滕 凱

(海城市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 海城 114200)

0 引 言

調(diào)查顯示，我國總用水量的70%來源于農(nóng)業(yè)用水，其中農(nóng)業(yè)灌溉又占農(nóng)業(yè)用水的90%以上，所以我國用水大戶仍以農(nóng)業(yè)為主。相關(guān)研究表明，我國農(nóng)業(yè)用水效率低、用水比重大且存在巨大的節(jié)水潛力。目前，關(guān)于節(jié)水潛力學(xué)術(shù)界尚未給出普遍適用、統(tǒng)一完善的概念和定義。傳統(tǒng)意義上的節(jié)水潛力是指相對于未實施節(jié)水措施，實施多種或一種節(jié)水措施后某地區(qū)、行業(yè)(或作物)、單個部門所需水量的減少量。通過節(jié)水潛力分析和有關(guān)實驗研究，我國學(xué)者提出了適用于不同地區(qū)的節(jié)水潛力估算方法，如傅國斌等[1]綜合考慮多種因素和作物需水量情況，提出了一種預(yù)測節(jié)水潛力的理論方法；裴源生等[2]從耗水節(jié)水、用水節(jié)水的角度提出了真實的節(jié)水潛力估算方法，并認為區(qū)域真正的節(jié)水潛力體現(xiàn)于耗水節(jié)水量；段愛旺等[3]從廣義、狹義的層面上解釋了真實節(jié)水潛力，即灌溉用水在一定技術(shù)和條件下的減少量等于狹義節(jié)水潛力值，而基礎(chǔ)用水量以田間節(jié)水措施的減少數(shù)值等于廣義節(jié)水潛力值；有學(xué)者系統(tǒng)闡述了灌溉節(jié)水量、取水量中不可和可回收水的概念，并對加州的節(jié)水灌溉潛力進行了預(yù)測分析；田玉青等[4]歸納總結(jié)了灌區(qū)節(jié)水潛力的內(nèi)涵，即在可預(yù)見的技術(shù)條件下，與基準年相比同等規(guī)模的灌區(qū)采取一系列節(jié)水技術(shù)措施，其減少預(yù)期的灌溉用水量，定義理論的節(jié)水潛力等于最大可能節(jié)水量，并以大型自流灌區(qū)為例利用分項法和整體法估算其節(jié)水潛力。崔遠來等[5]提出尺度效應(yīng)能夠在一定程度上決定節(jié)水潛力，將不同尺度下的節(jié)水潛力利用同一方法估算會存在一定差異；周振民[6]、周華[7]等以河南人民灌區(qū)和寧夏河套灌區(qū)為例，運用灰色理論預(yù)測分析了灌區(qū)水資源供需狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上確定了灌區(qū)節(jié)水潛力；湯英等[8]對灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力利用情景分析法，從田間系統(tǒng)和輸水系統(tǒng)的角度進行預(yù)測；李英能等[9]借鑒相關(guān)研究資料，通過概化模型參數(shù)提出了一種簡易計算灌溉節(jié)水潛力的公式。此外，為有效解決節(jié)水潛力估算時傳統(tǒng)方法存在的問題，“真實節(jié)水”的概念被越來越多的用于農(nóng)業(yè)節(jié)水研究；尹劍等[10]對流域大尺度和灌區(qū)或田間尺度的節(jié)水潛力利用效率型、資源型節(jié)水潛力衡量，并對渭河流域關(guān)中段典型灌區(qū)在四種水文頻率年下(90%、75%、50%、25%)的節(jié)水潛力進行了計算；王海龍等[11]對資源型節(jié)水潛力進行了界定，并對農(nóng)業(yè)水資源合理開發(fā)、渠道襯砌工程建設(shè)繼續(xù)擴大、不改變作物種植面積情況下的節(jié)水潛力進行估算。

本研究以溫香灌區(qū)為例，對劉坨子排灌站、高坨子排灌站、桑樹排灌站、東高排灌站的主要作物灌溉需水量利用資源型節(jié)水潛力法進行計算，在此基礎(chǔ)上估算出資源節(jié)約型的溫香灌區(qū)節(jié)水潛力，這不僅有利于提高農(nóng)業(yè)水資源利用率、優(yōu)化作物種植結(jié)構(gòu)和發(fā)展節(jié)水技術(shù)灌溉，而且對灌區(qū)節(jié)水灌溉規(guī)劃以及促進區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展等都具有科學(xué)的指導(dǎo)意義。

1 溫香灌區(qū)概況

溫香灌區(qū)位于海城市西北方向，灌區(qū)灌溉以引太子河、渾河水為主要水源，屬于多水源灌區(qū)，多年平均可利用量為1.4億m3，75%年可利用量為1.05億m3。溫香灌區(qū)總灌溉面積4467hm2，包括劉坨子、高坨子、桑樹和東高4個排灌站，其中高坨子和劉坨子排灌站共灌溉耕地2867hm2，占到整個灌區(qū)的64%。溫香灌區(qū)此處遼河平原南部，為北溫帶季風(fēng)半濕潤半干旱氣候區(qū)，四季分明，光照充足，雨熱同季，非常適宜水稻等農(nóng)作物的生長。灌區(qū)多年平均降雨量650mm，降水量在年際和時空上分布很不均勻，冬春少、夏秋多，年平均氣溫8.3℃，相對濕度81%，日照時數(shù)2663h，無霜期為166d。根據(jù)多年觀測資料，土壤開始結(jié)凍最早為11月下旬，最晚解凍日期為3月下旬，穩(wěn)定解凍日期為3月中旬，標準凍深1.2m。

溫香灌區(qū)渠道運行時間長、加之年久失修，整個干渠滲漏及渠系建筑物老化嚴重，干渠普遍存在滲水量大、局部沖刷、淤積現(xiàn)象，灌區(qū)工程的現(xiàn)狀已嚴重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展。此外，隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)根據(jù)農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)的需要也做了重大調(diào)整，經(jīng)濟作物面積不斷擴大，所有這些都對灌區(qū)工程提出了更高的要求，通過渠道防滲襯砌及渠系建筑物改造對于提高水資源使用效率、節(jié)約水資源有著重要的意義，溫香灌區(qū)節(jié)水配套改造是大勢所趨，勢在必行[12,13]。

現(xiàn)階段，干渠的襯砌工程是灌區(qū)節(jié)水灌溉的重要保障措施，有效解決了現(xiàn)狀干渠滲漏造成的灌溉水源利用率低、水源浪費問題；襯砌后的渠道抗沖刷能力提高，過流斷面經(jīng)過優(yōu)化后輸水能力得到改善，將提高灌區(qū)灌溉管理效率、灌溉保證率以及確保灌區(qū)渠系供水能力。此外，渠道防滲有利于解決長期灌溉導(dǎo)致的地下水下降問題，渠系改造逐漸轉(zhuǎn)變了用水、排水不合理的情況，改善了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境[14]。

2 灌區(qū)節(jié)水潛力預(yù)測

參考相關(guān)文獻資料，按照以下流程估算及分析溫香灌區(qū)的節(jié)水潛力：在滿足作物需水量的條件下實施渠道襯砌等改造工程，通過節(jié)水灌溉技術(shù)改造、田間基礎(chǔ)工程建設(shè)和作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以提高灌溉水利用系數(shù)和減少灌溉用水量，在此基礎(chǔ)上對溫香灌區(qū)引太子河、渾河水量的減少量進行準確估算。所以，應(yīng)先確定溫香灌區(qū)耗用灌溉水以外的水量及其主要農(nóng)作物需水量，然后考慮用水系數(shù)求解凈灌溉和毛灌溉需水量，資源型節(jié)水潛力就等于現(xiàn)狀水平年灌溉需水量與毛灌溉需水量的差值。

2.1 作物需水量ET

目前，研究農(nóng)業(yè)節(jié)水與灌溉的關(guān)鍵指標為作物需水量，一般利用P-M公式測定和估算其數(shù)值，表達式為：

ET=kcET0

(1)

式中：ET0為參考作物騰發(fā)量；kc為作物系數(shù)。

2.2 凈灌溉需水量In

為滿足作物的正常生長需要用灌溉方式提供的部分水量就等于凈灌溉需水量，估算凈灌溉需水量時假定土壤水分條件在作物生育期起始階段只是發(fā)生微量變化或不發(fā)生變化，則其計算式為：

In=ET-αP-G

(2)

式中：P、G為作物生育期內(nèi)的實際降水量及其直接耗用的地下水量；α為降水有效利用系數(shù)。

有效降水通常是指作物根層土壤實際儲存的自然降水，一般利用降水有效利用系數(shù)與實際降水量的乘積來確定?？紤]到溫香灌區(qū)降水較少的實際情況，結(jié)合相關(guān)文獻資料，可認為有效降水與所有降水相等，這與實際情況也基本相符。灌溉水入滲為地下水補給水源，由于溫香灌區(qū)灌溉水與地下水存在較為復(fù)雜的關(guān)系，為便于計算假定溫香灌區(qū)地下水被作物直接耗用的量為零，并在此條件下估算灌區(qū)節(jié)水潛力。

2.3 毛灌溉需水量Ig

從水源地輸送到被作物吸收利用灌溉水不可避免的存在著滲漏、蒸發(fā)損失，所以凈灌溉需水量要遠低于從水源處的實際引水量，輸水過程中的損失量與凈灌溉需水量之和等于毛灌溉需水量，對此可以利用灌溉水利用系數(shù)η水和凈灌溉需水量確定，表達式為：

Ig=In/η水

(3)

在數(shù)值上，渠系水與田間水利用系數(shù)的乘積一般等于灌溉水利用系數(shù)。

2.4 農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力△W

根據(jù)以上計算結(jié)果，采用下述公式求解△W，即：

△W=W0-W1

(4)

(5)

式中：Ai、kci為第i種作物的種植面積以及作物系數(shù)；W0、W1現(xiàn)狀年和規(guī)劃年的灌溉需水量；其他字母同上。

2.5 溫香灌區(qū)節(jié)水潛力估算

設(shè)溫香灌區(qū)現(xiàn)狀、近期和遠期規(guī)劃水平年為2020年、2025年和2030年，灌區(qū)現(xiàn)狀年引太子河、渾河灌溉水量1.4億m3，相關(guān)數(shù)據(jù)參考溫香中型灌區(qū)節(jié)水配套改造項目初步設(shè)計報告。

1)規(guī)劃年溫香灌區(qū)灌溉水、渠系水和田間水利用系數(shù)。結(jié)合溫香中型灌區(qū)節(jié)水配套改造項目初步設(shè)計報告明確規(guī)劃年灌溉水、渠系水和田間水利用系數(shù)，如表1。

表1 水資源利用系數(shù)

2)作物種植結(jié)構(gòu)。近些年，隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)根據(jù)農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)的需要也做了重大調(diào)整，經(jīng)濟作物面積不斷擴大，所以作物種植結(jié)構(gòu)在規(guī)劃年應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整。

3)作物需水量。采用文中所述公式(1)計算溫香灌區(qū)主要作物需水量，如表1。

表2 溫香灌區(qū)的作物需水量 mm

4)有效降水量。溫香灌區(qū)多年平均降雨量為650mm，在年際和時空上降水量分布極不均勻，冬春少、夏秋多，其中夏秋季降水占全年的80%左右。依據(jù)文中所述，合理確定生育期內(nèi)主要作物的有效降雨量，如表3。

表3 生育期內(nèi)主要作物有效降雨量 mm

5)規(guī)劃水平年灌溉需水量。根據(jù)計算公式(5)和表1-3中的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)學(xué)計算估算出不考慮灌溉面積擴大條件下溫香灌區(qū)的灌溉需水量，如表4。

6)規(guī)劃年溫香灌區(qū)的節(jié)水潛力值。設(shè)定基準年為2020年，結(jié)合溫香灌區(qū)劉坨子、高坨子、桑樹、東高4個灌排站的引水量資料，可以確定基準年溫香灌區(qū)引太子河、渾河水量10500萬m3，利用公式(4)可以求解出基于資源節(jié)約型的溫香灌區(qū)2025年、3030年的節(jié)水潛力值為696.92萬m3和1266.72萬m3。

此外，通過對不同環(huán)節(jié)的農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力分析可知，節(jié)水潛力最大的為輸水渠道襯砌，其次為作物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整。

3 結(jié) 論

根據(jù)溫香灌區(qū)實際調(diào)研資料和序列統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并借鑒相關(guān)文獻資料，系統(tǒng)估算和分析了該灌區(qū)規(guī)劃年的節(jié)水潛力，主要結(jié)論如下：

1)設(shè)定基準年為2020年，基于資源節(jié)約型的溫香灌區(qū)2025年、3030年規(guī)劃年的節(jié)水潛力值為696.92萬m3和1266.72萬m3，該灌區(qū)具有較大的節(jié)水潛力。

2)溫香灌區(qū)節(jié)水潛力最大的為輸水渠道襯砌，其次為作物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，因此可以將配套改造農(nóng)業(yè)灌溉輸水系統(tǒng)作為灌區(qū)節(jié)水改造的重點，從而提高農(nóng)業(yè)灌溉水和渠系水的利用效率。

3)因農(nóng)業(yè)灌溉水入滲為補給溫香灌區(qū)淺層地下水的主要水源，所以在灌溉水利用系數(shù)提高的同時也使得地下水的補給量有所減少，并使得地下水位不斷下降。此外，仍需進一步深入研究溫香灌區(qū)復(fù)雜的水文過程及其變化特征。

表5 規(guī)劃年溫香灌區(qū)主要作物灌溉需水量 萬m3