連鵬達(dá)

(河北地質(zhì)大學(xué)/河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050031)

石津灌區(qū)位于河北平原的中南部，石家莊、衡水以及邢臺各有一部分區(qū)域，處于E114°50′～115°50′，N37°30′～38°10′，涵蓋了3個(gè)市的14個(gè)縣市，占地面積為4174.48km2。地區(qū)內(nèi)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，公路交通極為方便，高速公路、省道和國道犬牙交錯(cuò)，路路相通，如307國道，黃石高速貫穿東西；大廣高速，231省道橫跨南北等。氣候特征表現(xiàn)為四季分明，寒暑懸殊，雨量集中，干濕期明顯，夏秋季長，春秋季短，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)。根據(jù)氣象觀測資料顯示，年平均氣溫約13.3℃，多年平均降雨量約為464mm，年際年內(nèi)降雨分配不均，全年降雨中的大部分集中在汛期7月上中旬—8月上中旬的30d，甚至更短的時(shí)間內(nèi)，占年降雨量的70%～80%。區(qū)域內(nèi)的農(nóng)作物澆灌主要用到黃壁莊水庫引水及地下水，黃壁莊水庫位于河北鹿泉黃壁莊村附近的滹沱河干流上，其主要任務(wù)是防洪，兼顧城市用水、灌溉、發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程，總庫容12.10億m3，可利用水量約為6億m3。

在我國北方地區(qū)水資源的形勢嚴(yán)峻，尤其在石津灌區(qū)，與農(nóng)業(yè)灌溉相關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，已成為制約經(jīng)濟(jì)社會全面可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題，由于降水與河流徑流量年內(nèi)分配不均勻，與灌溉需水過程不協(xié)調(diào)，因此詳細(xì)研究區(qū)內(nèi)主要農(nóng)作物冬小麥和夏玉米的需水規(guī)律對合理利用和分配現(xiàn)有水資源有著重要意義，不僅能提高水資源的利用效率，還能避免農(nóng)作物減產(chǎn)和大面積長期旱情的發(fā)生。

1 主要農(nóng)作物需水規(guī)律

石津灌區(qū)內(nèi)種植的主要農(nóng)作物是冬小麥以及夏玉米，占比在80%～90%，目前已知的作物需水研究表明，作物的蒸騰耗水是一個(gè)系統(tǒng)的傳輸過程，大氣、土壤、作物是其3個(gè)組成部分，任何一部分的變化都會影響需水量的大小，影響因素極多，研究較復(fù)雜，目前對作物需水的研究主要是確定其它因素的情況下研究大氣因素對需水量的影響，近年多數(shù)采用的方法是通過計(jì)算參照作物的需水來計(jì)算實(shí)際作物的需水量，該方法相對來說比較完善。文章運(yùn)用了聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織推薦使用的Penman-Monteith公式計(jì)算分析了灌區(qū)內(nèi)主要農(nóng)作物小麥和玉米的ET0及需水量，通過研究其農(nóng)作物長時(shí)間跨度的需水量，探討其規(guī)律的變化，研究的時(shí)間長度為20a，即2000—2019年，其中所用到的逐日氣象數(shù)據(jù)及降水?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，包含24h降水量、平均相對濕度、平均2min風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、平均水汽壓、日平均氣壓、最小相對濕度、最大氣壓、最小氣壓、最大溫度、日平均溫度、最小溫度等。

1.1 需水量的計(jì)算方法

文中計(jì)算冬小麥-夏玉米需水量所采用的是(FAO)Penman-Monteith公式，該方法首先計(jì)算的是參考作物蒸發(fā)蒸騰量，因?yàn)閰⒖甲魑镎舭l(fā)蒸騰量只受各項(xiàng)氣候條件的影響，因此可以根據(jù)石津灌區(qū)實(shí)際的氣象條件進(jìn)行逐日計(jì)算。參考作物蒸發(fā)蒸騰量定義的是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、在滿足水土條件下能獲得完全收成的大面積作物的蒸發(fā)蒸騰量，石津灌區(qū)位于河北平原的中南部，降雨量充沛的同時(shí)氣候也異常炎熱，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)，地形平坦且大面積種植小麥及玉米，利用彭曼公式來進(jìn)行計(jì)算是合理的。公式：

式中，ET0為參照作物需水量，mm·d-1；Δ為水汽壓曲線斜率，kPa·℃-1；u2為2m高度處的風(fēng)速，m·s-1；Rn為作物表面的凈輻射，MJ·m-2·d-1；G為土壤熱通量，MJ·m-2·d-1；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa·℃-1；T為2m高度處的空氣溫度，℃；es為飽和水汽壓；ea為實(shí)際水汽壓；es-ea為飽和水汽壓差，kPa。

利用氣象數(shù)據(jù)計(jì)算得到參照作物的蒸發(fā)蒸騰量后，還需要計(jì)算實(shí)際作物需水量，此次文中用到的是分段單值平均系數(shù)法，公式：

式中，ETc為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下實(shí)際作物需水量，mm·d-1；ET0為參照作物需水量，mm·d-1；Kc為作物系數(shù),無量綱。

聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的分段單值作物系數(shù)法，計(jì)算方法是把農(nóng)作物全生育期拆分為4個(gè)階段，作物系數(shù)Kc分為3個(gè)不同的值，4個(gè)階段分別是初始生長期、快速發(fā)育期、生育中期、成熟期。

文中所用到的作物系數(shù)Kc是范逢源[7]及梁文清[4]依據(jù)氣候、土壤、作物和灌溉條件對其進(jìn)行修正后推薦使用的，作物系數(shù)Kc在全生育期各個(gè)分段內(nèi)分別使用不同的值，數(shù)據(jù)更加精細(xì)和準(zhǔn)確。研究區(qū)內(nèi)的冬小麥其生育期基本可劃分為6個(gè)階段，即初始生長期、凍融期、越冬期、快速發(fā)育期、生育中期和成熟期，初始生長期是9月28日—11月28日，凍融期是11月29日—12月7日，越冬期是12月8日—次年3月21日，快速發(fā)育期是3月22日—4月30日，生育中期是5月1日—6月1日，成熟期是6月2—17日。夏玉米的生育期基本可劃分為4個(gè)階段，即初始生長期、快速發(fā)育期、生育中期和成熟期，初始生長期是6月18日—7月2日，快速發(fā)育期是7月3—30日，生育中期是7月31日—8月30日，成熟期是8月31日—9月23日。冬小麥及夏玉米各生育期的作物系數(shù)Kc值如表1、表2所示。

表1 冬小麥生育期的作物系數(shù)

表2 夏玉米生育期的作物系數(shù)

1.2 小麥和玉米生育期內(nèi)的需水規(guī)律

利用文中彭曼公式計(jì)算后得到，2000—2019年冬小麥全生育周期內(nèi)作物的需水量在460～610mm，平均為546mm，全生育期需水量最小的是2003年，需水量最大的是2005年，如圖1所示；2000—2019年夏玉米在全生育期內(nèi)的需水量在287～350mm，平均為316.4mm，生育周期內(nèi)需水量最小的是2011年，需水量最大的是2014年，每年的需水量如圖2所示。

圖1 小麥各生育期需水量

圖2 玉米各生育期需水量

從圖中可知，2000—2019年的長時(shí)間序列中，冬小麥全生育期內(nèi)需水量是保持相對穩(wěn)定的，其中有16個(gè)年份的需水量在500～600mm，而在這之中又有12個(gè)年份的需水量在540～570mm，占全部計(jì)算值的60%。只有在2003年、2012年、2013年、2005年4個(gè)年份，小麥的需水量<500mm或>600mm；夏玉米全生育期內(nèi)需水量上下變化幅度不大，需水量都集中在300mm左右，而在這之中需水量最大的年份與最小的僅相差63mm，需水量年際變化小，相對穩(wěn)定。

從圖中可知，小麥需水量最小和最大的年份分別是2003年和2005年，其值如表3、表4所示。

在表3中，2003年小麥的需水量最小為469.7mm，6個(gè)生育期中需水量皆小于平均水平，其中快速發(fā)育期需水量最大，為151.2mm。表4中可以看到，在2005年，小麥的需水量最大為604.2mm，越冬期、快速發(fā)育期和生育中期3個(gè)階段需水量就達(dá)469.5mm，其中快速發(fā)育期需水最多，達(dá)到210.4mm，為計(jì)算值中最大。

表3 小麥2003年需水量

表4 小麥2005年需水量

玉米需水最小和最大的年份分別是2011年和2014年，其值如表5、表6所示。

表5 玉米2011年需水量

表6 玉米2014年需水量

表5中可以看到，在2011年玉米的需水量最小，為287.4mm，每個(gè)生育期的需水量都小于平均水平，其生育中期需水量最大，為103.1mm。表6中能夠看到，需水量最大的年份是2014年，需水量為349.6mm，同樣是生育中期需水最多，可達(dá)到126.7mm。

2 有效降水量

有效降水量是指全年或季節(jié)性總降雨中為作物生產(chǎn)直接或間接利用，及用作農(nóng)田其它必須耗用的水量，包括作物截留的雨水、作物植株蒸騰、株間土壤蒸發(fā)掉的降水和淋洗等有助于作物生長和耕作作業(yè)的降水，是自然降水中實(shí)際補(bǔ)充到根層土壤中的凈水量，同時(shí)也是制定作物灌溉制度、灌溉排水制度、灌溉用水管理等的重要依據(jù)。

2.1 計(jì)算方法

2.1.1 比值法

國內(nèi)學(xué)者也研究出了一些計(jì)算有效降水量的公式，但是一般都限制較多，需要當(dāng)?shù)氐母鞣N參數(shù)，普適性較差。有關(guān)研究顯示，選取的時(shí)間段越短，有效降水量的計(jì)算精度越高，為了滿足當(dāng)前的灌溉規(guī)劃和設(shè)計(jì)要求，可以計(jì)算旬有效降水量，公式：

式中，Pe為旬有效降水量，mm；P為旬降水量，mm；ETc為旬作物需水量，mm。

2.1.2 美國農(nóng)業(yè)部推薦方法

此計(jì)算有效降水量的方法是美國土壤保持局推薦的，也是目前公認(rèn)的比較準(zhǔn)確的方法之一(Smith，1992)。公式：

式中，Pe為日有效降水量，mm；P為日總降水量，mm。

國內(nèi)外學(xué)者在計(jì)算有效降雨量時(shí)有多種方法，包括USDA-SCS法、水量平衡法和上述幾種方法，但其它方法較為復(fù)雜，需要用到更多的土壤儲水量等參數(shù)，所以本文采用比值法和美國農(nóng)業(yè)部推薦方法進(jìn)行逐日、逐旬的計(jì)算并對結(jié)果加以處理，以展現(xiàn)農(nóng)作物生育期內(nèi)的有效降水量。

2.2 農(nóng)作物生育期內(nèi)有效降水量

利用上述方法計(jì)算有效降水量，將2000—2019年20a間的冬小麥生育期內(nèi)有效降水量和夏玉米生育期內(nèi)有效降水量的計(jì)算結(jié)果整理如表7所示。

表7 農(nóng)作物的有效需水量

從表中可以看出，整體上冬小麥生育期內(nèi)降水量偏少，多年平均降水量約為149mm，經(jīng)過計(jì)算后得到的有效降水量占總降水量的比例頗大，說明每次降水都能充分利用，多年平均有效降水量為125mm，占總降水量的83.96%，占比極高，是因?yàn)槭蚬鄥^(qū)處于華北平原，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，在小麥的整個(gè)生育期內(nèi)，不僅降水少次數(shù)少，而且單次降水量也很小，導(dǎo)致每次降水后不能形成地表徑流而損失或排走，而是立刻下滲至地層之中被農(nóng)作物所利用，所以有效降水量占比較高。

夏玉米生育期內(nèi)的降水量較多，平均降水量為396mm，經(jīng)過上述公式計(jì)算得到的有效降水量占總降水量的比例較冬小麥小，多年平均有效降水占比為53.8%，比冬小麥低30%左右，表明石津灌區(qū)受暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候影響，在玉米全生育期內(nèi)，不僅降水次數(shù)多，而且單次降水量也很大，導(dǎo)致在每次降水后因量大土壤飽和后降水形成地表徑流而排走，所有降水不能全部下滲至地層中被農(nóng)作物所利用，所以有效降水量占比較低。

3 主要農(nóng)作物的缺水敏感期

為了精確確定主要農(nóng)作物小麥和玉米的缺水敏感期，以指導(dǎo)地下水和地表水的使用，文中將冬小麥及夏玉米的全生育期分段計(jì)算，冬小麥以月份為單位被劃分得到9個(gè)時(shí)段來進(jìn)行處理，夏玉米以旬為單位被劃分為9個(gè)階段，將計(jì)算得到的農(nóng)作物在各階段內(nèi)的平均需水及平均有效降水量加以處理，確定每個(gè)具體時(shí)段小麥及玉米是否缺水、缺水程度和缺水量，計(jì)算取得的結(jié)果整理后如表8、表9所示。

表8 各時(shí)段小麥的缺水量

表9 各時(shí)段玉米的缺水量

整體上來看，在小麥生育期內(nèi)，降水與需水量的差距很大，滿足比例不到1/4。分段分析，5月下旬需水最多為49.2mm，需水最少的為1月上旬10.1mm，有效降水量最多的為5月，達(dá)到29.6mm，降水量量最少的為1月，僅有1.8mm。從表8中可以看到，玉米的全部生育期內(nèi)有效降水量分布不均勻且降水量很少，降水量分布趨勢是先下降后上升，然后趨于穩(wěn)定，12月—次年3月是降水最少的時(shí)間，也就是越冬期。缺水量的變化趨勢與降水量變化趨勢基本相同，缺水量最多的是5月，可達(dá)103.2mm，缺水量最少的為12月—次年1月，缺水量為31.3mm和31.8mm。

從上文中能得出，在小麥生育期內(nèi)適宜對灌溉水源進(jìn)行管理的時(shí)段為3月中旬到小麥成熟，在這段時(shí)間內(nèi)缺水量均較大，是水量缺口比較大的時(shí)段，即越冬期結(jié)束到成熟的時(shí)間段內(nèi)對水源進(jìn)行精細(xì)化管理，以期最大化利用各種水資源。

整體上來看，在夏玉米生育期內(nèi)，降水與需水量的差距不大，降水量較充足，對計(jì)算需水量的滿足程度較高。分段分析，6月下旬需水最多為55.5mm，需水最少的為9月上旬28.5mm；有效降水量最多的為6月下旬34.2mm，降水量最少的為9月上旬12.7mm。從表中可以看到，全部時(shí)段內(nèi)有效降水量較多，大部分時(shí)間有效降水量大于缺水量，也就是說有效降水量能滿足超過1/2的計(jì)劃需水量，有效降水量分布趨勢是先上升后下降，6月下旬—9月中旬是一年中降水最多的時(shí)間，缺水量的變化趨勢與降水量變化趨勢不同，是先下降后上升,7月下旬—8月中旬是缺水量最低的時(shí)間也是一年中的汛期，缺水量最多的是9月下旬為21.4mm，缺水量最少的為8月上旬4.5mm。

從表中能得出的結(jié)論是，適宜對灌溉水源進(jìn)行管理的時(shí)段只有6月下旬，在此段時(shí)間內(nèi)旬缺水量大于20mm，是水量缺口相比較大的時(shí)段，即初始生長期。

4 結(jié)束語

水資源是支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源，是維系良好生態(tài)環(huán)境的要素之一，也是抗旱和應(yīng)急供水的重要水源。我國水資源的形勢嚴(yán)峻，與之相關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題日趨嚴(yán)重，已成為制約經(jīng)濟(jì)社會全面、和諧、可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略問題。石津灌區(qū)地處華北平原，河北的中南部，水資源極度缺乏，如何用好現(xiàn)有的水資源是重中之重，對區(qū)域內(nèi)主要農(nóng)作物需水規(guī)律進(jìn)行研究，根據(jù)農(nóng)作物的需水規(guī)律和降水以及河流水庫的年內(nèi)水量分配進(jìn)行綜合分析，不僅能提高水資源的利用效率，緩解水資源的缺乏現(xiàn)狀，還能精準(zhǔn)掌握并對農(nóng)作物的缺水敏感期進(jìn)行適時(shí)適當(dāng)?shù)墓喔?，有利于?jīng)濟(jì)社會的和諧發(fā)展，也對地區(qū)內(nèi)急劇下降的地下水位有著重要意義。