邵薇薇,李海紅,韓松俊,黃 昊,呂華芳

(1.中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所,北京 100038;2.清華大學(xué)水利水電工程系,北京 100084)

海河流域農(nóng)田水循環(huán)模式與水平衡要素

邵薇薇1,李海紅1,韓松俊1,黃 昊1,呂華芳2

(1.中國水利水電科學(xué)研究院水資源研究所,北京 100038;2.清華大學(xué)水利水電工程系,北京 100084)

基于海河流域農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展,分析了海河流域農(nóng)田水循環(huán)的驅(qū)動機(jī)制,提出了海河流域農(nóng)田綜合二元水循環(huán)模式,揭示了農(nóng)田水循環(huán)的機(jī)制,并根據(jù)農(nóng)田水循環(huán)的結(jié)構(gòu)與模式分析了海河流域農(nóng)田水循環(huán)的各項輸入輸出等水平衡要素。對海河流域農(nóng)田水循環(huán)模式和通量的分析結(jié)果表明,海河流域種植結(jié)構(gòu)和耕作方式的改變使有效降水利用量增加,蒸散發(fā)的輸出量整體增加,農(nóng)業(yè)系統(tǒng)退水量減少。根據(jù)海河流域農(nóng)田水循環(huán)模式和通量的分析結(jié)果,提出了海河流域農(nóng)田水循環(huán)的調(diào)控措施,包括節(jié)水灌溉、發(fā)展旱地農(nóng)業(yè)等。

海河流域;農(nóng)田二元水循環(huán);水循環(huán)模式;水平衡要素

1 海河流域農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀概況

海河流域占全國國土面積2.25％,聚集了7.2％的人口和11.3％的經(jīng)濟(jì)總量。2005年海河流域耕地面積為1061.4萬hm2,其中農(nóng)田有效灌溉面積為737.2萬hm2,實灌面積639.4萬hm2,占耕地總面積的60％。海河流域大田作物包括冬小麥、水稻、夏玉米;經(jīng)濟(jì)作物主要有谷子、高粱、薯類、大豆、棉花、花生、芝麻以及瓜菜類等;農(nóng)田作物種植集中于海河南系平原區(qū)。20世紀(jì)后期至21世紀(jì)初,海河流域糧食作物播種面積呈現(xiàn)明顯下降趨勢,特別是北京市2003年糧食播種面積僅為1980年的25.8％,這一時期經(jīng)濟(jì)作物和蔬菜瓜果播種面積呈緩慢增加態(tài)勢;而2003—2011年,海河流域各地區(qū)糧食播種面積轉(zhuǎn)而逐年增加,上升趨勢明顯[1]。

1.2 農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化

海河流域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化是由海河流域自然條件和社會經(jīng)濟(jì)綜合發(fā)展共同驅(qū)動的,主要受土壤條件、水資源本底條件、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會消費需求、國家宏觀調(diào)控政策和作物品種改良等約束。總的來說,水資源短缺的脅迫導(dǎo)致高耗水作物播種面積減少。1980—2003年海河流域糧食作物播種面積大幅下降,以北京市為例,1999年開始玉米、小麥和稻谷播種面積均大幅下降(圖1,數(shù)據(jù)來自北京統(tǒng)計年鑒)。但玉米和小麥的播種面積于2003年后又開始緩慢回升,而稻谷由于單位面積用水量大,與區(qū)域水資源緊缺條件不相適應(yīng),2003年后仍持續(xù)下降。玉米因單位面積用水量小,抗旱能力較強(qiáng),對灌溉水依賴程度較低,因此2003年后播種面積增加幅度遠(yuǎn)高于其他作物?？梢?改良作物品種以及種植灌溉制度變化,導(dǎo)致單產(chǎn)大幅增加,使農(nóng)田種植系統(tǒng)在播種面積減少的情況下保證了近年來海河流域的糧食總產(chǎn)量,保障了糧食安全,這也是農(nóng)田種植系統(tǒng)適應(yīng)海河流域特殊水資源條件和發(fā)展用地需求的自我調(diào)節(jié)的有效手段。

圖1 北京市各類糧食作物播種面積

2 海河流域農(nóng)田水循環(huán)驅(qū)動機(jī)制

海河流域農(nóng)田水循環(huán)服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水分流轉(zhuǎn),是典型的自然社會二元驅(qū)動。一方面遵循天然水循環(huán)轉(zhuǎn)換機(jī)制,另一方面又在人類活動干擾下改變其循環(huán)通量數(shù)量或產(chǎn)匯流方向,形成獨特的自然社會二元水循環(huán)系統(tǒng)。

在農(nóng)田水循環(huán)的各個物理過程中,都受到自然驅(qū)動力的作用,包括太陽能、重力勢能、土水勢能和生物勢能等。太陽輻射通過熱量的供給,主要影響蒸散發(fā)等過程。重力勢能影響農(nóng)田水循環(huán)的各個方面,降水和下滲甚至田間排水等過程均符合水在重力勢能下的運動形式。土水勢能則是土壤吸附力和表面張力共同作用的結(jié)果,不僅影響土壤水分的吸持,而且影響土壤水分的運動。另外,生物勢能和空氣對流運動等其他因素也對水循環(huán)過程產(chǎn)生影響。

農(nóng)田水循環(huán)系統(tǒng)的人工驅(qū)動力主要體現(xiàn)在灌溉水的輸配過程,是針對徑流性水資源的可調(diào)控特性,在人工外力(如水泵電能、人力)作用下,通過蓄、引、提水工程措施以及輸水措施克服水的重力,干預(yù)自然水循環(huán)過程,將灌溉水源輸送到田間的過程。在海河流域,雖然自然降水是農(nóng)田系統(tǒng)水分的主要補(bǔ)給來源,但由于海河流域是半濕潤半干旱地區(qū),還需要進(jìn)行補(bǔ)充灌溉以保證土壤水分適宜作物的需要,并通過排水過程排除過剩的土壤水分。灌溉和排水等人工作用改變了農(nóng)田原有的天然水循環(huán)系統(tǒng),取而代之的是人工和天然共同作用的二元水循環(huán)系統(tǒng)。

3 海河流域農(nóng)田水循環(huán)模式

對海河流域農(nóng)田水循環(huán)機(jī)制的解析,可以為海河流域的糧食安全保障和節(jié)水型農(nóng)業(yè)建設(shè)提供理論依據(jù)。海河流域的農(nóng)田按照其水分來源的不同主要分為雨養(yǎng)農(nóng)田和灌溉農(nóng)田,具有不同的水循環(huán)模式。下面通過對農(nóng)田水循環(huán)模式的認(rèn)知來揭示海河流域農(nóng)田二元水循環(huán)的機(jī)制。

3.1 雨養(yǎng)農(nóng)田水循環(huán)模式

雨養(yǎng)農(nóng)田中作物的水分獲取完全來自于大氣降水,雖然雨養(yǎng)農(nóng)田水循環(huán)通量和過程在一定程度上受到人類活動的干擾,但其循環(huán)利用完全依賴于自然水循環(huán)的降水、蒸發(fā)、入滲和產(chǎn)流機(jī)制等。大氣降水和蒸發(fā)是雨養(yǎng)農(nóng)田水循環(huán)的輸入輸出源,農(nóng)田上的降水在太陽能、重力勢能和土壤吸力的驅(qū)動下,經(jīng)作物植被冠層截留、地表洼地蓄留、地表徑流、蒸散發(fā)、入滲、壤中徑流和地下徑流等遷移轉(zhuǎn)化過程,部分重返大氣,部分排入水域,并再次從水域或陸面蒸發(fā)循環(huán)往復(fù)。圖1為海河流域雨養(yǎng)農(nóng)田水循環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 雨養(yǎng)農(nóng)田水循環(huán)結(jié)構(gòu)

雨養(yǎng)農(nóng)田種植雖然通過對土地利用方式的改變影響了陸地表面的覆蓋率、植物分布方式和土壤質(zhì)地,并通過采取集雨調(diào)蓄利用等措施調(diào)控降水而深刻影響著農(nóng)田區(qū)域入滲、產(chǎn)流和蒸散發(fā)過程,與完全不受人工干擾的自然水循環(huán)過程存在顯著不同,但依然遵循自然水循環(huán)的基本物理機(jī)制,體現(xiàn)在降水入滲、作物蒸散發(fā)和產(chǎn)匯流各個環(huán)節(jié):①降水入滲。農(nóng)業(yè)耕作和施肥措施等改變了土壤和巖層狀況,或者通過坡改梯、平整土地等改變地表覆被狀態(tài),影響了水量入滲的時空規(guī)律,但是水分入滲機(jī)制均與自然水循環(huán)狀態(tài)的入滲機(jī)制一樣,不同的只是由于受到人工調(diào)節(jié),使得土壤入滲通量的大小和時空發(fā)生變化。②作物蒸散發(fā)。農(nóng)田取代了自然土地的水分利用和消耗過程,農(nóng)田節(jié)水采取的調(diào)控田間蒸散發(fā)措施也影響了農(nóng)田蒸散發(fā)過程,但農(nóng)田蒸散發(fā)仍基于熱動力學(xué)機(jī)制,遵循自然水循環(huán)的熱量平衡原理。③產(chǎn)匯流。農(nóng)田產(chǎn)流過程仍然遵循自然水循環(huán)的蓄滿、超滲或者二者同時發(fā)生的產(chǎn)流機(jī)制,但由于農(nóng)田土壤含水率受人類活動的干擾導(dǎo)致了產(chǎn)流量與時空過程發(fā)生變化。農(nóng)田水流匯集過程仍然根據(jù)地形坡度的變化,并在流動過程中逐漸匯集,最后匯集到排水溝或者河道。農(nóng)業(yè)耕作方式和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等都不同程度地影響了農(nóng)田地表的產(chǎn)匯流量。

下面通過公式來表達(dá)農(nóng)田水循環(huán)的機(jī)制,反映出農(nóng)田水循環(huán)的結(jié)構(gòu)和影響因素。雨養(yǎng)農(nóng)田水循環(huán)模式就是流域農(nóng)田在自然驅(qū)動力作用下的農(nóng)田水資源形成與演化基本模式,其概念性通式可以簡要表述為

式中:R1為雨養(yǎng)農(nóng)田水資源;S1為供水函數(shù),由降水Pn、地下水自然補(bǔ)給Gn構(gòu)成,其中Pn與區(qū)域氣候、降水過程有關(guān),Gn與農(nóng)田土壤質(zhì)地、農(nóng)田作物特性有關(guān);U1為用水函數(shù),由作物降水利用An構(gòu)成,與農(nóng)田土壤狀況、作物的生長期、植株高度、根系深度以及作物葉面積有關(guān);E1為耗水函數(shù),由農(nóng)田作物冠層截留蒸發(fā)EYn、作物騰發(fā)EPn、農(nóng)田土壤蒸發(fā)ESn構(gòu)成,其中EYn與農(nóng)田作物生理特性等有關(guān),EPn與作物類型、區(qū)域氣候等有關(guān),ESn與農(nóng)田土壤狀況、作物生長狀況、地下水位有關(guān);O1為排水函數(shù),由農(nóng)田降水徑流OSn和地下徑流OGn構(gòu)成,其中OSn與降水過程、農(nóng)田作物類型等下墊面有關(guān),OGn與降水下滲、農(nóng)田土壤屬性及墑情有關(guān)。

3.2 灌溉農(nóng)田水循環(huán)模式

由于受到人類土地利用和直接引提水的影響,灌區(qū)天然一元的水循環(huán)結(jié)構(gòu)被打破,形成了自然社會二元水循環(huán)結(jié)構(gòu),如圖3所示。為了滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水資源的需求,人類從地表和地下水源中取水,通過渠首及其附屬建筑物向農(nóng)田供水,經(jīng)由田間工程進(jìn)行農(nóng)田灌水,形成了包括取水、輸配水、用水和排水的四大部分,并參與到灌區(qū)大氣水、地表水、土壤水和地下水自然循環(huán)轉(zhuǎn)化過程中,人類活動外力成為太陽能、重力勢等之外的灌溉農(nóng)田水循環(huán)的另一個主要驅(qū)動因素。

圖3 灌溉農(nóng)田水循環(huán)結(jié)構(gòu)

灌溉農(nóng)田水循環(huán)和天然條件下的雨養(yǎng)農(nóng)田水循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式有所差異。灌溉農(nóng)田水循環(huán)系統(tǒng)一般包括取水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、用水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)幾個子系統(tǒng),但復(fù)雜程度不一。灌溉農(nóng)田的輸排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,其輸水系統(tǒng)一般分為干、支、斗、農(nóng)、毛等數(shù)級渠道,有的大型灌區(qū)在干渠之上還有總干渠,各級輸水渠道在運行時遵從一定的續(xù)灌和輪灌制度。排水系統(tǒng)也分為干、支、斗、農(nóng)等數(shù)級渠道,不受控制的自流排水系統(tǒng)的基本原理和結(jié)構(gòu)形式類似于天然河道系統(tǒng),很多平原圩區(qū)的排水系統(tǒng)設(shè)有很多控制性閘門或者泵站,遇到大水時各級排水渠道需要遵從一定的運行制度。對于水資源統(tǒng)一調(diào)度和管理的流域來說,一般包含多個受人工控制的農(nóng)田水循環(huán)系統(tǒng),各個農(nóng)田水循環(huán)系統(tǒng)互相配合、統(tǒng)一調(diào)度,共同為區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)總體利益最大化服務(wù)。

所謂灌溉農(nóng)田水循環(huán)模式就是流域農(nóng)田自然社會二元驅(qū)動力作用下的農(nóng)田水資源形成與演化基本模式,其概念性通式可以簡要表述為

式中:R2為灌溉農(nóng)田水資源;S2為供水函數(shù),由降水Pn、人工灌溉Ih、受人類活動影響的地下水補(bǔ)給Gn,h構(gòu)成,其中Ih與農(nóng)田作物、農(nóng)田區(qū)域氣候、作物灌溉制度有關(guān),Gn,h與農(nóng)田土壤質(zhì)地、農(nóng)田作物特性、人為影響(如打井等)有關(guān);U2為用水函數(shù),由作物降水利用An、作物灌溉水利用Ah構(gòu)成,其中Ah與灌溉過程及農(nóng)田作物的生長期、植株高度、根系深度以及作物葉面積有關(guān);E2為耗水函數(shù),由農(nóng)田作物冠層截留蒸發(fā)EYn,h、作物騰發(fā)EPn、農(nóng)田土壤蒸發(fā)ESn,h構(gòu)成,其中EYn,h與農(nóng)田作物生理特性、灌溉方式等有關(guān),ESn,h與作物類型、灌溉方式、地下水位有關(guān),而其中灌溉方式對農(nóng)田的無效蒸發(fā)控制有極大影響;O2為排水函數(shù),由人類活動影響下的農(nóng)田降水徑流OSn,h、地下徑流OGn,h、農(nóng)田人工排水ODn,h構(gòu)成;Pn、An、EPn與式(1)含義相同。

3.3 流域農(nóng)田水循環(huán)綜合模式

海河流域農(nóng)田水循環(huán)過程,一方面遵循自然水循環(huán)的機(jī)制與過程,如入滲、蒸散發(fā)和產(chǎn)匯流等,另一方面又受到人類活動影響,如取水輸水蓄水用水耗水排水等社會水循環(huán)的作用,最終形成了農(nóng)田自然社會二元水循環(huán)系統(tǒng)。通過對雨養(yǎng)及灌溉農(nóng)田水循環(huán)模式解析,海河流域農(nóng)田水循環(huán)綜合模式可以表述為以下概念性通式:

式中:R為農(nóng)田水資源;G為供水函數(shù),包括降水和人工灌溉水及地下水補(bǔ)給;Y為用水函數(shù),包括降水利用量和灌溉利用量;H為耗水函數(shù),包括農(nóng)田土壤蒸發(fā)、農(nóng)田作物蒸散發(fā);P為排水函數(shù),包括降水徑流、灌溉徑流及農(nóng)田排水;n為自然驅(qū)動力;h為社會驅(qū)動力。

從式(3)可以看出,由于社會驅(qū)動項的作用,二元模式下的農(nóng)田水資源演變過程與一元模式相比發(fā)生了系統(tǒng)變化,人類從地表和地下水源中取水,通過渠首及其附屬建筑物向農(nóng)田供水,經(jīng)由田間工程進(jìn)行農(nóng)田灌水,完全改變了農(nóng)田水資源量及其時空變化;作物品種改良、農(nóng)藝措施改進(jìn)、農(nóng)田增墑保墑、灌溉制度及方式的科學(xué)制定則可以改變農(nóng)田用水系統(tǒng)的水資源利用效率和效益,同時也會影響農(nóng)田蒸散發(fā)的效率及效益;農(nóng)田排水系統(tǒng)以及農(nóng)田排水制度的科學(xué)制定則會影響農(nóng)田徑流以及農(nóng)田退水的時空變化。因此,人類灌排活動的參與對整個農(nóng)田系統(tǒng)的產(chǎn)匯流過程進(jìn)行直接控制,完全改變了天然狀態(tài)下農(nóng)田水循環(huán)相互轉(zhuǎn)化過程。可見,農(nóng)田二元水循環(huán)模式客觀體現(xiàn)了農(nóng)田水循環(huán)系統(tǒng)的演變過程,反映了人類活動對現(xiàn)代農(nóng)田水循環(huán)的全面影響。

4 海河流域農(nóng)田水循環(huán)要素分析

對海河流域農(nóng)田二元水循環(huán)模式的認(rèn)知,將有助于對農(nóng)田水循環(huán)要素進(jìn)行分析。通過對海河流域農(nóng)田水循環(huán)結(jié)構(gòu)分析,可知農(nóng)業(yè)用水有3種供給來源:一是天然降水;二是通過農(nóng)業(yè)工程供水進(jìn)行的灌溉補(bǔ)充水量;三是通過土壤毛細(xì)作用直接利用的淺層地下水,即潛水蒸發(fā)補(bǔ)給量。田間水分豎直方向耗散有兩種方式:一是向大氣的土壤蒸發(fā)、作物蒸騰和葉面截流蒸騰,二是向地下的滲流;水平方向有地表徑流,最終形成地表地下退水。對于農(nóng)業(yè)耕種,只有作物蒸騰是有效耗散。隨著海河流域社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,社會經(jīng)濟(jì)用水量遠(yuǎn)超過水資源承載力,競爭性用水導(dǎo)致農(nóng)田水循環(huán)通量正發(fā)生著巨大變化[2]。下面對海河流域農(nóng)田水循環(huán)的天然降水量、灌溉用水量、潛水蒸發(fā)量、退水量、農(nóng)作物水分轉(zhuǎn)移量、蒸散發(fā)量等各項水平衡要素進(jìn)行分析。

4.1 天然降水量

根據(jù)綜合海河流域主要作物(冬小麥、水稻、夏玉米、谷子、高粱、薯類、大豆、棉花、花生、芝麻、蔬菜瓜果類)種植時間、各省(市、區(qū))降水年內(nèi)過程、海河流域分省(市、區(qū))作物播種面積,計算得到2000年和2005年海河流域進(jìn)入農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的天然降水量為375.58億m3和413.87億m3。

4.2 灌溉用水量

4.2.1 灌溉用水總量變化

如圖4所示,1991—2005年,海河流域農(nóng)田灌溉用水量呈現(xiàn)穩(wěn)定下降趨勢。經(jīng)分析,對于不同作物類型,菜田灌溉用水量增加趨勢明顯,稻田和大田(小麥、玉米等)灌溉用水量顯著減少,其中2005年稻田灌溉用水量僅為1991年的48％,大田灌溉用水比1991年減少26億m3。

圖4 1991—2005年農(nóng)田灌溉用水量

4.2.2 灌溉方式變化

海河流域節(jié)水灌溉始于20世紀(jì)60年代,主要通過輸水渠道的襯砌提高輸水效率。20世紀(jì)80年代以后,灌溉缺水日趨嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)得到了較快發(fā)展,平原渠灌區(qū)以渠道防滲為主,井灌區(qū)以低壓管道為主,果樹及大棚蔬菜以噴灌、微灌為主;山丘區(qū)以發(fā)展集雨水窖和微型節(jié)水灌溉工程為主。2004年全流域節(jié)水灌溉面積比例達(dá)44％,其中北京市由于社會經(jīng)濟(jì)水平高,水資源短缺程度更為嚴(yán)重,節(jié)水灌溉率高達(dá)85％,因此可以說灌溉方式的改變也是資源脅迫的結(jié)果[3]。

4.2.3 灌溉水源方式變化

海河流域由于水資源匱乏,很多大型水庫轉(zhuǎn)為以保障城市供水為主,加之近幾年地表水資源大量減少(特別是2001—2006年,地表水資源全部屬于枯水年,年平均只有107億m3,僅為1956—2000年多年平均的42％),因此,盡管海河流域農(nóng)田地表水與地下水灌溉用水量均呈下降趨勢,但是總體來講,海河平原地區(qū)農(nóng)田人工灌溉用水中,地表水減少幅度大,地下水所占比例略有增加(表1)。目前在海河流域,以地下水為主要水源的灌區(qū)基本上采用井灌方式,灌溉水利用率相對于渠灌區(qū)來講較高,因此實際上進(jìn)入農(nóng)田的灌溉水總量中,地下水所占比例更高[4]。

表1 海河流域農(nóng)田灌溉用水情況

此外,由于水資源的短缺,城市再生水也逐漸成為農(nóng)業(yè)灌溉用水的另一重要水源,其中海河流域再生水回用以北京市為主。2005年,北京市污水處理回用于農(nóng)業(yè)灌溉的水量為2.02億m3,占當(dāng)年全國總量的40％。

4.3 潛水蒸發(fā)量

海河流域社會經(jīng)濟(jì)總用水量逐年增加,地下水超采嚴(yán)重,根據(jù)中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院等單位的地下水位觀測數(shù)據(jù),1995—2005年海河流域整體潛水位逐漸降低,僅濱海平原地區(qū)地下水位變化較小,且地下水位埋深在5 m以內(nèi)。而一般情況下,地下水埋深超過4 m時基本不考慮潛水蒸發(fā)。海河流域濱海平原區(qū)存在總量約40億m3的潛水蒸發(fā)量,由于該區(qū)域地下水礦化度較高,農(nóng)業(yè)種植面積較少,占全區(qū)域面積的1/8左右,因此估算海河流域農(nóng)田水循環(huán)系統(tǒng)約有5億m3的耕地潛水蒸發(fā)量。

參考北京統(tǒng)計年鑒,設(shè)定海河流域復(fù)種指數(shù)為1.5,通過計算,海河流域2000年農(nóng)業(yè)總供水量為646億m3,其中天然降水總量為376億m3,農(nóng)田灌溉用水量為265億m3,潛水蒸發(fā)補(bǔ)給量為5億m3,分別占總供水的58.2％、41.0％和0.8％。2005年海河流域農(nóng)業(yè)總供水量為674億m3,其中有效利用降水總量為414億m3,農(nóng)田灌溉用水量為255億m3,潛水蒸發(fā)補(bǔ)給量為5億m3,分別占總供水的61.4％、37.8％和0.8％。

4.4 退水量

農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的退水來源于兩部分:一是遇到高強(qiáng)度降水時形成的少量徑流;二是灌溉輸水過程中的輸水損失。本次研究假定降至農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的雨量除有效降水直接利用量外均形成退水。

4.4.1 天然降水形成的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)退水

有效降水利用量與降水特性、氣象條件、土地和土壤特性、土壤水分狀況、地下水埋深、作物特性和覆蓋狀況以及農(nóng)業(yè)耕作管理措施等因素有關(guān)。一般而言,很少有足夠的實測資料可用于定量描述控制降水有效性的過程,而影響有效降水的過程又很多,有關(guān)的參數(shù)也難以確定。因此,本研究在計算有效降水利用量時,一方面參考我國學(xué)者提出的次有效降水量的確定方法[5],將0～50 mm的旬降水量視為全部有效,另一方面也借鑒美國土壤保持局提出的旬有效降水量的預(yù)測方法,當(dāng)降水量大于40 mm 時,確定各旬有效降水量[6-8]。計算公式如下:

式中:Pe為旬平均有效降水量,mm;Pt為旬平均降水量,mm;Ec為旬平均作物需水量,mm;Sf為土壤水分貯存因子。如果用式(4)計算得到的旬有效降水量大于該旬的作物需水量,則將該旬的作物需水量視為有效降水量。海河流域由于水資源本底條件差,通過增加作物種植密度、平整土地、修田坎等措施,大幅度減小地面徑流;采用深耕、耙磨、防止土壤板結(jié)等方式增加入滲;加強(qiáng)灌溉管理,采用人工補(bǔ)充灌溉制度,多種措施使有效降水利用系數(shù)大幅提高。降水有效利用系數(shù)根據(jù)月降水量的大小確定,當(dāng)月降水量小于50 mm時,假定為1;當(dāng)月降水量為50～150 mm時,假定為0.80;當(dāng)月降水量大于150 mm 時,假定為0.75,以此為依據(jù)對研究區(qū)域以月為時段進(jìn)行有效降水量計算。

綜合海河流域分省(市、區(qū))作物播種面積、有效降水利用系數(shù)和各省(市、區(qū))降水年內(nèi)過程,計算得到2000年和2005年海河流域農(nóng)業(yè)有效降水量分別為327億m3和363億m3,進(jìn)而計算得出2000年和2005年海河流域天然降水形成的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)退水(表2)。

表2 海河流域農(nóng)業(yè)系統(tǒng)天然降水形成的退水量

4.4.2 農(nóng)田灌溉形成的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)退水

綜合海河流域井灌區(qū)和渠灌區(qū)的灌溉水利用效率情況,假定2000年和2005年渠系水利用系數(shù)分別按照0.65和0.70計算[9],由灌溉用水量可計算得到2000年和2005年渠道滲漏水量分別為93億m3和76億m3。表3為海河流域農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的總退水量。

表3 海河流域農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的總退水量

4.5 農(nóng)作物水分轉(zhuǎn)移量

農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)出和流通從農(nóng)田水循環(huán)系統(tǒng)中帶走了一部分水分[10]。本研究對海河流域農(nóng)業(yè)系統(tǒng)農(nóng)作物水分轉(zhuǎn)移量進(jìn)行了估算。根據(jù)2000年和2005年海河流域主要作物產(chǎn)量,經(jīng)過計算得到2000年和2005年海河流域主要農(nóng)作物水分轉(zhuǎn)移量為0.98億m3和1.15億m3(未考慮由于品種改良、秸稈質(zhì)量下降所帶來的水分轉(zhuǎn)移量的削減),可見農(nóng)作物水分轉(zhuǎn)移量較小。由于種植結(jié)構(gòu)的變化,2005年較2000年農(nóng)作物水分轉(zhuǎn)移量大幅增加。

4.6 蒸散發(fā)量

海河流域2005年較2000年降水量大,玉米、蔬菜等生長期與雨季匹配的作物播種面積增加,因此有效降水利用量增加幅度較大。根據(jù)水量平衡原理,雖然2005年進(jìn)入田間的灌溉用水較2000年減少約10億m3,但由于2005年降水量大,且退水量較少,當(dāng)年農(nóng)業(yè)系統(tǒng)蒸散發(fā)量較2000年增加約53mm。

5 海河流域農(nóng)田水循環(huán)特征及調(diào)控

通過對海河流域農(nóng)田水循環(huán)模式和通量的分析,可知在水資源極其短缺條件下海河流域農(nóng)田水循環(huán)表現(xiàn)出以下兩方面特征:①水循環(huán)通量特征。對一個閉合的農(nóng)田系統(tǒng)而言,水循環(huán)過程的輸入項是降水或灌溉或地下水補(bǔ)給,輸出項包括水平方向的徑流(即退水項)和垂直方向蒸散項。經(jīng)過分析可知,海河流域水循環(huán)通量總量近年來并未減少。在輸入項方面,種植結(jié)構(gòu)和耕作方式的改變使有效降水利用量增加,2005年與2000年相比提高了11％;農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的用水競爭劣勢位置可能導(dǎo)致灌溉用水量降低,2005年與1995年和2000年相比分別減少約24億m3和10億m3;全流域地下水位下降,田間土壤包氣帶逐漸增厚,潛水蒸發(fā)能力下降,導(dǎo)致廣大區(qū)域的地下水難以通過潛水蒸發(fā)補(bǔ)給田間水分。另外,在全球氣候變化的影響下,海河流域未來降水在一定程度上可能有所增加,有效降水直接利用量在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)用水總量中所占比例將會進(jìn)一步加大。在輸出項方面,在人類活動作用下,海河流域農(nóng)田系統(tǒng)一個突出的水循環(huán)效應(yīng)就是垂向蒸散發(fā)的輸出整體增加,而水平方向的徑流輸出不斷減少,反映在水資源的高效利用措施使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)退水量急劇降低。而根據(jù)水量平衡原理,在一個較長的時段內(nèi)農(nóng)田系統(tǒng)儲水量看作基本不變的話,水平方向徑流量的減少量必然等于垂直方向蒸散量的增加。②人工灌溉水結(jié)構(gòu)特征。海河流域人工灌溉水源以地下水為主,正在實施節(jié)水灌溉。2005年海河流域地下水灌溉量占人工灌溉總量的60％以上,地下水灌溉有利于計量監(jiān)測實施與節(jié)水灌溉方式的采用,全流域節(jié)水灌溉率達(dá)到44％。但是,由于地下水長期超采所帶來的一系列問題,海河流域逐步落實地下水壓采方案,再加上南水北調(diào)工程東、中線調(diào)水的實施,未來一些灌區(qū)將逐漸恢復(fù)地表水灌溉,農(nóng)田灌溉用水水源結(jié)構(gòu)也將會隨之發(fā)生改變。

海河流域農(nóng)業(yè)要想實現(xiàn)節(jié)水與高效用水,由農(nóng)田水循環(huán)模式和通量分析可知,需要對農(nóng)田水循環(huán)實施調(diào)控[5],主要措施如下:①在地下水已超采的井灌區(qū),可以采用節(jié)水灌溉制度(調(diào)虧灌溉)和綜合節(jié)水措施,盡可能降低作物實際耗水量,并保證農(nóng)作物基本不減產(chǎn),甚至增產(chǎn);②在地下水尚有開采潛力的渠灌區(qū),例如徒駭馬頰河平原,結(jié)合灌區(qū)改造,推廣井渠結(jié)合,既可以減少地下水的潛水蒸發(fā),有利于防治土壤鹽堿化,又可以減少地表水使用量,改善河道水生態(tài)環(huán)境;③海河流域現(xiàn)有旱地面積較大,在采取綜合農(nóng)業(yè)措施的情況下,利用天然降水發(fā)展旱地農(nóng)業(yè)仍具有很大潛力;④在大中城市郊區(qū)、經(jīng)濟(jì)條件較好的井灌區(qū)和蔬菜果樹經(jīng)濟(jì)作物區(qū),有條件地推廣噴灌、微灌等先進(jìn)灌溉技術(shù),加強(qiáng)節(jié)水灌溉。

6 結(jié) 語

農(nóng)田水循環(huán)是人類社會參與自然水循環(huán)過程的典型方式,具有水循環(huán)絕對通量大、與氣候和作物生長特點相關(guān)性強(qiáng)等特點。本文提出了海河流域農(nóng)田水循環(huán)的二元綜合模式,分析了農(nóng)田水循環(huán)的各項通量及特征,并探討了海河流域農(nóng)業(yè)實現(xiàn)節(jié)水與高效用水的調(diào)控措施,可為海河流域建設(shè)節(jié)水型農(nóng)業(yè)和水資源合理利用提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

[1]馬文奎,王建剛,閻永軍.海河流域防汛抗旱減災(zāi)體系建設(shè)[J].中國防汛抗旱,2009(19):117-124.(MA Wenkui,WANG Jiangang,YAN Yongjun.The flood control and drought relief system construction in Haihe River basin[J].China Flood＆Drought Management,2009 (19):117-124.(in Chinese))

[2]王中宇.海河流域水之憂[N].科學(xué)時報,2007-07-09 (A5).

[3]華北灌溉農(nóng)田減蒸降耗增效節(jié)水技術(shù)集成與示范[R].鄭州:河北省農(nóng)林科學(xué)院,2011.

[4]劉群昌,謝森傳.華北地區(qū)夏玉米田間水分轉(zhuǎn)化規(guī)律研究[J].水利學(xué)報,1998(1):62-68.(LIU Qunchang,XIE Senchuan.A study on field soil water balance for summer corn in north China plain[J].Journal of hydraulic engineering,1998(1):62-68.(in Chinese))

[5]叢振濤,姚本智,倪廣恒.SRA1B情景下中國主要作物需水預(yù)測[J].水科學(xué)進(jìn)展,2011,22(1):38-43.(CONG Zhentao,YAO Benzhi,NI Guangheng.Crop water demand in China under the SRA1B emissions scenario[J]. Advances in Water Science,2011,22(1):38-43.(in Chinese))

[6]劉昌明,張喜英,由懋正.大型蒸滲儀與小型棵間蒸發(fā)器結(jié)合測定冬小麥蒸散的研究[J].水利學(xué)報,1998(10): 36-39.(LIU Changming,ZHANG Xiying,YOU Maozheng. Determination of daily evaporation and evapotranspiration of winter wheat field by large-scale weighing lysimeter and micro lysimeter[J].Journal of Hydraulic Engineering, 1998(10):36-39.(in Chinese))[7]劉曉敏,張喜英,王慧君.太行山前平原區(qū)小麥玉米農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)集成模式綜合評價[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2011,19(2):421-428.(LIU Xiaoming,ZHANG Xiying, WANG Huiun.A comprehensive evaluation of wheat/ maize agronomic water-saving modes in the piedmont plain region of the Mount Taihang[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2011,19(2):421-428.(in Chinese))

[8]李勇,楊曉光,葉清,等.1961—2007年長江中下游地區(qū)水稻需水量的變化特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27 (9):175-183.(LI Yong,YANG Xiaoguang,YE Qing,et al.Variation characteristics of rice water requirement in middle and lower reaches of Yangtze River during 1961-2007[J].TransactionsoftheChineseSocietyof Agricultural Engineering,2011,27(9):175-183.(in Chinese))

[9]海河流域節(jié)水和高效用水戰(zhàn)略研究報告[R].天津:天津市中水科技咨詢有限責(zé)任公司,2008.

[10]曹永強(qiáng),姜莉,張偉娜,等.海河流域京津冀地區(qū)農(nóng)產(chǎn)品虛擬水實證研究[J].水利經(jīng)濟(jì),2010,28(5):11-14. (CAO Yongqiang,YANG Li,ZHZNG Weina.et al.An empirical study on the agricultural product virtual water in the Beijing-Tianjin-Hebei region of Haihe River basin [J].Journal of Economics of Water Resources,2010,28 (5):11-14.(in Chinese))

Agricultural water cycle scheme and flux in Haihe River Basin

//SHAO Weiwei1,LI Haihong1,HAN Songjun1, HUANG Hao1,Lü Huafang2(1.Department of Water Resources,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing100038,China;2.Department of Hydraulic Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)

Based on the present status and development of the agriculture in the Haihe River Basin,the driving mechanism of the agricultural water cycle is analyzed and the agricultural dualistic water cycle scheme is proposed in this paper.The agricultural water cycle mechanism is also presented.Water balance factors such as the input water volume,drainage water volume,plant water volume,and the evapo-transpiration were calculated according to the structure and pattern of agricultural water cycle.The analysis of the dualistic water cycle scheme and the calculated fluxes indicates that the effective utilization of precipitation and the evapo-transpiration of farmlands is increasing,and the agricultural system return flow is decreasing due to the changes of planting structure and farming mode.Based on the analyzed results,some regulation measures for the Haihe River Basin were proposed,including the water-saving irrigation as well as the dry land farming development.

Haihe River Basin;agricultural dualistic water cycle;water cycle scheme;factors of water balance

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.004

S271

A

10067647(2013)05001506

20121031 編輯:熊水斌)

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(51109222);科技部創(chuàng)新方法工作專項(2009IM20100);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2006CB403401)

邵薇薇(1981—),女,江蘇南通人,高級工程師,博士,主要從事水文水資源研究。E-mail:shaoww@iwhr.com