甘肃北部棉花灌溉保证率分析

李松敏，韩娜娜，周青云，王仰仁

(天津农学院水利工程学院，天津 300384)

0 引 言

甘肃位于中国西北内陆，地域狭长，是我国水资源短缺的省份之一。随着工业和城市用水量的逐年增加，农业缺水矛盾更加突出。因此，在保证最高效益的基础上做到节水灌溉，对减少水资源利用具有重要意义。灌溉设计保证率作为农业经济分析的一项重要技术指标，受到供水水源的制约，不合理的灌溉设计保证率阻碍着我国农业的发展。尹正杰[1]等人对北方的几个灌区的灌溉保证率进行分析，表明现行灌溉保证率指标没有考虑到缺水的时间效应和程度效应，不能客观反映灌溉供水的实际效果。赵惠新等[2]曾提出，目前我国的灌溉保证率标准普遍偏低，已经基本不能满足我国农业生产对水的需求，严重阻碍了我国农业经济的发展。因此，选定合理的灌溉设计保证率，将直接影响灌区的经济效益。发展节水灌溉，需要依据自然科学，实现可持续的高效节水。

1 灌溉保证率分析理论方法

1.1 参考作物蒸发蒸腾量

参考作物蒸发蒸腾量ET0采用联合国粮农组织(FAO)推荐的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Menteith)公式(1998年)[3-7]和甘肃瓜州地区水文站的气象资料计算。

1.2 作物生长期的需水量

作物需水量是指作物在适宜的土壤水分和肥力下，经过正常生长发育，获得高产时的植株蒸腾、颗间蒸发以及构成植株体的水量之和。现有作物需水量的计算普遍推荐采用的方法是通过计算参考作物蒸发蒸腾量来计算作物需水量的间接法。其主要过程是首先利用气象因子计算参考作物蒸发蒸腾量，然后乘以作物系数而得到。计算公式见式(1)：

ETm=KcET0

(1)

式中：ETm为作物生长期内的作物需水量，mm；ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm；Kc为生长期的作物系数。

1.3 作物灌溉供水量

作物的灌溉供水量由公式(2)来确定：

M=ETm-βP

(2)

式中：M为作物生长期内的灌溉供水量，mm；P为相应时段内的降水量，mm；β为作物的降水利用系数，

若P<2 mm，则取值为0；若2 mm

1.4 作物产量

由于某一阶段受旱引起的减产量，不仅与本阶段的水分敏感指数和水分亏缺程度有关，而且还与其他阶段是否受旱有密切的关系。以阶段相对腾发量为自变量建立的阶段水分亏缺对产量影响的乘法模型反应了阶段受旱对作物产量影响的相关性，较其他模型更符合作物的生长过程特性。为此作物产量的计算采用国内外学者普遍选择的Jensen模型[3,4]：

(3)

式中：n为阶段划分的数目；λ为水分敏感指数，此值的大小反应该作物某一阶段缺水后引起的减产程度，即λ值越大，减产率越大，详见表1；Ya为作物实际产量，kg/hm2；Ym为作物潜在产量，kg/hm2。

表1 敏感指数及作物系数表

1.5 增产效益

作物增产效益指的是灌水之后所得的效益值与未灌水时所得的效益值之差，再扣除所用水的费用，见式(4)：

P效益=(Y-Y0)PY-10PwM

(4)

式中：P效益为每公顷作物的增产效益，元/hm2；Y为灌水后的平均产量，kg/hm2；Y0为未灌水时的平均产量，kg/hm2；Pw为灌溉用水价格，元/m3；PY为作物收购价格，元/kg。

2 甘肃瓜州地区棉花灌溉保证率分析

2.1 模型参数及取值

甘肃瓜州地区棉田土壤容重取γ=1.42 t/m3，田间持水率为30%，凋萎含水率为10%。单次灌水用水量设为H=55 mm，将棉花的生长阶段分为了播种出苗期、苗期-蕾期、蕾期-花铃期、花铃期-吐絮期4个阶段。作物系数根据FAO推荐的作物系数，结合当地试验站的试验资料所得[8]，各阶段λ值参考甘肃平凉地区棉花的λ值[8]，具体数值见表1。

2.2 作物需水量计算结果

根据甘肃瓜州地区1983-2012年的气象资料，利用公式(1)计算出甘肃瓜州地区多年棉花的作物需水量，结果见图1。

图1 多年棉花作物需水量

2.3 灌溉供水量的确定

利用公式(2)和1983-2012年甘肃瓜州地区降水量资料计算出30 a的灌溉供水量，结果见表2，对这30年的灌溉供水量进行频率分析，得出不同灌溉设计保证率下的灌溉供水量及其典型年，见表3。

表2 多年棉花灌溉供水量

表3 不同灌溉设计保证率下的灌溉供水量

2.4 灌水次数对效益的影响

在研究甘肃瓜州地区棉花30年长系列资料时，假定30年每年灌水均在相同时间进行，在其灌水次数一定条件下，对30年的棉花资料运用模式搜索法[9]进行计算分析，先确定出作物在其生长期内灌水日期，通过模拟计算，继而得到增产效益的最大值。随着灌水次数的不断增长，增产效益持续呈现上升趋势，直至增产效益值不再增加，出现减产现象则停止计算。为此，可得出该地区棉花的最优灌水次数和其最大增产效益，从而可得到最优的灌溉设计保证率。增产效益和灌水次数的关系如图2，增产效益和灌溉保证率的关系曲线如图3所示。

图2 效益随灌水次数变化图

图3 效益随灌溉保证率变化图

由图2和图3可知，假定灌水10次，在单次灌水定额一定的情况下，灌水量随着灌水次数的增加而增大。同时灌溉设计保证率不断增加，棉花的产量也是持续上升。但对其净增长效益的影响却是先升后降。以灌溉设计保证率50%左右为界，之前随着保证率的增长，效益增长较快，而后其变化趋势变得比较平缓。在灌水次数为8次时出现了增产效益的最大值，分别在“播种-出苗期”的第18天，“苗期-蕾期”的第32天，“蕾期-花铃期”内的第34天、第50天、第55天和第64天，“花铃期-吐絮期”第20天和第37天进行灌水，其效益最大值为34 118.4元/hm2。此时增产效益曲线出现拐点，随后灌溉设计保证率增加，净增产效益值减少。对应得出的最优灌溉设计保证率为53%。与现行的规范[10]中规定的“以旱作为主的缺水地区的灌溉设计保证率为50%～75%”是相近的，同时也说明了现有规范中的灌溉设计保证率建议值的合理性。

3 结 语

通过对甘肃瓜州地区棉花的最优灌溉设计保证率的计算与分析，利用模式搜索法进行灌溉时间上的优化，得出棉花灌水次数在8次时经济效益最大，这时灌水总量为440 mm，对应最大增产效益为34 118.4元/hm2，所以在甘肃瓜州地区比较适宜的灌水量为440 mm，对应最优灌溉设计保证率为53%，为甘肃北部地区棉花的节水灌溉提供了理论依据。

[1] 尹正杰，王小林，胡铁松，等．灌溉供水可靠度的经济设计[J]．灌溉排水学报，2005，(2)：52-54.

[2] 赵惠新，李兆宇．关于提高灌溉设计保证率的必要性分析[J]．中国农村水利水电，2011(6 )：52-54.

[3] Allen R G, Pereira L S, Raes D, Smith M. Crop evapotranspiration[J]. FAO Irrigation and Drainage Paper, 1998:23-28.

[4] 王仰仁，孙小平．山西农业节水理论与作物高效用水模式[M]．北京：中国科学技术出版社．2003：41-44，86-95．

[5] 刘 钰，PereiraL S，Teixeira J L等．参照腾发量的新定义及计算方法对比[J]．水利学报，1997,(6)：27-33．

[6] 蔡学良，崔远来，宋志强，等．陡山灌区实时灌溉预报研究[J]．灌溉排水学报，2003，22(3)：33-36．

[7] 张 丽，魏晓妹，赵凤伟，等．宝鸡峡灌区农田灌溉水量供需平衡分析[J]．人民黄河，2007，29(4)：46-48．

[8] 段爱旺，孙景生，刘 钰，等．北方地区主要农作物灌溉用水定额[M]．1版，北京：中国农业科学技术出版社，2004.

[9] 尚松浩．水资源系统分析方法及应用[M]．1版，北京：清华大学出版社，2006：87-88.

[10] GB 50288-1999，灌溉排水工程设计规范[S].