丁志宏，徐向廣，付曉亮

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.天津市中水科技咨詢有限責(zé)任公司，天津 300170；3.水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170)

海河流域人口眾多、水資源自然稟賦不足，在全國(guó)七大江河流域中，人均水資源量最少。與水資源量貧乏相對(duì)應(yīng)的是，作為我國(guó)京津兩大直轄市所在地，海河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，同時(shí)也是我國(guó)主要的糧棉油產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)生活等社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水量巨大[1]，2012年海河流域農(nóng)田灌溉用水量為221.85 億m3，占多年平均年水資源總量的59.96%。

如何在特定水資源條件約束下提高灌溉用水的效率與效益是農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的核心問(wèn)題。面對(duì)現(xiàn)階段的用水實(shí)踐，海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉潛力有多大是一個(gè)重要的科學(xué)和管理問(wèn)題，換言之，就是要定量地給出通過(guò)采用適宜的節(jié)水技術(shù)措施所能減少的水量消耗的潛力量值。對(duì)于此問(wèn)題的科學(xué)回答可以為流域管理機(jī)構(gòu)開(kāi)展流域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理工作提供重要的方向性指導(dǎo)。

但是，由于灌溉系統(tǒng)自身及其所處的區(qū)域/流域水資源系統(tǒng)的空間尺度性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、時(shí)程滯后性等諸多原因，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力具有尺度性，即具有不同空間尺度的灌溉系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力是不同的，其實(shí)質(zhì)是由于灌溉水資源的重復(fù)利用問(wèn)題在不同的空間尺度上具有不同的邏輯細(xì)節(jié)、表現(xiàn)形式和考慮方式。在具體研究中，傅國(guó)斌等人[2]綜合多種因素構(gòu)建了一個(gè)具有調(diào)節(jié)因子的灌區(qū)節(jié)水潛力計(jì)算公式；段愛(ài)旺等人[3]界定了節(jié)水潛力的狹義和廣義概念；李英能[4]提出了采用作物用水定額和調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算區(qū)域節(jié)水潛力的方法；彭致功等人[5]運(yùn)用遙感技術(shù)評(píng)價(jià)了區(qū)域耗水節(jié)水水平；羅玉麗等人[6]提出了灌區(qū)、田間、地下水和地表水等不同空間尺度的節(jié)水潛力計(jì)算公式；雷波等人[7]提出了基于灌區(qū)尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力估算理論和方法，并以徒駭馬頰河為例進(jìn)行了“毛節(jié)水量”和“凈節(jié)水量”的估算；劉路廣等人[8]提出了灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水以及農(nóng)業(yè)耗水、農(nóng)業(yè)回歸水、農(nóng)業(yè)取水的理論節(jié)水潛力與計(jì)算方法；劉建剛等人[9]對(duì)不同尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力、資源節(jié)水潛力和灌溉節(jié)水潛力進(jìn)行了界定并探討了不同尺度潛力之間的耦合關(guān)系；尹劍等人[10]將農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力劃分為資源型和效率型兩類，并以渭河流域關(guān)中段九大灌區(qū)為例進(jìn)行了不同水文頻率下的灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力分析；丁志宏等人[11]在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上，基于回歸水利用性假設(shè)而推導(dǎo)得到了流域尺度上的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算公式，并據(jù)此公式將流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力劃分為工程型、效率型和結(jié)構(gòu)型。

綜上所述，為了更好地指導(dǎo)海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理工作，有必要基于海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)體系[12]，運(yùn)用流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算公式[11]，參照區(qū)域灌溉定額標(biāo)準(zhǔn)和灌溉發(fā)展指標(biāo)，評(píng)估海河流域不同農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的各種類型農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力量值，進(jìn)而提出節(jié)水灌溉工作的重點(diǎn)區(qū)域和重點(diǎn)措施，以期為流域機(jī)構(gòu)開(kāi)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理工作提供技術(shù)基礎(chǔ)支撐和管理方向指南。

1 節(jié)水潛力計(jì)算公式

(1)工程型節(jié)水潛力?？紤]到現(xiàn)階段我國(guó)灌溉水利用系數(shù)的提高主要依賴于工程措施，故名之為工程型節(jié)水潛力，該類型節(jié)水潛力的計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：W工程為工程型節(jié)水潛力量值，m3/hm2；η1和η2分別表示采用節(jié)水技術(shù)前后的灌溉水利用系數(shù)；I需表示分區(qū)的作物凈灌溉需水量，m3/hm2；P為降水，mm；α為降水有效利用系數(shù)；G為地下水利用量，mm；ET為作物的蒸騰蒸發(fā)量，mm；A為作物種植面積，hm2：i表示分區(qū)內(nèi)的作物種類；n表示分區(qū)內(nèi)的作物種類數(shù)；ETi為第i種作物的需水量，即蒸騰蒸發(fā)量，mm。

(2)效率型節(jié)水潛力。效率型節(jié)水潛力主要來(lái)自于農(nóng)藝措施所減少的作物需水耗水量，該類型節(jié)水潛力的計(jì)算公式為：

(3)

式中：W效率為效率型節(jié)水潛力量值，m3/hm2；η1表示現(xiàn)狀年的灌溉水利用系數(shù)；φ1表示通過(guò)調(diào)整作物生理過(guò)程所能產(chǎn)生的農(nóng)田耗水減少的百分比；φ2表示通過(guò)采用滴灌等節(jié)水灌溉措施，耙耱鎮(zhèn)墑、秸稈覆蓋等農(nóng)藝措施所能使得農(nóng)田耗水減少的百分比[10]。

(3)結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力。結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力主要來(lái)源于作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，與效率型節(jié)水潛力同屬于作物需水側(cè)的節(jié)水潛力，該類型節(jié)水潛力的計(jì)算公式為：

(4)

式中：W結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力量值，m3/hm2；I規(guī)需表示分區(qū)規(guī)劃水平年的作物灌溉需水量，m3/hm2；I現(xiàn)需表示分區(qū)現(xiàn)狀水平年的作物灌溉需水量，m3/hm2；i表示分區(qū)內(nèi)的作物種類；Ai規(guī)為規(guī)劃水平年的第i種作物的種植面積，hm2；Ai現(xiàn)為現(xiàn)狀水平年的第i種作物的種植面積，hm2；η1表示現(xiàn)狀年的灌溉水利用系數(shù)，其余符號(hào)含義同上。

一般地，不能將上述3個(gè)層次農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力簡(jiǎn)單相加而得出流域的總體農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，原因在于工程型節(jié)水措施與效率型節(jié)水措施之間的節(jié)水潛力量值有重復(fù)量，重復(fù)量的大小與噴灌、滴灌等高效節(jié)灌面積在工程措施面積中所占比重成正比。

2 節(jié)水潛力評(píng)估

本文評(píng)估采用2012年為現(xiàn)狀水平年，2020年為規(guī)劃水平年。

2.1 有效灌溉面積與種植結(jié)構(gòu)

現(xiàn)狀年，海河流域各節(jié)水分區(qū)主要作物的有效灌溉面積見(jiàn)表1。其中，夏玉米種植面積最大，為385.1 萬(wàn)hm2；其次是冬小麥，為379.1 萬(wàn)hm2；最少的是春小麥，為3.9 萬(wàn)hm2。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，海河流域現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)灌溉用水量的75%以上為小麥和玉米的灌溉用水量，棉花生長(zhǎng)期與海河平原區(qū)的水熱豐期較為一致，水稻屬高耗水作物。

經(jīng)專家評(píng)議，各分區(qū)規(guī)劃水平年的種植結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1，流域有效灌溉面積保持不變。

2.2 作物灌溉定額

本文選取海河流域各省(自治區(qū)、直轄市)50%降水頻率下的作物灌溉定額作為分區(qū)節(jié)水潛力評(píng)估的需水量基準(zhǔn)，具體見(jiàn)表2。

2.3 灌溉水利用系數(shù)與節(jié)灌比

海河流域各節(jié)水分區(qū)的現(xiàn)狀和規(guī)劃水平年的灌溉水利用系數(shù)以及現(xiàn)狀水平年已實(shí)施節(jié)水灌溉措施的有效灌溉面積占總有效灌溉面積的比例(簡(jiǎn)稱現(xiàn)狀節(jié)灌比)見(jiàn)表3。

2.4 農(nóng)藝措施節(jié)水潛力

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)查[13-17]和專家評(píng)議，本文的效率型節(jié)水潛力評(píng)估采用如下參數(shù)設(shè)定。

(1)暫時(shí)不考慮改變作物生理結(jié)構(gòu)來(lái)節(jié)水，即φ1=0；冬小麥和春小麥在生長(zhǎng)期間的φ2=0。

(2)取冬小麥需水量的10%來(lái)作為灌溉節(jié)水量。

表1 海河流域作物有效灌溉面積 萬(wàn)hm2

表2 海河流域各分區(qū)作物灌溉定額(50%頻率)Tab.2 The irrigation quota of the water saving zones in the Haihe basin (50% frequency)

表3 海河流域各分區(qū)灌溉水利用系數(shù)和節(jié)灌比Tab.3 The coefficient of irrigation water use and current ratio of watersaving irrigation of the water saving zones in the Haihe basin

(3)取其需水量的15%作為棉花和春玉米采用地膜覆蓋的節(jié)水量、夏玉米采用殘茬覆蓋或地膜覆蓋的節(jié)水量。

(4)取其需水量的30%作為水稻控制灌溉技術(shù)的節(jié)水量；取其需水量的15%作為春小麥采用耕作保墑技術(shù)的節(jié)水量；取其需水量的30%作為設(shè)施蔬菜節(jié)水量。

各類作物的效率型節(jié)水潛力計(jì)算面積采用現(xiàn)狀尚未實(shí)施節(jié)水灌溉的全部有效灌溉面積，即本文所評(píng)估的節(jié)水潛力是有效灌溉面積上的尚未實(shí)現(xiàn)而需要進(jìn)一步挖掘的可能節(jié)水潛力。

2.5 節(jié)水潛力評(píng)估

按照式(1)～式(4)，基于2.1～2.4中所述的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)定，分別計(jì)算海河流域各農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的工程型、效率型、結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力，結(jié)果見(jiàn)表4，從中可知：

(1)海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力中，工程型節(jié)水潛力最大，結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力次之，效率型節(jié)水潛力最小，分別為43.83、12.46、7.49 億m3。

(2)工程型節(jié)水潛力最大的一級(jí)分區(qū)是南部引黃平原區(qū)，為22.07 億m3，最大的二級(jí)分區(qū)是徒駭馬頰河區(qū)，為17.16 億m3。

(3)效率型節(jié)水潛力最大的一級(jí)分區(qū)是南部引黃平原區(qū)，為3.38 億m3，最大的二級(jí)分區(qū)是徒駭馬頰河區(qū)，為2.68 億m3。

(4)結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力最大的一級(jí)分區(qū)是山前平原區(qū)，為5.85 億m3，最大的二級(jí)分區(qū)是冀中南平原區(qū)，為3.39 億m3。

(5)今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理工作的重點(diǎn)區(qū)域是引黃平原區(qū)和山前平原區(qū)；在豫北和魯北的引黃平原區(qū)，重點(diǎn)措施宜為實(shí)施渠道襯砌和高效節(jié)灌，輔之以井渠結(jié)合和渠系水量?jī)?yōu)化調(diào)度措施以提高灌溉水利用系數(shù)、挖掘工程型節(jié)水潛力；燕山、太行山山前的冀東、冀中山前平原區(qū)的重點(diǎn)措施宜為加大農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整力度、實(shí)施土地休耕、挖掘結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力。

表4 海河流域各農(nóng)業(yè)節(jié)水分區(qū)的不同類型節(jié)水潛力 億m3

2.6 潛力合理性分析

隨著自然地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水源狀況的不同，節(jié)水灌溉會(huì)有不同的實(shí)施要求、不同的節(jié)水標(biāo)準(zhǔn)，即節(jié)水是一個(gè)相對(duì)的概念，因此，流域尺度上的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力評(píng)估工作是一項(xiàng)涉及諸多影響因素的系統(tǒng)工程。《海河流域農(nóng)田水循環(huán)過(guò)程與農(nóng)業(yè)高效用水機(jī)制》提出[18]的推薦方案下的海河流域農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力為70.60 億m3、資源節(jié)水潛力為28.28 億m3。本文的工程型節(jié)水潛力與該著作所述及的灌溉節(jié)水潛力的內(nèi)涵是相同的，本文的效率型和結(jié)構(gòu)型節(jié)水潛力則相當(dāng)于該著作所述及的資源節(jié)水潛力。

本文研究得出的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力(見(jiàn)表4)與該著作得出的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，其間存在差異的原因可歸結(jié)為：①灌溉水利用系數(shù)提高幅度不同，本文為0.01～0.24，該著作為0.03～0.12；②節(jié)水措施實(shí)施面積不同，本文為尚未實(shí)施節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀有效灌溉面積，該著作為有效灌溉面積的60%～80%不等；③現(xiàn)狀水平年不同，本文為2012年，該著作為2005年，這7年期間海河流域的節(jié)水灌溉事業(yè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展；④有效灌溉面積、種植結(jié)構(gòu)設(shè)定等計(jì)算參數(shù)隨著現(xiàn)狀水平年的不同，本文與該著作也存在一些差異。據(jù)此，可以認(rèn)為，與該研究所得的節(jié)水潛力值相比，本文評(píng)估所得到的海河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力值為小這一結(jié)論是合理的、可信的、符合現(xiàn)狀實(shí)際情況的。

3 討 論

從灌溉水自水源至形成作物產(chǎn)量所歷經(jīng)的4個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)分析，節(jié)水灌溉應(yīng)從整個(gè)灌溉過(guò)程著手，凡是能減少灌溉水損失、提高灌溉水使用效率的措施、技術(shù)和方法均屬于節(jié)水灌溉的范疇。因此，廣義的節(jié)水灌溉技術(shù)內(nèi)容十分廣泛[19]，包括水源優(yōu)化、輸水過(guò)程節(jié)水、田間灌溉節(jié)水、農(nóng)作物種植栽培節(jié)水、灌溉制度優(yōu)化、渠系水優(yōu)化調(diào)度、土壤墑情監(jiān)測(cè)、用水計(jì)量、獎(jiǎng)勵(lì)與補(bǔ)償政策等工程、農(nóng)藝、管理、政策、法規(guī)等多方面措施。

本文采用的流域節(jié)水潛力評(píng)估公式是以土壤水量平衡方程為基礎(chǔ)推導(dǎo)簡(jiǎn)化而得，所劃分的節(jié)水潛力類型包括工程型、結(jié)構(gòu)型、效率型3種類型。依據(jù)其定義[11]，工程型和效率型節(jié)水潛力的實(shí)現(xiàn)是上述工程、農(nóng)藝、管理、政策、法規(guī)等節(jié)水灌溉技術(shù)措施綜合作用的結(jié)果，換言之，工程型和效率型節(jié)水潛力量值計(jì)算中所采用的參數(shù)，諸如灌溉水利用系數(shù)、覆蓋措施節(jié)水量等均是通過(guò)各類節(jié)水灌溉技術(shù)措施的實(shí)施來(lái)實(shí)現(xiàn)的，是對(duì)各類節(jié)水技術(shù)措施實(shí)施效果的綜合分類估算。

面對(duì)流域尺度上的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)具有的時(shí)空復(fù)雜性，流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力是在特定水平年的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)發(fā)展規(guī)模和水平之下，基于一定的假設(shè)，抓住主要影響因素而評(píng)估得出的數(shù)值，是在一個(gè)較大的時(shí)空尺度上對(duì)流域農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)在特定水資源條件以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平之下的節(jié)水潛力量值的宏觀度量和總體把握。流域尺度上的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的影響因素眾多而且相互交織，使得節(jié)水潛力具有復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性、耦合性、敏感性等特征，因而是一組動(dòng)態(tài)的、相對(duì)的數(shù)據(jù)。故本文評(píng)估得出的工程節(jié)水、結(jié)構(gòu)調(diào)整和效率提高等3方面的節(jié)水潛力大小及其排序應(yīng)隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)、數(shù)值模擬與分析、相關(guān)規(guī)劃編制與實(shí)施等科研與生產(chǎn)實(shí)踐的發(fā)展而開(kāi)展進(jìn)一步的動(dòng)態(tài)論證。

4 結(jié) 語(yǔ)

海河流域3種類型農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力由大到小依次為工程型、結(jié)構(gòu)型、效率型，分別為43.83、12.46和7.49 億m3。

海河流域今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉管理工作的重點(diǎn)區(qū)域是豫北和魯北引黃平原區(qū)、冀東和冀中山前平原區(qū)，重點(diǎn)節(jié)水措施分別是渠道襯砌、高效節(jié)灌、井渠結(jié)合、渠系水優(yōu)化調(diào)度和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整。本文所得評(píng)估結(jié)論對(duì)于流域機(jī)構(gòu)深入認(rèn)識(shí)和綜合把握海河流域的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉事業(yè)的既定現(xiàn)狀和發(fā)展方向具有積極的基礎(chǔ)性支撐和前瞻性指導(dǎo)作用。