變化環(huán)境下寶雞峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的合理確定

唐雅君， 魏曉妹

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

農(nóng)業(yè)需水在灌區(qū)總用水中占有較高比重，農(nóng)業(yè)需水量的大小既受氣候變化的影響，也與灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)、灌溉種植面積及灌溉水利用系數(shù)等人為因素密切相關(guān)。目前，關(guān)于變化環(huán)境對灌溉需水量的影響研究較多，Irmak等[1]、Liu 等[2]研究表明參考作物需水量ET0與各項氣候因素間相關(guān)性密切，流域ET0空間變化較大；Tansey等[3]研究表明，由于作物對溫度，太陽輻射和水汽壓虧缺的敏感性強，ET0與作物種類相關(guān)性強；Feng等[4]基于STELLA的供需模型研究表明，在未來氣象因素綜合作用下，除濕潤年以外，供水不能滿足要求；宋悅等[5]研究了變化環(huán)境下涇惠渠灌區(qū)的凈灌溉需水響應(yīng)，結(jié)果表明總種植面積下降、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和氣候變化的綜合作用使得灌區(qū)凈灌溉需水量出現(xiàn)了小幅度的增加，影響凈灌溉需水量的主要因素是參考作物需水量和種植面積；李萍等[6]研究了變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)需水量演變趨勢及驅(qū)動力，指出影響農(nóng)業(yè)需水量變化的主要驅(qū)動因素為種植面積、降水量和蒸發(fā)量，降水量的減少和蒸發(fā)量的增多使得作物需水量明顯增多，而農(nóng)作物種植面積的減少，引起農(nóng)業(yè)需水量的顯著減少；馮東溥[7]研究灌區(qū)供需水量對變化環(huán)境的響應(yīng)和農(nóng)業(yè)用水安全問題，研究表明人類活動因子中對灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量影響程度的大小順序為種植面積、種植結(jié)構(gòu)、灌溉水有效利用系數(shù)；于濤[8]以玉米種植為例分析計算灌溉需水量，并討論定額法計算灌溉需水量時應(yīng)注意的問題；宋揚等[9]分析了涇惠渠灌區(qū)作物需水量特征及影響因素，認為作物需水量與氣溫呈正相關(guān)，與降水呈負相關(guān)，與風(fēng)速和相對濕度相關(guān)性較小，氣溫、日照時數(shù)和相對濕度是影響作物需水量的主要因素；張智韜等[10]分析了作物種植變化對灌溉需水量的影響，涇惠渠灌區(qū)總的作物需水量和灌溉需水量的下降主要是由農(nóng)作物種植面積大量減少所致，種植結(jié)構(gòu)的變化對其影響較小，但灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整后的作物需水量狀況更符合區(qū)域有效降水特點。

農(nóng)業(yè)需水量的準確計算直接關(guān)系到灌區(qū)的供需水量平衡及水資源的合理配置，探討變化環(huán)境下灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的合理確定問題對農(nóng)業(yè)水資源的合理利用具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。然而，有關(guān)灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的確定由于研究者的出發(fā)點不同，采用方法不同，相應(yīng)計算結(jié)果也存在較大的差異，尤其是單一方法的計算結(jié)果也存在不確定性。在目前對農(nóng)業(yè)需水量的研究中，較常用的是FAO Penman-Monteith法[11]和定額法。FAO Penman-Monteith法估算值精度高且具備良好的可比性。基于定額法計算農(nóng)業(yè)需水量的方法簡單，在具有準確灌水定額的情況時，確定水文年、選定合適的灌水定額后，可以得到充分灌溉條件下和非充分灌溉條件下的農(nóng)業(yè)需水量的計算結(jié)果。但由于灌區(qū)供用水的主體與客體之間缺乏有機聯(lián)系，需水量計算與實際用水量脫節(jié)，計算的農(nóng)業(yè)需水量難以反映灌區(qū)群眾的用水意愿、灌水習(xí)慣及比較利益等實際用水問題，計算需水量難以指導(dǎo)灌區(qū)實際用水行為。針對上述情況，本文利用FAO Penman-Monteith法和定額法計算寶雞峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量，根據(jù)實際用水情況對灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量進行分析，提出灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量合理確定方法。

2 資料與方法

2.1 灌區(qū)概況與資料來源

寶雞峽灌區(qū)灌溉寶雞、咸陽、西安3市14縣(區(qū))的19.44×104hm2農(nóng)田，其中有效灌溉面積18.85×104hm2，是陜西省最大的國有灌區(qū)。同時，該灌區(qū)具有30年的氣象、20年種植面積及灌溉用水量統(tǒng)計資料。灌區(qū)農(nóng)作物主要由糧食作物和經(jīng)濟作物構(gòu)成。糧食作物以冬小麥、玉米為主，經(jīng)濟作物主要有油菜、棉花和果類。

研究所用的氣象資料來自陜西省氣象局，包括灌區(qū)內(nèi)11個氣象站1981-2010年降水量、氣溫、蒸發(fā)量、相對濕度、日照時數(shù)和風(fēng)速的逐月資料，以及各站點的海拔高度、經(jīng)緯度等地理信息。通過調(diào)研獲得灌區(qū)1991-2010年糧食作物和經(jīng)濟作物種植面積資料以及農(nóng)作物總播種面積資料。

2.2 作物需水量的計算方法

FAO Penman-Monteith公式計算參考作物需水量ET0。公式如下：

ET0=

(1)

式中：ET0為參考作物需水量，mm/d；Δ為飽和水汽溫度曲線斜率，kPa/℃；Rn為作物表面的凈輻射量，MJ/(m2·d) ；G為土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓,kPa；es-ea為飽和氣壓虧缺量，kPa；T為地面以上2 m處的平均溫度，℃；γ為濕度計常數(shù)，kPa/℃ ；u2為地面以上2 m處的風(fēng)速，m/s。

本文采用作物系數(shù)法[12]計算灌區(qū)主要作物需水量。對于某一具體的作物j，其整個生育期的需水量等于該作物在各個生育階段的作物系數(shù)與同期參考作物需水量的乘積，即:

(ETc)j=∑(Kci)j(ET0i)j

(2)

式中： (ETc)j為第j種作物全生育期的需水量，mm； (ET0i)j為第j種作物第i月份的參考作物需水量，mm； (Kci)j為第j種作物第i月份的作物系數(shù)，根據(jù)《陜西省作物需水量及分區(qū)灌溉模式》[13]關(guān)中西部寶雞峽灌區(qū)的作物系數(shù)得到。

2.3 灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的計算方法

(1)基于作物需水量的灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量計算方法。利用農(nóng)田水量平衡方程[14]及作物種植面積，計算得到灌區(qū)凈灌溉農(nóng)業(yè)需水量，將凈灌溉需水量除以灌溉水利用系數(shù)得到毛灌溉需水量。

農(nóng)田水量平衡方程計算公式為：

IN=ΔW+ETc-Pe-G

(3)

式中：IN為作物全生育期內(nèi)的凈灌溉需水量，mm；ETc為作物全生育期內(nèi)總需水量，mm；ΔW為作物生育期內(nèi)土壤水分變化量，mm；Pe為作物生育期內(nèi)有效降水量，mm；G為作物生育期內(nèi)地下水補給量，mm。

在計算作物凈灌溉需水量時，考慮寶雞峽灌區(qū)地下水埋深普遍大于3 m且灌區(qū)土壤水分變化量不明顯，故忽略地下水補給量及土壤水分變化量[15]。上式可簡化為：

IN=ETc-Pe

(4)

灌區(qū)作物生育期內(nèi)的有效降水計算公式如下：

Pe=δ·P

(5)

式中：Pe為作物生育期有效降水量，mm；P為作物生育期降水量，mm；δ為降水有效利用系數(shù)，通過查閱《陜西省作物需水量及分區(qū)灌溉模式》[13]得到。

灌區(qū)農(nóng)田凈灌溉需水量為各種作物凈灌溉需水量之和。作物凈灌溉需水量由作物全生育期內(nèi)的凈灌溉需水量和作物種植面積相乘而確定，其計算公式為：

(6)

式中：W為灌區(qū)農(nóng)田凈灌溉需水量，108m3；Wj為灌區(qū)第j種作物凈灌溉需水量，108m3；Aj為灌區(qū)第j種作物的種植面積，104hm2； (IN)j為第j種作物全生育期內(nèi)的凈灌溉需水量，mm；N為作物種類數(shù)。

毛灌溉需水量[16]是包含損失在內(nèi)的灌溉需水量，采用下式計算：

(7)

式中：W為毛灌溉需水量，m3；Wj為凈灌溉需水量，m3；η為灌溉水利用系數(shù)。

(2)基于定額法的灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量計算方法。依據(jù)陜西省行業(yè)用水定額(DB 61/T 943-2014)[17]，確定作物灌溉用水定額。定額法計算公式如下：

(8)

式中：Wj為第j種作物凈灌溉需水量，m3；Aj為第j種作物灌溉面積，hm2；M為第j種作物灌溉用水定額，m3/hm2。

2.4 變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)需水量的變化特征與驅(qū)動因素的分析

基于彭曼公式計算出充分灌溉條件下的農(nóng)業(yè)需水量后，運用趨勢法分析變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)需水量的演變特征及影響因素，在此基礎(chǔ)上，利用灰色關(guān)聯(lián)法[18]分析影響農(nóng)業(yè)需水量變化的主要驅(qū)動因素。灰色關(guān)聯(lián)分析法是一種多因素系統(tǒng)分析法，計算關(guān)聯(lián)度越大說明該變化環(huán)境因子對農(nóng)業(yè)需水量的影響越大，其計算步驟如下：

(1)確定分析序列

設(shè)農(nóng)業(yè)需水量為因變量序列，降水量、日照時數(shù)、相對濕度、平均溫度、平均風(fēng)速、糧食作物比、種植面積、灌溉水利用系數(shù)為自變量序列。因變量序列為參考序列X0，自變量序列為Xi(i=0,1,2,···,7)，這8個序列構(gòu)成一個矩陣X=(X0，X1，X2，…，X8)。

(2)求各序列的初值像

(9)

i=0,1,2,…,7

(3)求差序列

(10)

i=1,2,…,7

Δi=(Δi(1),Δi(2),…,Δi(m))

(11)

i=1,2,…,7

(4)求兩級最大差與最小差

(12)

(5)求關(guān)聯(lián)系數(shù)

(13)

k=1,2,…,m;i=1,2,…,7

(6)計算關(guān)聯(lián)度

(14)

由上述計算方法，根據(jù)寶雞峽灌區(qū)20年各氣候因素與各人類活動因素的測量值，得出各變化環(huán)境因子對農(nóng)業(yè)需水量的灰色關(guān)聯(lián)度表(表1)。

表1 變化環(huán)境因子對農(nóng)業(yè)需水量的灰色關(guān)聯(lián)度

2.5 農(nóng)業(yè)需水量的合理確定

根據(jù)農(nóng)業(yè)需水量以及實際用水量的對比分析，考慮變化環(huán)境因素對農(nóng)業(yè)需水量的影響，同時考慮國家最嚴格水資源管理制度[19]實施、節(jié)水灌溉技術(shù)[20]推廣以及群眾灌溉意愿及用水需求，提出變化環(huán)境下灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的合理確定方法。

3 結(jié)果與分析

3.1 變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)需水量的變化特征及驅(qū)動因素分析

(1)農(nóng)業(yè)需水量的變化趨勢分析。根據(jù)寶雞峽灌區(qū)20年農(nóng)田凈灌溉與毛灌溉需水量計算值繪出灌區(qū)農(nóng)田灌溉需水量年際變化圖如圖1所示。根據(jù)圖1中線性傾向分析，灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量在近20年來總體呈下降趨勢。

(2)變化環(huán)境對農(nóng)業(yè)需水量的影響分析。影響農(nóng)業(yè)需水量的變化環(huán)境因素分為氣候因素和人類活動因素。其中對參考作物需水量影響較大的氣候因子有溫度、日照時數(shù)、風(fēng)速、降水量、相對濕度。人類活動因子有作物種植結(jié)構(gòu)、作物種植面積及灌溉水利用系數(shù)。

圖1 灌區(qū)農(nóng)田灌溉需水量年際變化圖

氣候因素分析如下：

依據(jù)寶雞峽灌區(qū)20年農(nóng)業(yè)需水量計算值與各氣候因素的測量值作出灌區(qū)各氣候因素與農(nóng)業(yè)需水量的對比圖如圖2所示。由圖2看出，農(nóng)業(yè)需水量和降水量、相對濕度呈負相關(guān)關(guān)系，農(nóng)業(yè)需水量和日照時數(shù)、風(fēng)速、平均溫度呈正相關(guān)關(guān)系。圖2(a)為降水量與農(nóng)業(yè)需水量對比圖，灌區(qū)降水量增大，農(nóng)業(yè)需水量則減小，在2003年，降水量達到最大值，農(nóng)業(yè)需水量達到最小值。圖2(b)為相對濕度與農(nóng)業(yè)需水量的對比圖，灌區(qū)相對濕度增大，農(nóng)業(yè)需水量則減小，在2003年，相對濕度達到最大值，農(nóng)業(yè)需水量達到最小值。圖2(c)為日照時數(shù)與農(nóng)業(yè)需水量的對比圖，日照時數(shù)與農(nóng)業(yè)需水量同增同減，農(nóng)業(yè)需水量和日照時數(shù)的轉(zhuǎn)折點也有很高的一致性。圖2(d)為風(fēng)速與農(nóng)業(yè)需水量的對比圖，農(nóng)業(yè)需水量和日照時數(shù)的曲線趨勢相同。圖2(e)為平均溫度與農(nóng)業(yè)需水量的對比圖，農(nóng)業(yè)需水量和平均溫度的曲線趨勢及轉(zhuǎn)折點的位置一致。

圖2 灌區(qū)各氣候因素條件與農(nóng)業(yè)需水量對比圖

人類活動因素分析如下：

影響灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的人類活動因素主要有灌溉水利用系數(shù)、糧食作物比及作物種植面積。灌溉水利用系數(shù)是指灌入田間可被作物利用的水量與渠首引水量的比值，是衡量節(jié)水灌溉水平的一個重要指標。灌溉水利用系數(shù)與灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量呈負相關(guān)關(guān)系，灌溉水利用系數(shù)的值越高，損耗的水量越少，農(nóng)業(yè)用水效率越高。寶雞峽灌區(qū)為大型灌區(qū)，灌溉渠系建設(shè)標準較高，灌溉制度管理規(guī)范，近30年來灌溉水利用系數(shù)保持在0.53～0.56，因此灌溉水利用系數(shù)對農(nóng)業(yè)需水量的影響無法從與農(nóng)業(yè)需水量對比關(guān)系圖觀察得出。

圖3為灌區(qū)糧食作物比及種值面積與農(nóng)業(yè)需水量對比圖。由圖3可知，農(nóng)業(yè)需水量和糧食作物比、種植面積呈正相關(guān)關(guān)系。

圖3 灌區(qū)糧食作物比及種植面積與農(nóng)業(yè)需水量對比圖

3.2 農(nóng)業(yè)需水量的主要驅(qū)動因素分析

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，各變化環(huán)境因子對農(nóng)業(yè)需水量影響的排序如下：種植面積>糧食作物比>日照時數(shù)>相對濕度>灌溉水利用系數(shù)>風(fēng)速>平均溫度>降水量，種植面積為灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量減少的最大影響因子。

3.3 變化環(huán)境下農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量的對比分析

(1)農(nóng)業(yè)需水量與用水量變化趨勢及變化特征分析。基于彭曼公式計算的灌區(qū)1991-2010年充分灌溉條件下農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量的變化趨勢如圖4所示，20年來灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量及用水量均呈逐年下降的趨勢。

圖4 農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量變化趨勢圖

灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計特征值如表2所示。綜合分析圖4及表2可知，充分灌溉條件下灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的均值、最大值、最小值均大于實際用水量的各特征值。充分灌溉條件下灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量的最大值出現(xiàn)在1994年，降水量為465.764 mm，降水頻率為68%；實際用水量在2005年達到最小值，降水量為545.818 mm，降水頻率是42%；農(nóng)業(yè)需水量在2007年達到最小值，降水量為688.964 mm，降水頻率為12%。因此可以認為接近干旱年時灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量達到最大值，在接近濕潤年時農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量達到最小值。

表2 寶雞峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量數(shù)據(jù)基本統(tǒng)計特征值 108m3

(2)不同水文年灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量與用水量的比較分析。灌區(qū)不同水文年充分和非充分灌溉條件下農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量的對比結(jié)果如表3所示，在中等年及干旱年時，實際用水量既小于基于定額法計算出的農(nóng)業(yè)需水量，也小于基于彭曼公式計算出的農(nóng)業(yè)需水量，更接近于非充分灌溉條件下基于定額法計算出的農(nóng)業(yè)需水量。基于定額法計算的非充分灌溉條件下的農(nóng)業(yè)需水量是考慮在保證作物需水要求的同時又考慮節(jié)水原則的情況，而在灌區(qū)實際用水中，受水價、經(jīng)濟利益及灌水習(xí)慣的影響，農(nóng)民會根據(jù)經(jīng)驗對農(nóng)田進行灌溉，在保證作物需水要求的同時又充分考慮用水成本問題，所以利用非充分灌溉條件下的灌溉用水定額計算出的農(nóng)業(yè)需水量更接近實際用水量。在濕潤年時，實際用水量大于基于定額法計算出的農(nóng)業(yè)需水量，略小于基于彭曼公式計算出的農(nóng)業(yè)需水量，分析原因是濕潤年時供水充足，充分灌溉以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，對農(nóng)田進行了充分的灌溉。此外，可能存在種植觀念改變，農(nóng)業(yè)灌溉政策的調(diào)整最終導(dǎo)致實際用水量偏小的情況。出現(xiàn)實際用水量與農(nóng)業(yè)需水量存在較大差距的原因可能是我國城市化進程加快，城鎮(zhèn)居民生活用水和工業(yè)用水大幅增加，但供水不足，通過擠占農(nóng)業(yè)用水來維持國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，導(dǎo)致灌溉供水無法保證農(nóng)田產(chǎn)量，所以需要提高農(nóng)田灌溉的重視程度以合理的利用水資源。

表3 不同水文年農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量108m3

3.4 變化環(huán)境下灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的合理確定

實際用水量和基于彭曼公式計算的充分灌溉條件下農(nóng)業(yè)需水量的對比分析見表4，不同水文年實際用水量和基于定額法計算的充分與非充分灌溉條件下農(nóng)業(yè)需水量對比分析表如下表5所示。根據(jù)兩表所列數(shù)據(jù)，并結(jié)合不同計算結(jié)果分析及實際用水需求，對灌區(qū)需水量的合理確定進行分析。

由表4可知，實際用水量與基于彭曼公式計算的充分灌溉條件下農(nóng)業(yè)需水量倍比為30%～40%的年份降水量少，屬干旱年，供水不足；倍比為40%～50%的年份屬中等年，農(nóng)業(yè)供水量有限；但偶有年份，如1992年2003年，倍比為86%、75%，是由于在1992年及2003年降水量極大，供水量充足，實際用水量接近充分灌溉條件下彭曼公式計算出的農(nóng)業(yè)需水量。

表4 實際用水量和基于彭曼公式計算的充分灌溉條件下農(nóng)業(yè)需水量的對比分析

表5 不同水文年的實際用水量和充分與非充分灌溉條件下農(nóng)業(yè)需水量對比分析

由表5可知，濕潤年實際用水量為基于定額法計算出的充分灌溉農(nóng)業(yè)需水量的80%～110%，是基于定額法計算出的非充分灌溉農(nóng)業(yè)需水量的120%～150%；中等年的實際用水量為基于定額法計算出的充分灌溉農(nóng)業(yè)需水量的50%～80%，是基于定額法計算出的非充分灌溉農(nóng)業(yè)需水量的70%～100%；干旱年的實際用水量為基于定額法計算的充分灌溉農(nóng)業(yè)需水量的35%～45%，是基于定額法計算出的非充分灌溉農(nóng)業(yè)需水量的50%～70%。通過農(nóng)業(yè)需水量與實際用水量的對比分析可知，在濕潤年供水充足的條件下，灌溉充分，實際用水量偏高；在中等年及干旱年時，灌區(qū)普遍供水不足，實際用水量偏小。考慮國家最嚴格水資源管理制度實施，農(nóng)業(yè)需水量合理確定值應(yīng)控制在根據(jù)彭曼公式計算出的充分灌溉條件下農(nóng)業(yè)需水量的40%～60%，并用定額法進行校核，不宜低于非充分灌溉條件下定額法確定農(nóng)業(yè)需水量，以避免減產(chǎn)，充分考慮水資源利用效率和灌溉的經(jīng)濟性，不宜超過充分灌溉條件下定額法確定農(nóng)業(yè)需水量的計算值。

4 結(jié) 論

在眾多變化環(huán)境因素共同作用下，寶雞峽灌區(qū)近20年農(nóng)業(yè)需水量呈下降趨勢，并用灰色關(guān)聯(lián)分析法計算出各變化環(huán)境因子與灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的灰色關(guān)聯(lián)度，認為導(dǎo)致近20年灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量下降的主要變化環(huán)境因素是種植面積的減小及糧食作物種植比的減小。

對比分析不同水文年條件下實際用水量與農(nóng)業(yè)需水量，得出灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的合理確定值為根據(jù)彭曼公式計算出充分灌溉條件下灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水量的40%～60%，并用定額法進行校核，其值應(yīng)介于定額法計算出的非充分灌溉及充分灌溉條件下農(nóng)業(yè)需水量之間。