王新剛

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

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黑山地區(qū)玉米灌溉中水資源優(yōu)化配置探析

王新剛

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

黑山縣是我國主要商品糧生產(chǎn)基地，現(xiàn)有灌溉配置模式較為單一，水資源分配不均。對玉米作物產(chǎn)量與需水量關(guān)系分析得出，當需水量達到一定數(shù)值，過多灌水量不對產(chǎn)量造成太大影響，當水量缺乏時，拔節(jié)期灌水量對作物產(chǎn)量影響較大；對長系列降水資料分析得出中等干旱年(降水頻率75%)降水量及年內(nèi)分配系數(shù)；對地下水水位變化及開采量變化分析，得出近年來地下水開采量趨于穩(wěn)定，儲量呈波形變化。并針對黑山地區(qū)玉米灌溉提出農(nóng)業(yè)灌溉水資源優(yōu)化配置建議。

作物產(chǎn)量；灌溉；降水；生育階段

黑山縣位于遼寧省西部，是我國主要商品糧生產(chǎn)基地縣，全縣水資源貧乏，人均水資源占有量不足全國均值的一半。黑山縣現(xiàn)有的灌溉配置模式較為單一，水資源分配不均，浪費水資源的情況比較嚴重，對作物產(chǎn)量的提高和品質(zhì)提升有較大影響。本文通過對作物產(chǎn)量、生長特性與作物需水量的分析，弄清地區(qū)種植作物的需水量及需水規(guī)律(本文以玉米為例)。結(jié)合現(xiàn)有水文系列資料，對中等干旱年(75%)條件的降水量、歷年地下水進行了分析，對制定科學(xué)合理的灌溉模式和采取相應(yīng)的節(jié)水措施至關(guān)重要。

1 作物灌溉概況

黑山縣位于遼寧省西部，錦州市東北部。東與新民市、遼中縣接壤，西與北鎮(zhèn)市、阜蒙縣毗連，南接臺安縣，北鄰彰武縣。黑山縣總?cè)丝?2.5萬人，其中農(nóng)業(yè)人口45.6萬人，城鎮(zhèn)人口16.9萬人。

全縣總土地面積2487km2，其中耕地面積216萬畝，占土地面積58%，耕地主要作物是玉米、豆類、花生等，其中玉米、豆類、谷物類等147萬畝。總灌溉面積74.21萬畝，有效灌溉面積66.23萬畝，其中節(jié)水灌溉面積9.33萬畝(其中管灌1.39萬畝、噴灌1.8萬畝、滴灌6.14萬畝)?，F(xiàn)狀年實際灌溉面積55.83萬畝，其中水田6.26萬畝、菜田16.53萬畝、水澆地33.04萬畝。

本文主要根據(jù)已有文獻敘述(以玉米為例)作物產(chǎn)量、作物生長階段與需水量之間的關(guān)系。

1.1 作物產(chǎn)量與需水量

玉米的產(chǎn)量都是先隨著需水量的增加而快速增加，當需水量達到一定程度時，產(chǎn)量增加緩慢，開始呈現(xiàn)出“報酬遞減”現(xiàn)象。

作物產(chǎn)量(籽粒)與全生育需水量的模型為：

Y=aET2+bET+c

其中：玉米：a=-2.6×10-3，b=23.701，c=-46 607，R=0.955 4。

作物產(chǎn)量與全生育期需水量的函數(shù)關(guān)系，在不同的試驗?zāi)攴葜g有所不同，作物與全生育期需水量之間存在著一種相對比較穩(wěn)定的關(guān)系[1]。

作物水分生產(chǎn)效率與全生育期需水量。水分生產(chǎn)效率(WUE)定義為作物每消耗1 m3誰所能生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量，即：WUE=Y/ET。在途中WUE的最高點與總產(chǎn)量的最高點并不一致，相應(yīng)于WUE最高點的需水量ET要低于產(chǎn)量Y的最高點ET。玉米的水粉生產(chǎn)效率與需水量有以下關(guān)系式：

WUE=-7.676×10-7ET2+0.006 5ET-11.926

圖1 玉米產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率與需水量之間的關(guān)系

由圖1可以看出，作物產(chǎn)量與需水量之間關(guān)系較為穩(wěn)定，當需水量達到一定數(shù)值時，產(chǎn)量也趨近平穩(wěn)。

1.2 作物生長階段與灌水期

根據(jù)已有文獻得出結(jié)論，對動態(tài)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型及模型求解過程并非本文重點，不做過多敘述。表1主要列舉在不同水文年情況下的優(yōu)化灌溉制度。

根據(jù)資料不難看出在一般的年份(平水年)，不灌水時的產(chǎn)量相當于充分灌水時產(chǎn)量的65%左右。灌一次水可達85%左右。灌兩次水可達90%左右。由此可見，節(jié)水灌溉可以保證在不減產(chǎn)的情況下有較大的節(jié)水效果，且灌水時間也起著比較重要的作用，在相同的灌水次數(shù)情況下，科學(xué)合理確定模式灌水定額及優(yōu)化灌水時間對增加糧食產(chǎn)量起著重要的作用。

根據(jù)黑山縣“節(jié)水增糧行動”總體實施方案中，描述該地區(qū)玉米生育階段各項指標情況如下表2。

按照遼寧地區(qū)常年玉米播種大致在4月11日開始起算始到9月灌溉，覆蓋全生育期，具體生育階段時間如圖2所示，每月天數(shù)如表3所示。

表1 玉米不同水平年優(yōu)化制度表

表2 黑山縣玉米生育階段各項指標情況

圖2 黑山地區(qū)玉米生育階段時間圖

表3 黑山縣玉米生育階段表

綜上所述，當玉米生育時達到一定需水量時，產(chǎn)量會達到峰值，當?shù)貐^(qū)水量匱乏時，保證拔節(jié)期灌水，能相對提高玉米產(chǎn)量。即6月份降水對作物影響尤為重要。

2 水資源狀況分析

根據(jù)《遼寧省水資源》1956～2000年系列評價成果，黑山縣多年平均水資源總量37 405萬 m3。其中，地表水資源量14 138萬 m3，地下水資源量24 973萬 m3，重復(fù)量1 706萬 m3，可開采量21 216萬 m3[2]。按用水總量控制分配指標分析，農(nóng)業(yè)灌溉可用水量為13 303萬 m3，其中地表可用水量為655萬 m3，地下可用水量為12 648萬 m3。

作物生長需水供給主要分為自然降水、河道引水及地下水提水灌溉等三種方式。由于黑山地區(qū)河流較少且徑流較小，地表供水忽略不計。下面著重對黑山地區(qū)降水與地下水儲量進行分析。

2.1 降雨量狀況分析

黑山縣屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明。春季多風(fēng)少雨，夏季炎熱多雨，秋季涼爽宜人，冬季干燥寒冷。黑山縣處于繞陽河流域，根據(jù)《遼寧省水資源》1956～2000年系列評價成果，年平均降水量為561.6 mm，年降水量最多的為1994年，降水量達到1 058.6 mm。年降水量最少的年份為1999年，年降水量只有267.6 mm。多年平均降水量為561.6 mm，不同頻率年降水量分別為：頻率20%年均降水量為687 mm，頻率50%年均降水量為551.2 mm，頻率75%年均降水量為456.0 mm，頻率95%年均降水量為339.0 mm。該區(qū)降水量的分布呈現(xiàn)出由北向南逐漸增加的特點。全年降水量主要集中在夏季，6～8月降水量約占全年總降水量的65%左右，蒸發(fā)量1 737.9 mm(見圖3)。

圖3 黑山年平均降雨量圖

玉米灌溉用不同降水頻率表示典型年的干旱程度，一般為平水年(降雨量頻率為50%)、中等干旱年(降雨量頻率為75%)以及干旱年(降雨量頻率為95%)。通過黑山縣司屯、沙嶺崗、白廠門等六處長系列雨量站降雨資料，推算出，黑山縣中等干旱年(降雨量頻率為75%)降雨量年內(nèi)分配系數(shù)，如表4所示。

可以得出中等干旱年(降雨量頻率75%)黑山地區(qū)4至8月降雨量多年均值為29.8 mm、38.4 mm、73.4 mm、122 mm、93 mm。降雨量按照月份天數(shù)平均，計算各生育階段降雨量如表5所示。

由表3可以看出，在中等干旱年時，黑山地區(qū)玉米作物在播種-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗階段缺水較為嚴重，分別占到階段需水量的51%、36.6%。其他階段相差較小。由于自然降水隨機性較強，此處對各生育階段降水量與需水量之間做了理想狀態(tài)下的對比，具有一定參考意義。

2.2 地下水狀況分析

2.2.1 地下水補給與排泄

區(qū)域地下水補給主要來源為大氣降水入滲補給、河道滲漏補給、側(cè)向補給、井灌回歸補給等。地下水排泄主要是開采量排泄、側(cè)向流出、河道排泄、潛水蒸發(fā)等[3]。

表4 黑山縣歷年平均降雨量月分配系數(shù)表

表5 黑山縣玉米生育階段降水量情況表

2.2.2 近10 a地下水開采量及水位變化

近10年地下水平均年開采量14 275萬 m3，最大年開采量為14 888萬 m3、最小年開采量為12 375萬 m3，區(qū)間變化幅度在-13.3%～4.3%之間，現(xiàn)狀年與2002年相比總體開采量增加了768萬 m3，近幾年開采量基本穩(wěn)定。詳見表6及圖4。

圖4 黑山縣近10 a地下水開采量變化圖

從黑山縣代表站(以半拉門為例，其他多處地下水站情況類似)地下水位變化過程線圖可以看出，地下水位近年變化有所上升，主要因為近2年降水較多，如圖5所示。

表6 黑山縣近10年地下水開采量統(tǒng)計表 萬 m3

圖5 黑山縣代表站近10 a地下水位變化過程線圖

黑山縣地下水開采量近年來趨于穩(wěn)定，地下水儲量變化較大，通過大氣降水入滲補給、河道滲漏補給、側(cè)向補給、井灌回歸補給等方式，以及開采量排泄、側(cè)向流出、河道排泄、潛水蒸發(fā)等排泄項等綜合因素，使得地下水儲量大致呈波型變化。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

黑山縣農(nóng)業(yè)用水缺乏，灌溉模式較為單一，從支持灌區(qū)管理科學(xué)決策的角度出發(fā)，通過對作物的生長習(xí)性及地區(qū)自然水資源狀況進行分析，得出以下結(jié)論：

(1)作物產(chǎn)量與需水量之間的關(guān)系，當需水量達到一定數(shù)值時，產(chǎn)量逐漸達到峰值，過多的灌水量不對產(chǎn)量造成太大的影響；當水量缺乏時，拔節(jié)期灌水量對作物產(chǎn)量影響較大，在干旱時應(yīng)保證拔節(jié)期灌水量；得出黑山地區(qū)玉米各個生育階段的時間，為科學(xué)灌溉提供參考意義。

(2)通過對黑山地區(qū)長系列降水資料的分析，得出中等干旱年(降水頻率75%)年內(nèi)月分配；通過作物在各個生育階段的需水量與降水量的分析，得出在中等干旱年時，作物在播種-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗期間缺水較為嚴重，需要地下水灌溉補給。

(3)通過對黑山地區(qū)長系列地下水水位變化及近年來地下水開采量變化分析，得出近年來地下水開采量趨于穩(wěn)定，地下水儲量呈波形變化。

3.2 建議

黑山縣為我國農(nóng)業(yè)商品糧生產(chǎn)基地，但水資源匱乏。雖然近些年來大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)，節(jié)水灌溉得到了普及，但在灌溉方式上未做到統(tǒng)籌考慮導(dǎo)致水資源的極大浪費。

(1)建議灌區(qū)與水文、氣象等部門積極聯(lián)動，實時獲得降水、墑情、地下水水位及氣象預(yù)報等資料，根據(jù)作物生長規(guī)律，科學(xué)安排灌溉及水量控制。

(2)加強對開采區(qū)的地下水動態(tài)監(jiān)測，每月初監(jiān)測一次地下水位，跟蹤地下水開采前后的動態(tài)變化，根據(jù)區(qū)域地下水的動態(tài)變化，科學(xué)調(diào)配開采量。

[1]朱成立,彭世彰,孫景生. 冬小麥節(jié)水高效優(yōu)化灌溉制度模型應(yīng)用研究[J].灌溉排水學(xué)報.2003,05:77-80.

[2]劉忠義,劉洋. 遼寧黑山縣“節(jié)水增糧行動”取用水合理性分析[J].黑龍江水利科技.2014,02:203-206.

[3]張世佑,秦秀梅.大、小凌河扇地下水資源分析[J].吉林水利.2008,02:10-13.

2016-12-28

王新剛(1982-)，男，遼寧阜新人，工程師，主要從事水文水資源管理及勘測方面工作。

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