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不同频率与多年平均农田单位灌溉面积用水量折算方法研究

2018-03-05耿雷华

长江科学院院报 2018年2期
关键词:灌溉面积用水量农田

童 坤,耿雷华

(1.中国科学院南京地理与湖泊研究所中国科学院流域地理学重点实验室,南京 210008;2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210029)

1 研究背景

目前,我国农业用水约占总用水量的64%[1],而灌溉用水又是农业中的用水大户,约占农业用水的90%,因此,农业上节约用水,重点是节约农田灌溉用水。但农田灌溉用水是个大系统,过程复杂,受到降水、蒸发等多个因素的影响[2]。宋妮等[3]研究发现在一系列影响因子中,降雨量对长江流域早稻灌溉需水量的影响最大;黄仲冬等[4]通过模型计算发现平均降雨量对夏玉米的灌溉需水量年际波动的贡献率最大,其次为降雨频次,潜在蒸散量最小。但根据不同的水文频率对农业用水进行相关计算的文献较少,仅尹剑等[5]根据不同的水文年型分别计算关中灌区9大灌区不同水文年型不同情景下可能的资源型节水潜力和效率型节水潜力,但文中并未阐述不同的水文频率之间农业用水的换算关系。而目前的农业用水量,在大部分规划下达的文件中,都是多年平均的概念;张丽君等[6]也提出目前农业的计划用水偏离实际,不能按照水文气象变化等及时调整灌溉定额。因此,如何将不同降水频率下的单位灌溉面积用水量折射到多年平均上来,为规划水平年不同频率下农业用水定额的下达提供参考依据是目前亟需解决的问题。

2 不同频率分区系数计算过程

从作物需水的角度分析,丰水年农田实际单位灌溉面积用水量可以减小,枯水年农田实际单位灌溉面积用水量应该加大。但从可供水量的角度考虑,对于某一特定区域而言,丰水年可供水量通常比枯水年可供水量大,特别是在水资源相对缺乏的北方地区,由于受到可供水量限制,枯水年农田实际单位灌溉面积用水量往往小于丰水年。因此,需要从各个区域的实际出发,分析降水量的影响。

为了反映降水量对农田实际单位灌溉面积用水量的影响,对于某一特定分区单元而言,需要收集其农田实际单位灌溉面积用水量与降水量的长系列资料,以便根据降水量排频结果,计算出不同降水频率下的实际单位灌溉面积用水量。

本次研究以31个省(自治区、直辖市)为基本单元,由于农田实际单位灌溉面积用水量受当地自然条件、作物种植结构、灌溉工程形式、节水能力建设及管理水平等因素影响很大,为了对全国各区域农业用水量进行科学评估,首先需要根据地理位置、地形、土壤、气候条件、水资源特征等进行分区,确定分区单元。本次研究将全国划分成东北地区[7]、黄淮海地区[8]、长江中下游地区、华南地区、西南地区和西北地区共6个区域,如表1所示。

表1 全国农业用水分区Table1 Zoning of agricultural water consumption

采用水资源公报中1997—2014年的年度降水量和农田实际单位灌溉面积用水量数据,计算各分区单元25%,50%,75%等不同降水频率下的农田实际单位灌溉面积用水量。搜集1997—2014年各省区的降水、农田单位实灌面积用水量等相关数据,利用系列降水量进行排频,选取降水25%,50%,75%3个频率,计算对应频率下的农田单位实灌面积用水量,与多年平均对比,给出不同区域农业不同降水频率下实际单位灌溉面积用水量与多年平均之间的比值,即为该降水频率下的调节系数。同时,结合省份之间水文、种植结构、降水之间的差异,计算出区域不同频率下的调节系数的区间。降水频率下的调节系数如式(1)所示,计算过程如图1所示。

图1 分区调节系数计算步骤Fig.1 Calculation steps for regulation coefficient(the ratio of actual irrigation water consumption per unit area at a given precipitation frequency to multi-year average irrigation water consumption per unit area)

3 分区计算结果分析

3.1 全国调节系数计算

以全国为例,分析我国1998—2014年农田灌溉用水量,如表2所示。从1998—2014年,灌溉用水占农业用水85%以上,因此,农田灌溉用水是农业节水的重头戏。

表2 全国1998—2014年农田灌溉用水量Table2 Water consumption for farmland irrigation across the whole country from 1998 to 2014

收集1997—2014年中国水资源公报中历年来降水量,对长系列降水量进行P-Ⅲ曲线排频,如图2所示。

图2 我国降水P-Ⅲ曲线Fig.2 P-Ⅲcurve of precipitation in China

根据P-Ⅲ曲线计算结果,分析不同水平年的单位灌溉面积用水量,如图3所示,当降水频率<50%时,调节系数基本为1;随着降水的减少,调节系数呈增长趋势,在降水70%左右达到顶峰;随后又逐步下降。

图3 我国单位灌溉面积用水量不同降水频率下的调节系数Fig.3 Regulation coefficient of irrigation water consumption per unit area under different precipitation

3.2 分区调节系数计算

对各省份、不同区域的长系列不同频率下的农田单位灌溉面积用水量统计分析计算,分区计算结果如表3所示。总体而言,我国不同区域、不同年型的灌溉用水量差异较大,东北地区、西北地区在降水25%年型灌溉用水量最高,华南沿海地区、黄淮海地区降水75%年型灌溉用水量最高,长江中下游地区、西南地区降水50%年型灌溉用水量最高。

表3 分区调节系数计算结果Table3 Calculation result of regulation coefficient for different areas

在各农作物产量中,东北地区的稻谷和玉米产量约占东北地区粮食产量的90%,其中玉米约占65%;黄淮海地区主要的粮食作物是小麦和玉米,约占粮食产量的90%,主要农产品还包含苹果;长江中下游主要粮食作物是稻谷和小麦,分别约占粮食总产量的65%和20%,其中稻谷的产量较高,需水量较大;华南沿海地区主要农作物为稻谷、甘蔗,其中稻谷产量约占粮食产量的80%;西南地区主要粮食作物为稻谷、玉米,其产量分别约占粮食产量的41%和27%,甘蔗也是其主要农产品;西北地区玉米、小麦产量分别约占粮食产量的55%和21%。

理论上讲,随着降水的减少,干旱程度的加重,需水量越来越大,调节系数应呈上升趋势。但在各农作物产品中,玉米、小麦、大豆、苹果、甘蔗等均为旱作物,灌溉需水量不高,因此,东北地区、西北地区、黄淮海地区等以旱作物为主的农业主产区,由于降水量的减少,供水也有所减少,即呈“无水可供”状态。且实际情况中,由于各种农作物生长周期短,产量与生长周期内降水时空分布息息相关,而跟全年平均降水量关系没有那么明显,如在来水欠丰年份,虽然来水较少,但恰好降水在作物生长适宜期,农作物丰收,产量较高;在有些丰水年份丰水地区,虽然降水量大,但是分配不均或者时间不适宜,不能被农作物所利用,属于无效降水。因此,在计算时,还涉及到水文干旱及农业干旱的概念及相关性,都与各个地区实际情况息息相关。

4 案例应用

4.1 2013年江苏省用水概况

选取江苏省作为案例应用研究。2013年江苏省用水总量499亿 m3,其中农业用水302亿 m3,占比63%;工业用水144亿 m3,占比30%;生活用水49亿 m3,其中居民生活用水 36亿 m3;生态用水3亿m3。用水结构如图4所示。

图4 2013年江苏省用水结构Fig.4 Pie chart of water consumption in Jiangsu Province in 2013

图4 显示农业用水中,农田灌溉用水264亿m3,占农业用水比例的87%;林牧渔用水占比较少,为13%。分析1998—2013年农田灌溉用水量,见图5。

图5 农业及灌溉用水量Fig.5 Agricultural and irrigation water consumption

由图5可见,江苏省农田灌溉用水量长期以来占农业用水比重较高,基本维持在85%以上,林牧渔用水占比较小,因此,灌溉用水也是江苏省农业节约用水的重点。

4.2 调节系数计算

对江苏省1998—2013年降水量及单位灌溉面积用水量进行统计,如图6所示。结果显示,江苏省历年降水量与单位灌溉面积用水量相关性较高,相关系数达到0.75,即江苏省农田单位灌溉面积用水量受降水影响较大。因此,通过调节系数测算不同频率与多年平均用水量之间的关系,从而推断规划年不同频率下的单位灌溉面积用水量可以认为是合理的。

图6 江苏省降水量及单位灌溉面积用水量Fig.6 Precipitation and irrigation water consumption per unit area in Jiangsu Province

对江苏省长系列降水量进行排频计算,结合历年来不同频率下的单位灌溉面积用水量,得到各个频率下的调节系数,如图7所示。

图7 江苏省不同降水频率下的调节系数Fig.7 Regulation coefficient at different precipitation frequencies in Jiangsu province

图7 显示:随着降水的减少,江苏省单位灌溉面积需水量呈增加趋势,降水频率>30%后,需水量趋于稳定,需求量略高于多年平均;降水频率在70%~80%时,需水量达到峰值;其后随着干旱程度的增加,用水量愈来愈小。这与历年来江苏省不同降水频率下的单位灌溉面积用水量变化趋势基本一致。

4.3 江苏省农田单位灌溉面积用水量预测

根据《江苏省水利现代化规划(2011—2020)》,要求建成标准较高、协调配套的排灌工程体系,到2020年,全省农业灌溉保证率达到80%~95%;有效灌溉面积达到413万 hm2,占总耕地面积的88%;旱涝保收田面积达到360万 hm2,占总耕地面积的77%;高标准农田面积达到280万 hm2,占总耕地面积的60%;节水灌溉面积达到287万 hm2,占总耕地面积的61%。灌溉水利用系数提高到0.6以上,丘陵山区单位面积蓄水能力达到315 m3。

根据《江苏省水资源公报(2013版)》,2013年江苏省降水量833.4 mm,根据P-Ⅲ频率曲线,降水频率约为92%,为中等干旱年份;结合图7,确定2013年单位灌溉面积用水量与多年平均单位灌溉面积用水量的调节系数约为1.02。

结合《全国水中长期供求规划(2010—2020)》以及“十三五”期间江苏省农业建设工程,测算2020年江苏省农田灌溉用水约为244亿m3。根据2013年有效灌溉面积约为3 785 000 hm2,则预测2020年江苏省多年平均单位灌溉面积用水量约6 450 m3/hm2。相应的,可以预测2020年江苏省不同频率情况下单位灌溉面积用水量,如表4所示。

表4 江苏省规划水平年不同频率下的单位灌溉面积用水量Table4 Irrigation water consumption per unit area at different precipitation frequencies in planning year of Jiangsu Province

5 结论与展望

由于规划年“三条红线”中的用水总量红线是多年平均用水量的概念,而用水总量的组成中,农业用水量随着降水量的变化也在不断变化。因此,如何在计算过程中折算到实际降水频率中,目前一直没有相关定论。本文首先将全国进行农业分区,针对不同水平年的降水年型,计算出相对应的调节系数区间。在具体计算过程中,结合各省、市的农业种植特点、水文特点,确定不同降水频率下的农田单位灌溉面积用水量的调节系数,最后根据下达的多年平均数值,可以得到不同频率的农田单位灌溉面积用水量。

但另一方面,由于灌溉主要是发生在作物生育期内,理论上应该按作物全生育期内降水量而不是采用年降水量进行排频,特别是在灌区及更小尺度上,主要作物的生长期大致相同,比较容易确定主要作物的生育期。但是随着空间尺度的不断加大,区域内部的作物种类不断增加,主要作物的种类也逐渐增多,各类作物的生育期相互交叉,难以区分。本研究确定的基本计算单元为省区,为了简化计算,本次采用年降水量进行排频,这可能是造成不同频率下农田实际单位灌溉面积用水量不尽合理的原因之一,也是下一步需要深入研究的内容。

[1] 中华人民共和国水利部.2014年中国水资源公报[R].北京:中华人民共和国水利部,2014.

[2] 穆建新,王 浩,KHAN S.气候变化对黄河流域农业用水影响研究[C]∥中国水利水电科学研究院第十届青年学术交流会论文集.北京:中国水利水电科学研究院,2010.

[3] 宋 妮,孙景生,王景雷,等.气候变化对长江流域早稻灌溉需水量的影响[J].灌溉排水学报,2011,30(1):24-28.

[4] 黄仲冬,齐学斌,樊向阳,等.降雨和蒸散对夏玉米灌溉需水量模型估算的影响[J].农业工程学报,2015,31(5):85-92.

[5] 尹 剑,王会肖,刘海军,等.不同水文频率下关中灌区农业节水潜力研究[J].中国生态农业学报,2014,22(2):246-252.

[6] 张丽君,时述凤,杨天礼.我国农业灌溉用水定额编制和应用现状[J].中国水利,2014,(9):10-12.

[7] 王玉娟.东北生态农业分区及其发展方向研究[D].长春:东北师范大学,2006.

[8] 于静洁,吴 凯.华北地区农业用水的发展历程与展望[J].资源科学,2009,31(9):1493-1497.

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