渭河流域关中地区农业节水潜力研究
关键词: 农业节水潜力; 计算方法; 关中地区
中图分类号: S275 文献标识码: A 文章编号: 1672-1683(2010) 04-0126-07
Study on Agricultural Water-saving Potential in Guanzhong District
WANG Hai-long, WANG Hui-xiao
Abstract:Studying agricultural water-saving potential has great impact on the agriculture development . In this study, calculation methods are summarized, and based on these a different mode has been put forward. Additionally, water-saving potential of winter wheat , summer corn and cotton has been analyzed in the coming 10 t o 20 years at Guanzhong region of Shaanxi Province. The result shows that the total water saving potential would be 0.6852 billion m3 and 1.1023 billion m3 in 2020 and 2030 respectively.
Key words: agricultural water- saving potential; calculation methods; Guan zhong district
陕西省灌溉用水集中在关中地区, 目前最大的宝鸡峡灌区年均取渭水量约占渭河总水量的28%, 干旱年和枯水期有时竟达90%以上, 使渭河河道经常处于断流或干涸状态。对于关中地区, 总体上水资源使用量接近可利用量, 再开发的潜力非常有限, 以现状工程的可供水量与加强节水的条件下所预测各规划年的需水量相比较, 关中地区2020 年缺水量将达28.01 亿m3[1] 。除此之外还面临水污染加剧和水分利用率偏低造成大量浪费的残酷现实, 目前陕西省平均灌溉水利用率只有0.503, 大型灌区为0.509, 中型灌区为0.407, 小型灌区为0.546, 井灌区为0.694[2]。陕西省中型灌区干支渠道工程的老损率为53%, 有的甚至接近70%, 建筑设施的完好率为53% , 所有这些都导致供水能力严重下降, 灌溉保证率平均仅为40%左右[3]。节水技术的提高是我国农业节水成功的关键。
1 研究区概况
关中地区在东经106°18′- 110°37′, 北纬33°35′- 35°50′之间, 位于陕西省中部, 以关中平原(亦称渭河平原) 为主体,西窄东宽, 面积3.4万km2 , 东西长约300km, 平均海拔400m左右, 自西向东逐渐降低, 是向东开口其他三面环山的河谷盆地, 地带性土壤为褐土, 耕作土壤为深厚的黄土, 耕层土壤质地良好, 孔隙度适中, 透气透水性能好, 非常利于农业生产[4] 。行政区域上包括西安市、宝鸡市、咸阳市、渭南市、铜川市和杨凌示范区等5 市1 区的54 个县(市、区) (详见图1) , 约占全省总面积的26.9%。目前, 关中平原为中国工、农业和文化发达地区之一, 全国重要的小麦、棉花主产区。
图1 渭河流域关中地区图示
Fig. 1 Sketch map of guanzhong district weihe river basin
1. 1 气候特征
关中地区属暖温带半干旱气候, 处于我国东南湿润地区到西北干旱地区的过渡带, 年平均气温11℃~13℃, 7 月平均气温在25 ℃以上,1月平均气温-2℃左右, 高于10℃的积温为4 000℃ ~4500℃, 无霜期200~220 d, 年蒸发量900~1200mm。冬季多北风, 夏季多南风, 年平均风速2.2~2.7m/ s, 关中5 市基本气候情况见表1。
关中地区年均降雨量450~600mm, 且年内分配很不均匀, 5月-10月份降水量占全年的81.4%以上, 5月-7月降水占全年的38.1%, 冬春降水较少, 共占18.6%。如图2 所示。
表1 关中地区5 市气候基本情况
Table 1 Basic Climatic Information of Five Cities in Guanzhong
图2 关中地区多年月均降水量分布
Fig. 2 Monthly average precipitation of Guanzhong during 45 years from 1961
1. 2 水资源与水环境
根据陕西省水资源公报资料统计, 关中地区多年平均地表水资源量为73. 70 亿m3 , 地下水资源可开采量38.68 亿m3 , 扣除重复计算后水资源总量约82.03 亿m3[5] , 人均水资源占有量仅有380.8m3 , 为全国平均水平的17.3%, 粮食产量占全省60%以上, 但平均水量只有4725 m3/ hm2, 是水资源相当贫乏的地区。地下水资源量也随着开采强度加大而减少, 陕西省地下水监测管理局2009 年11月发布的地下水通报显示, 与2008 年同期相比, 关中地区地下水埋深平均下降13 cm, 地下水位呈下降趋势, 咸阳、渭南和铜川市地下水埋深分别下降28 cm、23 cm和22 cm, 地下水蓄变量则相应分别减少5 283 万m3、11303 万m3 和161 万m3 。据估计[1], 关中地区现状年缺水量为19.77 亿m3 ; 2010 年缺水量26.01 亿m3 , 2020 年缺水量28.01亿m3 。关中地区水资源使用量在1980 年- 1995 年15年间, 由38. 2 亿m3 增加到52. 6亿m3 ,其中工业用水由8%上升到21%, 农业灌溉用水的比重由79. 6%下降到约70%, 但仍是用水第一大户。随着经济快速发展, 水资源开发利用强度较以往大大增加, 随之而来的是越来越严重的水环境污染, 年排入河道的废污水量已超过6 亿m3 , 部分河段已变为污水沟, 丧失了水体功能, 尤以咸阳段为甚。渭河、泾河、洛河等河流干流评价河段水质, 全年都在#类以上, 只能勉强用于农田灌溉, 特别是渭河, 接纳了全省80% 的废污水, 已经成为“关中下水道”。
1. 3 农业发展状况
陕西省自20 世纪90 年代以来随着水资源供需矛盾的加强开始重视节约用水建设, 1996 年以前节水工程灌溉面积、渠道衬砌灌溉面积、低压管道输水面积都很低, 喷灌和微灌面积总量只有约0. 67 万hm2 , 另外, 平田改造、改畦田、秸秆覆盖、膜上灌等技术应用较少, 资金总投入不到4 亿元。“九五”(1996 年- 2000年) 期间是陕西发展节水灌溉最快的几年, 新增节水灌溉面积35. 33 多万hm2 , 衬砌渠道长达17000 多km,低压管道总长也近10 000km, 资金投入高达14亿元以上[6]。
近些年陕西省主要作物的总播种面积有所下降(图3) ,耗水较多的小麦近10 年下降明显, 玉米有所上升。关中灌区现以一年两熟或二年三熟旱作为主, 是小麦、玉米、棉花、油料、豆类和温带林特产品及秦川牛、关中驴、奶山羊的主要产区, 已经形成较稳定的种植结构(图4) , 但目前还在积极调整。
图3 陕西省主要作物播种面积
Fig. 3 Areas of main crops in Shaanxi province from 1949 to 2008
图4 关中地区多年平均作物种植结构
Fig. 4 Average propotion of seven main crops in Guanzhong
2 农业节水潜力分析
灌溉节水潜力计算的总体思路是用现状年或某一基准年的用水量减去规划年或采取节水灌溉措施、先进管理技术等之后所需的农田灌溉引水量。查阅以往研究节水潜力的文献, 发现由于农业节水潜力的定义不统一, 目前为止计算方法多种多样, 计算出的结果存在一定的差异。
2. 1 农业节水潜力的内涵
农业节水就是要充分有效地利用自然降水和灌溉水, 通过采取水利、农业、管理等措施, 最大限度地减少水从水源地通过输水、配水、灌水直至作物耗水过程中的损失, 提高单位水的产量和产值。农业节水的内涵包括水资源的合理开发利用、输配水和田间灌溉过程的节水、农业节水增产增效技术以及管理节水几个方面。
节水潜力在《全国水资源规划大纲》实施技术细则中的说明是以各部门、各行业(或作物) 通过综合节水措施所达到的节水指标为参考标准, 现状用水水平与节水指标的差值即为最大可能节水数量[7]。段爱旺等(2002) [8] 也将节水的概念分为广义与狭义两层, 狭义节水是指通过节水措施如渠道衬砌、管道输水等直接减少农田损失水量, 广义节水则是采取多种手段提高作物用水向社会所需农产品的转化效率, 即作物水分利用效率, 从而通过提高土地的单位生产能力来减少区域对水资源的总需求, 使生产相同数量农产品所需要耗费的水量降低。通过上述措施后的节水相应地为狭义和广义节水潜力。
随着研究的深入, 人们认为在区域内降水、蒸发、径流这个水文循环过程中, 只有蒸发才是真正的损失水量, 是无效流失的, 而降水和径流在区域范围内是可以被重复利用的。因此,出现?真实节水% 的概念, 它的核心是在保证产量的前提下最大限度地降低灌溉水的无效蒸散发量, 并提高水分生产效率, 最大限度地降低缺水区域的水资源无效流失量。真实节水概念的提出为农业节水提供了一种新的科学理念和研究方向, 如何在区域尺度上有效降低田间水分的无效蒸散发, 并在保证产量的同时提高水分利用效率, 就成为节水农业研究的重点[9]。
从节水潜力的概念也可以得知, 影响潜力的因素主要有土壤、作物、水分、水分输移渠道等多方面, 要挖掘一个地区的农业节水潜力, 也主要从几个影响因素着手, 考虑如何实现各方面的协调, 实现用水量和产量的最优。
2. 2 农业节水潜力的确定方法
以下总结以往农业节水潜力分析方法, 并在此基础上提出一种新的模式。
2. 2. 1 研究成果总结
①段爱旺等(2002)[8] 在计算时先给出“基础用水量”的概念, 即在肥力供应充足、没有地下水补给、没有病虫危害、没有盐碱危害等条件下, 满足作物生产目标需求、保证作物正常生长所需实际耗用的水量。其值用下式确定:
WB = kc·ET o (1)
式中: ETo——参考作物需水量; kc——作物系数; WB——基础用水量。
如果不考虑地表水洗盐耗费量, 且地下水埋深较大作物对其难以利用, 则灌溉需水量为基础用水量和有效降水的差值。狭义的节水潜力就是现状灌溉用水量与规划年需水量的差值, 以下式表达:
式中: WB——基础用水量; WN——狭义节水潜力; Wa——现状灌溉用水量; Pe——有效降水量; i——作物种类。
根据上节对节水潜力内涵的分析, 广义节水潜力主要通过提高水分利用效率和降低无效蒸发来实现。产量水平的水分利用效率由下式确定:
则广义节水潜力的计算公式如下:
式中: Yo, Yp——分别是现状年和规划年的作物产量; p——通过覆盖措施能够减少的蒸发量占总蒸散量的比例。这里计算狭义节水潜力的时候, 定义了作物基础用水量, 其中直接指出不考虑地下水量; 计算灌溉需水量的时候又提到不考虑地表洗盐、地表径流、地下水补给和土壤水分变化等, 因此在水量平衡中考虑的水量缺失了几部分, 得出的结果和实际有差距。
狭义和广义节水潜力的结果之和计为研究区内总的节水潜力。
②计算节水潜力的方法中应用较多的还有水利部和海河水利委员会推出的公式。
水利部计算公式[ 10] 一般表达为:
式中: A——现状条件下的作物种植面积, 通常采用有效灌溉面积,Qo——与现状指标对应的净灌溉需水定额;μo——现状条件下的水分利用系数;μ1——未来节水指标条件下的水分利用系数;Q1——未来节水指标条件下净灌溉需水定额。
海委计算公式[11] ( 或称作工程节水潜力计算公式) 为:
W 工潜= A o·Qo·(1-μo)- A 1·Q1·(1-μ1) (6)
式中: W工潜——农业灌溉通过工程措施节水潜力; Ao——现状农田有效灌溉面积; Qo——现状农田灌溉用水毛定额; Q1——未来节水指标条件下农田灌溉用水毛定额; A1——未来节水指标条件下农田有效灌溉面积;μo——现状条件下的灌溉水利用系数;μ1——未来节水指标条件下的灌溉水利用系数。
从公式表达方式上分析可知, 式(5) 应该是考虑了采取调整农作物的种植结构、改造大中型灌区、扩大节水灌溉面积、提高渠系水利用系数、改进灌溉制度和调整农业供水价格等一系列措施后的综合节水潜力, 它涵盖了工程节水、农艺节水、管理节水3 个大的方面, 而式(6) 则是考虑改造大中型灌区、扩大节水灌溉面积、提高渠系水利用系数等工程措施的节水潜力, 仅涵盖了工程节水而未包括农艺节水和管理节水两方面。因此在实际计算中水利部公式计算的潜力值要高于实际值, 而海河水利委员会的计算值和实际相比偏低。
③傅国斌等(2003) [12] 考虑渠道输水损失、田间渗漏损失、无效蒸发蒸腾、有效降水、非充分灌溉、水分利用效率等因素后, 构造了一个理论节水潜力的计算公式。
需要着重指出的主要有两点, 一是农作物经济需水量。一般研究认为作物产量随着水分的增加先增加而后减少, 傅国斌等分析其变化过程后认为, 作物产量与水分之间的变化关系分为3 个阶段(如图5 所示) , 首先产量随水分增加而明显增加, 第二阶段仍是增加但增加的幅度明显减小, 最后随着水分增加而降低。通常所说的作物需水量主要指产量达到最大时(拐点b 处) 的需水量, 但现在很多研究者都认同的观点是认为应追求在水分利用效率达到最大时的需水量, 即曲线上拐点a 处的水量。
图5 作物产量与用水量的关系示意图
Fig. 5 Schetch map of relation between crop yield and water consumed
还有一个是非充分灌溉定额。这里的非充分灌溉不是指通常所说的分根交替灌溉、隔沟灌溉、调亏灌溉等, 而是相对于根据作物生长特性进行的适量适时的精确灌溉而言, 是一种相对的概念。现阶段适时适量灌溉技术尚不成熟, 应用程度很低, 灌溉技术、田间灌溉设施、土壤水肥含量监测手段等因素的发展都没有达到适当程度, 从这种意义上讲作物灌溉都是非充分的。
通过计算得出的节水潜力都是理论值, 而在现实社会中,实际节水潜力除了农田灌溉技术措施、有效灌溉面积发展情况外, 还要取决于农业灌溉水资源的管理技术和水平、广大农业用水户的节水意识、农业用水的价格、有关水资源的法律法规执行情况、水利工程设施建设投资等诸多因素[13] , 因此实际节水潜力只是计算出的理论潜力的一部分, 应采取一定方法, 根据研究区域内的实际情况得出一个折算系数β, 用它给理论节水潜力打个折扣换算成实际的可能节水潜力。即
式中:△W——节水潜力值; β——实际节水潜力占理论值的比例,与水资源利用和管理水平、大众节水意识、水价、涉水法规制定和执行情况等有关, 在应用时较难计算, 很多案例中采取估计的方式得出; b3——文中所提的非充分灌溉系数, 根据实际灌溉水量与作物需水量的关系概化得出; b1 、b2——田间水利用系数和渠系水利用系数; kc——作物系数; ETo——生育期内参考作物蒸散量; P——作物生育期内实际降水量; α——降水有效利用系数; G——作物直接耗用地下水量。
2. 2. 2 方法设计和计算流程
首先界定资源型节水潜力, 主要是指在满足作物需水量的前提下, 通过灌区工程改造如渠系衬砌、管道输水, 以及发展喷灌、微灌等先进灌溉技术, 使得灌溉水利用率增加, 灌溉用源头取水的减少量。从节水潜力的概念出发, 首先分析作物需水量, 扣掉降水、作物耗用地下水等, 得到净灌溉需水量,结合渠系水和田间水利用系数计算毛灌溉需水量, 其值与现状水平年灌溉需水量之差作为资源型节水潜力。这里采用的标准是基准年的作物灌溉需水量, 有别于其他研究采用的实际灌溉用水总量, 主要是考虑从作物本身生长对水分的需求出发探索未来节水潜力更有意义。计算流程见图6。
图6 农业节水潜力计算流程
Fig. 6 Calculation procedure of agricultural water-saving potential
其公式表达为:
式中: Wa——现状年灌溉需水量; Ai——规划年第i 种作物种植面积; kc——第i种作物的作物系数; P——降水量;α——降水有效利用系数; G——作物耗用地下水量; ξ——灌溉水利用系数。
3 关中地区农业节水潜力分析
以2004 年为计算基准年, 按照计算流程图逐个变量分析如下。
3. 1 主要作物需水量
作物需水量按照作物系数与参考作物需水量之积计算,其中ETo按照FAO推荐的Penman- Monteith公式计算:
式中: ETo——参考作物蒸散量(mm/ d) ; Rn——作物表面净辐射[MJ/ ( m2·d) ] ; G——土壤热通量[MJ/ ( m2·d) ] ; T——距地面2 m高处气温(℃); u2——距地2 m高处风速(m/s) ; es——饱和水汽压(kPa) ; ea——实际水汽压(kPa) ;△——饱和水汽压与温度曲线斜率(kPa/ ℃)——; γ——湿度计常数(kPa/℃) 。
计算时以关中各县级气象站点为计算单元, 计算出县级区域的结果, 再利用ArcMap软件的空间插值功能计算其他临近未知数据县区的参考作物需水量, 然后平均到市级区, 进而得出关中地区5 市的主要作物生育期内(生育期统计见表2) 参考作物蒸散量ETo。
表2 关中地区主要作物生育期划分( 月. 日)
Table 2 Partition of procreation of main crops in guanzhong
FAO-56 对很多作物的kc 给出了推荐值, 针对某个具体研究区域时, 可按式(10) 根据气象要素进行调整。在对关中地区kc调整后, 与他人实验研究得出的系数值比对再行调整, 最终得到研究区内小麦、玉米和棉花的kc值。因为计算的每个县都有各自的作物系数值, 表中所列数值是取的各市下属县kc的算术平均值。
其中RHmin为最小相对湿度。在取得各地主要作物的作物系数和生育期内的参考作物需水量后, 关中地区5 市的冬小麦、夏玉米和棉花的作物需水量便可以用二者之积得到。结果如表3。
表3 关中地区作物需水量计算结果
Table 3 Results of water requirement calculation for main crops in Guanzhong
整个关中地区3 种作物需水量和生育期内有效降水量的比较情况见图7。
图7 作物需水量与生育期内降水
Fig. 7 Compare of crop water requiement and precipitation in procreation period
由图中可知, 冬小麦需要补充的水量最多, 降水量少和其生育期有关, 棉花的生育期最长, 其覆盖了整个汛期, 有效降水量最大, 但由于其作物需水量也很大, 其需要补充水量比玉米也要高很多, 反观玉米, 其需水量和降水量相当, 需要灌溉补充水量最少。
3. 2 灌溉需水量
净灌溉需水量等于作物需水量减去生育期内有效降水、土壤水分变化量和耗用的地下水量。由于灌溉就是为了保证土壤水分维持在一定范围内有利于作物生长, 所以这里将土壤水变化忽略不计。很多统计资料和文献都表明陕西省关中地区已出现多个地下水漏斗, 地面塌陷也有发生, 地下水埋深均在3m以下, 由于可被作物利用的地下水位砂性土壤在2.5 m以内, 黏性土壤小于3.0 m以内[8,12], 故这里计算时也忽略地下水的利用, 只考虑有效降水的作用。
有效降水和一次降水量、降水强度、降水历时、土壤的质地、结构、作物种类以及田间条件如耕种方式、坡度等有关。关于降水有效利用系数, 冬小麦生育期处于10月至次年6月初, 期间逐日降水量都较小, 一般不发生暴雨, 降水入渗深度多年平均在1 m以内, 即使有超过1m的由于小麦根系较深也会被有效利用, 因此对于关中绝大多数地区冬小麦生育期内降水有效利用系数都在1.00 左右, 宝鸡市平均取0.98, 西安市平均取0.94, 其他3 市取1.00。各地作物生育期内降水有效利用系数最好是通过实验测定得出, 本文采用陕西省水利厅和西北农业大学1991 年利用多年观测作物生育期内降水和有效降水统计数据计算得出的系数值[14]。各站的!值见表4 和表5。
表4 陕西省夏玉米生育期内降水有效利用系数参考值
Table 4 Reference coefficient value of precipitation effective use of summer maize
表5 陕西省棉花生育期内降水有效利用系数参考值
Table 5 Reference cefficient value of precipitation effective use of cotton
确定参数后得到3 种作物净灌溉需水量计算结果,见表6。
3. 3 资源型节水潜力
目前由于做了很多渠道防渗衬砌工作, 关中地区泾惠渠、洛惠渠、宝鸡峡、交口四大灌区田间水利用系数平均值在0.80 以上[15-16], 渠系水利用系数平均在0.4~0.6之间, 灌溉水利用系数平均在0.45~ 0.53 之间[17] , 提升的空间很大。《陕西省国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中指出到2010 年全省灌溉水利用系数提高到0.55,《陕西省人民政府关于加快节水型社会建设的意见》(陕政发(2007)70号)中提出到2020 年全省灌溉水系数提高到0.58。根据关中各市节水型社会建设试点规划与方案, 确定规划年灌溉水利用系数目标值。具体见表7。
表6 关中地区5 市主要作物净灌溉需水量
Table 6 Netirrigation requirement of main crops in guanzhong
表7 灌溉水利用系数
T able 7 Irrigation water use efficiency
假定作物种植面积保持现状水平不变, 那么由公式(8)计算规划年份2020年和2030年3 种作物资源型节水潜力分别为6.852 亿m3 和11.023 亿m3, 见表8。
表8 关中地区农业节水潜力
Table 8 Agricultural water-saving potential in Guanzhong district
4 结论与讨论
本文综合以往研究计算农业节水潜力的方法和经验, 结合研究区主要作物种植结构特点、自然经济条件及作物需求等因素, 根据目前被认可的节水潜力的含义, 提出一种农业灌溉节水潜力的计算方法, 其中的衡量标准确定为现状年条件下作物灌溉需水量; 以渭河流域在陕西省境内的关中5市(宝鸡、铜川、西安、咸阳、渭南)为例, 分析了关中地区主要作物种植结构、产量变化、生育期内降水量和需水量分布情况等, 在此基础上估算了该区域的主要作物种植面积不发生变化、继续扩大渠道衬砌工程建设、合理开发利用农业水资源的情况下, 今后10年和20年的灌溉节水潜力值。结果显示2020年和2030年3种作物资源型节水潜力分别为6.852亿m3 和11.023亿m3 。
从以上分析得知, 在研究过程中尚未形成权威的节水农业和节水潜力的定义, 这使得在具体问题研究中门类极多; 在水分利用效率研究中仍然需要确认哪种计算方式更具现实意义, 尤其是水量部分。节水潜力也因研究对象的不同而存在很大差异, 目前还是针对灌溉引水工程改进和田间农艺措施实施开展研究工作, 其实都是比较?硬% 潜力值。虽然国内外许多学者都清楚地认识到水资源和农业资源管理在节水农业中的重要作用, 但从发表的文献来看, 大多都是作为建设性的意见提出, 说法比较宽泛, 而针对某一地区或灌区的对应管理办法未见出台, 在管理中的节水量没有计算和挖掘。此外, 在研究水分利用效率和节水潜力的过程中都遇到并认识到尺度效应问题, 已有很多学者提出在水量平衡计算中的3 种尺度——田间、中等、宏观尺度的水量组成部分, 但尚无合理有效消除尺度效应和不同尺度间转换的办法。
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