譚翻 楊鵬年 汪昌樹 張林海 楊一飛 徐杰 王翠

摘 要：為確保用水總量控制下綠洲安全及干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展目標的實現(xiàn)，以新疆開孔河流域為例，提出基于用水總量控制指標、地下水安全等約束條件的干旱區(qū)灌溉節(jié)水潛力計算新方法。結(jié)果表明：１） 開孔河流域現(xiàn)狀年（２０２０ 年） 地下水開采量為１２．９７ 億ｍ３，灌溉用水總量為３４．８５ 億ｍ３；傳統(tǒng)節(jié)水模式下，流域中期規(guī)劃年（２０３０ 年）節(jié)水潛力為０．７４ 億ｍ３，遠期規(guī)劃年（２０５０ 年）節(jié)水潛力為５．０２ 億ｍ３。２）在節(jié)水潛力新內(nèi)涵下，開孔河流域中期規(guī)劃年沒有節(jié)水潛力，且需要休耕１８ ６６７ ｈｍ２，遠期規(guī)劃年節(jié)水潛力為１．７７ 億ｍ３。３）為防止干旱區(qū)次生鹽漬化，實現(xiàn)水資源短缺的干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展，在節(jié)水后應控制綠洲地下水位在３．５～４．０ ｍ 之間。對于水土不均衡的干旱區(qū)灌區(qū)而言，傳統(tǒng)節(jié)水思路對綠洲安全的重視程度不夠，對節(jié)水潛力評價過高。

：節(jié)水潛力；灌區(qū)節(jié)水；用水總量控制指標；干旱區(qū)；開孔河流域

中圖分類號：ＴＶ２１３．４ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０１３

引用格式：譚翻，楊鵬年，汪昌樹，等．面向綠洲安全和干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：７０－７４．

聯(lián)合國氣候變化專門委員會（ＩＰＣＣ）評估報告認為，未來全球極端氣象災害可能呈現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)的態(tài)勢，涵蓋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在內(nèi)的世界可持續(xù)發(fā)展將面臨巨大挑戰(zhàn)。全球自然與社會環(huán)境變化的不確定性，使干旱區(qū)綠洲安全和可持續(xù)發(fā)展面臨一系列重大問題。隨著最嚴格水資源管理制度的落實，水資源日益成為經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)保護的決定性要素。西北干旱區(qū)綠洲農(nóng)業(yè)如何化解經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展與生態(tài)安全用水間的矛盾成為當前面臨的重大問題。

節(jié)水灌溉是有效解決變化環(huán)境下保障國家糧食安全及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵舉措［１］ 。針對節(jié)水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要作用，許多學者進行了深入探討。Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ 等［２］ 分析了美國加利福尼亞州的農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力，Ｚｅｒｉｈｕｎ 等［３］ 指出可使用農(nóng)業(yè)灌溉水有效率評價農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。還有學者從不同角度對節(jié)水潛力進行研究并給出了不同耗水方式下的節(jié)水潛力計算方法［４－１０］ 。沈振榮等［１１］ 分析了我國農(nóng)業(yè)節(jié)水現(xiàn)狀和存在問題，認為需大力推進農(nóng)業(yè)節(jié)水的發(fā)展，加大農(nóng)業(yè)節(jié)水技術應用力度。趙西寧等［１２］ 研究表明農(nóng)業(yè)節(jié)水方法和水平、區(qū)域農(nóng)業(yè)用水規(guī)模等因素對農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的影響較大。王學淵等［１３］ 綜合多種因素分析表明中國農(nóng)業(yè)還有巨大的節(jié)水潛力。裴源生等［１４］ 定義了取水節(jié)水和耗水節(jié)水的概念，認為耗水節(jié)水為真正的節(jié)水潛力。總體來看，前人的研究多側(cè)重于水量的節(jié)約，而對灌區(qū)生態(tài)與水土安全等問題研究不多，不能滿足目前用水總量控制下的經(jīng)濟、環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展等用水安全要求。因此，針對變化環(huán)境下干旱區(qū)節(jié)水潛力研究思路及計算方法存在的問題，本文提出節(jié)水潛力新內(nèi)涵，探討在用水總量控制下兼顧綠洲安全和可持續(xù)發(fā)展的干旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計算方法。

１ 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

以開孔河流域為研究區(qū)，該流域地處新疆南部、塔里木盆地東北側(cè)，屬大陸干旱氣候區(qū)，包括開都河和孔雀河兩個子流域（見圖１）。開都河子流域的焉耆盆地與孔雀河灌區(qū)分屬兩個不同的地貌單元與氣候類型，因此兩個區(qū)域的作物種植類型及灌溉制度有一定的差異。焉耆盆地年平均降水量７６．１ ｍｍ，年均日照時數(shù)為２ ９８０ ｈ，年均氣溫８．５ ℃，年均水面蒸發(fā)量１ ８７６．７ｍｍ，主要種植作物有小麥、玉米、辣椒等?？兹负幼恿饔虻膸鞝柪帐心昶骄邓浚担福?ｍｍ，年均日照時數(shù)為２ ９９０ ｈ，年均氣溫１１．４ ℃，年均水面蒸發(fā)量２ ７８８．２ｍｍ，主要種植作物有香梨、棉花等。

研究區(qū)內(nèi)有焉耆和庫爾勒兩個氣象站，觀測項目包括逐日降水量、氣溫、風速、日照時數(shù)和相對濕度等。本研究所用的這兩個氣象站的氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象數(shù)據(jù)中心（ｈｔｔｐ：／／ ｄａｔａ．ｃｍａ．ｃｎ）。各類土地類型面積來源于２０２０ 年遙感影像數(shù)據(jù)解譯，并與第三次全國土地調(diào)查數(shù)據(jù)進行對比得到；結(jié)合實地踏勘，得到灌區(qū)供耗水過程與物候特征等基礎信息。

開孔河流域２０２０ 年灌溉面積為３５４ １０７ ｈｍ２，地表水實際供水量為２１．８８ 億ｍ３［ １６］ 。開孔河流域現(xiàn)有機井１１ ７３６ 眼，地下水開采量不僅與當年地表水的引水量有關，而且與農(nóng)作物需水及灌溉方式有關，因此地下水的實際開采量不易準確獲取。鑒于農(nóng)作物基本為充分灌溉，因此本文利用水量平衡法計算得出現(xiàn)狀年（２０２０ 年）地下水實際開采量為１２．９７ 億ｍ３，并由此得到灌溉水總量為３４．８５ 億ｍ３。

３ 開孔河流域節(jié)水潛力分析

傳統(tǒng)節(jié)水潛力一般包括取用水節(jié)水和耗水節(jié)水，取用水節(jié)水反映區(qū)域水資源取用的節(jié)約量，耗水節(jié)水是采取節(jié)水措施的耗水與不采取節(jié)水措施的耗水差值（蒸發(fā)蒸騰量的減少量）。本文從取用水節(jié)水和耗水節(jié)水兩方面分析開孔河流域在用水總量控制下兼顧灌區(qū)發(fā)展與生態(tài)安全等多重目標的節(jié)水潛力。

３．１ 取用水節(jié)水

開孔河流域除香梨等成齡果樹主要采用管道灌溉外，絕大部分農(nóng)田采用膜下滴灌，因此現(xiàn)狀灌溉模式下斗渠以下基本為膜下滴灌。其中：地表水從斗渠末端進入壓力前池，經(jīng)加壓后送入田間；地下水則從井口進入壓力前池或直接進入管道經(jīng)加壓后送入田間。目前流域灌溉水利用系數(shù)較低，有較大的提升空間，可通過對灌區(qū)渠系進行防滲襯砌、加強田間配套工程建設及提升田間灌溉節(jié)水技術水平等措施提高灌溉水利用系數(shù)?？紤]到灌區(qū)地表水與地下水的灌溉水利用系數(shù)不同，根據(jù)現(xiàn)狀年灌區(qū)地表用水量與地下用水量的占比加權計算出規(guī)劃年綜合灌溉水利用系數(shù)（見表１）。

３．２ 耗水節(jié)水

１）田間農(nóng)藝節(jié)水。農(nóng)作物灌溉定額主要由土壤蒸發(fā)與葉面蒸騰兩部分水量組成。農(nóng)作物在生長早期耗水以土壤蒸發(fā)為主，生長中后期耗水則以葉面蒸騰為主?？紤]采取覆膜、中耕等田間措施、選用抗旱農(nóng)作物品種、發(fā)展農(nóng)藝節(jié)水技術等，預測中期規(guī)劃年（２０３０年） 灌溉定額比現(xiàn)狀年低１５０ ｍ３ ／ ｈｍ２，遠期規(guī)劃年（２０５０ 年）灌溉定額比現(xiàn)狀年低３００ ｍ３ ／ ｈｍ２［１７］ 。

２）冬灌控水。開孔河流域冬灌定額約為１ ８００ｍ３ ／ ｈｍ２，冬灌在以地表水灌溉為主的時期起到調(diào)控水鹽的作用。隨著灌區(qū)地下水利用量增大后潛水位下降、生長期采用滴灌對土壤鹽分定向調(diào)控等措施，冬灌對土壤鹽分淋洗的作用大為減弱。因此，中、遠期規(guī)劃年灌區(qū)冬灌可定為３ ａ 冬灌１ 次，預測２０３０ 年灌溉定額為１ ８００ ｍ３ ／ ｈｍ２、２０５０ 年為１ ５００ ｍ３ ／ ｈｍ２［１７］ 。

３．３ 傳統(tǒng)節(jié)水模式下的節(jié)水潛力

１）主要農(nóng)作物及其植被覆蓋度（見圖２、圖３）。開孔河流域２０２０ 年主要農(nóng)作物種植面積為４５．０２ 萬ｈｍ２，其中：開都河子流域主要農(nóng)作物小麥、玉米、辣椒種植面積分別為５．１２ 萬、１１．１４ 萬、５．４５ 萬ｈｍ２，利用Ｅｎｖｉ 軟件的監(jiān)督分類法計算得到的植被覆蓋度分別為３４％、４２％、５３％；孔雀河子流域主要農(nóng)作物棉花、香梨種植面積分別為２０．１１ 萬、３．２ 萬ｈｍ２，植被覆蓋度分別為４４％、３９％。

２）主要農(nóng)作物需水量。開孔河流域農(nóng)作物需水量根據(jù)庫爾勒市、焉耆縣兩個氣象站的氣象數(shù)據(jù)和不同農(nóng)作物植被覆蓋度，利用ＦＡＯ－５６ 推薦的彭曼公式計算得出。開都河子流域主要農(nóng)作物小麥、玉米、辣椒平均需水量分別為３８４、４１７、３９３ ｍｍ，孔雀河子流域主要農(nóng)作物棉花、香梨平均需水量分別為４８４、７３６ ｍｍ。農(nóng)作物需水量空間分布見圖４。

３）節(jié)水潛力。根據(jù)上文確定的節(jié)水潛力相關參數(shù)，在滿足充分灌溉的前提下，可計算出開孔河流域現(xiàn)狀灌溉面積的需水量為３４．８５ 億ｍ３，開孔河流域中期規(guī)劃年（２０３０ 年）農(nóng)業(yè)灌溉需水量為３４．１１億ｍ３、遠期規(guī)劃年（２０５０ 年）農(nóng)業(yè)灌溉需水量為２９．８３ 億ｍ３。結(jié)合流域現(xiàn)狀灌溉水量，可計算得出２０３０ 年的節(jié)水潛力為０．７４ 億ｍ３、２０５０ 年的節(jié)水潛力為５．０２ 億ｍ３（相當于１ ４１８ ｍ３ ／ ｈｍ２）。

４ 變化環(huán)境下節(jié)水潛力內(nèi)涵分析

傳統(tǒng)方法利用規(guī)劃年需水量與現(xiàn)狀年耗水量差值計算出的節(jié)水量未考慮用水總量紅線、灌區(qū)生態(tài)安全和干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展等。本文提出變化環(huán)境下節(jié)水潛力新內(nèi)涵：在用水總量紅線與綠洲安全目標約束下，對于水土不均衡的干旱區(qū)而言，規(guī)劃年灌溉可用水量將遠小于現(xiàn)狀用水量，計算節(jié)水潛力的目標水量會隨著不同階段而變。

４．１ 開孔河綠洲安全內(nèi)涵分析

在用水總量的約束下，如何保障綠洲生態(tài)安全、糧食安全、干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展等是目前需要解決的重要問題。開都河子流域是開孔河流域重要的糧食生產(chǎn)基地，孔雀河子流域農(nóng)作物以香梨、棉花等為主，確保了流域的糧食安全和農(nóng)民收入。因此，在不突破用水總量的前提下保障灌區(qū)水土資源的可持續(xù)發(fā)展，灌區(qū)節(jié)水不僅顯得更加重要，而且被賦予了更多內(nèi)涵。

４．２ 用水總量紅線約束指標

根據(jù)《巴音郭楞蒙古自治州用水總量控制規(guī)劃》，２０３０ 年規(guī)劃水平年巴音郭楞蒙古自治州用水總量為３６．９９ 億ｍ３。根據(jù)文獻［１８］可知，２０３０ 年開孔河流域城鎮(zhèn)居民生活需水量為１．４０ 億ｍ３、工業(yè)需水量為２．４１億ｍ３，２０５０ 年生活需水量為１．４４ 億ｍ３、工業(yè)需水量為３．９５ 億ｍ３。在用水總量紅線約束條件下，２０３０ 年、２０５０ 年開孔河流域農(nóng)業(yè)可用水量分別為３３．１８ 億、３１．６０億ｍ３，灌溉用水量分別為３４．１１ 億、２９．８３ 億ｍ３，通過計算可得出節(jié)水潛力分別為－０．９３ 億、１．７７億ｍ３。２０３０ 年流域節(jié)水潛力為負值，表明在紅線約束條件下２０３０ 年無節(jié)水潛力、無法滿足灌溉需水要求，需要采取休耕輪作等措施，休耕輪作面積為１８ ６６７ ｈｍ２。

４．３ 灌區(qū)地下水生態(tài)水位約束指標

在挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的同時，為避免井渠結(jié)合灌區(qū)出現(xiàn)地下水超采風險，必須確保灌溉水對地下水的凈補給量為正值。通過對開孔河流域中、遠期規(guī)劃年水量平衡計算可知：流域中期規(guī)劃年（２０３０ 年）蒸發(fā)蒸騰總量為２７．８８ 億ｍ３、地下水開采量為７．２８ 億ｍ３、地下水凈補給量為６．０２ 億ｍ３，遠期規(guī)劃年（２０５０ 年）蒸發(fā)蒸騰總量為２９． ５９ 億ｍ３、地下水開采量為７．０４億ｍ３、地下水凈補給量為３．６９ 億ｍ３。在用水總量紅線約束下，盡管因渠系水利用系數(shù)提高而對地下水補給量減小，但地下水開采量的壓減幅度更大，因此流域地下水位仍將處于上升狀態(tài)，可避免因地下水位下降而引發(fā)生態(tài)問題。

４．４ 干旱區(qū)節(jié)水潛力新內(nèi)涵下未來可能的風險分析

綠洲安全內(nèi)涵會隨著時間推移和人類活動而不斷變化。在地下水超采的綠洲區(qū)，地下水位的回升對維持綠洲安全非常重要，但當?shù)叵滤惶邥r會出現(xiàn)鹽漬化等環(huán)境問題，因此厘清灌區(qū)次生鹽漬化問題將成為節(jié)水潛力新內(nèi)涵的研究重點。

為避免未來可能出現(xiàn)的次生鹽漬化問題，需要弄清地下水埋深與土壤含鹽量、地下水礦化度之間的關系，確定綠洲適宜地下水埋深。土壤積鹽程度主要與大氣蒸發(fā)能力、土壤巖性特征、地下水埋深和礦化度有直接關系。在大氣蒸發(fā)能力和土壤巖性一定的情況下，土壤積鹽程度主要與地下水埋深和礦化度有關。根據(jù)相關資料，開孔河流域地下水適宜埋深為３．５ ～４．０ ｍ。

５ 討論

本文從取用水和耗水節(jié)水出發(fā)，對開孔河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力進行了定量計算，確定２０５０ 年流域農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力為１ ４１８ ｍ３ ／ ｈｍ２。與２００４ 年吳旭春等［１９］ 研究得到的巴音郭楞蒙古自治州節(jié)水潛力２ ５２０ ｍ３ ／ ｈｍ２有一定差異，原因是該研究是基于早期新疆水利基礎設施較弱、工程性節(jié)水和技術性節(jié)水水平較低背景下進行的，且研究尺度較大；本研究采用的渠系水利用系數(shù)是根據(jù)２０２０ 年開孔河流域各縣（市）統(tǒng)計渠系防滲數(shù)據(jù)及新疆水利廳發(fā)布的《水利統(tǒng)計資料匯編》相關數(shù)據(jù)計算所得，結(jié)果可信度更高。

本文基于節(jié)水潛力新內(nèi)涵得到２０３０ 年開孔河流域節(jié)水潛力為－０．９３ 億ｍ３、２０５０ 年節(jié)水潛力為１．７７億ｍ３，與王水獻［２０］ 的研究結(jié)果基本一致。隨著時間的推移，遠期規(guī)劃年用水總量紅線存在重新調(diào)整的可能性。目前提出的用水總量控制制度對應的供水保證率不明確，若不管來水頻率如何變化，那么堅持用水總量紅線可能導致灌區(qū)用水量與生態(tài)用水量比例的失衡。

節(jié)水不僅要關注用戶端技術性節(jié)水，而且要關注全過程節(jié)水，尤其需要在規(guī)模、結(jié)構和效率層次上深度節(jié)水，同時要關注節(jié)水邊際效益，深入研究節(jié)水潛力與成本之間的關系，做到節(jié)水綜合效益最大化。

６ 結(jié)論

１）在用水總量控制的經(jīng)濟、環(huán)境等多目標用水安全背景下，本文提出了針對變化環(huán)境下干旱區(qū)節(jié)水要兼顧綠洲安全和干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展的研究思路。

２）在水土不均衡的干旱區(qū)，傳統(tǒng)節(jié)水思路對可持續(xù)發(fā)展、地下水安全等考慮不足。為保證綠洲安全，除采取強化節(jié)水及休耕輪作等措施外，還需合理開采地下水，維持適宜的生態(tài)水位。

３）為確保綠洲安全和干旱區(qū)可持續(xù)發(fā)展，開孔河流域中期規(guī)劃水平年（２０３０ 年）需休耕１８ ６６７ ｈｍ２，休耕面積可在遠期規(guī)劃水平年（２０５０ 年）逐步恢復，遠期規(guī)劃年（２０５０ 年）節(jié)水潛力為１．７７ 億ｍ３。

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［１８］ 新疆水利廳．巴音郭楞蒙古自治州地方水資源管理“三條紅線”控制指標分解方案［Ｒ］．烏魯木齊：新疆水利廳，２０２０：２１．

［１９］ 吳旭春，陳莉．新疆農(nóng)業(yè)灌溉用水節(jié)水潛力分析［Ｊ］．吉林水利，２００４（８）：２２－２４．

［２０］ 王水獻．開孔河流域綠洲水土資源開發(fā)及其生態(tài)環(huán)境效應研究［Ｄ］．烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學，２００８：１０．

【責任編輯 張華興】