基于分区的海河流域农业节水潜力评估

丁志宏，徐向广，付晓亮

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津 300170；3.水利部海河水利委员会，天津 300170)

海河流域人口众多、水资源自然禀赋不足，在全国七大江河流域中，人均水资源量最少。与水资源量贫乏相对应的是，作为我国京津两大直辖市所在地，海河流域社会经济发展水平较高，同时也是我国主要的粮棉油产区，生产生活等社会经济用水量巨大[1]，2012年海河流域农田灌溉用水量为221.85 亿m3，占多年平均年水资源总量的59.96%。

如何在特定水资源条件约束下提高灌溉用水的效率与效益是农业节水灌溉的核心问题。面对现阶段的用水实践，海河流域农业节水灌溉潜力有多大是一个重要的科学和管理问题，换言之，就是要定量地给出通过采用适宜的节水技术措施所能减少的水量消耗的潜力量值。对于此问题的科学回答可以为流域管理机构开展流域农业节水灌溉管理工作提供重要的方向性指导。

但是，由于灌溉系统自身及其所处的区域/流域水资源系统的空间尺度性、结构复杂性、时程滞后性等诸多原因，农业节水潜力具有尺度性，即具有不同空间尺度的灌溉系统的农业节水潜力是不同的，其实质是由于灌溉水资源的重复利用问题在不同的空间尺度上具有不同的逻辑细节、表现形式和考虑方式。在具体研究中，傅国斌等人[2]综合多种因素构建了一个具有调节因子的灌区节水潜力计算公式；段爱旺等人[3]界定了节水潜力的狭义和广义概念；李英能[4]提出了采用作物用水定额和调节系数计算区域节水潜力的方法；彭致功等人[5]运用遥感技术评价了区域耗水节水水平；罗玉丽等人[6]提出了灌区、田间、地下水和地表水等不同空间尺度的节水潜力计算公式；雷波等人[7]提出了基于灌区尺度的农业节水潜力估算理论和方法，并以徒骇马颊河为例进行了“毛节水量”和“净节水量”的估算；刘路广等人[8]提出了灌区农业节水以及农业耗水、农业回归水、农业取水的理论节水潜力与计算方法；刘建刚等人[9]对不同尺度的农业节水潜力、资源节水潜力和灌溉节水潜力进行了界定并探讨了不同尺度潜力之间的耦合关系；尹剑等人[10]将农业节水潜力划分为资源型和效率型两类，并以渭河流域关中段九大灌区为例进行了不同水文频率下的灌区农业节水潜力分析；丁志宏等人[11]在文献[8]的基础上，基于回归水利用性假设而推导得到了流域尺度上的农业节水潜力计算公式，并据此公式将流域农业节水潜力划分为工程型、效率型和结构型。

综上所述，为了更好地指导海河流域农业节水灌溉管理工作，有必要基于海河流域农业节水分区体系[12]，运用流域农业节水潜力计算公式[11]，参照区域灌溉定额标准和灌溉发展指标，评估海河流域不同农业节水分区的各种类型农业节水潜力量值，进而提出节水灌溉工作的重点区域和重点措施，以期为流域机构开展农业节水灌溉管理工作提供技术基础支撑和管理方向指南。

1 节水潜力计算公式

(1)工程型节水潜力。考虑到现阶段我国灌溉水利用系数的提高主要依赖于工程措施，故名之为工程型节水潜力，该类型节水潜力的计算公式为：

(1)

(2)

式中：W工程为工程型节水潜力量值，m3/hm2；η1和η2分别表示采用节水技术前后的灌溉水利用系数；I需表示分区的作物净灌溉需水量，m3/hm2；P为降水，mm；α为降水有效利用系数；G为地下水利用量，mm；ET为作物的蒸腾蒸发量，mm；A为作物种植面积，hm2：i表示分区内的作物种类；n表示分区内的作物种类数；ETi为第i种作物的需水量，即蒸腾蒸发量，mm。

(2)效率型节水潜力。效率型节水潜力主要来自于农艺措施所减少的作物需水耗水量，该类型节水潜力的计算公式为：

(3)

式中：W效率为效率型节水潜力量值，m3/hm2；η1表示现状年的灌溉水利用系数；φ1表示通过调整作物生理过程所能产生的农田耗水减少的百分比；φ2表示通过采用滴灌等节水灌溉措施，耙耱镇墒、秸秆覆盖等农艺措施所能使得农田耗水减少的百分比[10]。

(3)结构型节水潜力。结构型节水潜力主要来源于作物种植结构调整，与效率型节水潜力同属于作物需水侧的节水潜力，该类型节水潜力的计算公式为：

(4)

式中：W结构为结构型节水潜力量值，m3/hm2；I规需表示分区规划水平年的作物灌溉需水量，m3/hm2；I现需表示分区现状水平年的作物灌溉需水量，m3/hm2；i表示分区内的作物种类；Ai规为规划水平年的第i种作物的种植面积，hm2；Ai现为现状水平年的第i种作物的种植面积，hm2；η1表示现状年的灌溉水利用系数，其余符号含义同上。

一般地，不能将上述3个层次农业节水潜力简单相加而得出流域的总体农业节水潜力，原因在于工程型节水措施与效率型节水措施之间的节水潜力量值有重复量，重复量的大小与喷灌、滴灌等高效节灌面积在工程措施面积中所占比重成正比。

2 节水潜力评估

本文评估采用2012年为现状水平年，2020年为规划水平年。

2.1 有效灌溉面积与种植结构

现状年，海河流域各节水分区主要作物的有效灌溉面积见表1。其中，夏玉米种植面积最大，为385.1 万hm2；其次是冬小麦，为379.1 万hm2；最少的是春小麦，为3.9 万hm2。

据统计，海河流域现状农业灌溉用水量的75%以上为小麦和玉米的灌溉用水量，棉花生长期与海河平原区的水热丰期较为一致，水稻属高耗水作物。

经专家评议，各分区规划水平年的种植结构见表1，流域有效灌溉面积保持不变。

2.2 作物灌溉定额

本文选取海河流域各省(自治区、直辖市)50%降水频率下的作物灌溉定额作为分区节水潜力评估的需水量基准，具体见表2。

2.3 灌溉水利用系数与节灌比

海河流域各节水分区的现状和规划水平年的灌溉水利用系数以及现状水平年已实施节水灌溉措施的有效灌溉面积占总有效灌溉面积的比例(简称现状节灌比)见表3。

2.4 农艺措施节水潜力

经文献调查[13-17]和专家评议，本文的效率型节水潜力评估采用如下参数设定。

(1)暂时不考虑改变作物生理结构来节水，即φ1=0；冬小麦和春小麦在生长期间的φ2=0。

(2)取冬小麦需水量的10%来作为灌溉节水量。

表1 海河流域作物有效灌溉面积 万hm2

表2 海河流域各分区作物灌溉定额(50%频率)Tab.2 The irrigation quota of the water saving zones in the Haihe basin (50% frequency)

表3 海河流域各分区灌溉水利用系数和节灌比Tab.3 The coefficient of irrigation water use and current ratio of watersaving irrigation of the water saving zones in the Haihe basin

(3)取其需水量的15%作为棉花和春玉米采用地膜覆盖的节水量、夏玉米采用残茬覆盖或地膜覆盖的节水量。

(4)取其需水量的30%作为水稻控制灌溉技术的节水量；取其需水量的15%作为春小麦采用耕作保墒技术的节水量；取其需水量的30%作为设施蔬菜节水量。

各类作物的效率型节水潜力计算面积采用现状尚未实施节水灌溉的全部有效灌溉面积，即本文所评估的节水潜力是有效灌溉面积上的尚未实现而需要进一步挖掘的可能节水潜力。

2.5 节水潜力评估

按照式(1)～式(4)，基于2.1～2.4中所述的基础数据和参数设定，分别计算海河流域各农业节水分区的工程型、效率型、结构型节水潜力，结果见表4，从中可知：

(1)海河流域农业节水潜力中，工程型节水潜力最大，结构型节水潜力次之，效率型节水潜力最小，分别为43.83、12.46、7.49 亿m3。

(2)工程型节水潜力最大的一级分区是南部引黄平原区，为22.07 亿m3，最大的二级分区是徒骇马颊河区，为17.16 亿m3。

(3)效率型节水潜力最大的一级分区是南部引黄平原区，为3.38 亿m3，最大的二级分区是徒骇马颊河区，为2.68 亿m3。

(4)结构型节水潜力最大的一级分区是山前平原区，为5.85 亿m3，最大的二级分区是冀中南平原区，为3.39 亿m3。

(5)今后一个时期内，海河流域农业节水灌溉管理工作的重点区域是引黄平原区和山前平原区；在豫北和鲁北的引黄平原区，重点措施宜为实施渠道衬砌和高效节灌，辅之以井渠结合和渠系水量优化调度措施以提高灌溉水利用系数、挖掘工程型节水潜力；燕山、太行山山前的冀东、冀中山前平原区的重点措施宜为加大农业种植结构调整力度、实施土地休耕、挖掘结构型节水潜力。

表4 海河流域各农业节水分区的不同类型节水潜力 亿m3

2.6 潜力合理性分析

随着自然地理、社会经济、水源状况的不同，节水灌溉会有不同的实施要求、不同的节水标准，即节水是一个相对的概念，因此，流域尺度上的农业节水潜力评估工作是一项涉及诸多影响因素的系统工程。《海河流域农田水循环过程与农业高效用水机制》提出[18]的推荐方案下的海河流域农业灌溉节水潜力为70.60 亿m3、资源节水潜力为28.28 亿m3。本文的工程型节水潜力与该著作所述及的灌溉节水潜力的内涵是相同的，本文的效率型和结构型节水潜力则相当于该著作所述及的资源节水潜力。

本文研究得出的海河流域农业节水潜力(见表4)与该著作得出的海河流域农业节水潜力，其间存在差异的原因可归结为：①灌溉水利用系数提高幅度不同，本文为0.01～0.24，该著作为0.03～0.12；②节水措施实施面积不同，本文为尚未实施节水灌溉的现状有效灌溉面积，该著作为有效灌溉面积的60%～80%不等；③现状水平年不同，本文为2012年，该著作为2005年，这7年期间海河流域的节水灌溉事业取得了长足发展；④有效灌溉面积、种植结构设定等计算参数随着现状水平年的不同，本文与该著作也存在一些差异。据此，可以认为，与该研究所得的节水潜力值相比，本文评估所得到的海河流域农业节水潜力值为小这一结论是合理的、可信的、符合现状实际情况的。

3 讨 论

从灌溉水自水源至形成作物产量所历经的4个环节来分析，节水灌溉应从整个灌溉过程着手，凡是能减少灌溉水损失、提高灌溉水使用效率的措施、技术和方法均属于节水灌溉的范畴。因此，广义的节水灌溉技术内容十分广泛[19]，包括水源优化、输水过程节水、田间灌溉节水、农作物种植栽培节水、灌溉制度优化、渠系水优化调度、土壤墒情监测、用水计量、奖励与补偿政策等工程、农艺、管理、政策、法规等多方面措施。

本文采用的流域节水潜力评估公式是以土壤水量平衡方程为基础推导简化而得，所划分的节水潜力类型包括工程型、结构型、效率型3种类型。依据其定义[11]，工程型和效率型节水潜力的实现是上述工程、农艺、管理、政策、法规等节水灌溉技术措施综合作用的结果，换言之，工程型和效率型节水潜力量值计算中所采用的参数，诸如灌溉水利用系数、覆盖措施节水量等均是通过各类节水灌溉技术措施的实施来实现的，是对各类节水技术措施实施效果的综合分类估算。

面对流域尺度上的农业灌溉系统具有的时空复杂性，流域农业节水潜力是在特定水平年的农业灌溉系统发展规模和水平之下，基于一定的假设，抓住主要影响因素而评估得出的数值，是在一个较大的时空尺度上对流域农业灌溉系统在特定水资源条件以及社会经济发展水平之下的节水潜力量值的宏观度量和总体把握。流域尺度上的农业节水潜力的影响因素众多而且相互交织，使得节水潜力具有复杂性、动态性、耦合性、敏感性等特征，因而是一组动态的、相对的数据。故本文评估得出的工程节水、结构调整和效率提高等3方面的节水潜力大小及其排序应随着基础数据监测与统计、数值模拟与分析、相关规划编制与实施等科研与生产实践的发展而开展进一步的动态论证。

4 结 语

海河流域3种类型农业节水潜力由大到小依次为工程型、结构型、效率型，分别为43.83、12.46和7.49 亿m3。

海河流域今后一个时期内的农业节水灌溉管理工作的重点区域是豫北和鲁北引黄平原区、冀东和冀中山前平原区，重点节水措施分别是渠道衬砌、高效节灌、井渠结合、渠系水优化调度和农业种植结构调整。本文所得评估结论对于流域机构深入认识和综合把握海河流域的农业节水灌溉事业的既定现状和发展方向具有积极的基础性支撑和前瞻性指导作用。