我國糧食主產區農業灌溉節水潛力估算研究

趙 令，雷 波，蘇 濤，周 亮

(1. 安徽理工大學, 安徽 淮南 232001；2 中國水利水電科學研究院, 北京 100048)

0 引 言

我國是人口大國，糧食安全是我國最基本的國家戰略，而農業灌溉供水與我國糧食安全有著密切的關系，對糧食生產有重要影響[1]。但隨著我國經濟的發展和城市化進程的加快，其他行業需用水量增長過快，導致我國農業用水所占比例不斷減少，農業灌溉受到嚴重威脅，農業生產無法得到保障[2]。長期以來，我國一直面臨著水資源短缺的問題，水資源合理開發至關重要[3,4]。與此同時，農業灌溉用水浪費現象的日益嚴重，農業灌溉水利用系數低，進一步加劇了灌溉水不足問題[5]。我國糧食主產區包括河北、河南、黑龍江、吉林、遼寧、湖北、湖南、江蘇、江西、內蒙古、山東、四川、安徽等13個省份，是我國糧食供給的主要來源，保證其農業灌溉用水安全對我國糧食供給意義重大[6]。因此，對我國糧食主產區開展農業節水研究，摸清糧食主產區農業用水和缺水現狀、估算其不同發展階段的農業需水狀況和節水潛力，對制定區域水資源合理配置方案至關重要，也是發展節水灌溉、克服水資源短缺問題以及保障糧食生產安全的必然選擇[7,8]。

我國農業節水灌溉研究多集中在節水灌溉技術設施和綜合效益評價等方面[9-11]。但對于區域發展節水灌溉，首先對其進行節水潛力的計算與評估必不可少。對于節水潛力的研究，雷波等[12]提出了基于灌區尺度的農業節水潛力估算理論與方法，并成功估算了徒駭馬頰河流域的12個大型灌區的工程措施的節水潛力。趙西寧等[13]利用實碼加速遺傳投影尋蹤的區域農業節水潛力綜合評價模型對黑河中游地區各區縣的農業節水潛力進行了評價，評價結果客觀、準確，基本符合當地實際情況，可為區域節水農業技術持續發展提供科學依據。尹劍等[14]以渭河流域關中段九大灌區為例，計算了不同水文頻率下的灌區農業節水潛力并對其進行分析，提出了提高農業節水潛力的措施和建議。前人的研究大多是在灌區尺度下進行的，而在更大的省級尺度乃至全國尺度綜合評價各省份節水潛力卻鮮有研究。本文嘗試將農業灌溉節水潛力估算理論與方法應用到我國糧食主產區，對糧食主產區各省份進行節水潛力綜合分析評價，以期為全國農業節水灌溉的發展提供新思路。

1 農業灌溉節水潛力理論概述

農業灌溉節水潛力是在滿足農業發展階段需求的前提下，通過經濟投入，推行農業節水措施，從而減少的耗用水量[12]。受農業發展需求、技術發展水平和投資能力制約，不同階段農業節水的標準是不同的。農業節水潛力不僅與用水現狀有關，還與經濟發展水平、投資力度、節水模式、用水結構等多因素相關，是多種因素綜合作用的體現[15]。從節約用水量和節約耗水量的角度分析農業節水，可將農業節水潛力分為毛節水潛力和凈節水潛力兩個層次。

本文探究的農業灌溉節水潛力可用毛節水量和凈節水量兩個指標來表示。毛節水量是指通過采用工程節水措施來降低無效蒸發和無效流失，提高輸水效率，從而減少取水量。毛節水量主要包括減少的滲漏損失量和無效消耗量兩方面。滲漏損失量包括可利用的地表水回歸量、可利用的地下水回歸量以及不可利用的無效流失量(無法重復利用的水體)[16]。無效消耗量包括田間土面蒸發、渠系水面蒸發以及無效潛水蒸發，而這些水量是真正消耗不可回收的，減少的這部分水量與減少的無效流失量為凈節水量，也就是凈節水潛力。圖1為農業灌溉工程節水潛力的構成。

圖1 農業灌溉工程節水潛力構成

2 農業灌溉節水潛力估算方法

2.1 農業灌溉工程節水措施效果分析

我國農業節水措施主要包括工程類節水措施、管理類節水措施和農藝類節水措施，本文主要針對工程節水措施進行節水效果分析。表1為我國糧食主產區主要工程節水措施分類以及各類節水技術的節水效果。

表1 工程節水措施及節水效果

2.2 農業灌溉工程節水潛力指標選取與計算

本文主要探究的是農業灌溉工程性節水潛力，因此選取節水灌溉率、凈節水量和毛節水量作為表征區域節水潛力的指標。

(1)節水灌溉率。節水灌溉率是指已采取節水工程措施的灌溉面積占總有效灌溉面積的比重。計算方法為：

(1)

式中：R節為節灌率；A節為已采取節水工程措施的面積；A有效為總有效灌溉面積。

(2)凈節水量。凈節水量是指通過節水措施減少的無效耗水和無效流失水量的總和。計算方法：

ΔQ凈=ΔQ消耗+ΔQ流失

(2)

式中：ΔQ凈為凈節水量；ΔQ消耗為無效消耗減少量；ΔQ流失為無效流失減少量。

(3)

式中：ΔAi為增加的第i種節水措施面積；ΔIi為第i種節水措施減少的凈灌溉定額。

ΔQ流失=Q0(η耗0-η灌0)-Qt(η耗t-η灌t)

(4)

式中：Q0和Qt分別為開展節水工程前后的灌溉引水量；η耗0和η耗t分別為開展節水工程前后的灌溉耗水系數；η灌0和η灌t分別為開展節水工程前后的灌溉水有效利用系數。

(3)毛節水量。毛節水量包含凈節水量和減少的各種滲漏損失。其計算方法為：

(5)

式中：I凈綜0、I凈綜t分別為開展節水工程前后的凈灌溉定額。二者的計算方法如式(6)和式(7)；η灌0現狀調查統計值，η灌t計算方法如式(8)。

I凈綜0=Q0η灌0

(6)

(7)

(8)

3 我國糧食主產區節水潛力估算與分析

3.1 情景設置

將灌區農業灌溉節水潛力理論運用到我國糧食主產區各省份，應用上述估算方法估算各省份農業灌溉工程措施節水潛力。設置2016年為現狀基準年，節灌率提高5%為情景一，節灌率提高10%為情景二。計算過程中，在提高節水灌溉率的同時假設各省有效灌溉面積與基準年相同，種植結構與節水灌溉工程措施實施比例在提高節灌率后不發生改變，進而計算上述兩種情景下的節水潛力。

3.2 結果與分析

表2為現狀年我國糧食主產區各省份節水灌溉工程實施情況。由表2可以看出，我國糧食主產區各省份中，河北、內蒙古、遼寧、江蘇、山東、四川的節水灌溉率都超過了50%，其中內蒙古和河北的節灌率分別達到了84.26%和74.35%，節水灌溉措施較為完善。湖南和湖北兩省節灌率分別為11.44%和14.03%，節灌率較低，主要原因可能是湖南和湖北兩省水資源較為豐富，可以滿足傳統模式下的對農業灌溉水量的需求，使得兩省開展的農業節水灌溉措施較少。

表2 現狀年各省份節水灌溉工程實施情況

表3為我國糧食主產區各省份在不同節水灌溉工程發展情景下的節水潛力。從表中可以看出，各省在提高5%的平均節灌率以后，灌溉水利用系數都有了明顯的提高，整體平均增加0.04，其中河北、吉林、遼寧、山東的灌溉水利用系數平均提升效果達到0.04以上，其余各省份灌溉水利用系數平均提高了0.03以上。各省份毛灌溉定額下降比較明顯，平均毛灌溉定額由原來的4 801.65 m3/hm2降低到4 480.20 m3/hm2，平均降低321.60 m3/hm2，其中江西毛灌溉定額下降了489.60 m3/hm2

表3 各省不同情景下節水潛力情況

以上，河北、河南、安徽以及山東的毛灌溉定額下降相對較少，分別為185.10、170.10、243.90和180.30 m3/hm2。而各省份凈灌溉定額下降很少，平均凈灌溉定額由原來的2 645.55 m3/hm2降低到2 632.20 m3/hm2，平均降低13.35 m3/hm2，其中黑龍江降低了3.30 m3/hm2，下降最少，而湖南省下降最多，但也僅有30.9 m3/hm2。從節水量來看，我國糧食主產區各省份平均凈節水量為0.18 億m3，其中河北、河南以及山東的凈節水量都超過0.3 億m3，分別為0.31、0.31、0.34 億m3；各省毛節水量平均可達10.73 億m3，其中黑龍江在增加5%節灌率后毛節水量都達到了20 億m3以上，高于糧食主產區內其他各省份，工程性節水潛力很大。但糧食主產區內北方各省凈節水量平均0.2 億m3，毛節水量平均9.90 億m3；南方各省凈節水量平均0.16 億m3，毛節水量平均11.70 億m3?？梢姡瑑艄澦疂摿Ρ狈铰詮娪谀戏?，但是毛節水潛力南方各省整體要強于北方。主要原因是南方水資源相對充足，農業灌溉節水工程較少，節灌率較低，通過節水改造后節水潛力提升空間較大。值得注意，由于多數節水工程措施通過減少渠道滲漏來提高農業灌溉效率，因此，節水潛力主要體現在毛節水量上，凈節水量的節水潛力很小。

當提高10%的平均節灌率后，我國糧食主產區內各省份節水潛力指標再次變化幅度變小，但各指標均有提升。其中各省灌溉水利用系數平均提高0.05；各省平均凈灌溉定額由原來的2 645.55 m3/hm2降低到2 622.60 m3/hm2，平均降低22.95 m3/hm2；平均毛灌溉定額由原來的4 801.65 m3/hm2降低到4 351.80 m3/hm2，平均降低449.85 m3/hm2；各省可實現平均凈節水量0.37 億m3，平均毛節水量14.80 億m3。可以看出，工程性節水措施在一定程度上可以提高灌溉效率、減少灌溉用水，但由于各地實際情況有所差異，工程節水潛力大小不同，在工程性節水潛力較低的地區應考慮非工程性節水措施來提高其灌溉效率，如改進灌溉制度、改進作物栽培技術等。而我國在大力開展農業節水灌溉的同時也應根據不同區域實際情況將工程節水措施與非工程節水措施相結合，提高整體灌溉效率，從而達到節水灌溉，實現高效的農業生產，保證糧食安全。

4 結 論

本文通過農業灌溉節水潛力理論與估算方法，分析估算不同節灌率情景下我國糧食主產區各省份的農業灌溉節水潛力，并得出以下結論。

(1)將農業灌溉節水潛力理論與估算方法應用于我國糧食主產區內，求取的各省份節水潛力符合當地實際情況，對各地區的灌溉工程規劃與建設具有指導意義。

(2)我國糧食主產區各省份提高5%平均節灌率后，農業灌溉水利用效率有明顯提升，灌溉水利用系數平均增加0.04，凈灌溉定額平均降低13.35 m3/hm2，毛灌溉定額平均降低321.60 m3/hm2，各省平均凈節水量為0.18 億m3，平均毛節水量為10.73 億m3，工程措施的節水潛力很大，但節水潛力主要是毛節水量。當節灌率提高10%后，其中各省灌溉水利用系數平均提高0.05，凈灌溉定額平均降低22.95 m3/hm2，毛灌溉定額平均降低449.85 m3/hm2，實現平均凈節水量0.37 億m3，平均毛節水量14.80 億m3。相比于提高5%節灌率，各省份節水指標再次變化幅度變小。

(3)從節水量來看，北方地區平均凈節水量略高于南方，但平均毛節水量南方各省整體要高于北方，因此，南方各省的工程節水潛力較強。由于各地實際情況有所差異，工程節水潛力大小不同，在工程性節水潛力較低的地區此時應充分考慮其他非工程性節水措施，如改善灌溉制度，降低無效蒸發和奢侈蒸發。各地區應聯系實際情況，將工程節水措施與非工程節水措施相結合，提升農業綜合生產能力，保障地區糧食安全，維持和改善地區生態環境。