王新剛

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

?

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(guó)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(duì)玉米作物產(chǎn)量與需水量關(guān)系分析得出，當(dāng)需水量達(dá)到一定數(shù)值，過(guò)多灌水量不對(duì)產(chǎn)量造成太大影響，當(dāng)水量缺乏時(shí)，拔節(jié)期灌水量對(duì)作物產(chǎn)量影響較大；對(duì)長(zhǎng)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(duì)地下水水位變化及開采量變化分析，得出近年來(lái)地下水開采量趨于穩(wěn)定，儲(chǔ)量呈波形變化。并針對(duì)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(guó)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(guó)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(fèi)水資源的情況比較嚴(yán)重，對(duì)作物產(chǎn)量的提高和品質(zhì)提升有較大影響。本文通過(guò)對(duì)作物產(chǎn)量、生長(zhǎng)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(duì)中等干旱年(75%)條件的降水量、歷年地下水進(jìn)行了分析，對(duì)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(tái)安縣，北鄰彰武縣。黑山縣總?cè)丝?2.5萬(wàn)人，其中農(nóng)業(yè)人口45.6萬(wàn)人，城鎮(zhèn)人口16.9萬(wàn)人。

全縣總土地面積2487km2，其中耕地面積216萬(wàn)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(wàn)畝?？偣喔让娣e74.21萬(wàn)畝，有效灌溉面積66.23萬(wàn)畝，其中節(jié)水灌溉面積9.33萬(wàn)畝(其中管灌1.39萬(wàn)畝、噴灌1.8萬(wàn)畝、滴灌6.14萬(wàn)畝)?，F(xiàn)狀年實(shí)際灌溉面積55.83萬(wàn)畝，其中水田6.26萬(wàn)畝、菜田16.53萬(wàn)畝、水澆地33.04萬(wàn)畝。

本文主要根據(jù)已有文獻(xiàn)敘述(以玉米為例)作物產(chǎn)量、作物生長(zhǎng)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(dāng)需水量達(dá)到一定程度時(shí)，產(chǎn)量增加緩慢，開始呈現(xiàn)出“報(bào)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(yàn)?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(duì)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(shuí)所能生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量，即：WUE=Y/ET。在途中WUE的最高點(diǎn)與總產(chǎn)量的最高點(diǎn)并不一致，相應(yīng)于WUE最高點(diǎn)的需水量ET要低于產(chǎn)量Y的最高點(diǎn)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(dāng)需水量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，產(chǎn)量也趨近平穩(wěn)。

1.2 作物生長(zhǎng)階段與灌水期

根據(jù)已有文獻(xiàn)得出結(jié)論，對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型及模型求解過(guò)程并非本文重點(diǎn)，不做過(guò)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(shí)的產(chǎn)量相當(dāng)于充分灌水時(shí)產(chǎn)量的65%左右。灌一次水可達(dá)85%左右。灌兩次水可達(dá)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(shí)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(shí)間對(duì)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(dòng)”總體實(shí)施方案中，描述該地區(qū)玉米生育階段各項(xiàng)指標(biāo)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(shí)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(xiàng)指標(biāo)情況

圖2 黑山地區(qū)玉米生育階段時(shí)間圖

表3 黑山縣玉米生育階段表

綜上所述，當(dāng)玉米生育時(shí)達(dá)到一定需水量時(shí)，產(chǎn)量會(huì)達(dá)到峰值，當(dāng)?shù)貐^(qū)水量匱乏時(shí)，保證拔節(jié)期灌水，能相對(duì)提高玉米產(chǎn)量。即6月份降水對(duì)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(píng)價(jià)成果，黑山縣多年平均水資源總量37 405萬(wàn) m3。其中，地表水資源量14 138萬(wàn) m3，地下水資源量24 973萬(wàn) m3，重復(fù)量1 706萬(wàn) m3，可開采量21 216萬(wàn) m3[2]。按用水總量控制分配指標(biāo)分析，農(nóng)業(yè)灌溉可用水量為13 303萬(wàn) m3，其中地表可用水量為655萬(wàn) m3，地下可用水量為12 648萬(wàn) m3。

作物生長(zhǎng)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(jì)。下面著重對(duì)黑山地區(qū)降水與地下水儲(chǔ)量進(jìn)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(yáng)河流域，根據(jù)《遼寧省水資源》1956～2000年系列評(píng)價(jià)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(dá)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(diǎn)。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(guò)黑山縣司屯、沙嶺崗、白廠門等六處長(zhǎng)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(jì)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(shí)，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(yán)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(jī)性較強(qiáng)，此處對(duì)各生育階段降水量與需水量之間做了理想狀態(tài)下的對(duì)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(bǔ)給與排泄

區(qū)域地下水補(bǔ)給主要來(lái)源為大氣降水入滲補(bǔ)給、河道滲漏補(bǔ)給、側(cè)向補(bǔ)給、井灌回歸補(bǔ)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(wàn) m3，最大年開采量為14 888萬(wàn) m3、最小年開采量為12 375萬(wàn) 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(wàn) 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(guò)程線圖可以看出，地下水位近年變化有所上升，主要因?yàn)榻?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(jì)表 萬(wàn) m3

圖5 黑山縣代表站近10 a地下水位變化過(guò)程線圖

黑山縣地下水開采量近年來(lái)趨于穩(wěn)定，地下水儲(chǔ)量變化較大，通過(guò)大氣降水入滲補(bǔ)給、河道滲漏補(bǔ)給、側(cè)向補(bǔ)給、井灌回歸補(bǔ)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(xiàng)等綜合因素，使得地下水儲(chǔ)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(guò)對(duì)作物的生長(zhǎng)習(xí)性及地區(qū)自然水資源狀況進(jìn)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(dāng)需水量達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，產(chǎn)量逐漸達(dá)到峰值，過(guò)多的灌水量不對(duì)產(chǎn)量造成太大的影響；當(dāng)水量缺乏時(shí)，拔節(jié)期灌水量對(duì)作物產(chǎn)量影響較大，在干旱時(shí)應(yīng)保證拔節(jié)期灌水量；得出黑山地區(qū)玉米各個(gè)生育階段的時(shí)間，為科學(xué)灌溉提供參考意義。

(2)通過(guò)對(duì)黑山地區(qū)長(zhǎng)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(guò)作物在各個(gè)生育階段的需水量與降水量的分析，得出在中等干旱年時(shí)，作物在播種-拔節(jié)、拔節(jié)-抽穗期間缺水較為嚴(yán)重，需要地下水灌溉補(bǔ)給。

(3)通過(guò)對(duì)黑山地區(qū)長(zhǎng)系列地下水水位變化及近年來(lái)地下水開采量變化分析，得出近年來(lái)地下水開采量趨于穩(wěn)定，地下水儲(chǔ)量呈波形變化。

3.2 建議

黑山縣為我國(guó)農(nóng)業(yè)商品糧生產(chǎn)基地，但水資源匱乏。雖然近些年來(lái)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(fèi)。

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

(2)加強(qiáng)對(duì)開采區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，每月初監(jiān)測(cè)一次地下水位，跟蹤地下水開采前后的動(dòng)態(tài)變化，根據(jù)區(qū)域地下水的動(dòng)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(bào).2003,05:77-80.

[2]劉忠義,劉洋. 遼寧黑山縣“節(jié)水增糧行動(dòng)”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(cè)方面工作。

TV213.4

B

1004-1184(2017)03-0107-03