遼寧省農田灌溉水有效利用系數變化與影響因素分析

劉 琳

(遼寧省公共資源交易中心，遼寧 沈陽 110000)

1 研究區概況

1.1 農業用水情況

截止2021年底，遼寧省灌溉總面積1663.05萬hm2，農田、草場、林果有效灌溉面積分別為1547.45萬hm2、2.93萬hm2和112.67萬hm2，各市有效灌溉面積如表1。其中，沈陽市最大為247.21萬hm2，占全省的16%，這是因為沈陽市地處遼寧中部遼河平原，農田分布范圍較廣；本溪市最小僅為17.21萬hm2，這是由于本溪地處遼東多山丘陵地區，降雨較少，農業以旱種作物為主，所以農田有效灌溉面積分布較少[1-6]。

表1 遼寧省各市農田有效灌溉面積及畝均灌溉用水量

按灌區規模劃分，截止2021年底大型、中型和小型灌區有效灌溉面積分別為300.04萬hm2、175.12萬hm2和1072.29萬hm2。2021年遼寧省灌溉定額為6990 m3/hm2。其中盤錦市、丹東市平均灌溉用水量最高，分別為12 060 m3/hm2、11 790 m3/hm2；阜新市、錦州市、朝陽市平均灌溉用水量較小，分別為3270 m3/hm2、3000 m3/hm2及2625 m3/hm2。由于遼寧省東部地區雨量充沛，水資源豐富，以種植水稻和設施農業為主，所以灌溉定額較大；遼寧省中部地處遼河平原，農田廣闊，用水較多；遼寧省西部干旱少雨，導致灌溉水源緊張，水稻種植面積少，灌溉作物以水澆地為主，因此用水量也是全省最低的[7]。

1.2 灌溉節水潛力

遼寧省2018—2021年平均農田實際灌溉面積1278.23萬hm2，平均灌溉總用水量為89.37億m3，綜合灌溉定額為6990 m3/hm2。通過采取節水措施，農業用水效率較過去有了較大提高，平均灌溉用水量不斷下降。結合相關調查資料，1990年、2000年、2010年全省灌溉定額分別為10 905 m3/hm2、9510 m3/hm2、7365 m3/hm2，灌溉用水效率也不斷增加。

通過對比可知，現狀灌溉定額高于全國平均值6465 m3/hm2和松遼流域平均值6930 m3/hm2。現狀灌溉水有效利用系數0.5880大于全國平均值0.4930，仍具有很大節水潛力和農業灌溉發展潛力。因此，必須合理調整灌溉面積(增加或退減)，通過建設灌區水源工程、灌區改造與建設工程、田間節水工程等，進一步提升用水效率與節水灌溉面積[8-13]。

2 研究方法

2.1 灌溉水有效利用系數

結合遼寧省實際情況，研究選取59個樣點灌區，其中大、中、小型灌區和純井灌區分別為11個、13個、13個和22個，以水稻為主要觀測作物。樣點灌區包括地下水、自流引水和提水水源類型，并兼顧中部平原、東西部山區作物種植結構和地形地貌特點。采用“首尾測算法”計算樣點灌區灌溉水有效利用系數(IWEUC)，如式(1)：

(1)

式中：W凈、W毛為樣點灌區的凈、毛灌溉用水總量，m3。然后依據逐級匯總、分類計算的原則，分別確定純井、小型、中型和大型灌區的IWEUC和毛灌溉水量，以水量加權的方式確定省級區域IWEUC。

2.2 建立指標體系

為了合理選擇影響因素，本文充分考慮遼寧省節水工程、種植結構、自然和管理等因素，以整體最優化為目標選擇9個量化因子建立指標體系如表2。

表2 IWEUC影響因子

2.3 主成分分析

先標準化處理各影響因素，在此基礎上構造相關系數矩陣，由于選取的各指標存在復雜的相關關系，指標數據較多且包含的信息有重疊，故選用主成分分析法準確識別主要因子[14]。該方法主要是通過降維處理將多個變量轉變成幾個綜合指標，按照該方法選擇原則確定主成分，全面揭示數據內部的結構特征，如式(2)：

Fp=a1iZx1+a2iZx2+…+apiZxp

(2)

式中：Fp為主成分p的方差，一般方差越大則包含的有效信息就越多；a1i、a2i、…、api為特征向量各分量；Zx1、Zx2、…、Zxp為標準化處理后的變量值。

3 結果與分析

3.1 IWEUC變化

(1) 全省IWEUC變化規律。2012—2021年在全省開展農田IWEUC的測算分析工作，通過田間實測獲取相關基礎數據，隨著工作方法的日趨完善和測算精度不斷提高，測算結果如圖1。

圖1 2012—2021年全省IWEUC

由圖1可知，2012—2021年遼寧省農田IWEUC呈線性增加，由0.5425提高到0.5880，提高幅度達8.4%，但從2019年后提升速度放緩。全省IWEUC的提高與節水灌溉工程、節水增糧行動、大中型灌區節水改造以及千萬畝滴灌工程等項目的實施密切相關，加之最嚴格水資源管理和節水技術的發展以及節水意識的提升，使得全省IWEUC不斷提高。

在此期間，全省大中型灌區節水改造、節水增糧行動、千萬畝滴灌工程等項目的實施直接推動了IWEUC的增長；隨著農業科技的發展以及水資源管理“三條紅線”的實施，提高了人們的節水意識，間接推動了IWEUC的增長[15-16]。

(2)大型灌區IWEUC變化規律。由圖2可見，在2012—2021年大型灌區IWEUC的變化分兩個階段，其中2012—2017年IWEUC基本呈線性增長，2017—2021年IWEUC變化有一定波動，但無明顯增加。

圖2 IWEUC變化規律(4圖合一)

(3)中型灌區IWEUC變化規律。由圖2可見，2012—2018年中型灌區IWEUC持續增加，從0.4919增大至0.5321，增幅8.2%，2018年后趨于穩定。

(4)小型灌區IWEUC變化規律。由圖2可見，2012—2015年小型灌區IWEUC變化較明顯，這可能與測算方法有關，由于測算基礎數據精度偏低，調整修正了2015年測算數據。2015—2021年投資建設小型灌區較少，灌區管理模式也沒有顯著變化，因此小型灌區IWEUC無明顯變化。

(5)純井灌區IWEUC變化規律。由圖2可見，2012—2021年純井灌區IWEUC呈上升趨勢，從0.7124增大至0.8253，增幅15.8%。具體而言，2015—2016年的IWEUC增加較大，增加凈值為0.1199，增幅16.09%，其他時段的IWEUC變幅較小。

純井灌區IWEUC的變化規律與全省千萬畝滴灌工程、節水增糧行動等密切相關。2015—2016年建設節水灌溉工程并于2017年投入運行，新建和改造噴灌、微灌工程使節水灌溉面積和用水效率明顯提升，農業用水量占比從17%提高到66%，所以純井灌區IWEUC增幅較大。

3.2 影響因素分析

IWEUC的高低與農戶節水意識、灌區管理水平、工程投入、水源與規模類型、土壤類型及自然條件等密切相關，由偏相關系數分析可知，IWEUC受節水灌溉工程面積的影響極為顯著(P<0.01)，受節水灌溉工程投資、實際灌溉面積和生育期降雨量的影響顯著(P<0.05)，與其他因素存在不顯著正相關關系。其中，IWEUC與節水工程的相關性最高，這是因為管理水平越高，節水灌溉工程發展越好、節水灌溉面積和實際灌溉面積越大則系數越大；其次，作物毛灌溉用水量受降水因素影響使得IWEUC存在一定差異。分析結果見表3。

表3 偏相關分析結果

為準確識別主要影響因素，采用主成分分析法識別主要影響因素。各因子貢獻率與初始特征值見表4，結果表明前3個主成分累積貢獻率為95.8%且特征值均>1，說明提取前3個為主成分合理，可以反映大部分信息。其中，第1主成分體現了灌區節水工程與自然因素對系數的影響，累積貢獻率為60.28%，第2主成分體現了灌區節水工程與管理因素對系數的影響，累積貢獻率84.26%，第3主成分反映了種植結構對測算系數的影響。

表4 因子貢獻率及特征值

根據表4、表5計算結果，第1主成分中荷載較大的有節水灌溉工程投資、生育期蒸散發量和生育期降雨量，荷載最大的是節水灌溉投資。近年來，針對農田水利遼寧省不斷加大投入，通過標準化建設大大增大了渠系防滲率和灌溉用水效率，IWEUC受節水工程建設的正影響程度較高。

表5 主成分荷載

第2主成分中荷載較大的有渠道襯砌率、節水灌溉工程面積和實際灌溉面積，這些因素的正貢獻率較大，主要反映灌區節水工程情況和管理水平。研究認為，作物需水量在一定程度上受灌溉耕作、灌排技術等因素的影響，較大實灌面積時必須加強管控，合理的分配灌溉水量。渠道防滲、噴灌、微灌等措施顯著增加了節水灌溉面積，渠道襯砌率的增加降低了渠道和田間滲漏率，IWEUC明顯提高。

第3主成分中荷載較大的有生育期降雨量、綜合灌溉定額和水稻種植比，這些因素體現了種植結構情況，不同灌區自然條件和種植結構的改變會影響當地灌溉及人為管理習慣，這直接或間接影響了IWEUC。

4 結 論

(1)遼寧省IWEUC高于全國平均值0.4930，但低于上海市、北京市、天津市、河北省等先進地區的水平。2012—2021年遼寧省農田IWEUC呈線性增加趨勢，自0.5425提高到0.5880，提高幅度達8.4%，但從2019年后提升速度放緩，這主要與2019年全省灌溉用水計量設施不斷完善以及農業水價改革全面完成等有關。

(2)灌區規模與灌溉水有效利用系數及其增長存在負相關關系，小型灌區增速最快，其次是純井灌區，而大型灌區增速最慢。

(3)IWEUC受節水灌溉工程面積的影響極為顯著，主成分荷載較大的有節水灌溉工程面積和投資，其正貢獻率也較高。通過加強節水灌溉工程建設和優化灌區管理水平及農藝措施能夠有效提高IWEUC。