基于生態需水保障的農業用水安全評價——以山東省引黃灌區為例

龐愛萍,易雨君, 李春暉,*

1 北京師范大學環境學院, 水沙科學教育部重點實驗室, 北京 100875 2 中共南京市委黨校公共管理教研部, 南京 210046

水資源是糧食生產的必備條件,水資源的稀缺性已經成為可持續農業生產的重要影響因素[1]。一方面,隨著人口的增長,人類將更加依賴于糧食生產和糧食安全,保障農業用水安全依然是流域水資源配置的重點[2]。農業用水安全是一定經濟技術條件下,由于水資源量與質供需矛盾產生對農業生產、農村生活乃至社會穩定的危害問題[3]。農業用水安全作為水安全的重要組成部分,評價方法的一部分包含于水安全評價方法中,國外主要以水貧窮指數和水資源緊缺指數來進行評價[4- 5],近幾年國內外學者采用多目標綜合評價區域水資源供需平衡來評價水安全狀況[6- 8]。在農業用水安全評價方面,已有研究在分析農業用水現狀的基礎上,預測農業用水供需態勢,并給出糧食安全的農業用水紅線[9- 10],或者預測氣候變化對農業用水安全的影響[11- 12],還有相關研究從用水效率上側面評價農業用水安全[13- 14]。對于農業用水安全評價方面的研究,根據不同區域、不同保障目標而采取不同的評價方法,建立不同的評價指標。評價水資源供需平衡帶來的農業用水安全可以為水資源管理提供科學依據。

從另一方面來看,不合理的水資源利用對水生態系統健康造成的嚴重威脅逐步引起重視[15],人類不能擠占過多的生態用水而使生態系統崩潰[16]。灌區是保障社會安定和糧食安全的基石,在水資源緊缺的地區,灌區內農業用水和生態用水之間的矛盾似乎是不可調和的,J?germeyr等的研究表明,保障生態需水后全球將有52%灌區的農業生產面臨10%以上的損失,考慮到灌溉用水總共可以支撐15%的糧食產量,保障生態需水造成的農業損失是十分驚人的[17],給農業用水安全帶來了一定的威脅。然而到目前為止,很少研究從保障生態需水的角度,在灌區尺度上對農業用水安全進行評價,使得灌區農業水資源合理配置缺乏更有力的科學依據。

2019年9月,習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上指出“保護黃河是事關中華民族偉大復興的千秋大計”。由于自然和人為諸多因素影響,黃河流量也在急驟減少,不僅危及到黃河流域的生態安全,還威脅到工農業生產和居民飲用。如何分配和利用有限的黃河水資源,已是矛盾重重,尤其是山東省引黃灌區同黃河口之間的用水矛盾,近幾十年來有愈演愈烈的趨勢。本研究在充分考慮山東省引黃灌區地理位置、水文氣象條件以及行政歸屬的基礎上,將山東省主要引黃灌區劃分不同調控區。采用閾值分析法和GIS空間分析技術計算具有時空差異的山東省引黃灌區的灌溉需水量,在優先保障黃河口不同等級生態需水條件下分析灌區可用水量的響應特征,采用地統計學方法計算具有時空差異的山東省引黃灌區農業用水安全壓力指數,揭示灌區的供需水矛盾,客觀反映“精細配水”情況下的農業系統的水資源保障狀況。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究區概述

黃河是流經山東省主要灌區的最大河流和主要水源,自山東省的東明縣入境,呈北偏東流向,經菏澤、濟寧、泰安、聊城、德州、濟南、淄博、濱州、東營9市的25個縣(市、區),在墾利縣注入渤海。黃河進入山東省的年均徑流量為347億m3(1951—2018年均值),80年代以來受中上游引水及流域偏旱的影響,徑流量呈逐年減少的趨勢。山東省引黃灌區的年降雨量在163—1766 mm之間,年蒸發量在439—1407 mm之間,年際變化大。大部分引黃灌區位于黃河沖積平原,地勢平坦,除泰安和菏澤境內的灌區海拔較高外(高于800 m),其他大部分灌區的海拔多在100 m以下(圖1)。

圖1 山東省引黃灌區地理位置及調控區分布(圖內數字為調控區編號)Fig.1 The location of Shandong irrigated area for the Yellow River and the distribution of the regulatory regions (the figures represent the regulatory region numbers)

山東省引黃工程建設始于1950s,50年代末期引黃灌溉面積由開始的3.5萬hm2迅速發展到60.8萬hm2,到2000之后引黃灌溉面積穩定在194.9萬hm2(圖2)。

圖2 1951—2018年間山東省新建引黃灌區數量及灌溉面積Fig.2 The number of newly built irrigation districts and the irrigation area of the Yellow River in Shandong province from 1951 to 2018

本研究選擇了36個大型灌區,其面積占山東省總引黃灌溉面積的97%。一個灌區往往位于幾個行政區內,而同一行政區也可能包含一個以上的灌區,但是引黃資源的調配離不開行政區管理者的統籌協調,因此本研究根據灌區所在的位置及行政區歸屬將其進一步合并為18個調控區(圖1和表1)。

表1 引黃調控區主要信息

1.2 研究方法

供需水是影響用水安全的主要因素,國內外的研究中多采多目標綜合分析法和供需平衡法等評估供需水參數對用水安全的影響[6- 8]。供需平衡的方法反映了地表水、地下水、工業、生活和生態用水等水資源因子對灌區用水安全的影響,本研究在供需平衡法的基礎上[9- 10],加入了降雨、氣溫、風速等水文氣象因子的時空差異對灌區用水安全的影響,提高了灌區農業水資源合理配置的科學性和精準性。在計算中,灌區的灌溉用水考慮用水因子的影響,灌溉需水考慮水文氣象因子的時空差異的影響。如果灌區內灌溉可用水量大于等于灌溉需水量,那么灌區內的農業安全壓力指數為0,此時灌區內農業用水可以滿足作物生長的需求；如果灌溉可用水量小于灌溉需水量,那么兩者的差值除以灌溉需水量即為農業用水安全壓力指數,該指數越大,表明灌溉可用水量越少,農業用水安全性越低,評價方法如下：

(1)

(2)

其中,Wa為作物需水量(m3)；Pe為有效降雨(mm)；Sp為灌區灌溉面積(m2)。其中作物需水量Wa可以通過作物不同發育期蒸散發(ETm)和種植面積來確定[18]：

Wa=ETmSc/1000

(3)

其中,ETm為不同發育期作物蒸散發(mm)；Sc為作物種植面積(m2)。其中ETm通過潛在蒸散發(ET0)和作物系數(kc)確定[2]。

利用彭曼公式來計算潛在蒸散發[19],計算過程參考劉鈺等人的研究[20]。

(4)

其中,p0為海平面標準大氣壓(kPa)；p為測量地點的實際大氣壓(kPa)；Es為飽和水汽壓(kPa)；Ea為實際水汽壓(kPa)；c為風速修正系數(無量綱)；U2為2 m高處風速(m/s)；△為飽和水汽壓—溫度曲線上的斜率(kPa/℃)；γ為溫度計常數(kPa/℃)。

有效降雨Pe為總降雨量中被作物直接或間接利用,以及用作農田其他必須耗用的水量,通過以下公式來確定[21]：

(5)

其中,P為總降雨(mm)。

(2) 灌區可用水量：在引黃水量中農業灌溉用水占80%以上[18]。隨著生態環境的惡化,生態建設上升為千年大計,而改善河口生態環境需要控制人類對生態用水的占用,本研究以生態用水、工業和生活用水優先的原則,確定灌溉用水：

(6)

本研究以保持河口徑流自然狀態為目標,根據“加和性”和“最大值”的原則計算河口不同等級生態需水[22]:

(7)

其中,max(a,b)代表參數a和b之前的較大值；Wi為消耗性需水量(m3)；Wj為非消耗性需水量(m3)；n和m分別代表消耗性和非消耗性需水目標。

一般認為生態需水可以分為最低、適宜和最高3個等級,其中最小生態需水量是指為保證特定發展階段的生態系統結構穩定,保護生物多樣性以及確保水資源功能正常發揮所必須的、一定質量的最小水量；適宜生態需水量綜合考慮目標物種生存繁衍對生態系統各方面特性的要求,當流量持續小于這個數值時,將導致生物繁殖條件的破壞,減少生物量,進而降低生態系統完整性；最高生態需水維持生態系統整體動態平衡,通過影響河流造床輸沙、水文連通性、河流生境等多個方面,影響河流生態系統的健康,低于最低生態需水或者高于最高生態需水,將導致生態系統的退化[23]。

(3)GIS的空間分配方案

以ArcGIS10.2為平臺,采用泰森多邊形插值法以及地統計學分析方法,將具有空間差異的灌溉需水量分配到相應的調控區,具體分配方案如下：

(8)

圖3 不同調控區灌溉需水的空間分配方案(圖內數字為調控區編號)Fig.3 Space allocation scheme for irrigation water requirement in different regulatory regions (the figures represent the regulatory region numbers)

(4)水文年的劃分

農業用水安全壓力指數體現了不同情境下灌區需水和用水的關系,受來水過程和水文保證率等因素的影響。本研究在歷史系列數據分析的基礎上,劃分不同水文年,進而評估不同水文保證率下的農業用水安全。在水文年劃分中主要考慮降雨因素,年降水量頻率曲線上小于25%的年份設定為豐水年,大于75%設定為枯水年,50%左右的設定為平水年。

1.3 數據來源與處理

引黃灌區的位置、建成時間、實際灌溉面積和所在行政區等相關信息主要來自《全國大型灌區一覽表》[24],以及各灌區管理部門進行訪談和電話咨詢,通過查閱文獻法對缺失數據進行補充和校核[25- 32]。山東省引黃灌區內主要作物為冬小麥和夏玉米,采用輪作的方式,占灌區面積的92.3%[23],本研究中山東省引黃灌區內作物種植面積按照引黃灌區的灌溉面積進行計算(年序列數據見圖2)。

用來計算潛在蒸散發的山東省15個氣象站(朝陽、德州、定陶、東營、菏澤、惠民縣、濟南、墾利、陵縣、泰安、泰山、兗州、章丘、淄博和淄川)1951—2018年的逐日氣象資料(經緯度、海拔、氣壓、氣溫、濕度、降雨、風速和日照時數等)主要來自國家氣象科學數據共享服務中心(http://data.cma.cn)。潛在蒸散發數據逐日進行計算,然后累積到月尺度,降雨數據由日尺度累積到年尺度。

表2 水文年劃分標準及代表年份

山東省引黃灌區主要農作物信息及作物系數來自陳玉民等人的研究[33],作物不同發育期蒸散發和作物需水量逐月進行計算,然后累積到年尺度。以ArcGIS10.2為平臺,采用泰森多邊形插值法以及地統計學分析方法,將具有空間差異的年度灌溉需水量分配到相應的調控區。

黃河高村站和利津站的實測年度徑流數據主要來自龐愛萍等人的研究[18]以及《黃河水資源公報》[34]。根據濟南市水資源初步評價,產水系數取0.378[35]。山東省引黃灌區多年平均地下可開采資源量約為40億m3[36- 37],本研究將該值定為合理的地下水開采量,一方面維持地下水生態系統的健康,另一方面通過地表水和地下水聯用,可以在黃河徑流減少期間最大限度保障農業用水安全。

1998—2017年的工業和生活用水的數據取自《黃河水資源公報》[34],其中工業用水和生活用水總量在1990s、2000s和2010s分別占歷年山東省引黃水量的7.4%、14.3%和15.7%。1951—1997和2018年工業用水和生活用水量分別通過高村和利津水文站實測徑流年均差值乘以7.4%和15.7%來確定。

2 結果與分析

2.1 黃河口不同等級生態需水量

黃河河口濕地最低、適宜和最高等級生態需水年度總量分別為134.2、162.7和274.9×108m3,最低等級生態需水主要滿足河口蒸發消耗需水及鹽度平衡需水的要求,最高等級生態需水中,泥沙輸運需水比例相對最高,有利于整個生態系統的動態平衡[22- 23]。1951—2018年間黃河河口來水量(利津站)的年際變化較大(圖4),整體呈現不斷減少的趨勢,尤其在1997—2002等年份內實際來水量已經不足以保障最低等級的生態需水量。

圖4 1951—2018年黃河河口來水過程及不同等級的生態需水量Fig.4 The water runoff in the Yellow River Estuary and different level of environmental flows from 1951 to 2018

從年均來水過程來看,有30年的來水量可以滿足最高等級生態需水要求,有14年的來水量尚不能滿足最低等級生態保護目標的需求,其他年份的來水過程在最高和最低等級生態需水之間。

表3 來水過程對應的生態需水等級

2.2 灌區需水量與實際引黃水量

根據歷年山東省引黃灌區引水情況分析,20世紀80年代引黃用水量達到了歷史的最高水平,比50年代增加了近5倍,在此之前的代際年均需水量的走勢和實際引水量相當。90年代之后因黃河上游來水量偏少,引黃水量有明顯的下降趨勢,但是平均引黃水量仍然維持在60億m3以上,隨著灌區面積擴大和氣候偏枯等因素的影響,使得灌區需水量和可供水量的差距加大,尤其是2000—2002、2016和2017等年份,黃村站來水量均低于200億m3,已不足歷年年均來水量的50%,2000—2018年山東引黃灌區代際年均引黃水量僅占灌溉需水量的70%左右(圖5)。

圖5 山東省引黃灌區代際灌溉需水量與實際引黃水量 Fig.5 Intergenerational irrigation water requirement and actual irrigation water use by the Yellow River irrigation district in Shandong province

灌區灌溉需水量受種植面積和氣象條件的雙重影響,總體趨勢隨灌溉面積的增加而上升,在氣象條件的影響下呈現劇烈波動(圖6),比如1990年和2003年,山東引黃灌區年均降雨量均超過900 mm,降雨已經基本能夠滿足大部分農業用水的需求,因此灌溉需水僅為34.3和37.8億m3,與此相對比的1981、1989、1999和2002等年份,年均降雨量均低于500 mm,因此該年份中灌溉需水量普遍高于100億m3。山東省引黃水量在水文條件差的年份是不能滿足農業用水的需求,為了確保農業生產安全,灌區內還有一部分農戶依賴開采地下水灌溉,目前山東省引黃灌區地下水可開采量約為40億m3,在一定程度上緩解了引黃灌區內的農業用水短缺。

圖6 1951—2018年山東省引黃灌區灌溉需水量 Fig.6 Irrigation water requirement by the Yellow River irrigation district in Shandong province from 1951 to 2018

山東省引黃灌區區域跨度較大,不同調控區需水量的差異顯著,這種差異不僅受灌區面積的影響,還受到氣象條件的差異和降雨不平衡的影響。調控區10包含的陵縣等地區在典型枯水年(2002)的年降雨量不足300 mm,而調控區2和11所包含的淄博和淄川等地區同時間內的年降雨量達550 mm。從圖7來看,需水量在10億m3以上為調控區6和10,集中在灌區面積大、降雨量較少的魯西北地區。需水量低于0.5億m3的主要為調控區5、14、18和16,該調控區的特點是灌溉面積小,年降雨相對豐沛。調控區的面積對灌溉需水量的影響毋庸置疑,而水文氣象的空間差異對其影響也不容忽視,比如在典型豐水年(2003),同樣為9萬hm2左右灌溉面積的調控區3和9,前者的灌溉需水量為2.6億m3,而后者的需水量幾乎為0；還有灌溉面積較大的調控區6和10,前者面積幾乎為后者的兩倍,然而兩者的需水量卻相當。在典型平水年(2016),面積相當的調控區13和4,前者的灌溉需水量為后者的3倍。

圖7 不同水文保障率下灌溉需水的空間差異Fig.7 The spatial disparity of irrigation water requirement under different hydrological years

2.3 基于生態需水保障的山東省灌區可用水量

圖8 1951—2018年保障不同等級生態需水的灌溉可用引黃水量Fig.8 The amount of irrigation water availability after securing different level of environmental flows from 1951 to 2018

1991年之后,黃河流入山東的水量在大部分年份內已不足300億m3,山東境內黃河流域的產水量在23—40億m3之間,山東省引黃灌區年均地下水可采量約為40億m3,滿足黃河口最高等級生態需水274.9億m3的需求對山東省引黃灌區的農業用水造成很大的影響。圖8代表了保障不同等級生態需水的灌溉可用引黃水量,對比之前的灌區需水量,保障適宜等級的生態需水后,約有水文氣象條件差的31%的年份無法完全滿足灌溉用水的需求,保障最低等級的生態需水后,無法保障灌溉需水的年份降低到26%。水文氣象條件差的代表性的年份有1997及1999—2002年,尤其是 1997年,山東省發生新中國成立以來罕見的夏旱,黃河斷流累計長達222 d,在這種狀況下,生態用水和農業用水均得不到保障,1999—2002年間,保障最低等級的生態需水后,山東灌區引黃水量不到灌溉需水的40%,在同時限制開采地下水且無其他外來水源的情況下,山東引黃灌區的糧食生產將面臨減產。

2.4 山東省引黃灌區農業用水安全評價

圖9表明保障不同等級生態需水的山東省引黃灌區農業用水安全壓力指數的差異,即使是在豐水年,黃河口生態需水的保障也有可能會給灌區的農業生產帶來一定的壓力,但是保障適宜或者最低等級的生態需水后農業用水壓力較小,保障適宜等級生態需水后,約有18%的年份存在35%以下的農業用水壓力,保障最低等級的生態需水后,同樣的是18%的年份存在壓力,但是該壓力指數都在15%以下,而保障最高等級生態需水后,約有35%的年份存在農業用水壓力,并且壓力指數都在40%以上,某些年份的壓力指數甚至達到了100%。在平水年,保障最高等級的生態需水后有一半以上的年份存在用水安全壓力,這種壓力無論是從出現頻次還是在指數強度上都有明顯增加,保障適宜等級的生態需水后大概有33%的年份農業用水安全存在壓力,保障最低等級的生態需水約有27%的農業用水面臨短缺,但是大部分情況下農業用水安全壓力指數都在30%之下。枯水年中,保障最低和適宜等級的生態需水后雖然農業用水得不到完全保障的年份都在40%以下,但是由于極端氣象條件的存在,使得農業用水安全壓力指數會有超過80%的情況出現。

圖9 保障不同等級生態需水的山東省引黃灌區農業用水安全壓力指數Fig.9 Agricultural water-use security pressure index for the Yellow River irrigation districts after securing different level of environmental flows

圖10表示在保障不同等級的生態需水后,山東省引黃灌區農業用水安全在空間的差異性。近年來山東省境內黃河來水量逐年減少,在沒有超采地下水的情況下,即使保障最低等級生態需水,各大調控區的農業用水都不能得到全部的滿足,平均農業用水安全壓力指數在15%左右,由于氣象條件的差異,各大調控區存在一些差異,以打漁張、劉春家、麻灣和簸箕李等灌區為代表的調控區2、11、13、14和17的農業用水壓力指數超過了20%。而在保障適宜等級的生態需水后,大部分調控區的農業用水安全壓力指數也超過了20%,比保障最低等級生態需水時增加了8%左右,壓力較大的調控區依然是集中在以上調控區,而且調控區2和13的壓力指數超過了30%。保障最高等級的生態需水后,除調控區7外,其他調控區的壓力指數都在60%—70%之間。2008—2018年平均情況下,農業用水安全壓力較大灌區主要分布在山東東部地區,包括東營市區以及下屬的墾利和利津縣、博興縣和無棣縣等地區；農業用水安全壓力較小的灌區主要分布在魯中南地區,包括濟南市長清區、平陰縣、章丘和肥城等地區。2008—2018年,山東東部地區的淄博、東營、墾利和惠民等地區的平均降雨量在450—796 mm之間,而魯中南的濟南、泰安和章丘等地區的平均降雨量在654—1185 mm之間,氣象條件的差異是各大調控區農業用水差異的重要原因之一。

圖10 保障不同等級生態需水的農業用水安全壓力指數的空間變化(2008—2018年均值)Fig.10 Spatial variations of agricultural water-use security pressure index after securing different levels of environmental flows (the annual mean value from 2008 to 2018)

2.5 山東省引黃灌區“精細配水”方案

山東省引黃灌區的農業用水和生態用水之間存在著不可調和的矛盾,保障生態需水后難免會造成灌溉農業用水短缺,使得引黃灌區存在不同程度的用水壓力。利用不同灌區水文氣象等條件的差異,計算出最佳的配水方案,可以緩解灌區的農業用水壓力,表4通過和灌溉用水定額法相對比的方式給出了平水年保障不同等級生態需水后配水比例及灌溉用水短缺。

2010年,山東省出臺了《山東省地方標準—山東省主要農作物灌溉定額》[38],規定平水年山東省引黃灌區主要作物平均灌溉定額為0.57m3/m2,配水比例等同于不同調控區灌溉面積的比例。在合理利用地表及地下水資源,而又沒有其他調水工程的前提下,保障最低、適宜和最高等級的生態需水的山東省引黃灌區農業用水短缺為31.45、55.28及110.78億m3。利用水文氣象條件的空間尺度的差異,考慮調控區安全壓力指數的不同,得出最佳的配水方案,在同樣的條件下的農業用水短缺分別為0、18.25以及73.76億m3。

表4 平水年保障不同等級生態需水配水比例及灌溉用水短缺

3 討論

自2000年之后山東省引黃灌區的面積趨于平穩,但是氣象水文條件越來越差,旱災頻繁發生,保障生態需水后的灌區可用水量也呈減少的態勢,而最高等級的生態需水保障可能會造成很更大的農業用水壓力,有近一半的平水年內農業安全壓力指數都在50%以上。保證適宜或者最低等級的生態需水后,農業用水勉強可以得到滿足,僅有少數的情況會出現農業用水短缺的情況,平水年內的農業安全指數一般不會超過30%。目前山東引黃灌區還存在一定的節水潛力,通過節水等措施可以同時實現黃河口適宜等級生態需水的保障和山東省引黃灌區農業用水安全。適宜等級的生態需水可以保障黃河口生態系統結構的穩定,但是要達到生態系統的動態平衡還是有賴于最高等級生態需水的保障。

2008—2018年,山東東部地區和魯西北等地區的年平均降雨量不足600 mm,而魯中南地區的年均降雨量在900 mm左右,水文氣象條件的差異使得山東省引黃灌區的農業用水安全具有明顯的空間異質性。在保障適宜等級的生態需水后,各大調控區的農業用水安全壓力指數的均值為23%,以打漁張、劉春家、麻灣和簸箕李等灌區為代表的調控區2、11、13、14和17的農業用水壓力較大,其中調控區2和13的壓力指數超過了30%,而以胡家岸、田山和東風等灌區為代表的調控區的農業安全指數普遍低于20%。在山東省引黃灌區水資源管理過程中,應綜合考慮農業節水措施的實施和水文氣象條件差異的影響,在推行農業節水及調水工程的同時,考慮灌區農業安全壓力進行“精細配水”,平水年份保障適宜等級生態需水后農業用水短缺由55.28降低到18.25億m3,有效的降低了農業和生態用水之間的矛盾。

山東省引黃灌區內水資源短缺與浪費現象并存,一方面可用水量減少,另一方面普遍存在大水漫灌、用水效率不高的情況。引黃灌區的農業用水不僅來自降雨和引黃工程,還有一部分來自地下水,而這部分水資源以井灌的形式被農民開采,不容易受到有關部門的統一監管和調控。在引黃水量不能滿足農業用水需求的情況下,農戶會通過開采地下水來保障農業用水安全,目前山東省引黃灌區年均地下水可采量約為40億m3,隨著降水系列的偏枯,地下水開采量呈增加趨勢,已經造成了地面沉降、地下漏斗區和海水倒灌等生態問題。除了保障黃河口生態安全,提高農業灌溉效率,重視機井灌溉的管理,科學的進行引水補源,維護地下水生態環境健康也是未來努力的方向。

4 結論

為保證黃河口生態安全,國家做出重要決策,堅持生態優先的原則,在任何情況下都要保證一定的入海水量。保障不同等級的生態需水會對山東省農業用水安全造成一定的影響,但是由于水文氣象的空間差異的影響,導致山東省引黃灌區的農業安全壓力也存在空間異質性,因而管理部門可以根據水文氣象條件,以及不同調控區的實際情況進行引黃水量的調控,爭取在空間上細化黃河水資源分配方案,結合農業節水措施的實施,有望達到適宜等級生態需水保障的目標,維持黃河口生態系統結構的穩定。為了滿足黃河口整體生態系統的動態平衡,保障最高等級生態需水,更加需要跨流域調水、農業節水和地表水地下水聯動等多途徑入手,最終實現山東引黃灌區和黃河口生態環境的協調發展。

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