我国粮食主产区农业灌溉节水潜力估算研究

赵 令，雷 波，苏 涛，周 亮

(1. 安徽理工大学, 安徽 淮南 232001；2 中国水利水电科学研究院, 北京 100048)

0 引 言

我国是人口大国，粮食安全是我国最基本的国家战略，而农业灌溉供水与我国粮食安全有着密切的关系，对粮食生产有重要影响[1]。但随着我国经济的发展和城市化进程的加快，其他行业需用水量增长过快，导致我国农业用水所占比例不断减少，农业灌溉受到严重威胁，农业生产无法得到保障[2]。长期以来，我国一直面临着水资源短缺的问题，水资源合理开发至关重要[3,4]。与此同时，农业灌溉用水浪费现象的日益严重，农业灌溉水利用系数低，进一步加剧了灌溉水不足问题[5]。我国粮食主产区包括河北、河南、黑龙江、吉林、辽宁、湖北、湖南、江苏、江西、内蒙古、山东、四川、安徽等13个省份，是我国粮食供给的主要来源，保证其农业灌溉用水安全对我国粮食供给意义重大[6]。因此，对我国粮食主产区开展农业节水研究，摸清粮食主产区农业用水和缺水现状、估算其不同发展阶段的农业需水状况和节水潜力，对制定区域水资源合理配置方案至关重要，也是发展节水灌溉、克服水资源短缺问题以及保障粮食生产安全的必然选择[7,8]。

我国农业节水灌溉研究多集中在节水灌溉技术设施和综合效益评价等方面[9-11]。但对于区域发展节水灌溉，首先对其进行节水潜力的计算与评估必不可少。对于节水潜力的研究，雷波等[12]提出了基于灌区尺度的农业节水潜力估算理论与方法，并成功估算了徒骇马颊河流域的12个大型灌区的工程措施的节水潜力。赵西宁等[13]利用实码加速遗传投影寻踪的区域农业节水潜力综合评价模型对黑河中游地区各区县的农业节水潜力进行了评价，评价结果客观、准确，基本符合当地实际情况，可为区域节水农业技术持续发展提供科学依据。尹剑等[14]以渭河流域关中段九大灌区为例，计算了不同水文频率下的灌区农业节水潜力并对其进行分析，提出了提高农业节水潜力的措施和建议。前人的研究大多是在灌区尺度下进行的，而在更大的省级尺度乃至全国尺度综合评价各省份节水潜力却鲜有研究。本文尝试将农业灌溉节水潜力估算理论与方法应用到我国粮食主产区，对粮食主产区各省份进行节水潜力综合分析评价，以期为全国农业节水灌溉的发展提供新思路。

1 农业灌溉节水潜力理论概述

农业灌溉节水潜力是在满足农业发展阶段需求的前提下，通过经济投入，推行农业节水措施，从而减少的耗用水量[12]。受农业发展需求、技术发展水平和投资能力制约，不同阶段农业节水的标准是不同的。农业节水潜力不仅与用水现状有关，还与经济发展水平、投资力度、节水模式、用水结构等多因素相关，是多种因素综合作用的体现[15]。从节约用水量和节约耗水量的角度分析农业节水，可将农业节水潜力分为毛节水潜力和净节水潜力两个层次。

本文探究的农业灌溉节水潜力可用毛节水量和净节水量两个指标来表示。毛节水量是指通过采用工程节水措施来降低无效蒸发和无效流失，提高输水效率，从而减少取水量。毛节水量主要包括减少的渗漏损失量和无效消耗量两方面。渗漏损失量包括可利用的地表水回归量、可利用的地下水回归量以及不可利用的无效流失量(无法重复利用的水体)[16]。无效消耗量包括田间土面蒸发、渠系水面蒸发以及无效潜水蒸发，而这些水量是真正消耗不可回收的，减少的这部分水量与减少的无效流失量为净节水量，也就是净节水潜力。图1为农业灌溉工程节水潜力的构成。

图1 农业灌溉工程节水潜力构成

2 农业灌溉节水潜力估算方法

2.1 农业灌溉工程节水措施效果分析

我国农业节水措施主要包括工程类节水措施、管理类节水措施和农艺类节水措施，本文主要针对工程节水措施进行节水效果分析。表1为我国粮食主产区主要工程节水措施分类以及各类节水技术的节水效果。

表1 工程节水措施及节水效果

2.2 农业灌溉工程节水潜力指标选取与计算

本文主要探究的是农业灌溉工程性节水潜力，因此选取节水灌溉率、净节水量和毛节水量作为表征区域节水潜力的指标。

(1)节水灌溉率。节水灌溉率是指已采取节水工程措施的灌溉面积占总有效灌溉面积的比重。计算方法为：

(1)

式中：R节为节灌率；A节为已采取节水工程措施的面积；A有效为总有效灌溉面积。

(2)净节水量。净节水量是指通过节水措施减少的无效耗水和无效流失水量的总和。计算方法：

ΔQ净=ΔQ消耗+ΔQ流失

(2)

式中：ΔQ净为净节水量；ΔQ消耗为无效消耗减少量；ΔQ流失为无效流失减少量。

(3)

式中：ΔAi为增加的第i种节水措施面积；ΔIi为第i种节水措施减少的净灌溉定额。

ΔQ流失=Q0(η耗0-η灌0)-Qt(η耗t-η灌t)

(4)

式中：Q0和Qt分别为开展节水工程前后的灌溉引水量；η耗0和η耗t分别为开展节水工程前后的灌溉耗水系数；η灌0和η灌t分别为开展节水工程前后的灌溉水有效利用系数。

(3)毛节水量。毛节水量包含净节水量和减少的各种渗漏损失。其计算方法为：

(5)

式中：I净综0、I净综t分别为开展节水工程前后的净灌溉定额。二者的计算方法如式(6)和式(7)；η灌0现状调查统计值，η灌t计算方法如式(8)。

I净综0=Q0η灌0

(6)

(7)

(8)

3 我国粮食主产区节水潜力估算与分析

3.1 情景设置

将灌区农业灌溉节水潜力理论运用到我国粮食主产区各省份，应用上述估算方法估算各省份农业灌溉工程措施节水潜力。设置2016年为现状基准年，节灌率提高5%为情景一，节灌率提高10%为情景二。计算过程中，在提高节水灌溉率的同时假设各省有效灌溉面积与基准年相同，种植结构与节水灌溉工程措施实施比例在提高节灌率后不发生改变，进而计算上述两种情景下的节水潜力。

3.2 结果与分析

表2为现状年我国粮食主产区各省份节水灌溉工程实施情况。由表2可以看出，我国粮食主产区各省份中，河北、内蒙古、辽宁、江苏、山东、四川的节水灌溉率都超过了50%，其中内蒙古和河北的节灌率分别达到了84.26%和74.35%，节水灌溉措施较为完善。湖南和湖北两省节灌率分别为11.44%和14.03%，节灌率较低，主要原因可能是湖南和湖北两省水资源较为丰富，可以满足传统模式下的对农业灌溉水量的需求，使得两省开展的农业节水灌溉措施较少。

表2 现状年各省份节水灌溉工程实施情况

表3为我国粮食主产区各省份在不同节水灌溉工程发展情景下的节水潜力。从表中可以看出，各省在提高5%的平均节灌率以后，灌溉水利用系数都有了明显的提高，整体平均增加0.04，其中河北、吉林、辽宁、山东的灌溉水利用系数平均提升效果达到0.04以上，其余各省份灌溉水利用系数平均提高了0.03以上。各省份毛灌溉定额下降比较明显，平均毛灌溉定额由原来的4 801.65 m3/hm2降低到4 480.20 m3/hm2，平均降低321.60 m3/hm2，其中江西毛灌溉定额下降了489.60 m3/hm2

表3 各省不同情景下节水潜力情况

以上，河北、河南、安徽以及山东的毛灌溉定额下降相对较少，分别为185.10、170.10、243.90和180.30 m3/hm2。而各省份净灌溉定额下降很少，平均净灌溉定额由原来的2 645.55 m3/hm2降低到2 632.20 m3/hm2，平均降低13.35 m3/hm2，其中黑龙江降低了3.30 m3/hm2，下降最少，而湖南省下降最多，但也仅有30.9 m3/hm2。从节水量来看，我国粮食主产区各省份平均净节水量为0.18 亿m3，其中河北、河南以及山东的净节水量都超过0.3 亿m3，分别为0.31、0.31、0.34 亿m3；各省毛节水量平均可达10.73 亿m3，其中黑龙江在增加5%节灌率后毛节水量都达到了20 亿m3以上，高于粮食主产区内其他各省份，工程性节水潜力很大。但粮食主产区内北方各省净节水量平均0.2 亿m3，毛节水量平均9.90 亿m3；南方各省净节水量平均0.16 亿m3，毛节水量平均11.70 亿m3。可见，净节水潜力北方略强于南方，但是毛节水潜力南方各省整体要强于北方。主要原因是南方水资源相对充足，农业灌溉节水工程较少，节灌率较低，通过节水改造后节水潜力提升空间较大。值得注意，由于多数节水工程措施通过减少渠道渗漏来提高农业灌溉效率，因此，节水潜力主要体现在毛节水量上，净节水量的节水潜力很小。

当提高10%的平均节灌率后，我国粮食主产区内各省份节水潜力指标再次变化幅度变小，但各指标均有提升。其中各省灌溉水利用系数平均提高0.05；各省平均净灌溉定额由原来的2 645.55 m3/hm2降低到2 622.60 m3/hm2，平均降低22.95 m3/hm2；平均毛灌溉定额由原来的4 801.65 m3/hm2降低到4 351.80 m3/hm2，平均降低449.85 m3/hm2；各省可实现平均净节水量0.37 亿m3，平均毛节水量14.80 亿m3。可以看出，工程性节水措施在一定程度上可以提高灌溉效率、减少灌溉用水，但由于各地实际情况有所差异，工程节水潜力大小不同，在工程性节水潜力较低的地区应考虑非工程性节水措施来提高其灌溉效率，如改进灌溉制度、改进作物栽培技术等。而我国在大力开展农业节水灌溉的同时也应根据不同区域实际情况将工程节水措施与非工程节水措施相结合，提高整体灌溉效率，从而达到节水灌溉，实现高效的农业生产，保证粮食安全。

4 结 论

本文通过农业灌溉节水潜力理论与估算方法，分析估算不同节灌率情景下我国粮食主产区各省份的农业灌溉节水潜力，并得出以下结论。

(1)将农业灌溉节水潜力理论与估算方法应用于我国粮食主产区内，求取的各省份节水潜力符合当地实际情况，对各地区的灌溉工程规划与建设具有指导意义。

(2)我国粮食主产区各省份提高5%平均节灌率后，农业灌溉水利用效率有明显提升，灌溉水利用系数平均增加0.04，净灌溉定额平均降低13.35 m3/hm2，毛灌溉定额平均降低321.60 m3/hm2，各省平均净节水量为0.18 亿m3，平均毛节水量为10.73 亿m3，工程措施的节水潜力很大，但节水潜力主要是毛节水量。当节灌率提高10%后，其中各省灌溉水利用系数平均提高0.05，净灌溉定额平均降低22.95 m3/hm2，毛灌溉定额平均降低449.85 m3/hm2，实现平均净节水量0.37 亿m3，平均毛节水量14.80 亿m3。相比于提高5%节灌率，各省份节水指标再次变化幅度变小。

(3)从节水量来看，北方地区平均净节水量略高于南方，但平均毛节水量南方各省整体要高于北方，因此，南方各省的工程节水潜力较强。由于各地实际情况有所差异，工程节水潜力大小不同，在工程性节水潜力较低的地区此时应充分考虑其他非工程性节水措施，如改善灌溉制度，降低无效蒸发和奢侈蒸发。各地区应联系实际情况，将工程节水措施与非工程节水措施相结合，提升农业综合生产能力，保障地区粮食安全，维持和改善地区生态环境。