田若谷， 李懷恩， 劉鐵龍

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗室， 陜西 西安 710048； 2.長江巖土工程總公司， 湖北 武漢 430010； 3.陜西省江河水庫管理局， 陜西 西安 710016)

1 研究背景

長時間以來，人們主要考慮社會經(jīng)濟(jì)增長，過度開發(fā)河流水資源，忽略了河流生態(tài)環(huán)境用水的需求，使水資源供需矛盾突出[1-2]。由于河流生態(tài)環(huán)境用水得不到足夠重視，水資源極不均衡的開發(fā)利用加速了河流生態(tài)系統(tǒng)功能的衰退，許多河道出現(xiàn)了生物多樣性減少、河道斷流等諸多生態(tài)環(huán)境問題[3-7]。正是由于這些生態(tài)環(huán)境問題的屢次出現(xiàn)，人們逐漸開始關(guān)注人類活動對自然、生態(tài)帶來的不利影響。

農(nóng)業(yè)灌溉用水在為人類帶來巨大經(jīng)濟(jì)利益的同時，也與河道生態(tài)環(huán)境用水形成矛盾，使河道生態(tài)基流得不到保證[8]，嚴(yán)重影響了河流健康[9]。為了保障生態(tài)基流，勢必會減少農(nóng)業(yè)灌溉引水量，從而產(chǎn)生農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。近些年，為保障河道生態(tài)用水而減少其他部門用水產(chǎn)生的損失與補(bǔ)償問題已成為研究的熱點(diǎn)[10]。怎樣協(xié)調(diào)、解決河道生態(tài)基流保障與農(nóng)業(yè)灌溉引水二者之間的矛盾，已成為當(dāng)前研究的新方向。

目前，國內(nèi)外已有學(xué)者對河道生態(tài)流量保障產(chǎn)生的代價與補(bǔ)償問題展開了研究。Qureshi等[11]重點(diǎn)研究了澳大利亞墨累流域保障生態(tài)用水時產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)機(jī)會成本。Jones等[12]使用隨機(jī)動力過程模型分析了為保障生態(tài)用水而減少農(nóng)業(yè)用水時產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失。Sisto[13]研究了保障俄羅斯北部奇瓦瓦沙漠生態(tài)需水后的農(nóng)業(yè)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)。Xue等[14]建立動態(tài)離散化的混合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法，以此為基礎(chǔ)評估了新疆塔里木盆地南緣的農(nóng)業(yè)灌溉與生態(tài)流量之間的用水平衡，并對不同利益受損者的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)補(bǔ)償進(jìn)行了量化。成波等[15]引進(jìn)作物需水系數(shù)，通過分析農(nóng)業(yè)用水減少量與產(chǎn)量損失的關(guān)系，提出了寶雞峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)補(bǔ)償量計算方法。張倩等[16]使用水分生產(chǎn)函數(shù)模型計算了渭河關(guān)中段生態(tài)基流保障引起的寶雞峽灌區(qū)、交口抽渭灌區(qū)的農(nóng)業(yè)損失量。當(dāng)前河道生態(tài)基流保障引起的農(nóng)業(yè)損失研究很少考慮作物在不同生長時期對水量的敏感性，以及各生育期缺水對作物總產(chǎn)量造成的影響。

近年來，陜西省政府與陜西省渭河流域管理局提出了“先生態(tài)、再灌溉、后發(fā)電”的用水原則。基于此，本文結(jié)合渭河干流寶雞段實(shí)況，針對農(nóng)業(yè)灌溉引水與生態(tài)基流保障之間的矛盾，建立了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失模型。通過簡化的Jensen模型，建立了作物生長過程中水量與作物實(shí)際產(chǎn)量之間的關(guān)系，計算作物受到水分脅迫后的實(shí)際產(chǎn)量，并將灌區(qū)現(xiàn)狀條件下的作物產(chǎn)量與受脅迫后的實(shí)際產(chǎn)量進(jìn)行對比，從而合理界定了保障河道生態(tài)基流后的農(nóng)作物產(chǎn)量損失和直接經(jīng)濟(jì)損失量，以期促進(jìn)河流生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，為水資源短缺地區(qū)的水資源科學(xué)管理和保障決策提供支撐。

2 研究區(qū)域概況

渭河干流關(guān)中段位于渭河流域中下游，包含寶雞、咸陽、西安、渭南、銅川、楊凌[17]6個行政區(qū)。其中渭河干流寶雞段的長度約為224 km[18]。寶雞峽引渭灌區(qū)地處關(guān)中西部[19]，灌區(qū)東西長181 km，南北平均寬14 km，具有窄而長的特點(diǎn)[20-21]。

渭河干流寶雞段天然來水量有限，用水矛盾突出，尤其是寶雞峽灌區(qū)建成后，灌區(qū)從渭河干流寶雞段引水量較大，灌溉用水大量擠占河道生態(tài)用水，造成了渭河寶雞市區(qū)段河道生態(tài)基流無法保障等生態(tài)環(huán)境問題。

3 研究方法與數(shù)據(jù)來源

3.1 供水量減小引起的農(nóng)業(yè)損失量計算方法

水是影響農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素之一。在其他外界條件相同時，為了研究供水量變化對作物產(chǎn)量的影響，引進(jìn)作物生長Jensen模型。

3.1.1 建立作物生育期Jensen模型 作物在不同生育時期對水分的敏感性不同。每一生長階段缺水都會對作物產(chǎn)量產(chǎn)生不同程度的影響，為了更好地描述作物不同生長階段缺水量對作物產(chǎn)量的影響，建立作物產(chǎn)量Jensen模型，公式為：

(1)

式中：n為作物生長不同階段；ya為作物受水量影響后得到的實(shí)際單產(chǎn)量，kg/hm2；ym為作物不受水分影響時(即各生育階段均不缺水的充分灌溉情況下)作物的最優(yōu)單產(chǎn)量，kg/hm2；ETai和ETmi分別為作物第i個生長階段的實(shí)際蒸發(fā)量和潛在蒸發(fā)量，mm；λi為作物第i個生長階段的作物水分敏感系數(shù)。

3.1.2 Jensen模型的簡化 當(dāng)實(shí)際蒸發(fā)量ETa小于潛在蒸發(fā)量ETm時，作物將會產(chǎn)生水分脅迫，產(chǎn)量將會受到一定影響。根據(jù)水量平衡法可得到ETa：

ETa=Pi+Ii+ΔW+W地下水補(bǔ)給-

W徑流損失-W深層滲漏量

(2)

其中：

Ii=α·p

(3)

式中：ΔW為計算時段初末的土壤儲水量，mm，由于關(guān)中灌區(qū)土壤儲水變化量很小，因此忽略ΔW變化，即ΔW=0；W地下水補(bǔ)給為地下水補(bǔ)給量，mm，當(dāng)?shù)叵滤恍∮? m時，才能被農(nóng)作物有效利用，本文的研究區(qū)域為寶雞峽灌區(qū)，該灌區(qū)大部分區(qū)域地下水位埋深大于3 m，因此本文在計算時,不考慮地下水補(bǔ)給量，即W地下水補(bǔ)給=0；W深層滲漏量為深層滲漏量，mm；W徑流損失為徑流損失量，mm，寶雞峽灌區(qū)屬于西北半干旱地區(qū)，W深層滲漏量、W徑流損失可忽略不計。Ii為有效降雨量，mm；Pi為灌溉水量，mm；α為有效降雨利用系數(shù)；p為研究區(qū)域降雨量。根據(jù)關(guān)中灌區(qū)實(shí)際情況分析可知，ETa可由不同階段作物實(shí)際供水量代替，實(shí)際供水量主要指有效降雨量Ii和灌溉水量Pi。

為便于計算，ETm可由作物生長不同階段需水量Qi代替。根據(jù)需水量和灌溉引水量，Jensen公式可簡化表示為：

(4)

作物敏感系數(shù)λi>0，λi越大說明此階段作物對水分越敏感，作物受水分脅迫的影響越大，此時ya/ym越小，作物實(shí)際產(chǎn)量ya就越小。

3.1.3 河道生態(tài)基流保障引起的農(nóng)業(yè)損失計算 根據(jù)不考慮生態(tài)基流保障時作物的實(shí)際產(chǎn)量，減去作物在受到水量影響后的實(shí)際產(chǎn)量，即可得到單位面積作物產(chǎn)量損失，可表示為：

Y損失=y原產(chǎn)量-ya

(5)

式中：Y損失為農(nóng)作物產(chǎn)量損失，kg/hm2；y原產(chǎn)量為未考慮生態(tài)基流保障時作物的實(shí)際產(chǎn)量，kg/hm2。

根據(jù)作物收購價格與作物損失量，即可得到單位面積作物產(chǎn)值損失，可表示為：

V直接=P·Y損失

(6)

式中：V直接為單位面積作物產(chǎn)值損失，元/ hm2；P為作物收購價格，元/kg。

3.2 河道生態(tài)基流保障率計算方法

河道生態(tài)基流保障率是衡量河道生態(tài)基流保障情況的重要尺度，將一年中河道流量滿足目標(biāo)調(diào)控值的天數(shù)除以一年總天數(shù)，即得到河道生態(tài)基流保障率，可表示為：

(7)

式中：Pj為河道生態(tài)基流保障率,%；Dj為一年中河道流量可達(dá)到調(diào)控值要求的天數(shù)；Q實(shí)為河道的實(shí)際日流量，m3/s；Q基為生態(tài)基流目標(biāo)調(diào)控值，m3/s。

3.3 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于1960-2016年《中華人民共和國水文年鑒》，2004《陜西省水利統(tǒng)計年鑒》、2011年《陜西省水利年鑒》[22-24]和《陜西省統(tǒng)計年鑒1981》《陜西省統(tǒng)計年鑒2011》[25-27]《陜西省統(tǒng)計年鑒2004》。

4 結(jié)果分析與討論

4.1 農(nóng)業(yè)損失計算

陜西省渭河流域管理局將渭河林家村斷面現(xiàn)階段的生態(tài)基流保障值定為5 m3/s。因此，將5 m3/s作為渭河寶雞段林家村斷面生態(tài)基流低限調(diào)控值?！段己恿饔蛑攸c(diǎn)治理規(guī)劃》對渭河關(guān)中段林家村斷面生態(tài)基流調(diào)控值定為10 m3/s，因此將10 m3/s作為渭河林家村斷面生態(tài)基流高限調(diào)控值。本文將依次計算生態(tài)基流調(diào)控值在5～10 m3/s之間的農(nóng)業(yè)損失量。

為了更好地研究不同來水頻率下保障生態(tài)基流造成的農(nóng)業(yè)損失量，根據(jù)河道天然來水情況選取典型年加以分析。由于渭河屬于季節(jié)性河流，在非汛期河道生態(tài)基流短缺現(xiàn)象嚴(yán)重，因此本文根據(jù)林家村(合)站1960-2016年非汛期平均徑流量資料選取典型水文年，選取結(jié)果如表1所示。

表1 典型水文年選取結(jié)果

作物敏感系數(shù)λi一般通過實(shí)驗確定，作物需水量可通過彭曼公式計算得到。受資料限制，本文作物敏感系數(shù)直接參考肖俊夫等[28]對西北地區(qū)作物敏感系數(shù)已有的研究成果，作物需水量采用王超等[29]對關(guān)中灌區(qū)作物需水量的研究結(jié)果，選取各月的作物需水量的多年平均值。

結(jié)合寶雞峽灌區(qū)實(shí)際情況，灌區(qū)以糧食作物為主，糧食作物種植面積接近總種植面積的90%，冬小麥和夏玉米是寶雞峽灌區(qū)最主要的兩種糧食作物。冬小麥和夏玉米各生長階段內(nèi)的相關(guān)參數(shù)如表2和3所示。其中，冬小麥在不受水分影響時的最優(yōu)單產(chǎn)量為6 306 kg/hm2，夏玉米在不受水分影響時的最優(yōu)單產(chǎn)量為7 731 kg/hm2。

農(nóng)作物生育期內(nèi)降水有效利用系數(shù)需通過實(shí)驗獲得，本文參考陜西省水利廳和西北農(nóng)林科技大學(xué)1991年利用多年觀測試驗計算統(tǒng)計的降水有效利用系數(shù)結(jié)果，如表4所示。

表2 西北地區(qū)冬小麥各生長階段相關(guān)參數(shù)

表3 西北地區(qū)夏玉米各生長階段相關(guān)參數(shù)

表4 寶雞峽灌區(qū)冬小麥和夏玉米生育期內(nèi)不同降水量的有效利用系數(shù)

查閱《陜西省統(tǒng)計年鑒》可得到寶雞峽灌區(qū)各典型年玉米生育期內(nèi)降雨量，玉米生育期降雨量和需水量如圖1。

圖1 各典型年玉米生育期降雨量與需水量

由圖1可見，玉米生育期內(nèi)降雨量較多，玉米生長需水基本可被滿足，需要灌溉來補(bǔ)充的水量較少，所以在玉米生育期內(nèi)(6-9月)減少灌溉水量對玉米產(chǎn)量基本不會造成影響，因此本文的農(nóng)業(yè)損失主要考慮冬小麥的產(chǎn)量損失。

查閱《陜西省水利年鑒》得到寶雞峽灌區(qū)各個典型年小麥生育期內(nèi)降雨量，由公式(3)及表4即可得到生育期內(nèi)有效降雨量。根據(jù)生態(tài)基流調(diào)控值和林家村(合)站流量資料可得到寶雞峽渠引水量，由于資料限制，以及近年來陜西省政府與陜西省渭河流域管理局提出了“先生態(tài)、再灌溉、后發(fā)電”的用水原則，本文不考慮魏家堡水電站引水(該電站引用寶雞峽干渠棄水進(jìn)行發(fā)電)，近似認(rèn)為寶雞峽灌渠引水量即為寶雞峽灌區(qū)灌溉引水量，由公式(4)即可得到保障生態(tài)基流后，不同調(diào)控值下寶雞峽灌區(qū)各典型年的單位面積實(shí)際產(chǎn)量，計算結(jié)果如表5所示。

表5 渭河林家村斷面生態(tài)基流保障條件下的寶雞峽灌區(qū)冬小麥單位面積實(shí)際產(chǎn)量 kg/hm2

根據(jù)寶雞峽灌區(qū)實(shí)況及各典型年未考慮生態(tài)基流時的實(shí)際產(chǎn)量，由公式(5)即可得到林家村斷面為保障生態(tài)基流不同調(diào)控值下造成的冬小麥單位面積損失量，計算結(jié)果如表6所示。

表6 渭河林家村斷面生態(tài)基流保障造成的寶雞峽灌區(qū)冬小麥單位面積產(chǎn)量損失 kg/hm2

寶雞峽灌區(qū)的作物種植面積為18.86×104hm2，由冬小麥單位面積損失和種植面積可得到其總產(chǎn)量損失，計算結(jié)果如表7所示。

表7 渭河林家村斷面生態(tài)基流保障造成的寶雞峽灌區(qū)冬小麥總產(chǎn)量損失 108 kg

由表6和7可知，不同典型年冬小麥損失量差異較大，平水年單位面積損失量和總產(chǎn)量損失最小，特枯年單位面積損失量和總產(chǎn)量損失最大。這主要是由于特枯年河道天然來水量較小，為保障河道生態(tài)基流而減少的農(nóng)業(yè)灌溉引水量較大，因此冬小麥產(chǎn)量損失也隨之增大。同一典型水文年，隨著生態(tài)基流調(diào)控值的增大，冬小麥的單位面積產(chǎn)量損失和總產(chǎn)量損失也不斷增大。其原因主要是天然來水量一定時，生態(tài)基流調(diào)控值越大，農(nóng)業(yè)灌溉引水量越小，因此產(chǎn)量損失越大。

由表6、7得到的冬小麥的產(chǎn)量損失和國家發(fā)改委公布的2019年小麥最低收購價格2.24元/kg，根據(jù)公式(6)可得到冬小麥單位面積產(chǎn)值損失，進(jìn)而得到灌區(qū)總損失值，如表8所示。

表8 渭河林家村斷面生態(tài)基流保障造成的寶雞峽灌區(qū)冬小麥產(chǎn)值損失

由表8可知，同一典型水文年，隨著生態(tài)基流調(diào)控值的增大，冬小麥單位面積產(chǎn)值損失和總產(chǎn)值損失不斷增大。隨著各典型年豐枯變化，產(chǎn)值損失也發(fā)生變化，調(diào)控值相同時，平水年產(chǎn)值損失最小，特枯年產(chǎn)值損失最大。

成波等[15]通過作物需水系數(shù)法計算渭河寶雞段生態(tài)基流調(diào)控值在6～10 m3/s之間時，寶雞峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值損失在0.37×108～5.25×108元之間。張倩等[16]采用水分生產(chǎn)函數(shù)計算了渭河生態(tài)基流保障后與未考慮基流保障時相比造成的灌區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值損失量在0.28×108～9.88×108元之間。本文計算了河道生態(tài)基流調(diào)控值在5～10 m3/s之間時，典型年農(nóng)業(yè)損失量在1.04×108～6.61×108元之間，本文計算結(jié)果介于上述結(jié)果之間，因此農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失結(jié)果具有一定的合理性。

4.2 河道生態(tài)基流保障率計算

林家村水文站地處寶雞峽灌區(qū)引渭灌溉渠首，林家村(三)站流量即為寶雞峽渠引水后的河道流量，林家村(三)站流量數(shù)據(jù)直接反映了渭河干流寶雞段引水后河道流量的變化。由林家村(三)站日流量資料，根據(jù)公式(7)可得到生態(tài)基流保障前后林家村斷面的保障率，如表9所示。

由表9可知，不考慮生態(tài)基流保障時，大量的農(nóng)業(yè)灌溉引水?dāng)D占河道生態(tài)用水，導(dǎo)致河道生態(tài)基流保障率較低，各個典型年不同調(diào)控值下生態(tài)基流保障率均低于40%，其中枯水年生態(tài)基流調(diào)控值為5 m3/s時的保障率僅有22%。保障前枯水年保障率低于特枯年保障率，主要原因是枯水年(2004年)寶雞峽渠引水量遠(yuǎn)大于特枯年(2011年)，因此河道剩余水量遠(yuǎn)小于特枯年，從而導(dǎo)致河道生態(tài)基流量不足，保障率較低。生態(tài)基流保障后，農(nóng)業(yè)灌溉引水量大量減少，保障率明顯提高，其中平水年和枯水年不同調(diào)控值下保障率均大于96%，特枯年保障率也顯著提高，均在76%以上。同一典型水文年生態(tài)基流調(diào)控值不同時，隨著生態(tài)基流調(diào)控值的增大，保障程度逐漸降低。不同典型水文年生態(tài)基流調(diào)控值相同時，平水年保障程度最高，枯水年次之，特枯年保障程度最低。此計算結(jié)果也表明，在渭河寶雞段實(shí)施生態(tài)基流保障措施效果顯著，具有可行性。

表9 生態(tài)基流保障前后渭河林家村斷面保障率 %

5 結(jié) 論

(1)通過引進(jìn)Jensen模型，定量計算了河道生態(tài)基流保障造成的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量損失和產(chǎn)值損失，該方法操作簡單，易于應(yīng)用。

(2)渭河林家村斷面生態(tài)基流調(diào)控值在5～10 m3/s之間時，寶雞峽灌區(qū)平水年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值損失在1.04×108～2.54×108元之間，枯水年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值損失在2.99×108～4.06×108元之間，特枯年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值損失在4.78×108～6.61×108元之間。

(3)實(shí)施生態(tài)基流保障措施前后，河道保障率情況變化明顯，生態(tài)基流保障效果顯著。

(4)基于河道生態(tài)基流保障的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失量的確定，能夠為生態(tài)基流補(bǔ)償提供依據(jù)，對流域地區(qū)有限水資源的利用、管理和規(guī)劃提供支持。

本文在計算農(nóng)業(yè)損失量時，僅考慮了冬小麥的損失，相應(yīng)的河道生態(tài)基流保障造成的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量與產(chǎn)值損失，與實(shí)際可能存在一定偏差，因此，還有待進(jìn)一步研究。