朱正全，馮紹元，王 娟，徐 英，仇錦先(揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

0 前 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約占全國(guó)總用水量的70%，而其中的90%以上是用于農(nóng)業(yè)灌溉，因此農(nóng)業(yè)是我國(guó)的第一用水大戶(hù)。已有研究成果表明我國(guó)農(nóng)業(yè)用水不僅比重相當(dāng)大，而且用水效率低，具有很大的節(jié)水潛力[1]。

(1)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力確定方法。目前，學(xué)術(shù)界對(duì)節(jié)水潛力尚未形成一個(gè)統(tǒng)一、公認(rèn)的定義和概念。傳統(tǒng)意義的節(jié)水潛力主要是指某單個(gè)部門(mén)、行業(yè)(或作物)、局部地區(qū)在采取一種或多種綜合節(jié)水措施后，與未采取節(jié)水措施相比，所需水量(或取水量)的減少量[2]。我國(guó)學(xué)者通過(guò)對(duì)一些實(shí)驗(yàn)研究地區(qū)進(jìn)行節(jié)水潛力分析計(jì)算，逐漸形成了一系列較為成熟的節(jié)水潛力計(jì)算方法。段愛(ài)旺將真實(shí)節(jié)水潛力分為狹義和廣義兩種，狹義節(jié)水潛力是在一定條件和技術(shù)下，灌溉用水的減少量，廣義節(jié)水潛力是指依靠田間節(jié)水措施，減少的基礎(chǔ)用水量的數(shù)值[3]。裴源生等提出耗水節(jié)水的概念，認(rèn)為真實(shí)的節(jié)水潛力應(yīng)同時(shí)包含取用水節(jié)水和耗水節(jié)水，耗水節(jié)水量體現(xiàn)了區(qū)域真正的節(jié)水潛力[4]。傅國(guó)斌從作物需水量出發(fā)，通過(guò)考慮多種因素，構(gòu)建了一個(gè)理論節(jié)水潛力的計(jì)算公式，將某一基準(zhǔn)年的實(shí)際灌溉用水量和灌區(qū)非充分灌溉條件下灌溉需水量的差值作為理論上的節(jié)水潛力[5]。美國(guó)加州戴維斯大學(xué)土地、大氣和水資源系的Davenport和Hagan對(duì)灌溉取水與節(jié)水量中的可回收水和不可回收水的概念做了相對(duì)系統(tǒng)的說(shuō)明，并分析了加州的灌溉節(jié)水潛力[6]。崔遠(yuǎn)來(lái)認(rèn)為計(jì)算節(jié)水潛力時(shí)應(yīng)考慮尺度效應(yīng)，用同一方法計(jì)算不同尺度下的節(jié)水潛力會(huì)有所不同[7]。田玉清等提出灌區(qū)的節(jié)水潛力是指一定的技術(shù)條件下，通過(guò)采取一系列的節(jié)水技術(shù)措施，同樣規(guī)模灌區(qū)預(yù)期的灌溉需水量與基準(zhǔn)年相比減少的水量，定義最大可能節(jié)水量為理論節(jié)水潛力，并分別采用整體法和分項(xiàng)法計(jì)算黃河干流大型自流灌區(qū)的節(jié)水潛力[8]。周華[9]、周振民[10]利用灰色理論建立微分預(yù)測(cè)模型，分別對(duì)寧夏河套灌區(qū)和河南省人民渠灌區(qū)進(jìn)行水資源供需分析，并計(jì)算相應(yīng)節(jié)水潛力。李英能根據(jù)《全國(guó)灌溉用水定額編制》的研究方法與成果，通過(guò)對(duì)一些參數(shù)的概化，從而提出一種區(qū)域發(fā)展節(jié)水灌溉的節(jié)水潛力簡(jiǎn)易計(jì)算方法[11]。湯英采用情景分析法從輸水系統(tǒng)及田間系統(tǒng)兩方面計(jì)算了灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力[12]。水利部[13]與海委[14]分別考慮不同的節(jié)水措施，并推出計(jì)算節(jié)水潛力的公式來(lái)估算綜合節(jié)水潛力。劉小燕等采用定額比較法分析了通遼市科爾沁地區(qū)現(xiàn)狀年和規(guī)劃年的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力[15]。

(2)資源型節(jié)水潛力研究進(jìn)展。為了克服傳統(tǒng)節(jié)水潛力計(jì)算中的局限性，沈振榮提出“真實(shí)節(jié)水”的概念，為農(nóng)業(yè)節(jié)水提供了一種新的科學(xué)理念和研究方向[16]。王海龍等以渭河流域在陜西省的關(guān)中地區(qū)為例，界定了資源型節(jié)水潛力，估算了該區(qū)域主要作物種植面積不發(fā)生變化、繼續(xù)擴(kuò)大渠道襯砌工程建設(shè)、合理開(kāi)發(fā)利用農(nóng)業(yè)水資源的情況下的節(jié)水潛力[17]。尹劍等用資源型和效率型兩類(lèi)節(jié)水潛力，分別代表田間或灌區(qū)尺度和流域大尺度的節(jié)水潛力，并計(jì)算了25%、50%、75%和90%四種水文頻率年下的渭河流域關(guān)中段九大灌區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力[18]。

本文采用資源型節(jié)水潛力的計(jì)算方法，分別計(jì)算得到河套灌區(qū)一干、解放閘、永濟(jì)、義長(zhǎng)和烏拉特5個(gè)灌域的主要作物灌溉需水量，從而估算出內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力，不僅對(duì)灌區(qū)節(jié)水灌溉規(guī)劃具有科學(xué)的指導(dǎo)意義，而且對(duì)發(fā)展節(jié)水技術(shù)灌溉、優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)、提高農(nóng)業(yè)水資源利用率、促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展等都有著十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位于黃河上中游內(nèi)蒙古段北岸的沖積平原，東臨包頭市，南至黃河，西接烏蘭布和沙漠，北抵陰山山脈的狼山、烏拉山洪積扇。行政區(qū)劃包含了巴彥淖爾市的臨河縣、磴口縣、五原縣、烏拉特前旗、杭錦后旗等旗縣。

河套灌區(qū)從三盛公攔河樞紐控制引水，由180 km 的總干渠供水、220 km 的總排干溝排水，以烏梁素海作為灌區(qū)的排水承泄區(qū)，通過(guò)13條干渠、10條干溝控制整個(gè)灌區(qū)的灌溉排水，形成一個(gè)帶狀有灌有排的一首制灌區(qū)[19]。河套灌區(qū)總土地面積111.93萬(wàn)hm2，灌區(qū)的設(shè)計(jì)灌溉面積為73.33萬(wàn)hm2，東西長(zhǎng)250 km，南北寬達(dá) 50 km，現(xiàn)灌溉面積57.40萬(wàn)hm2，其中農(nóng)田和林草的面積分別約為2.47和4.93萬(wàn)hm2。按行政區(qū)劃分為一干管理局、解放閘、永濟(jì)、義長(zhǎng)、烏拉特5個(gè)灌域(圖1)。

圖1 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)位置示意圖

河套灌區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈,降水較少,風(fēng)沙較大,熱量充足。全年平均氣溫6.3～7.6 ℃, 年平均降雨量130～215 mm, 多年平均蒸發(fā)量在2 100～2 300 mm之間,年平均無(wú)霜期160～180 d。每年的11月中下旬土壤開(kāi)始凍結(jié),凍土層厚度約1～1.3 m,直到5月中旬凍層才全部融通,土壤凍結(jié)期歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)180 d。

河套灌區(qū)多年平均引黃河水量約49.5億m3，多年平均地下水位埋深1.72 m。灌區(qū)地勢(shì)平坦,海拔高度1 020～1 054 m,東低西高,坡降為1/6 000至1/8 000,走勢(shì)為南高北低。

1999年10月內(nèi)蒙古自治區(qū)確定分配給河套灌區(qū)的引黃指標(biāo)將由52億m3減至40億m3，這對(duì)灌溉水源高度依賴(lài)黃河水的河套灌區(qū)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉和經(jīng)濟(jì)發(fā)展將會(huì)受到一定影響，因此，在河套灌區(qū)開(kāi)展農(nóng)業(yè)節(jié)水勢(shì)在必行。目前，河套灌區(qū)所實(shí)施的工程節(jié)水改造、調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)以及合理開(kāi)發(fā)利用地下水資源等措施，對(duì)緩解河套灌區(qū)水資源緊張的趨勢(shì)有著重要的作用。

2 河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力分析及估算

結(jié)合已有研究成果，本文針對(duì)河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力進(jìn)行分析及估算。本文的研究思路是：在滿(mǎn)足作物需水量的前提下，通過(guò)灌區(qū)工程改造(如渠道襯砌)等，進(jìn)行田間基礎(chǔ)建設(shè)工程和節(jié)水灌溉技術(shù)改造以提高灌溉水利用系數(shù)，優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)以減少灌溉用水量，從而估算河套灌區(qū)灌溉引黃水量的減少量。因此，首先分析河套灌區(qū)主要作物需水量，扣除耗用的灌溉水以外的水量，得到凈灌溉需水量，再根據(jù)灌溉水利用系數(shù)計(jì)算毛灌溉需水量，其值較現(xiàn)狀水平年灌溉需水量的減少量即為資源型節(jié)水潛力。

2.1 作物需水量ET

作物需水量是農(nóng)業(yè)灌溉與節(jié)水的核心指標(biāo)，它的估算和測(cè)定，目前廣泛采用世界糧農(nóng)組織(FAO)的推薦的Penman-Monteith公式來(lái)計(jì)算[20]，即作物系數(shù)與參考作物需水量的乘積：

ET=kcET0

(1)

式中：kc為作物系數(shù)；ET0為參考作物騰發(fā)量。

2.2 凈灌溉需水量In

凈灌溉需水量是指需要用灌溉方式來(lái)滿(mǎn)足作物正常生長(zhǎng)的那部分水量。本文假定整個(gè)作物生育期起始階段土壤水分條件不發(fā)生變化或只是微量變化，此時(shí)，凈灌溉需水量的計(jì)算如下：

In=ET-αP-G

(2)

式中：α為降水有效利用系數(shù)；P為作物生育期內(nèi)實(shí)際降水量；G為作物直接耗用地下水量。

自然降水中實(shí)際被根層土壤儲(chǔ)存的水分才能算作是有效降水，通常用實(shí)際降水量乘以降水有效利用系數(shù)所得，在河套灌區(qū)降水稀少，根據(jù)已有研究成果，大致認(rèn)為 ，即所有降水均為有效降水，所得結(jié)果與實(shí)際相差不大。地下水補(bǔ)給主要來(lái)源于灌溉水的入滲。河套灌區(qū)地下水與灌溉水的關(guān)系較為復(fù)雜，為實(shí)用起見(jiàn)，本文從資源型節(jié)水的角度分析河套灌區(qū)節(jié)水潛力，假定作物直接耗用的地下水量為零。

2.3 毛灌溉需水量Ig

灌溉水從水源地輸送到被作物吸收利用的過(guò)程中，存在著蒸發(fā)、滲漏等不可避免的損失，因此，實(shí)際從水源處引用水量要遠(yuǎn)高于凈灌溉需水量，毛灌溉需水量即為凈灌溉需水量與輸水過(guò)程中的損失量之和，可由凈灌溉需水量除以灌溉水利用系數(shù)η水求得，即：

Ig=In/η水

(3)

灌溉水利用系數(shù)一般在數(shù)值上等于田間水利用系數(shù)與渠系水利用系數(shù)的乘積。

2.4 農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力ΔW

其計(jì)算公式為：

ΔW=W0-W1

(4)

(5)

式中：W1為規(guī)劃年灌溉需水量；Ai為規(guī)劃年第i種作物種植面積；kci為第i種作物的作物系數(shù)；W0為現(xiàn)狀年灌溉需水量。

2.5 河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力估算

以2010年為現(xiàn)狀水平年，河套灌區(qū)現(xiàn)狀年灌溉引黃水量為46.79億m3，以2020年、2030年分別作為近期和遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年，灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水工程改造實(shí)施方案參考《內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市水資源綜合規(guī)劃報(bào)告》(武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，2005-05)的成果。

(1)河套灌區(qū)規(guī)劃年田間、渠系和灌溉水利用系數(shù)。依據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市水資源綜合規(guī)劃報(bào)告》的研究成果，灌區(qū)實(shí)施節(jié)水改造方案之后，其規(guī)劃年田間水利用系數(shù)、渠系水利用系數(shù)以及灌溉水利用系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 河套灌區(qū)規(guī)劃年田間、渠系和灌溉水利用系數(shù)

(2)作物種植結(jié)構(gòu)。近年來(lái),內(nèi)蒙古河套灌區(qū)主要作物的總灌溉面積有所上升，其中耗水較多的小麥近十幾年來(lái)種植面積總體不斷減少，而玉米、葵花的種植面積則一直在增加。設(shè)定規(guī)劃年灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)，具體數(shù)據(jù)略。

(3)河套灌區(qū)主要農(nóng)作物需水量。河套灌區(qū)主要作物需水量如表2所示。

表2 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)主要作物需水量 mm

(4)有效降水量。河套灌區(qū)多年平均降水量130～215 mm,且降水量自東向西、由南向北遞減。灌區(qū)不僅年降水量少，而且年內(nèi)降水量分配極為不均，有著明顯的季節(jié)差異。降雨集中在夏秋兩季，占全年降水量的85%以上。主要作物生育期內(nèi)的有效降雨量如表3。

(5)河套灌區(qū)規(guī)劃水平年灌溉需水量。根據(jù)表1-3，利用公式(5)，在不考慮擴(kuò)大灌區(qū)灌溉面積的條件下，可以估算出規(guī)劃年河套灌區(qū)的灌溉需水量如表3。

表3 河套灌區(qū)主要作物生育期內(nèi)的有效降雨量 mm

表4 河套灌區(qū)規(guī)劃年主要作物灌溉需水量 億m3

(6)規(guī)劃年農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力值。以2010年為河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力估算的基準(zhǔn)年，根據(jù)河套灌區(qū)各灌域引水量資料，2010年河套灌區(qū)實(shí)際引黃水量為46.79億m3，由式(4)可得，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)規(guī)劃年2020年和2030年的作物農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力值分別為6.97和9.16億m3。

通過(guò)進(jìn)一步的分析計(jì)算，比較農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水不同環(huán)節(jié)的節(jié)水潛力，可知輸水渠道襯砌的節(jié)水潛力最大，規(guī)劃年2020年和2030年分別節(jié)水3.92和5.83億m3；其次是優(yōu)化種植作物結(jié)構(gòu)，可節(jié)水2.85億m3。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)河套灌區(qū)系列統(tǒng)計(jì)資料分析和野外實(shí)際調(diào)研，并結(jié)合已有研究成果，本文對(duì)河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析與估算，主要結(jié)論如下。

(1)以2010年為基準(zhǔn)年，河套灌區(qū)規(guī)劃年2020年和2030年農(nóng)業(yè)灌溉資源型節(jié)水潛力分別為6.97和9.16億m3，節(jié)水潛力較大。

(2)河套灌區(qū)輸水渠道襯砌的節(jié)水潛力最大，其次是優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)。因此，河套灌區(qū)節(jié)水改造的重點(diǎn)在農(nóng)業(yè)灌溉輸水系統(tǒng)的改造與配套，以提高渠系水利用系數(shù)，進(jìn)而提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率。

(3)由于河套灌區(qū)淺層地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要是農(nóng)業(yè)灌溉水的入滲。因此，在提高灌溉水利用系數(shù)的同時(shí)，減少了對(duì)地下水的補(bǔ)給，導(dǎo)致地下水位降低，并減少農(nóng)作物對(duì)地下水的充分利用。河套灌區(qū)的這種農(nóng)田水文過(guò)程的復(fù)雜性及其作用過(guò)程需要進(jìn)一步的深入研究。

□

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