基于分區的海河流域農業節水潛力評估

丁志宏，徐向廣，付曉亮

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.天津市中水科技咨詢有限責任公司，天津 300170；3.水利部海河水利委員會，天津 300170)

海河流域人口眾多、水資源自然稟賦不足，在全國七大江河流域中，人均水資源量最少。與水資源量貧乏相對應的是，作為我國京津兩大直轄市所在地，海河流域社會經濟發展水平較高，同時也是我國主要的糧棉油產區，生產生活等社會經濟用水量巨大[1]，2012年海河流域農田灌溉用水量為221.85 億m3，占多年平均年水資源總量的59.96%。

如何在特定水資源條件約束下提高灌溉用水的效率與效益是農業節水灌溉的核心問題。面對現階段的用水實踐，海河流域農業節水灌溉潛力有多大是一個重要的科學和管理問題，換言之，就是要定量地給出通過采用適宜的節水技術措施所能減少的水量消耗的潛力量值。對于此問題的科學回答可以為流域管理機構開展流域農業節水灌溉管理工作提供重要的方向性指導。

但是，由于灌溉系統自身及其所處的區域/流域水資源系統的空間尺度性、結構復雜性、時程滯后性等諸多原因，農業節水潛力具有尺度性，即具有不同空間尺度的灌溉系統的農業節水潛力是不同的，其實質是由于灌溉水資源的重復利用問題在不同的空間尺度上具有不同的邏輯細節、表現形式和考慮方式。在具體研究中，傅國斌等人[2]綜合多種因素構建了一個具有調節因子的灌區節水潛力計算公式；段愛旺等人[3]界定了節水潛力的狹義和廣義概念；李英能[4]提出了采用作物用水定額和調節系數計算區域節水潛力的方法；彭致功等人[5]運用遙感技術評價了區域耗水節水水平；羅玉麗等人[6]提出了灌區、田間、地下水和地表水等不同空間尺度的節水潛力計算公式；雷波等人[7]提出了基于灌區尺度的農業節水潛力估算理論和方法，并以徒駭馬頰河為例進行了“毛節水量”和“凈節水量”的估算；劉路廣等人[8]提出了灌區農業節水以及農業耗水、農業回歸水、農業取水的理論節水潛力與計算方法；劉建剛等人[9]對不同尺度的農業節水潛力、資源節水潛力和灌溉節水潛力進行了界定并探討了不同尺度潛力之間的耦合關系；尹劍等人[10]將農業節水潛力劃分為資源型和效率型兩類，并以渭河流域關中段九大灌區為例進行了不同水文頻率下的灌區農業節水潛力分析；丁志宏等人[11]在文獻[8]的基礎上，基于回歸水利用性假設而推導得到了流域尺度上的農業節水潛力計算公式，并據此公式將流域農業節水潛力劃分為工程型、效率型和結構型。

綜上所述，為了更好地指導海河流域農業節水灌溉管理工作，有必要基于海河流域農業節水分區體系[12]，運用流域農業節水潛力計算公式[11]，參照區域灌溉定額標準和灌溉發展指標，評估海河流域不同農業節水分區的各種類型農業節水潛力量值，進而提出節水灌溉工作的重點區域和重點措施，以期為流域機構開展農業節水灌溉管理工作提供技術基礎支撐和管理方向指南。

1 節水潛力計算公式

(1)工程型節水潛力。考慮到現階段我國灌溉水利用系數的提高主要依賴于工程措施，故名之為工程型節水潛力，該類型節水潛力的計算公式為：

(1)

(2)

式中：W工程為工程型節水潛力量值，m3/hm2；η1和η2分別表示采用節水技術前后的灌溉水利用系數；I需表示分區的作物凈灌溉需水量，m3/hm2；P為降水，mm；α為降水有效利用系數；G為地下水利用量，mm；ET為作物的蒸騰蒸發量，mm；A為作物種植面積，hm2：i表示分區內的作物種類；n表示分區內的作物種類數；ETi為第i種作物的需水量，即蒸騰蒸發量，mm。

(2)效率型節水潛力。效率型節水潛力主要來自于農藝措施所減少的作物需水耗水量，該類型節水潛力的計算公式為：

(3)

式中：W效率為效率型節水潛力量值，m3/hm2；η1表示現狀年的灌溉水利用系數；φ1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；φ2表示通過采用滴灌等節水灌溉措施，耙耱鎮墑、秸稈覆蓋等農藝措施所能使得農田耗水減少的百分比[10]。

(3)結構型節水潛力。結構型節水潛力主要來源于作物種植結構調整，與效率型節水潛力同屬于作物需水側的節水潛力，該類型節水潛力的計算公式為：

(4)

式中：W結構為結構型節水潛力量值，m3/hm2；I規需表示分區規劃水平年的作物灌溉需水量，m3/hm2；I現需表示分區現狀水平年的作物灌溉需水量，m3/hm2；i表示分區內的作物種類；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；η1表示現狀年的灌溉水利用系數，其余符號含義同上。

一般地，不能將上述3個層次農業節水潛力簡單相加而得出流域的總體農業節水潛力，原因在于工程型節水措施與效率型節水措施之間的節水潛力量值有重復量，重復量的大小與噴灌、滴灌等高效節灌面積在工程措施面積中所占比重成正比。

2 節水潛力評估

本文評估采用2012年為現狀水平年，2020年為規劃水平年。

2.1 有效灌溉面積與種植結構

現狀年，海河流域各節水分區主要作物的有效灌溉面積見表1。其中，夏玉米種植面積最大，為385.1 萬hm2；其次是冬小麥，為379.1 萬hm2；最少的是春小麥，為3.9 萬hm2。

據統計，海河流域現狀農業灌溉用水量的75%以上為小麥和玉米的灌溉用水量，棉花生長期與海河平原區的水熱豐期較為一致，水稻屬高耗水作物。

經專家評議，各分區規劃水平年的種植結構見表1，流域有效灌溉面積保持不變。

2.2 作物灌溉定額

本文選取海河流域各省(自治區、直轄市)50%降水頻率下的作物灌溉定額作為分區節水潛力評估的需水量基準，具體見表2。

2.3 灌溉水利用系數與節灌比

海河流域各節水分區的現狀和規劃水平年的灌溉水利用系數以及現狀水平年已實施節水灌溉措施的有效灌溉面積占總有效灌溉面積的比例(簡稱現狀節灌比)見表3。

2.4 農藝措施節水潛力

經文獻調查[13-17]和專家評議，本文的效率型節水潛力評估采用如下參數設定。

(1)暫時不考慮改變作物生理結構來節水，即φ1=0；冬小麥和春小麥在生長期間的φ2=0。

(2)取冬小麥需水量的10%來作為灌溉節水量。

表1 海河流域作物有效灌溉面積 萬hm2

表2 海河流域各分區作物灌溉定額(50%頻率)Tab.2 The irrigation quota of the water saving zones in the Haihe basin (50% frequency)

表3 海河流域各分區灌溉水利用系數和節灌比Tab.3 The coefficient of irrigation water use and current ratio of watersaving irrigation of the water saving zones in the Haihe basin

(3)取其需水量的15%作為棉花和春玉米采用地膜覆蓋的節水量、夏玉米采用殘茬覆蓋或地膜覆蓋的節水量。

(4)取其需水量的30%作為水稻控制灌溉技術的節水量；取其需水量的15%作為春小麥采用耕作保墑技術的節水量；取其需水量的30%作為設施蔬菜節水量。

各類作物的效率型節水潛力計算面積采用現狀尚未實施節水灌溉的全部有效灌溉面積，即本文所評估的節水潛力是有效灌溉面積上的尚未實現而需要進一步挖掘的可能節水潛力。

2.5 節水潛力評估

按照式(1)～式(4)，基于2.1～2.4中所述的基礎數據和參數設定，分別計算海河流域各農業節水分區的工程型、效率型、結構型節水潛力，結果見表4，從中可知：

(1)海河流域農業節水潛力中，工程型節水潛力最大，結構型節水潛力次之，效率型節水潛力最小，分別為43.83、12.46、7.49 億m3。

(2)工程型節水潛力最大的一級分區是南部引黃平原區，為22.07 億m3，最大的二級分區是徒駭馬頰河區，為17.16 億m3。

(3)效率型節水潛力最大的一級分區是南部引黃平原區，為3.38 億m3，最大的二級分區是徒駭馬頰河區，為2.68 億m3。

(4)結構型節水潛力最大的一級分區是山前平原區，為5.85 億m3，最大的二級分區是冀中南平原區，為3.39 億m3。

(5)今后一個時期內，海河流域農業節水灌溉管理工作的重點區域是引黃平原區和山前平原區；在豫北和魯北的引黃平原區，重點措施宜為實施渠道襯砌和高效節灌，輔之以井渠結合和渠系水量優化調度措施以提高灌溉水利用系數、挖掘工程型節水潛力；燕山、太行山山前的冀東、冀中山前平原區的重點措施宜為加大農業種植結構調整力度、實施土地休耕、挖掘結構型節水潛力。

表4 海河流域各農業節水分區的不同類型節水潛力 億m3

2.6 潛力合理性分析

隨著自然地理、社會經濟、水源狀況的不同，節水灌溉會有不同的實施要求、不同的節水標準，即節水是一個相對的概念，因此，流域尺度上的農業節水潛力評估工作是一項涉及諸多影響因素的系統工程。《海河流域農田水循環過程與農業高效用水機制》提出[18]的推薦方案下的海河流域農業灌溉節水潛力為70.60 億m3、資源節水潛力為28.28 億m3。本文的工程型節水潛力與該著作所述及的灌溉節水潛力的內涵是相同的，本文的效率型和結構型節水潛力則相當于該著作所述及的資源節水潛力。

本文研究得出的海河流域農業節水潛力(見表4)與該著作得出的海河流域農業節水潛力，其間存在差異的原因可歸結為：①灌溉水利用系數提高幅度不同，本文為0.01～0.24，該著作為0.03～0.12；②節水措施實施面積不同，本文為尚未實施節水灌溉的現狀有效灌溉面積，該著作為有效灌溉面積的60%～80%不等；③現狀水平年不同，本文為2012年，該著作為2005年，這7年期間海河流域的節水灌溉事業取得了長足發展；④有效灌溉面積、種植結構設定等計算參數隨著現狀水平年的不同，本文與該著作也存在一些差異。據此，可以認為，與該研究所得的節水潛力值相比，本文評估所得到的海河流域農業節水潛力值為小這一結論是合理的、可信的、符合現狀實際情況的。

3 討 論

從灌溉水自水源至形成作物產量所歷經的4個環節來分析，節水灌溉應從整個灌溉過程著手，凡是能減少灌溉水損失、提高灌溉水使用效率的措施、技術和方法均屬于節水灌溉的范疇。因此，廣義的節水灌溉技術內容十分廣泛[19]，包括水源優化、輸水過程節水、田間灌溉節水、農作物種植栽培節水、灌溉制度優化、渠系水優化調度、土壤墑情監測、用水計量、獎勵與補償政策等工程、農藝、管理、政策、法規等多方面措施。

本文采用的流域節水潛力評估公式是以土壤水量平衡方程為基礎推導簡化而得，所劃分的節水潛力類型包括工程型、結構型、效率型3種類型。依據其定義[11]，工程型和效率型節水潛力的實現是上述工程、農藝、管理、政策、法規等節水灌溉技術措施綜合作用的結果，換言之，工程型和效率型節水潛力量值計算中所采用的參數，諸如灌溉水利用系數、覆蓋措施節水量等均是通過各類節水灌溉技術措施的實施來實現的，是對各類節水技術措施實施效果的綜合分類估算。

面對流域尺度上的農業灌溉系統具有的時空復雜性，流域農業節水潛力是在特定水平年的農業灌溉系統發展規模和水平之下，基于一定的假設，抓住主要影響因素而評估得出的數值，是在一個較大的時空尺度上對流域農業灌溉系統在特定水資源條件以及社會經濟發展水平之下的節水潛力量值的宏觀度量和總體把握。流域尺度上的農業節水潛力的影響因素眾多而且相互交織，使得節水潛力具有復雜性、動態性、耦合性、敏感性等特征，因而是一組動態的、相對的數據。故本文評估得出的工程節水、結構調整和效率提高等3方面的節水潛力大小及其排序應隨著基礎數據監測與統計、數值模擬與分析、相關規劃編制與實施等科研與生產實踐的發展而開展進一步的動態論證。

4 結 語

海河流域3種類型農業節水潛力由大到小依次為工程型、結構型、效率型，分別為43.83、12.46和7.49 億m3。

海河流域今后一個時期內的農業節水灌溉管理工作的重點區域是豫北和魯北引黃平原區、冀東和冀中山前平原區，重點節水措施分別是渠道襯砌、高效節灌、井渠結合、渠系水優化調度和農業種植結構調整。本文所得評估結論對于流域機構深入認識和綜合把握海河流域的農業節水灌溉事業的既定現狀和發展方向具有積極的基礎性支撐和前瞻性指導作用。