劉建剛,趙 勇,裴源生,譚徐明

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水利史研究所,北京 100048;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所,北京 100048;

3.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100048)

不同尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力研究,需要綜合不同尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施,挖掘適合流域發(fā)展的最大節(jié)水能力。隨著計(jì)算機(jī)和分布式水文模型的發(fā)展,不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的研究成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),但依然存在以下問題:①研究主要集中在流域的某一尺度,較少涉及尺度轉(zhuǎn)化的問題。如郭相平等[1]對(duì)渠道工程節(jié)水潛力和田間節(jié)水潛力進(jìn)行了分析,孫忠等[2]分析了采用部分工程節(jié)水措施的松遼流域的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。②目前國(guó)內(nèi)開展的不同尺度節(jié)水潛力的研究主要集中在濕潤(rùn)區(qū),對(duì)半濕潤(rùn)區(qū)和干旱區(qū)等地區(qū)研究較少。如茆智等[3-8]計(jì)算分析了南方水稻灌區(qū)的節(jié)水潛力,研究的尺度包括田間和灌區(qū)尺度。③當(dāng)前對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的研究多側(cè)重于單項(xiàng)節(jié)水技術(shù)的節(jié)水效果研究,沒有考慮各種節(jié)水技術(shù)的相互影響,以及節(jié)水對(duì)研究流域內(nèi)部和周邊生態(tài)環(huán)境的影響。如根據(jù)渠道襯砌、噴灌、滴灌等節(jié)水措施在某一尺度的實(shí)施效果簡(jiǎn)單估算其在某一流域的節(jié)水潛力。因此,開展農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的研究,應(yīng)該根據(jù)水量平衡原理,采取不同尺度的節(jié)水措施,在考慮節(jié)水伴生的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)與環(huán)境效應(yīng)的前提下,借助科學(xué)的計(jì)算和模擬手段得到流域最佳節(jié)水潛力。

1 不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算框架

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力研究的現(xiàn)狀和存在的問題,本文提出不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的計(jì)算框架如圖1所示。不同的尺度采取的節(jié)水措施不同,如調(diào)虧灌溉適合于作物尺度,噴灌和滴灌適合于田間尺度,渠道襯砌和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整適合于灌區(qū)尺度,因此,不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算,首先要根據(jù)研究區(qū)的試驗(yàn)效果情況評(píng)價(jià)和選擇每個(gè)尺度適合的節(jié)水措施,設(shè)定每種措施推廣實(shí)施的比例,組成不同尺度可能的節(jié)水方案,對(duì)設(shè)定的方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)與環(huán)境需水量預(yù)測(cè),然后進(jìn)行廣義水資源合理配置,模擬水循環(huán)轉(zhuǎn)化過程,研究流域農(nóng)業(yè)節(jié)水措施實(shí)施引起的水循環(huán)轉(zhuǎn)化和耗用水變化規(guī)律,分析灌溉節(jié)水和資源節(jié)水兩種不同統(tǒng)計(jì)口徑的節(jié)水能力及其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)、環(huán)境響應(yīng),如果不滿足調(diào)控要求(調(diào)控要求為經(jīng)濟(jì)可行、社會(huì)認(rèn)可和生態(tài)環(huán)境良好),則需重新設(shè)定方案,直到滿足調(diào)控目標(biāo)為止。通過對(duì)不同節(jié)水措施的節(jié)水效應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),得到保障流域經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、生態(tài)環(huán)境健康、水資源高效利用的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。

圖1 區(qū)域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算框架

灌溉節(jié)水,是指通過采取多種節(jié)水措施,與未采取節(jié)水措施前相比,部門所需取用水量的減少量,這種減少量包括減少的蒸發(fā)蒸騰量、滲漏損失量以及回歸水量等;資源節(jié)水,考慮水的資源特性,以蒸發(fā)蒸騰消耗水量的減少作為其節(jié)約量。經(jīng)濟(jì)合理指的是采取的節(jié)水措施在技術(shù)本身的成本來說能夠?yàn)檗r(nóng)民接受;技術(shù)可行指采用的技術(shù)簡(jiǎn)便易行,便于實(shí)際操作;生態(tài)環(huán)境健康是指采取節(jié)水措施后,流域的生態(tài)環(huán)境保持在一個(gè)良好的狀態(tài),不至于發(fā)生惡化。

2 不同尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算模型——水資源合理配置模型

根據(jù)研究的需要,采用水資源合理配置模型——WACM(water allocation and cycle model)計(jì)算徒駭馬頰河流域的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。WACM[9-11]開發(fā)的主要目的是研究人類活動(dòng)頻繁地區(qū)水的分配與循環(huán)轉(zhuǎn)化規(guī)律,及其伴生的物質(zhì)、能量過程,為流域農(nóng)業(yè)節(jié)水等方面的研究提供模擬分析手段。農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的實(shí)施,必然會(huì)重塑水循環(huán)過程,影響水資源在各個(gè)部門之間的重新分配。為保障節(jié)水不對(duì)作物產(chǎn)量和周邊生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響,因此在WACM水資源合理分配模擬、自然-人工復(fù)合水循環(huán)模擬和水環(huán)境模擬的基礎(chǔ)上,增加植被生長(zhǎng)模擬和土壤侵蝕模擬的功能和模塊,可以更好地揭示農(nóng)業(yè)節(jié)水對(duì)“降水-作物水-地表水-土壤水-地下水”五水之間的循環(huán)轉(zhuǎn)換規(guī)律的影響,同時(shí)清晰地展現(xiàn)節(jié)水條件下“降水-地表水-土壤水-地下水-植被-侵蝕”之間的相互關(guān)系。

水資源分配模塊主要模擬大空間和長(zhǎng)時(shí)段的水資源供、用、耗、排情況,可以為小空間和短時(shí)段的自然-人工復(fù)合水循環(huán)模擬模塊提供農(nóng)業(yè)耕作、實(shí)施灌溉和生活、工業(yè)的水量分配情況;反過來,水循環(huán)模擬可以為水資源分配模擬提供耗用水的時(shí)空統(tǒng)計(jì)、水資源均衡分析和地下水的動(dòng)態(tài)變化過程信息。水資源分配模擬和自然-人工復(fù)合水循環(huán)模擬之間的相互轉(zhuǎn)化可以實(shí)現(xiàn)不同尺度之間的信息轉(zhuǎn)化,同時(shí)水循環(huán)模塊可以與植被生長(zhǎng)模塊、水環(huán)境模塊和土壤侵蝕模塊實(shí)現(xiàn)有機(jī)耦合,能夠模擬節(jié)水對(duì)作物和植被生長(zhǎng)過程中干物質(zhì)質(zhì)量和作物產(chǎn)量的變化情況,氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的產(chǎn)生和運(yùn)移過程,以及土壤風(fēng)蝕和水蝕的影響情況。

植被生長(zhǎng)模塊,是以溫光作用為基礎(chǔ)的通用植被模擬模型,考慮水分脅迫對(duì)植被生理過程的影響,對(duì)氮、磷、病蟲害等營(yíng)養(yǎng)和生物作用進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,可以模擬作物如糧食作物和經(jīng)濟(jì)作物和植被如林、草等的干物質(zhì)質(zhì)量和作物產(chǎn)量變化情況。

土壤侵蝕模塊,是基于過程的、連續(xù)的、以日為時(shí)間尺度的分布式土壤風(fēng)蝕模擬模型,可以模擬氣象變化、人工供用水和農(nóng)業(yè)耕作等影響下的區(qū)域土壤風(fēng)蝕事件。

3 徒駭馬頰河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力

3.1 徒駭馬頰河流域概況

徒駭馬頰河流域位于海河流域的南部,東臨渤海,西倚太行,南界黃河,屬黃河沖積平原,地勢(shì)平坦,土層深厚,坡度平緩,自西南向東北逐漸傾斜,崗、坡、洼相間分布。行政區(qū)劃包括德州市、聊城市、濱州市的絕大部分,濟(jì)南市、東營(yíng)市、邯鄲市、安陽(yáng)市和濮陽(yáng)市的小部分,流域主要作物和植被包括小麥、玉米 、棉花 、谷子、水稻、花生 、高粱 、油菜、大豆、果樹、瓜菜、林、草等。徒駭馬頰河流域水資源匱乏,多年平均降水量約為 557.5 mm,水資源總量為37.15億m3,以占全國(guó)0.13%的水資源量養(yǎng)育占全國(guó)1.2%的人口,水資源處于過度開發(fā)利用和不恰當(dāng)供給狀態(tài),嚴(yán)重影響到經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和水資源的可持續(xù)利用。

3.2 節(jié)水潛力方案設(shè)定

進(jìn)行流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的分析主要是基于以下3方面的原因:①?gòu)淖魑锷?、田間和灌區(qū)尺度等中小尺度考慮農(nóng)業(yè)節(jié)水主要關(guān)注的是農(nóng)業(yè)和作物本身,由于采取作物、田間和灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水措施后,在減少作物耗用水量的同時(shí),也必然影響灌區(qū)內(nèi)部及其周邊的自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耗用水量,因此流域節(jié)水潛力需要考慮對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響;②由于灌區(qū)之間水的重復(fù)利用影響,從單個(gè)灌區(qū)尺度上看,采取節(jié)水措施能夠節(jié)約耗用水量,同時(shí)也會(huì)影響其他灌區(qū)的水資源利用與消耗,從流域尺度對(duì)節(jié)水潛力進(jìn)行分析可以消除灌區(qū)與灌區(qū)之間水的重復(fù)利用導(dǎo)致的局部地區(qū)節(jié)水潛力的疊加大于整個(gè)流域節(jié)水潛力的問題;③不同尺度的多個(gè)措施之間存在著節(jié)水效果的疊加效應(yīng),單個(gè)措施的節(jié)水潛力會(huì)影響到其他措施的節(jié)水效果,因此,從全流域角度評(píng)價(jià)不同措施的節(jié)水效果,可以消除多個(gè)措施簡(jiǎn)單疊加導(dǎo)致的節(jié)水潛力評(píng)價(jià)誤差。

為了定量評(píng)價(jià)徒駭馬頰河流域的節(jié)水潛力,對(duì)各種節(jié)水措施的試驗(yàn)效果[12-25]進(jìn)行了調(diào)查分析,結(jié)果表明,作物生理措施可節(jié)水約70mm,田間薄膜覆蓋和秸稈覆蓋技術(shù)可節(jié)水約40 mm,畦灌可節(jié)水約20mm,噴微灌可節(jié)水約70mm。選擇作物(生理節(jié)水技術(shù))、田間(薄膜覆蓋、秸稈覆蓋、畦灌及果樹和蔬菜的噴微灌技術(shù))和灌區(qū)(渠系襯砌,減少高耗水作物小麥和水稻的種植面積,調(diào)整為玉米和經(jīng)濟(jì)作物)尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施和每種措施的實(shí)施比例,設(shè)定了如表1所示的5種農(nóng)業(yè)節(jié)水方案,以此來計(jì)算分析徒駭馬頰河流域的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。其中,方案1是節(jié)水措施實(shí)施比例最小的組合,可計(jì)算得到徒駭馬頰河流域最小的農(nóng)業(yè)節(jié)水量,方案5是節(jié)水措施實(shí)施比例最大的組合,可得到最大的農(nóng)業(yè)節(jié)水量,其他3個(gè)方案是節(jié)水措施實(shí)施比例介于兩者之間的組合。

表1 徒駭馬頰河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力方案

3.3 不同方案下的徒駭馬頰河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力

使用WACM計(jì)算了徒駭馬頰河流域5種節(jié)水方案下的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力,并對(duì)每種節(jié)水方案的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià),最終得到流域最佳農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。

a.不同方案節(jié)水量。根據(jù)設(shè)定的方案,將流域灌溉水資源利用與消耗量與現(xiàn)狀情況進(jìn)行對(duì)比分析,通過WACM計(jì)算得到不同方案下的流域尺度農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水量和資源節(jié)水量(表2)。方案1的灌溉節(jié)水量為 9.05億m3,資源節(jié)水量為6.50億m3;方案5的灌溉節(jié)水量為24.22億m3,資源節(jié)水量為17.29億m3,其他方案介于二者之間。

表2 不同方案下流域尺度農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水量和資源節(jié)水量 億m3

b.不同方案合理性評(píng)價(jià)。為選擇流域適宜的農(nóng)業(yè)節(jié)水方案,從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)和生態(tài)4個(gè)方面對(duì)各個(gè)方案的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià),詳細(xì)評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。方案1和方案2由于各種措施實(shí)施的比例較小,在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)和生態(tài)4個(gè)方面都是可行的;方案3由于小麥調(diào)虧灌溉技術(shù)主要適應(yīng)于井灌區(qū),實(shí)施面積達(dá)到40%比較困難,同時(shí)棉花地膜覆蓋面積超過80%由于成本較高社會(huì)也較難接受;方案4除面臨技術(shù)和社會(huì)接受問題外,流域土壤風(fēng)蝕模數(shù)(1.231kg/(m2·a))相對(duì)現(xiàn)狀(1.217kg/(m2·a))也有較大增加;方案5除了存在技術(shù)、社會(huì)和生態(tài)問題之外,大幅度提高渠系水利用效率在經(jīng)濟(jì)上不可行。因此,認(rèn)為方案2是流域最佳節(jié)水潛力方案,該方案下徒駭馬頰河流域灌溉節(jié)水潛力為13.00億m3,資源節(jié)水潛力為7.88億m3。

c.推薦方案下不同尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力分析。流域尺度的節(jié)水潛力是中小尺度節(jié)水潛力的綜合體現(xiàn),表4給出了最佳節(jié)水潛力方案2下的作物尺度、田間尺度、灌區(qū)尺度和流域尺度4個(gè)不同尺度的農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水和資源節(jié)水的定量關(guān)系。從不同尺度灌溉節(jié)水與資源節(jié)水之間的關(guān)系來看,田間資源節(jié)水潛力已經(jīng)基本接近田間的灌溉節(jié)水潛力,采用夏玉米覆蓋、棉花地膜覆蓋以及大豆、油菜、高粱等其他作物的畦灌可挖掘的節(jié)水潛力已不大,作物和灌區(qū)尺度的灌溉和資源節(jié)水潛力還有一定的發(fā)展空間,說明可以繼續(xù)提高作物生理節(jié)水措施的比例,在保證流域糧食安全的情況下加大種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的力度和通過渠道襯砌繼續(xù)提高灌溉水利用系數(shù)。

表3 徒駭馬頰河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水綜合方案合理性評(píng)價(jià)

表4 方案3下不同尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力 億m3

4 結(jié) 論

a.小麥調(diào)虧灌溉,夏玉米秸稈覆蓋,棉花地膜溝灌,油菜、大豆、高粱、谷子、花生等溝畦灌溉,蔬菜、瓜類、果樹噴微灌,渠系襯砌,種植結(jié)構(gòu)調(diào)整是比較適合在徒駭馬頰河流域?qū)嵤┑霓r(nóng)業(yè)節(jié)水措施。

b.從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)和生態(tài) 4個(gè)方面對(duì)各綜合方案的可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià),方案2是可行的節(jié)水方案。

c.通過WACM計(jì)算得到徒駭馬頰河流域灌溉節(jié)水潛力為 13.00億 m3,資源節(jié)水潛力為7.88億m3。

d.渠系襯砌和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等灌區(qū)尺度農(nóng)業(yè)節(jié)水措施依然是今后流域農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展的主要趨勢(shì)。

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