賈易周，劉子西，唐蓮*

基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率調(diào)控研究

賈易周1,2，劉子西1，唐蓮1*

（1.寧夏大學(xué)，銀川 750021；2.黃河水利委員會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

【目的】提出青銅峽灌區(qū)合理有效的節(jié)水政策?！痉椒ā炕谧魑镎舭l(fā)蒸騰量，計(jì)算青銅峽灌區(qū)主要糧食作物的藍(lán)水足跡、綠水足跡，建立青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，研究青銅峽灌區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)用水效率，對(duì)其水資源利用效率的可變影響因素進(jìn)行調(diào)控?！窘Y(jié)果】青銅峽灌區(qū)的農(nóng)業(yè)種植需水來(lái)源主要是灌溉水，形成了以藍(lán)水為主、綠水為輔的生產(chǎn)用水格局，同時(shí)當(dāng)作物需水量被滿足時(shí)，藍(lán)水足跡和綠水足跡表現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì)；在保證青銅峽灌區(qū)內(nèi)糧食作物藍(lán)水用水量不變的前提下，選取綠水利用系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)為主要參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行仿真模擬，當(dāng)綠水利用系數(shù)從0.7增加為0.8時(shí)，2020年小麥產(chǎn)量增加了0.27萬(wàn)t，水稻產(chǎn)量增加了0.2萬(wàn)t，玉米產(chǎn)量增加了0.55萬(wàn)t；當(dāng)灌溉水利用效率增加10%時(shí)，2020年小麥產(chǎn)量增加了0.47萬(wàn)t，水稻產(chǎn)量增加0.35萬(wàn)t，玉米產(chǎn)量增加0.77萬(wàn)t；當(dāng)綠水利用系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)同時(shí)增加時(shí)，2020年小麥產(chǎn)量增加0.75萬(wàn)t，水稻產(chǎn)量增加0.55萬(wàn)t，玉米產(chǎn)量增加1.32萬(wàn)t?！窘Y(jié)論】青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)種植用水應(yīng)增加對(duì)綠水的利用率，通過(guò)各種工程或非工程措施提高灌區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)用水效率。

水足跡；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；農(nóng)業(yè)用水效率；青銅峽灌區(qū)；灌溉水利用系數(shù)

0 引言

【研究意義】中國(guó)水資源嚴(yán)重短缺，水資源不足是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸[1]，農(nóng)業(yè)節(jié)水戰(zhàn)略對(duì)保障水安全與糧食安全問(wèn)題至關(guān)重要。灌區(qū)灌溉節(jié)水是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重中之重。對(duì)灌區(qū)發(fā)展而言，首要前提應(yīng)是保障灌區(qū)生態(tài)環(huán)境健康，重點(diǎn)發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用，優(yōu)化農(nóng)業(yè)用水效率與提升作物品質(zhì)[2]，農(nóng)業(yè)虛擬水戰(zhàn)略的科學(xué)建立有利于解決我國(guó)水資源供需矛盾以及時(shí)空分布不均問(wèn)題，也是水資源可持續(xù)利用定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[3]。水足跡概念及其相關(guān)研究成果為全面評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)用水效率提供了全新的方法?！狙芯窟M(jìn)展】在以往對(duì)農(nóng)業(yè)水足跡分析中，大多數(shù)成果都集中在對(duì)作物水足跡的量化以及時(shí)空分布特征，不能全面反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)不同來(lái)源水資源依賴程度以及實(shí)際用水效率[4]。能夠給農(nóng)業(yè)用水管理提供的有效建議不多，隨著基于水足跡的農(nóng)業(yè)用水和節(jié)水評(píng)價(jià)研究的探索，作物水足跡在農(nóng)業(yè)用水效率評(píng)價(jià)中的優(yōu)勢(shì)正在逐漸顯現(xiàn)[4-9]。采用水足跡的研究思路對(duì)灌區(qū)的作物生產(chǎn)用水進(jìn)行合理評(píng)價(jià)，明確作物對(duì)藍(lán)水、綠水的消耗總量，以及其調(diào)控策略，有助于分析灌區(qū)主要糧食作物的用水形勢(shì)，實(shí)現(xiàn)水資源高效利用。而在氣候變化和人工干預(yù)雙重影響的背景下，對(duì)水資源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在評(píng)估現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)未來(lái)的需水情勢(shì)非常迫切。農(nóng)業(yè)用水受氣候變化、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步等多種因素的影響，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法可研究多個(gè)因素對(duì)同一變量的影響，通過(guò)建立不同的情景，控制不同變量，比較各因素的影響程度，從而提出適應(yīng)性管理策略。水足跡和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)都是研究水資源優(yōu)化問(wèn)題的有效方法，在研究過(guò)程中可以將二者有機(jī)結(jié)合，能取得較好效果。王倩等[10]基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)用水量主要受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步調(diào)控策略的影響，農(nóng)業(yè)用水量對(duì)科學(xué)管理水資源的分配、提高灌溉水利用系數(shù)極其敏感；王方劍[11]構(gòu)建了關(guān)中地區(qū)水足跡系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法仿真模型，在設(shè)置的4種不同農(nóng)業(yè)發(fā)展及用水模式中，引入降水入滲和灌溉水利用系數(shù)作為關(guān)鍵調(diào)控因子，實(shí)現(xiàn)關(guān)中地區(qū)水足跡預(yù)測(cè)；黃會(huì)平等[12]基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬藍(lán)水足跡、綠水足跡調(diào)控對(duì)農(nóng)業(yè)水資源承載力變化影響，通過(guò)工程技術(shù)手段同時(shí)提高綠水入滲系數(shù)及灌溉水利用效率，結(jié)果表明藍(lán)水、綠水資源的進(jìn)一步有效利用能提高灌區(qū)糧食安全生產(chǎn)保障率。李新生[13]構(gòu)建京津冀農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，探討京津冀農(nóng)業(yè)水資源管理中通過(guò)調(diào)控降水入滲系數(shù)及灌溉水利用系數(shù)，可以針對(duì)性地提出具體的調(diào)控措施，取得較好效果；劉寧[14]則嘗試從水足跡角度構(gòu)建京津冀地區(qū)水資源配置系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。以上研究表明，嘗試將藍(lán)水足跡、綠水足跡、灰水足跡引入降水入滲及灌溉水利用系數(shù)的研究，結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建，可針對(duì)農(nóng)業(yè)水資源承載力、農(nóng)業(yè)水資源管理等問(wèn)題開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)與調(diào)控。【切入點(diǎn)】在以往的農(nóng)業(yè)水足跡研究中，研究者重點(diǎn)分析了農(nóng)作物的水足跡及其空間的分布特征，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的農(nóng)業(yè)用水效率多關(guān)注藍(lán)水足跡，針對(duì)藍(lán)水、綠水綜合調(diào)控的研究還不多見(jiàn)。

【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文綜合考慮作物對(duì)灌溉水和降水的利用特征，從同時(shí)提高灌溉水資源（藍(lán)水）和降水資源（綠水）利用效率出發(fā)，將水足跡研究與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合，首先明確青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)灌溉即降水資源的真實(shí)占用情況，進(jìn)一步從藍(lán)綠水綜合角度探討青銅峽灌區(qū)主要糧食作物農(nóng)業(yè)用水效率的調(diào)控潛力，為提升青銅峽灌區(qū)的節(jié)水潛力，科學(xué)提高灌區(qū)內(nèi)農(nóng)作物的用水效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

1.1.1 研究區(qū)域

青銅峽灌區(qū)地處寧夏中北部，在行政區(qū)劃上主要包括銀川、石嘴山、吳忠3個(gè)地級(jí)市和青銅峽、利通區(qū)、靈武、永寧、銀川郊區(qū)、賀蘭、平羅、惠農(nóng)、陶樂(lè)、鹽池、同心等11個(gè)縣市及13個(gè)國(guó)營(yíng)農(nóng)、林、牧、漁場(chǎng)。地理位置介于東經(jīng)105°37′—106°39′，北緯37°49′—39°23′之間，南始于黃河青銅峽水利樞紐，東接鹽靈臺(tái)地，西抵賀蘭山脈，北至石嘴山，位于寧夏平原地勢(shì)最低處。灌區(qū)多年平均降水量為180～220 mm，年內(nèi)分布不均，主要集中在每年7、8、9月，年均蒸發(fā)量1 000～1 500 mm，年均氣溫8.5 ℃，＞10 ℃的年平均積溫3 630～3 830 ℃，無(wú)霜期達(dá)到174 d。水資源的基本特征是蒸發(fā)強(qiáng)烈、降水稀少，農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)于依賴過(guò)境黃河水。地下水資源總量為9 877萬(wàn)m3，其中大氣降水補(bǔ)給6 377萬(wàn)m3，賀蘭山山前側(cè)向徑流以及山洪入滲補(bǔ)給3 500萬(wàn)m3。青銅峽灌區(qū)基本均以引黃水灌溉為主。

1.1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

青銅峽灌區(qū)作物種植主要為水稻、小麥和玉米，再輔種其他豆類、薯類以及油料、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物，受數(shù)據(jù)收集限制，本文水足跡主要計(jì)算1993—2020年糧食作物的水足跡，且由于灌區(qū)統(tǒng)計(jì)資料不足，因此計(jì)算方式是收集1993—2020年灌區(qū)內(nèi)行政區(qū)劃的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括氣象、農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)和作物等數(shù)據(jù)。

氣象數(shù)據(jù)源于中國(guó)氣象網(wǎng)，包括青銅峽灌區(qū)行政區(qū)劃內(nèi)的各氣象站點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔等地理數(shù)據(jù)，以及氣溫、風(fēng)速、日照時(shí)間和平均相對(duì)濕度等氣象數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要來(lái)自于1993—2020年的《寧夏統(tǒng)計(jì)年鑒》，主要包括水稻、小麥、玉米的產(chǎn)量以及播種面積等數(shù)據(jù)。作物數(shù)據(jù)包括生育期數(shù)據(jù)和作物系數(shù)，參考《FAO-56作物需水量計(jì)算指南》。

1.2 研究方法

1.2.1 水足跡計(jì)算方法

由于本文僅考慮田間作物的耗水過(guò)程，為了評(píng)價(jià)田間尺度水分利用效率，因此選擇的方法為基于作物蒸發(fā)蒸騰量的計(jì)算方法[15]。該方法主要計(jì)算式為：

式中：green和blue為作物綠水足跡和藍(lán)水足跡；green和blue為農(nóng)作物綠水和藍(lán)水消耗量（m3/hm2）；常數(shù)10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，將單位由水深（mm）轉(zhuǎn)化為單位面積水容量（m3/hm2）；green和blue分別為每種農(nóng)作物綠水和藍(lán)水的蒸散發(fā)量（mm）；為單位面積農(nóng)作物的產(chǎn)量（kg/hm2）。

每種農(nóng)作物綠水和藍(lán)水的蒸散發(fā)量計(jì)算式為[16]：

式中：C為農(nóng)作物蒸散發(fā)量（mm）；eff為有效降水量（mm）。由于無(wú)法計(jì)算污染物水資源體積，本文只計(jì)算藍(lán)水足跡和綠水足跡。

參考作物蒸散發(fā)和作物系數(shù)的乘積為農(nóng)作物蒸散發(fā)量，使用Penman-Monteith公式計(jì)算參考作物蒸散發(fā)量[17]：

式中：C為作物蒸散發(fā)總量（mm/d）；0為參考騰發(fā)速率（mm/d）；C為作物系數(shù)；n為作物表面上的凈輻射（MJ/（m2·d））；為土壤熱通量（MJ/（m2·d））；為2 m高處日平均氣濕（℃）；2為2 m高處的風(fēng)速（m/s）；s為飽和水汽壓（kPa）；a為實(shí)際水汽壓（kPa）；sa為飽和水汽壓差（kPa）；Δ為飽和水汽壓曲線的傾率；為濕度計(jì)常數(shù)（kPa/℃）。

eff計(jì)算式為：

式中：dee為旬降水量（mm）；e(dee)為旬有效降水量，作物生育期內(nèi)的有效降水量可由各旬有效降水量累加得到[18]。

農(nóng)作物水足跡的計(jì)算式為：

green和blue主要由農(nóng)作物產(chǎn)量以及各氣候因素決定。農(nóng)作物水足跡是綠水足跡、藍(lán)水足跡的總和，因此，可以通過(guò)不同的途徑來(lái)控制農(nóng)業(yè)用水量。

1.2.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法可以把水資源、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等融合成一個(gè)系統(tǒng)整體，通過(guò)微分方程組模擬預(yù)測(cè)相關(guān)指標(biāo)變化情況，來(lái)進(jìn)一步研究農(nóng)業(yè)用水效率[19]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立是一個(gè)迭代的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中需要將流程循環(huán)往復(fù)，可以概括為反饋-分析-迭代-擬合的過(guò)程，基本步驟如下：

1）收集相關(guān)數(shù)據(jù)資料，由于資料可獲取性的限制，將系統(tǒng)邊界確定為2011—2020年。

2）確定模型內(nèi)含的變量，同時(shí)找出影響關(guān)鍵變量的可控因素為綠水有效利用系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)，根據(jù)假設(shè)繪制模型相關(guān)結(jié)構(gòu)圖。

3）確定模型參數(shù)，建立模型的相關(guān)方程，利用Vensim來(lái)進(jìn)行模型的建立。

4）對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試，查看模型是否能夠擬合系統(tǒng)，將相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，主要是把區(qū)域典型農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程作為研究系統(tǒng)，選取一定的要素建立農(nóng)業(yè)用水效率仿真模型，引入藍(lán)水足跡、綠水足跡，從更廣泛的角度討論調(diào)控灌區(qū)農(nóng)業(yè)種植水資源利用效率的可能性。首先要確定系統(tǒng)模型與外界環(huán)境之間的邊界范圍，邊界建立范圍大，系統(tǒng)所能包含的影響因素就多[20]。本文的系統(tǒng)空間邊界選擇青銅峽灌區(qū)行政區(qū)劃，由于相關(guān)數(shù)據(jù)無(wú)法全部收集，因此系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)間邊界為2011—2020年，時(shí)間步長(zhǎng)為1 a。之后選擇影響力較大的相關(guān)因素進(jìn)行調(diào)整，對(duì)模型進(jìn)行模擬調(diào)控，討論青銅峽灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水效率的合理調(diào)控政策，提升灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率。

2 結(jié)果與分析

2.1 水足跡計(jì)算結(jié)果

青銅峽灌區(qū)作物的綠水足跡和藍(lán)水足跡見(jiàn)表1、表2。由表1可知，2002年青銅峽灌區(qū)綠水足跡最大，其次為2012年，2005年最低。這是因?yàn)?002年灌區(qū)內(nèi)3種主要糧食的種植面積最大，同時(shí)說(shuō)明2002年降水量最高，為260.52 mm，其次為2012年，降水量為259.97 mm，2005年最低，降水量為80.86 mm。2002年各主要作物綠水足跡排序?yàn)橛衩?水稻<小麥，其值分別為0.281、0.290、0.641 m3/kg，分別占2002年總綠水足跡的23.2%、23.9%、52.9%。2012年各主要作物綠水足跡排序同樣為玉米<水稻<小麥，其值分別為0.266、0.319、0.484 m3/kg，占比分別為24.9%、29.8%、45.3%。2005年中各主要作物的總綠水足跡僅為0.198 m3/kg，說(shuō)明2005年青銅峽灌區(qū)降水量偏少，各主要作物綠水足跡都受到較大的影響。結(jié)合氣候數(shù)據(jù)可知，降水量是影響作物綠水足跡的主要因素，呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。

表1 青銅峽灌區(qū)1993—2020年各主要糧食作物綠水足跡

由表2可知，2005年青銅峽灌區(qū)的藍(lán)水足跡最高，表明2005年的灌溉用水量最高，是因?yàn)樵撃杲邓勘绕渌攴萁邓可?，為了保證作物的正常生長(zhǎng)，增加了灌溉用水量。2005年，小麥的藍(lán)水足跡最大，為2.225 m3/kg，占2005年總藍(lán)水足跡的52.0%，這主要是由于在青銅峽灌區(qū)主要種植小麥為春小麥，而在其生育期內(nèi)寧夏區(qū)域降水并不充足，因此灌溉水量增加，而水稻藍(lán)水足跡為0.973 m3/kg，玉米的藍(lán)水足跡為1.079 m3/kg，分別占2005年總藍(lán)水足跡的22.8%、25.2%，雖然水稻的種植面積遠(yuǎn)不如玉米，但水稻需水量大，另外，寧夏地區(qū)降水量偏少，因此，二者藍(lán)水足跡相差不大。2003年各主要作物中，水稻的藍(lán)水足跡為0.879 m3/kg，占2003年總藍(lán)水足跡的20.9%，小麥的藍(lán)水足跡最高，占當(dāng)年總藍(lán)水足跡的58.3%，玉米的藍(lán)水足跡占當(dāng)年總藍(lán)水足跡的20.8%。2016年的總藍(lán)水足跡為2.418 m3/kg，該年青銅峽灌區(qū)降水量較高，作物生長(zhǎng)發(fā)育條件較好，因此所需灌溉水量不多。小麥的藍(lán)水足跡一直較大，可能與其種植面積較大有關(guān)。結(jié)合相關(guān)氣象數(shù)據(jù)可知，降水量與藍(lán)水足跡負(fù)相關(guān)，而平均風(fēng)速與藍(lán)水足跡正相關(guān)，各氣象因素在不同時(shí)期的綜合作用能夠影響作物的生長(zhǎng)狀況，對(duì)藍(lán)水足跡、綠水足跡的影響程度也不同。

表2 青銅峽灌區(qū)1993—2020年各主要糧食作物藍(lán)水足跡

在研究時(shí)段內(nèi)，除2005年降水量最少，其對(duì)應(yīng)的綠水足跡最低，藍(lán)水足跡最高，符合藍(lán)綠水此消彼長(zhǎng)的規(guī)律外，2002年降水量最大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的綠水足跡最大，但藍(lán)水足跡卻并不是最小；2012年也是如此。說(shuō)明藍(lán)綠水的此消彼長(zhǎng)過(guò)程中，不同年份的綠水利用率、藍(lán)水利用率都沒(méi)有達(dá)到較好的匹配性[11]，還有提高潛力。

青銅峽灌區(qū)1993—2020年主要農(nóng)作物總水足跡中，綠水足跡占比為16.9%，藍(lán)水足跡占比為83.1%。可以看出藍(lán)水足跡占比更多，且要遠(yuǎn)高于綠水足跡，這意味著青銅峽灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水主要是灌溉水，在農(nóng)作物生產(chǎn)中主要以藍(lán)水為主，但充分利用綠水可降低灌區(qū)農(nóng)作物生產(chǎn)中灌溉水的使用量，有效改善對(duì)灌溉水資源的浪費(fèi)情況。

2.2 灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率優(yōu)化系統(tǒng)以優(yōu)化灌區(qū)農(nóng)業(yè)藍(lán)水、綠水用水效率，從而能夠更合理的使用灌區(qū)水資源并提高產(chǎn)量為最終目的，在模型建立中選擇可用的變量，分析變量之間的相關(guān)關(guān)系，以此來(lái)反饋系統(tǒng)內(nèi)部的信息。根據(jù)資料選擇具有代表性的變量，將變量分為4個(gè)類型，包括常量（C）、狀態(tài)變量（L）、速率變量（R）、輔助變量（A）。表3為系統(tǒng)模型選取變量。

表3 青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率模型變量

根據(jù)變量與系統(tǒng)之間的聯(lián)系，可以得到青銅峽灌區(qū)的農(nóng)業(yè)用水效率系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)

對(duì)青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真模擬，將灌區(qū)內(nèi)主要糧食產(chǎn)量的模擬結(jié)果用來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。本文?011年作為基準(zhǔn)年，選擇2011、2015、2020年3種糧食作物產(chǎn)量的實(shí)際值與模擬值來(lái)檢驗(yàn)，可以得到表4。由表4可知，3種糧食作物的產(chǎn)量模擬值與實(shí)際值最大誤差為6.72%，其絕對(duì)值不超過(guò)10%，滿足要求。

表4 模型誤差檢驗(yàn)和模擬結(jié)果

根據(jù)所建立的模型以及青銅峽灌區(qū)的現(xiàn)實(shí)情況來(lái)看，主要可以進(jìn)行調(diào)控的因素有農(nóng)作物藍(lán)水用量、綠水有效利用系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)。

1）綠水利用系數(shù)的仿真調(diào)控

為了保證青銅峽灌區(qū)糧食作物的正常生長(zhǎng)，需要充分滿足作物需水量，而青銅峽灌區(qū)屬于北方干旱地區(qū)，水資源短缺問(wèn)題明顯，節(jié)水灌溉是當(dāng)?shù)氐囊豁?xiàng)重要政策，因此需要通過(guò)不同方式來(lái)增加農(nóng)作物對(duì)綠水的利用率，減少灌溉用水的消耗量，有助于增加農(nóng)業(yè)用水效率。提升土壤持水能力的途徑包括深松耕作、地膜覆蓋等耕作措施，以此來(lái)增加農(nóng)作物對(duì)綠水的利用效率，保證即使灌溉用水不足時(shí)也能滿足作物正常發(fā)育的需水量，充分貫徹節(jié)水灌溉政策。

綠水有效利用系數(shù)的提高可以通過(guò)各種工程或者非工程措施，在本文中綠水利用系數(shù)初始值為0.7，在綜合考慮青銅峽灌區(qū)內(nèi)各種技術(shù)措施的施行后，在模擬調(diào)控時(shí)將綠水利用系數(shù)提升為0.8?？刂破渌挡蛔?，將綠水利用系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)控得到表5。

表5 綠水利用系數(shù)調(diào)整下模型模擬結(jié)果

在青銅峽灌區(qū)3種糧食作物的藍(lán)水用水量不變的前提下，提升綠水利用系數(shù)，可以看出各種糧食作物產(chǎn)量均有一定程度的提升，與同年未進(jìn)行調(diào)控時(shí)的模擬值相比，2020年小麥產(chǎn)量增加了0.27萬(wàn)t，水稻產(chǎn)量增加了0.2萬(wàn)t，玉米產(chǎn)量增加了0.55萬(wàn)t，說(shuō)明此時(shí)農(nóng)業(yè)用水效益也有了一定的提升。

2）灌溉水利用系數(shù)

灌溉水的損失主要包括輸送損失和灌溉損失量，因此通過(guò)減少渠系輸水損失、增加灌溉時(shí)的節(jié)水意識(shí)可以有效提高灌溉水利用系數(shù)，大力向農(nóng)戶宣傳節(jié)水政策，提高農(nóng)戶自主節(jié)水意識(shí)，合理使用各種節(jié)水灌溉技術(shù)，如渠道防滲、噴灌等，優(yōu)化作物灌溉用水管理政策，積極研制優(yōu)良作物品種，保證作物對(duì)水資源充分利用。

通過(guò)《寧夏回族自治區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析成果報(bào)告》可知，青銅峽灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)在0.4～0.55之間，規(guī)劃是2025年前達(dá)到0.65以上，灌溉水利用系數(shù)跟國(guó)內(nèi)平均水平及規(guī)劃水平相比仍有很大差距，依然有較大的提升空間，在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的仿真模擬中，將灌溉水利用系數(shù)每年提升10%，灌溉水系數(shù)調(diào)整后模擬結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 灌溉水利用系數(shù)調(diào)整下模型模擬結(jié)果

在青銅峽灌區(qū)3種糧食作物的藍(lán)水用水量不變的前提下，提高灌溉水利用系數(shù)，可以看出各種糧食作物產(chǎn)量均有一定程度的提升，與同年調(diào)控前的模擬值相比，2020年時(shí)小麥產(chǎn)量增加0.47萬(wàn)t，水稻產(chǎn)量增加0.35萬(wàn)t，玉米產(chǎn)量增加0.77萬(wàn)t，說(shuō)明此時(shí)農(nóng)業(yè)用水效益增加。

3）綠水利用系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)綜合仿真調(diào)控

在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中同時(shí)對(duì)綠水有效利用系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行調(diào)控，將綠水有效利用系數(shù)提升至0.8，灌溉水利用系數(shù)提升10%，分析在二者的綜合作用下，青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的變化，可以得到表7。

表7 綜合性調(diào)控措施下模型模擬結(jié)果

在青銅峽灌區(qū)3種糧食作物的藍(lán)水用水量不變的前提下，提高綠水利用系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)，可以看出各種糧食作物產(chǎn)量均有一定程度的提升，與同年調(diào)控前的模擬值相比，2020年小麥產(chǎn)量增加0.75萬(wàn)t，水稻產(chǎn)量增加0.55萬(wàn)t，玉米產(chǎn)量增加1.32萬(wàn)t，說(shuō)明此時(shí)農(nóng)業(yè)用水效益有一定提升，且增加幅度大于單一參數(shù)的調(diào)整。

3 討論

青銅峽灌區(qū)1993—2020年主要糧食作物水足跡及其變化趨勢(shì)表明，青銅峽灌區(qū)灌溉水利用效率逐年提高，實(shí)現(xiàn)了有效節(jié)水[21]。而其主要糧食作物的生產(chǎn)水足跡均以藍(lán)水足跡為主，這與趙芮[22]在寧夏中部揚(yáng)黃灌區(qū)研究相同，因此，對(duì)青銅峽灌區(qū)當(dāng)前的灌溉模式進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整能夠有效節(jié)約資源浪費(fèi)和提高糧食產(chǎn)量，應(yīng)該結(jié)合農(nóng)田實(shí)際情況加強(qiáng)節(jié)水灌溉建設(shè)，規(guī)范用水管理，改善農(nóng)藝措施，提高灌溉水利用效率來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)水增產(chǎn)[23]。

降水和灌溉用水同時(shí)在作物生產(chǎn)和糧食生產(chǎn)中發(fā)揮非常重要的作用[13,24]。從青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的模擬結(jié)果來(lái)看，提高綠水有效系數(shù)和灌溉水利用系數(shù)也能夠有效增加糧食作物產(chǎn)量，二者相結(jié)合對(duì)糧食作物產(chǎn)量的提升有更加明顯的作用。因此對(duì)于青銅峽灌區(qū)這類干旱缺水地區(qū)，應(yīng)保證在不增加灌溉水量的前提，通過(guò)節(jié)約藍(lán)水、提高綠水利用效率來(lái)進(jìn)一步提高灌溉效益，可以將各種管理及技術(shù)、工程措施相結(jié)合的方式來(lái)增加當(dāng)?shù)氐乃Y源承載力水平，滿足作物生長(zhǎng)需水過(guò)程中藍(lán)水和綠水需求，共同保證其正常生長(zhǎng)。

與此同時(shí)，青銅峽灌區(qū)主要糧食作物農(nóng)業(yè)用水效率的進(jìn)步空間依然很大，主要表現(xiàn)在藍(lán)水資源有限，灌溉水利用系數(shù)依然較低，規(guī)劃水平為2025年達(dá)到0.65；對(duì)降水資源的利用在引黃灌區(qū)目前則沒(méi)有明確的利用規(guī)劃。因此母彩霞[25]提出可以通過(guò)提高灌溉水利用系數(shù)的方式來(lái)增加青銅峽灌區(qū)對(duì)水資源的利用，主要調(diào)控措施是通過(guò)減少渠系輸水損失、增加灌溉節(jié)水意識(shí)來(lái)有效提高灌溉水利用系數(shù)，加大灌區(qū)節(jié)水改造，優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，減少高耗水作物的種植面積，大力向農(nóng)戶宣傳節(jié)水政策，提高農(nóng)戶自主節(jié)水意識(shí)，以及合理使用各種高效節(jié)水灌溉技術(shù)，如渠道防滲、噴灌、滴灌等，優(yōu)化作物灌溉用水管理政策[26]，保證作物對(duì)水資源充分利用，科學(xué)提高農(nóng)業(yè)用水效率。同時(shí)在灌區(qū)管理上，引導(dǎo)農(nóng)民深松耕作、地膜覆蓋、秸稈還田、免耕種植等耕作措施，改善土壤持水性能，降低土層體積質(zhì)量[13]，增加土壤總孔度，提高土壤飽和導(dǎo)水率，從而提高綠水利用效率，在灌溉用水短缺時(shí)保障作物生長(zhǎng)發(fā)育。

本文采用的是通用性方法，得出的主要結(jié)論同樣適用于主要種植小麥、玉米、水稻的其他北方大型灌區(qū)，但對(duì)于南方地區(qū)而言，其灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)差異使得各影響因素對(duì)灌區(qū)的作用程度不一樣，因此需要另外開(kāi)展研究，同時(shí)節(jié)水會(huì)對(duì)灌區(qū)區(qū)域生態(tài)環(huán)境影響如何還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1）青銅峽灌區(qū)主要糧食作物藍(lán)水足跡占總水足跡的83.1%，綠水足跡占總水足跡的16.9%，1993—2020年藍(lán)水足跡最大年份為2005年，最小年份為2008年，綠水足跡歷年最大年份為2002年，歷年最小年份為2005年。藍(lán)水足跡總體呈下降趨勢(shì)，綠水足跡整體不變，可以看出灌區(qū)總體用水效率有所提升，但對(duì)降水利用率不高。

2）在作物需水量被滿足的前提下，藍(lán)水足跡、綠水足跡的變化趨勢(shì)相反，但同年的互補(bǔ)關(guān)系并不完全匹配，如2002、2005、2012年，說(shuō)明存在灌溉綠水利用不充分、藍(lán)水利用不合理現(xiàn)象。

3）提升綠水有效利用系數(shù)或灌溉水有效利用系數(shù)均可以有效提高青銅峽灌區(qū)內(nèi)的糧食作物產(chǎn)量，而在同時(shí)對(duì)2種參數(shù)進(jìn)行調(diào)控時(shí)，其對(duì)產(chǎn)量的提升明顯高于對(duì)單一參數(shù)的調(diào)控。

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Using System Dynamics to Improve Agricultural Water Use Efficiency in Qingtongxia Irrigation District

JIA Yizhou1,2, LIU Zixi1, TANG Lian1*

(1. Ningxia University, Yinchuan 750021, China;2. Xifeng Management Supervision Bureau of Yellow River Soil and Water Conservation, Qingyang 745000, China)

【Objective】Qingtongxia irrigation district is one of the irrigation districts in northwestern China which rely on Yellow River water for irrigation. Using the water footprint concept, this paper proposes a system dynamic model to help improve agricultural water use efficiency in this district.【Method】Blue and green water footprints of major crops in the district were calculated from their evapotranspiration and transpiration. A system dynamics model for agricultural water use efficiency was then established, and the model was solved using the Vensim software.【Result】Irrigation water is the primary water source for agriculture in the district, forming a production water use pattern in which blue water is the main source and green water is a supplementary source. The blue and green water footprints vary oppositely in order to meet the demand of crops for water. On the premise to ensure constant blue water use for the crops, we selected the green water use coefficient and irrigation water use coefficient as parameters in the modelling. The model results show that increasing green water utilization coefficient from 0.7 to 0.8 can increase wheat production by 2.7×105t, rice production by 2×105t, and corn production by 5.5×105t. We also found that increasing the irrigation water utilization efficiency by 10 can increase wheat production by 4.7×105t, rice production by 3.5×105t, and corn production by 7.7×105t. Collectively, increasing green water utilization coefficient and irrigation water utilization coefficient simultaneously can increase wheat production by 7.5×105t, rice production by 5.5×105t, and maize production by 1.32×107t.【Conclusion】Agricultural production in Qingtongxia irrigation area should consider increasing utilization of green water and improving agricultural water use efficiency by improving engineering and non-engineering facilities to increase crop yields.

water footprint;system dynamics;agricultural water efficiency; Qingtongxia irrigation district; water use efficiency

1672 - 3317（2023）04 - 0137- 08

TV213

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022461

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2022-10-13

寧夏自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2022AAC03093）；寧夏高等學(xué)校一流學(xué)科（水利工程學(xué)科）項(xiàng)目（NXYLXK2021A03）；寧夏2018重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018BEG03008）

賈易周（1996-），男。碩士研究生，主要從事水資源調(diào)控研究。E-mail: 287714265@qq.com

唐蓮（1975-），女。教授，主要從事旱區(qū)水資源調(diào)控理論及技術(shù)研究。E-mail: nxdxtl@126.com

責(zé)任編輯：白芳芳