日照時數6個氣象因子近50 a數據，利用公式（1）—（4）計算得到冬小麥作物需水量，再利用T檢驗法對冬小麥灌溉需水量的演變趨勢進行了識別，如圖2（a）所示。由圖2（a）可以看出，研究區23個氣象站點冬小麥灌溉需水量均呈下降趨勢，其中靈壽、正定、藁城、晉州、深澤、辛集、安平、深州、衡水、新河、南宮、武強、獻縣和肅寧13個站點的下降趨勢達到顯著水平（P＜0.05），占56.5%。從全區平均水平來看，全區冬小麥灌溉需水量以-18.5 mm/10 a的速率呈下降趨勢，且達到顯著水平（P＜0.05）。

基于研究區23個氣象站近50 a冬小麥多年平均灌溉需水量，采用IDW空間插值得到冬小麥灌溉需水量空間分布，如圖2（b）所示。由圖2（b）可以看出，冬小麥灌溉需水量空間上表現出東少西多的特征，以藁城、趙縣和寧晉一線為界，分界線以東需水量在500～530 mm，分界線以西在530～600 mm。

圖2 冬小麥灌溉需水量時空演變特征

2.2 冬小麥需水量主控因素

采用1.3節所述的方法對研究區冬小麥灌溉需水量與最高氣溫、最低氣溫、日照時數、相對濕度、近地風速和降水量進行了偏相關分析，并計算了各氣象因子的影響權重，結果見表1。滹沱河平原冬小麥灌溉需水量與降水量、相對濕度和最低氣溫呈負相關關系，其中與降水量和相對濕度的關系達到極顯著水平；與最高氣溫、日照時數和近地風速則呈正相關關系，其中與日照時數和近地風速達到顯著水平。從各個氣象因素對灌溉需水量的影響權重分析，降水量的影響權重最大，為39.17%；其次為相對濕度，為18.26%。圖3為冬小麥灌溉需水量與降水、相對濕度相關關系圖。降水量每增大100 mm，冬小麥灌溉蓄水量減少125 mm；相對濕度每減少10%，灌溉需水量平均增大109 mm。

表1 冬小麥灌溉需水量與氣象因子相關系數及權重

圖3 冬小麥灌溉需水量與降水、相對濕度相關關系

利用SPSS11.5軟件對上述6個氣象因子演變趨勢進行分析，得出近50 a來降水量、相對濕度變化趨勢不明顯，最低氣溫呈顯著上升趨勢（P＜0.01）；近地風速和日照時數呈顯著下降趨勢（P＜0.01），最高氣溫呈顯著上升趨勢（P＜0.01），所以認為近地風速和日照時數的下降是導致研究區冬小麥灌溉需水量下降的主要原因。

3 結論

應用彭曼公式、反距離權重插值（IDW）及相關分析等方法，研究了氣候變化對滹沱河平原冬小麥灌溉需水量時空變化的影響，主要得出以下幾點結論：①近50 a來研究區冬小麥灌溉需水量以18.5 mm/10 a的速率呈顯著下降趨勢；②在空間特征上，研究區冬小麥需水量以藁城、趙縣和寧晉一線為界呈東少西多特征；③降水量是冬小麥需水量變化的主控因素，日照時數和近地風速顯著下降是造成該區需水量下降的主要原因。

[1]張光輝，費宇紅，劉春華，等.華北平原灌溉用水強度與地下水承載力適應性狀況[J].農業工程學報，2013，29（1）：1-10.

[2]張光輝，費宇紅，王金哲，等.華北平原農業與地下水適應性研究[M].北京：科學出版社，2012：26-29.

[3]Yang Y Z，Feng Z M，Huang H Q，et al.Climate-induced changes in crop water balance during 1960-2001[J].Agricul?ture，Ecosystems and Environment，2008，127：107-118.

[4]Eckhardt K，Ulbrich U.Potential impacts of climate change on groundwater recharge and stream flow in a central Europe?an low mountain range[J].Journal of Hydrology，2003，284：244-252.

[5]Scibek J，Allen DM.Comparing modelled responses of two high-permeability，unconfined aquifers to predicted climate change[J].Glob Planet Change，2006，50：50-62.

[6]Aguilera H，Murillo J M.The effect of possible climate change on natural groundwater recharge based on a simple model：a study of four karstic aquifers in SE Spain[J].Envi?ron Geol，2009，57：963-974.

[7]叢振濤，辛儒，姚本智，等.基于HadCM3模式的氣候變化下北京地區冬小麥耗水研究[J].水利學報，2010，41（9）：1101-1107.

[8]劉鈺，汪林，倪廣恒，等.中國主要作物灌溉需水量空間分布特征[J].農業工程學報，2009，25（12）：6-12.

[9]劉中培.農業活動對區域地下水變化影響研究[D].北京：中國地質科學院，2010：39

[10]張光輝，費宇紅，劉春華，等.華北滹滏平原地下水位下降與灌溉農業關系[J].水科學進展，2013，24（2）：228-234.

[11]Zhao Y F，Zou X Q，Zhang J X，et al.Spatio-temporal varia?tion of reference evapotranspiration and aridity index in the Loess Plateau Region of China，during 1961-2012[J].Qua?ternary International，2014，349：196-206.

Study on Temporal and Spatial Characteristics of Wheat Maize in Hutuo Plain from 1961 to 2010

DU Li-yan
（Shanxi Hydraulics Construction Center，Taiyuan 030002，China）

In this paper，we studied the temporal and spatial characteristics of wheat maize subject to climate change in Hutuo plain through the methods of penmen equation，IDW and correlation analysis.The results as follows：from 1961 to 2010，the irrigation water requirement（IWR）of wheat maize of Hufu plain showed an obviously declined tendency（P＜0.01），and the rates of decrease was 18.5mm/10year；there is an apparent divided boundary in Hufu plain for IWR of wheat maize，which was Gaocheng，Zhaoxian and Ningjin，in the east of the divided boundary，the IWR was 500～530 mm，and the west of the divided boundary was 530～600 mm；Precipitation is the driving factor of the IWR variation，and an in?crease of 100mmfor precipitation，the IWR will decrease 124mm.sunshine duration and the wind speed significantly de?cline was the main reason for IWR decrease.

climate change；Hutuo river plain；wheat maize；irrigation water requirement

S152.7

A

1004-7328（2017）05-0037-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.013

2017—05—15

杜麗艷（1976—），女，碩士，高級工程師，主要從事水利規劃、工程項目審查工作。