段琪彩，王樹鵬，張 雷，羅應(yīng)培，戚 娜

(云南省水利水電科學(xué)研究院，云南 昆明 650228)

云南地處低緯高原，農(nóng)業(yè)氣候資源特征鮮明，造就了立體農(nóng)業(yè)和高原特色農(nóng)業(yè)豐富多彩、復(fù)雜多樣的優(yōu)勢特點(diǎn)。滇中是云南底緯高原的重要組成部分，光熱資源條件好，但水資源較為緊缺[1-2]。為緩解滇中的缺水問題，充分發(fā)揮獨(dú)特的自然優(yōu)勢，2018年3月水利部正式對滇中引水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告準(zhǔn)予行政許可，目前工程已全面開工。然而，云南作為以山地為主的邊疆省份，灌溉試驗(yàn)站網(wǎng)建設(shè)發(fā)展緩慢[3]，灌溉制度研究較中東部地區(qū)差距較大，水肥不合理利用不僅制約著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，同時(shí)也造成了局部地區(qū)面源污染[4]，對貫徹落實(shí)“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展思想和實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略產(chǎn)生一定影響。CROPWAT[5]是聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)開發(fā)的計(jì)算機(jī)程序，目前該模型在全球不同地區(qū)作物需水量計(jì)算和灌溉制度制定中應(yīng)用較廣，Narmilan A等[6]對斯里蘭卡Batticaloa水稻需水量進(jìn)行了研究，Verma Ramesh等[7]應(yīng)用模型對印度Uttarakhand Dehradun地區(qū)水稻需水量進(jìn)行了研究，王中波等[8]應(yīng)用模型計(jì)算了松嫩平原南部地區(qū)水稻各生育期需水量、有效降雨和灌溉需水量。眾多研究表明，對作物、土壤等參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)后，該模型應(yīng)用取得了較好效果[9-14]，但針對滇中南部地區(qū)水稻泡田水量和本田期灌水量系列進(jìn)行模擬，據(jù)此制定灌溉制度的研究成果尚不多見。本文應(yīng)用CROPWAT模型模擬水稻的泡田水量和本田期灌水量系列并制定灌溉制度，旨在為水資源優(yōu)化配置、高效利用以及灌區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 模型簡介

CROPWAT是聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織土地和水開發(fā)司基于土壤、氣候和作物數(shù)據(jù)計(jì)算作物需水量和灌溉需水量的計(jì)算機(jī)程序，并評估作物在雨養(yǎng)和灌溉條件下的效益。模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括氣候、作物、土壤3類，還可根據(jù)實(shí)際需要對灌溉管理?xiàng)l件進(jìn)行交互式動(dòng)態(tài)設(shè)置，界面友好，應(yīng)用靈活方便。

CROPWAT 8.0中使用的所有計(jì)算程序均基于聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的兩份灌溉和排水系列出版物，即第56號《作物蒸散發(fā)-計(jì)算作物需水量指南》和第33號《對水的產(chǎn)量響應(yīng)》。CROPWAT 8.0軟件包中預(yù)設(shè)了標(biāo)準(zhǔn)作物和土壤數(shù)據(jù)，當(dāng)無法獲得本地?cái)?shù)據(jù)時(shí)可通過作物類型和土壤特性選擇合適的數(shù)據(jù)，應(yīng)用該模型進(jìn)行所需計(jì)算。當(dāng)本地?cái)?shù)據(jù)可用時(shí)，可以輕松地修改這些數(shù)據(jù)文件或創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)文件，以達(dá)到更好的計(jì)算效果。同樣，如果沒有當(dāng)?shù)氐臍夂驍?shù)據(jù)，可以從相關(guān)的氣候數(shù)據(jù)庫CLIMWAT獲得全世界5 000多個(gè)監(jiān)測站的氣候數(shù)據(jù)。CROPWAT 8.0灌溉計(jì)劃的制定是以日為時(shí)間尺度的土壤-水平衡原理，根據(jù)氣候、土壤、作物數(shù)據(jù)和各種用戶定義的供水、灌溉管理?xiàng)l件，計(jì)算給定作物的灌水量，制定灌溉計(jì)劃(制度)。

1.2 氣象數(shù)據(jù)

建水氣象站數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/)，收集了該站的經(jīng)度、緯度、海拔高程和1958—2013年逐日降水量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日照時(shí)數(shù)和日平均風(fēng)速。

1.3 模型參數(shù)

應(yīng)用CROPWA模擬灌水量所涉及的參數(shù)包括土壤、作物兩類，同時(shí)需設(shè)定灌溉管理方案。作物參數(shù)包括播種時(shí)間、作物系數(shù)、各階段生長時(shí)間、根系層深度、株高和水稻泡田土層深度共6個(gè)參數(shù)；土壤參數(shù)包括土壤總有效水量、最大入滲速率、耕作層深度、初始有效土壤水分耗損率共4個(gè)綜合參數(shù)，另外還包括泡田時(shí)排水孔隙度、臨界消耗率和泡田完成時(shí)水層深度、最大水層深度4個(gè)附加參數(shù)。文中田間管理方式為本地區(qū)常用的淹水灌溉模式，其中泡田時(shí)間為5月25日，插秧時(shí)間為5月28日，收割時(shí)間為9月25日；總有效水量(TAW)按式(1)計(jì)算[5]；其余參數(shù)根據(jù)建水試驗(yàn)點(diǎn)2016—2018稻季試驗(yàn)結(jié)果分析確定[14]。泡田時(shí)排水孔隙度(n)不僅與土壤特性有關(guān)，還受前期降水量影響，年際間變化較大，本文根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果率定的回歸方程式(2)計(jì)算。各參數(shù)取值見表1、2。

TAW=1000(θfc-θwp)

(1)

式中 TAW——總有效水量，mm/m；θfc——田間持水率，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果取0.42；θwp——凋萎點(diǎn)含水率，根據(jù)土壤類型(粉砂黏土)取0.27。

n=39.4-0.1948P

(2)

式中n——泡田時(shí)排水孔隙度，%；P——泡田之前20 d累積降水量，mm。

表1 建水試驗(yàn)點(diǎn)水稻種植作物參數(shù)

表2 建水試驗(yàn)點(diǎn)水稻種植土壤及稻田參數(shù)

1.4 灌溉制度擬定方法

灌溉制度采用理論計(jì)算法擬定，具體步驟為：①依據(jù)建水試驗(yàn)點(diǎn)2016—2018稻季試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對CROPWAT模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；②依據(jù)建水氣象站1958—2013年數(shù)據(jù)，應(yīng)用模型分別模擬歷年水稻泡田水量和本田期灌水量；③由水稻全生育期灌水量組成樣本系列，采用矩法計(jì)算不同保證率(P=50%、P=75%、P=90%)的灌水量，以相應(yīng)保證率(P=50%、P=75%、P=90%)灌水量對應(yīng)年份為典型，得到不同保證率灌溉制度。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻灌溉制度

建水水稻灌溉制度見表3。由表3可見，滇中南部建水水稻P=50%、P=75%、P=90%的灌溉定額分別為510.1、591.1、651.2 mm，其中泡田定額分別為185.3、209.2、213.9 mm，本田期灌溉定額分別為324.8、381.9、437.3 mm，泡田定額占總定額的35%左右。建水水稻5月28日插秧，本田期灌水次數(shù)分別為9、10、11次，灌水定額在20.3～46.7 mm；一般6月灌水4次，7月灌水2～3次；8—9月不同保證率的灌水次數(shù)差異較大，P=50%和P=75%年景共灌水3次，P=90%年景8月共灌水5次。由表3還可看出，6月中旬以前的灌水定額較小在20.3～26.2 mm，返青期之后灌水定額較接近在40.2～46.7 mm；不同保證率(P=50%、P=75%、P=90%)灌水定額無明顯差異，P=90%年景較P=50%年景泡田定額增加13.4%、本田期增加25.7%。總體來看，不同保證率的灌水定額無明顯差異，灌水次數(shù)和灌溉定額則隨保證率提高而增多(大)，灌水量年際間差異前期6—7月較小、后期8—9月較大。

2.2 灌水量模擬結(jié)果分析

建水1958—2013稻季灌水量特征值統(tǒng)計(jì)見表4。從表4可以看出，泡田水量最大值為1963季的241.7 mm，當(dāng)年前期非常干旱，5月1—25日降水量僅13.5 mm，泡田時(shí)土壤較為干燥，從而導(dǎo)致當(dāng)季的泡田水量最大；雨季來臨后，本田期降水量雖然偏少但分配相對均勻，本田期的灌水量為418.7 mm較多年平均值331.0 mm略偏大。泡田水量最小值為2001季的63.4 mm，當(dāng)年雨季來得早，自4月23日起開始連續(xù)降雨，至5月25日累積降水量288.7 mm，泡田時(shí)的土壤含水量大，致使當(dāng)季的泡田水量最??；當(dāng)季降水量接近平均情況，本田期灌水量263.9 mm。泡田水量出現(xiàn)極值的年份，本田期灌水量并不一定相應(yīng)出現(xiàn)極端情況。本田期最大灌水量為2010季的570.4 mm、最小灌水量為1971季的159.6 mm，全生育期最大灌水量為2010季的753.0 mm、最小灌水量為2001季的327.3 mm。全生育期灌水量最大值與本田期出現(xiàn)年景一致為2010季，最小值與泡田水量出現(xiàn)年景一致為2001季，即全生育期灌水量同時(shí)受泡田水量和本田期灌水量影響，隨機(jī)性較大。

表3 建水水稻灌溉制度

表4 1958—2013年稻季建水水稻灌水量統(tǒng)計(jì)

按泡田水量與本田期灌水量疊加為全生育期灌水量再排頻和按泡田水量、本田期灌水量分別排頻后疊加得全生育期的灌水量2種情況，分別統(tǒng)計(jì)P=50%、P=75%、P=90%的灌水量，結(jié)果見表5。從表5可見，先排頻后疊加與先疊加后排頻所得灌溉定額存在一定差異，其中泡田水量偏差在±5.9%以內(nèi)，本田期灌水量偏差在+9.0%，全生育期灌水量偏在+8.0%以內(nèi)，本田期灌溉定額先排頻成果偏大。

表5 建水水稻灌水量排頻結(jié)果

另據(jù)1958—2013年稻季灌水量統(tǒng)計(jì)分析，全生育期灌水量接近的年景泡田水量和本田期的灌水量存在較大差異，例如1981季(P=73.7%)和1982季(P=77.2%)全生育期灌水量頻率接近P=75%，這兩季的泡田水量分別為109.9、219.4 mm，本田期灌水量分別為466.7、372.4 mm，兩季的灌水量相差較大。

可見，泡田水量和本田期灌水量極值、不同保證率值出現(xiàn)年景并不一定相應(yīng)。從較小空間尺度來看，水稻灌水量主要受氣象因素影響，在降水、氣溫、風(fēng)速、濕度等眾多氣象因子中，又以降水過程分配的影響最為明顯。降水量一般為隨機(jī)過程，在水稻不同生育期為隨機(jī)組合，從而導(dǎo)致水稻泡田水量與本田期的灌水量并不一定同頻，因此制定灌溉制度時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮泡田水量和本田期灌水量，將兩者疊加后再進(jìn)行排頻得到的灌溉制度更切合本地區(qū)實(shí)際。

2.3 灌溉制度合理性分析

用水定額有設(shè)計(jì)定額、統(tǒng)計(jì)定額、管理定額之分[16]，不同定額所關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)不同，其結(jié)果也存在一定差異。目前，云南省實(shí)施的DB 53/T 168—2019《云南省地方標(biāo)準(zhǔn)用水定額》中，建水農(nóng)業(yè)灌溉用水分區(qū)屬滇中Ⅰ-3區(qū)，水稻泡田定額在240.0～255.0 mm，本田期P=50%、P=75%、P=90%的灌溉定額分別在427.5～435.0、487.5～502.5、540.0～562.5 mm，可見現(xiàn)行的灌溉定額較本次研究成果略偏大，其中泡田定額偏大12.2%～37.6%，本田期灌溉定額偏大23.5%～33.9%。滇中屬高原季風(fēng)氣候，降水量年際變化大，年內(nèi)分布不均勻，水資源緊缺，供需矛盾突出，現(xiàn)行水稻灌溉定額略偏大，從節(jié)約用水、減少農(nóng)業(yè)灌溉退水、保護(hù)水資源的角度考慮，本文擬定的水稻灌溉制度符合本地區(qū)實(shí)際。

3 結(jié)論

在對CROPWAT模型中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)1958—2013年建水氣象觀測數(shù)據(jù)，模擬了建水水稻的灌水量過程，并經(jīng)排頻擬定了水稻灌溉制度，得到以下結(jié)論。

a)滇中南部建水水稻P=50%、P=75%、P=90%的灌溉定額分別為510.1、591.1、651.2 mm，其中泡田定額分別為185.3、209.2、213.9 mm，本田期灌溉定額分別為324.8、381.9、437.3 mm，泡田定額占總定額的35 %左右。本田期灌水次數(shù)分別為9、10、11次，灌水定額在20.3～46.7 mm。

b)不同保證率灌水定額無明顯差異，灌水次數(shù)則隨著保證率提高而增多，灌溉定額也隨之增大，泡田定額P=90%較P=50%增加13.4%，本田期灌溉定額P=90%較P=50%增加25.7%；不同保證率的灌水量年際間差異前期6—7月較小、后期8—9月較大。

c)滇中南部建水現(xiàn)行的水稻灌溉定額標(biāo)準(zhǔn)基本合理，但從節(jié)約用水、保護(hù)水資源的角度考慮，水稻灌溉仍有20 %以上的節(jié)水潛力。