基于典型灌区调查的区域农业用水量评估方法研究——以衢江区为例

王 磊,赵自阳,王红瑞

(1.浙江省水资源水电管理中心(浙江省水土保持监测中心),浙江 杭州 310009;2.北京师范大学 水科学研究院,北京 100875)

落实用水总量控制红线是实行最严格水资源管理制度的重要内容[1]。我国作为农业大国,农业用水总量约占全国用水总量的60%以上[2],因此,及时准确掌握区域农业用水量是实现水资源总量刚性约束的前提基础。目前,区域农业用水量主要根据用水定额进行测算,受人为因素影响较大,数据的精确性和严肃性不足,影响了实际应用[3-4]。随着农田灌溉水有效利用系数测算、重点灌区水资源监测能力建设、灌溉试验站建设等工作的推进,农业用水计量监测水平得到不同程度的提升[5]。其中,重点灌区、典型灌区积累了一定计量监测数据,但离实现全面计量仍有很大的差距[6-7]。如何利用有限的计量监测数据评估区域农业用水量,进而服务区域用水总量控制,是水资源管理亟待解决的问题。

衢江区位于浙江省西部,面积为1 748.9 km2,年均降量为1 790 mm,地貌特征是“七山一水二分田”,属于典型的南方丘陵山区,该区农业用水量占用水总量比重高达80%以上[8]。本文以衢江区为案例,根据农业用水量计算分析有关方法,结合衢江区农田灌溉水有效利用系数测算分析等开展基础,考虑到现状农业用水监控监测水平相对有限,采用以典型灌区分析研究为基础,建立典型灌区与衢江区农业用水指标统计回归关系的方法,对衢江区农业用水量进行分析评估,研究结果对于南方地区区域农业用水量的统计分析具有较强的参考价值。

1 研究区概况

1.1 灌区现状

1)灌区类型。2017年, 衢江区总耕地面积3.5×104hm2,农田有效灌溉面积2.2×104hm2,其中水田灌溉面积1.7×104hm2。大型灌区2个分别为乌溪江引水工程灌区和铜山源水库灌区,二者在衢江区辖区内的有效灌溉面积为1.3×104hm2;中小型灌区326个,中型灌区仅有桃枝堰灌区1个,有效灌溉面积0.07×104hm2,小型灌区325个,有效灌溉面积共0.8×104hm2,中小型灌区共占全区有效灌溉面积的37.4%。

2)种植结构。衢江区作物种植以水稻、蔬菜、瓜果、中药材等为主,配合其他油料、花卉苗木等经济作物。2017年,作物播种总面积为5.3×104hm2,其中,早稻0.5×104hm2、晚稻0.4×104hm2、单季稻0.9×104hm2,油料0.7×104hm2、蔬菜1.2×104hm2。

3)水源类型。衢江区农业灌溉水源主要包括蓄水工程和引水工程两大类。蓄水工程有大型水库2座,中型水库1座,小(1)型水库14座,小(2)型水库83座,山塘342座。引水工程有乌溪江大型引水工程,小型引水堰坝(闸)119处,总引水流量68.73m3/s,小型灌溉泵站319处,总装机功率5 849kW。

4)管理情况。衢江区灌区均设有管理机构或集体来负责运作和管理。其中：大型灌区设立了各自灌区管理机构负责管理,铜山源水库灌区和乌溪江引水工程灌区分别由衢州市铜山源水库管理局和衢州市衢江区乌溪江引水工程管理处各自负责管理,重要支渠均下设水利站具体落实;中小型灌区由所在乡镇或村集体负责管理,安排有专人具体落实日常维护、灌溉期放水等管理工作。

根据调查,衢江区灌溉期主要集中在5—10月,一般情况下作物灌溉主要利用本地的河道、山塘、水库等水源进行引水或提水灌溉,在本地水源较难保障的时候,利用区域外部的大中型水库、大型引提水工程等水源工程通过灌区渠系等输水工程实现灌溉补水。

1.2 典型灌区选取

衢江区典型灌区的选择以代表性、合理性和可行性为基本原则,重点考虑了灌区灌溉面积、灌区种植结构、灌区类型分布、灌区基础条件等4个方面,选择铜山源水库灌区、乌溪江引水工程灌区、红岩水库灌区、白西坑水库灌区、上湾机埠灌区等5个灌区(见图1)作为本次典型灌区选择的研究对象。具体选取原则如下。

图1 典型灌区分布示意图

1)典型灌区面积覆盖率高。灌区灌溉面积作为影响农业灌溉用水量的重要指标之一,选取的典型灌区有效灌溉面积合计1.5×104hm2,占衢江区有效灌溉面积比重高达65.2%,覆盖了衢江区半数以上的农业灌溉用地,具备较好的面积代表性。

2)典型灌区种植结构可靠。灌区农业灌溉用水量对于种植结构的变化影响较为敏感,不同的种植结构直接影响灌区对灌溉水量的需求,另外区域农业发展导向一定程度也体现在种植结构的变化特征上。选取的典型灌区种植结构基本以水稻、油菜、蔬菜、瓜果为主,与衢江区全区种植结构基本一致,同时不同乡镇的典型灌区,也符合衢江区农业板块经济的种植格局,基本符合衢江区的种植特点。

3)典型灌区类型分布全面。灌区类型分布是典型灌区代表性的重要体现之一,灌区范围、管理水平、区位水文条件等差异都会影响灌区农业用水水平。选取的典型灌区有大型灌区2个,中小型灌区4个,类型全面,并且合理分布在衢江区衢江南北两侧。此外,选取的典型灌区所在的乡镇,例如杜泽镇、莲花镇、全旺镇、大洲镇、廿里镇等,基本覆盖了衢江区所有适于农田灌溉的平原区域。

4)典型灌区基础条件良好。典型灌区应根据灌区研究的目标和要求,具备一定的设施基础和资料基础,保障典型灌区调查研究的可行性。选取的典型灌均具备较好的基础条件,灌区灌溉网络清晰,渠道衬砌水平较好,各渠系建筑物均能正常运行。同时,作为研究重点的大型典型灌区均设有专门的灌区管理机构,也便于本次研究的收集调研。

2 研究方法与技术路线

2.1 研究方法

2.1.1 农业需水量分析方法 灌区农业需水量主要包括农田灌溉需水量和林牧渔畜需水量两部分,根据不同计算分区,分别对各需水量进行分析计算,其中农田灌溉需水量分析采用作物灌溉制度法,林牧渔畜需水量采用经验系数法[9-12],具体如下。

1)农田灌溉需水量分析方法

农田灌溉需水量具体又可分为水稻灌溉需水量和其他作物需水量两部分。根据现状农业用水量情况,衢江区农业用水量主要成分为水稻灌溉需水量,因此本次重点基于水稻灌溉制度,分析推求水稻生育期的需水量。其他作物需水量根据典型灌区主要作物类型,依据《浙江省用(取)水定额》中对应作物用水定额与水稻用水定额的比例关系,将其他作物种植面积统一折算为水稻种植面积后推求需水量。

计算公式如下:

h1+P+M-ET-D=h2，

(1)

W毛=(M×A)/1 000η。

(2)

式中:h1、h2为时段初、末田面水层深度(mm);P为时段内降水量(mm);M为时段内灌水量(mm),M=hmax-hmin,hmax、hmin分别为水稻田面适宜水层上下限;ET为时段内耗水量(mm),为时段内作物需水量和田间渗漏量之和;D为时段内排水量(mm)，当时段田面水层深度超过雨后最大允许深度hp时,超过部分应排除,这部分水量即为时段内的排水量;W毛为时段水田作物灌溉毛需水量(104m3);A为水田作物种植面积(104m2);η为农田灌溉水有效利用系数。

2)林牧渔畜需水量分析方法

林牧渔畜需水量根据典型灌区的走访调查,其占灌区农业需水量的比重较小,采用占农业用水量比重系数的方法,推求灌区林牧渔畜需水量。根据统计年鉴有关成果和水资源公报等相关统计分析成果,采用5%作为本次分析的经验系数。

3)计算分区划分

典型灌区需水计算分区按照以流域完整性为前提、以灌区水源特征为依据、兼顾行政区完整性和灌区管理实际的基本原则,主要针对大型灌区进行需水计算分区划分,其中乌溪江引水工程灌区由于其相对独立的分布特征,细分为乌溪江东干渠和乌溪江西干渠两部分;中小型灌区由于范围相对较小,则单独作为计算分区。本次衢江区典型灌区共划分为10个需水计算分区,分别为邵源溪片、铜山溪片、芝溪片、上山溪片、下山溪片、后溪片、廿里片、红岩水库灌区、白西坑水库灌区和上湾机埠灌区。

2.1.2 农业用水量分析方法 农业用水量分析主要采用水资源供需分析的方法,在农业需水量分析基础上,通过灌区系统概化,从灌溉水源和农业用水户供需满足角度分析灌区各灌溉水源实际供向灌区农业用水户的灌溉水量,灌区内所有灌溉水源的灌溉水量之和即为该灌区农业用水量[13-15]。灌区灌溉水量通常包括本地河道灌溉水量、本地山塘水库灌溉水量以及由灌区渠系工程组成的渠道灌溉水量,其中作为渠系工程取水水源的山塘水库,不重复计入本地山塘水库范畴。

W灌溉=I本地河道+I本地山塘水库+I渠道

(3)

式中:W灌溉为本次所求的灌区农业用水量；I本地河道、I本地山塘水库、I渠道分别为本地河道、本地山塘水库、渠道等不同类型灌溉水源的灌溉水量。

2.2 技术路线图

根据农业用水量计算分析有关方法,结合衢江区农田灌溉水有效利用系数测算分析等工作基础,考虑到现状农业用水监测水平相对有限,提出了基于典型灌区调查的区域农业用水量评估方法。首先,在衢江区现状调查的基础上,选择具有代表性的典型灌区,通过典型灌区作物需水量分析、灌区农业用水量分析等方法,分析确定典型灌区年度农业用水量。在此基础上,根据典型灌区农业用水量分析成果,选取农业用水指标,建立统计回归关系,分析非典型灌区的农业用水量,进而采用典型计算结合非典型分析的方式,评估衢江区2017年农业用水量及其用水水平。衢江区农业用水量调查评估技术路线如图2所示。

图2 技术路线图

3 结果与分析

3.1 典型灌区农业用水量分析结果

3.1.1 典型灌区农业需水量分析 根据上述分析方法,计算得到典型灌区各计算分区2017年农业需水量成果见表1。其中铜山源水库灌区农业需水量最大,达到了4 090.7×104m3;上湾机埠灌区农业需水量最小,仅为11.2×104m3。总体排序为铜山源水库灌区>乌溪江引水工程灌区>红岩水库灌区>白西坑水库灌区>上湾机埠灌区衢江区。

表1 典型灌区2017年农业需水量分析结果

3.1.2 典型灌区工业用水量分析 衢江区铜山源水库灌区、乌溪江引水工程灌区、红岩水库灌区、白西坑水库灌区和上湾机埠灌区衢江区范围内2017年农业用水量分别为4 090.7×104m3，3 221.3×104m3，289.1×104m3，378.8×104m3和11.2×104m3,其中农田灌溉用水量分别为3 886.1×104m3，3 060.3×104m3，274.7×104m3，359.8×104m3，10.6×104m3。

根据2016年全省农业用水量情况,衢江区典型灌区农业用水水平处于全省平均水平,在衢州市相对领先,以农田灌溉每公顷用水量为例,典型灌区农田灌溉每公顷用水量平均值为5 205 m3,与全省平均农田灌溉每公顷用水量(5 200.5m3)接近,而显著低于衢州市农田灌溉每公顷用水量(7 056m3)。衢江区典型灌区农业用水量分析成果如表2所示。

表2 衢江区典型灌区农业用水量

为了确保典型灌区农业用水量分析结果的正确性,本研究选择铜山源水库灌区和乌溪江引水工程灌区作为分析对象,以灌区渠首放水量或支渠灌溉供水量为主要依据,进行成果验证分析。

根据农业用水量分析成果,铜山源水库灌区衢江区范围农业用水量为4 090.7×104m3,其中渠道补水量为1 635.0×104m3;根据调研得到,衢江区范围计量得到的支渠供水量为1 439.6×104m3,按照渠道水利用系数测算方法,采用0.9干渠利用系数, 得到衢江区范围渠道放水量为1 599.6×104m3。由此,两者结果基本一致,相差仅为2.2%,具体如表3所示。

表3 铜山源水库灌区2017年衢江区范围渠道水量分析表

同理,根据柯城区和龙游县范围的支渠供水量计量监测成果,柯城区和龙游县渠道放水量为6.8×104m3和847.2×104m3,此外十里丰农场等其他区域渠道放水量为134.9×104m3;同时根据调研结果,柯城区和龙游县存在利用渠道生态补水,生态补水量分别约为180×104m3和420×104m3,合计铜山源水库灌区渠道总用水量为3 223.9×104m3,与2017年渠首放水量(3 198.4×104m3)基本一致,具体如表4所示。

表4 铜山源水库灌区2017年渠道水量分析表

3.2 衢江区农业用水量分析结果

3.2.1 典型灌区农业用水量模拟结果 根据实地调研分析,衢江区农业用水量大部分由农田灌溉用水量构成,而灌区农田灌溉用水量的大小与当地气候、水文、农作物种类、土地利用系数、复种指数、耕作栽培技术、灌溉制度和灌水技术等诸多因素息息相关。同时,灌区自然条件、灌溉设施条件、农业生产及经济水平的不同,也会对其灌溉用水量产生较大差异。

根据本次典型灌区选择原则,考虑到所选典型灌区具有较好的区域代表性,不少分析指标在典型灌区和衢江区上已具备较高一致性。因此,本次农业用水量分析指标选取,考虑在相关性分析的基础上,选择与农田灌溉用水量相关性较高的有效灌溉面积和水稻种植面积两个指标作为分析对象。

根据多元线性统计回归方法,本次关系式的构建及求解,以农业用水量为目标变量(即因变量),以分析指标为解释变量(即自变量),以铜山源水库灌区、乌溪江引水工程灌区等5个典型灌区作为分析样本,以最小二乘法为原则求解得到,衢江区农业用水量统计回归关系表达式为:

Q农业=282.0×S有效+99.2×S水稻+21.9

(4)

式中：Q农业为农业用水量；S有效为有效灌溉面积；S水稻为水稻种植面积。

同时,根据显著性检验,分析得到衢江区农业用水量统计回归关系在F检验下的P值<0.001,回归模型成立。

3.2.2 非典型灌区农业用水量模拟结果 衢江区2017年全区有效灌溉面积为2.2×104hm2,水稻种植面积为1.9×104hm2,在扣除典型灌区对应面积后得到,衢江区非典型灌区有效灌溉面积和水稻种植面积分别为0.8×104hm2和0.7×104hm2,其中有效灌溉面积占全区34.9%,水稻比重占全区38.1%。衢江区2017年农业用水量计算指标如表5所示。

表5 衢江区灌区农业用水量计算指标一览表

根据衢江区农业用水量统计回归关系, 以非典型灌区农业用水量计算指标为输入, 计算得到非典型灌区农业用水量为4 380.8×104m3, 其中,农业灌溉用水量4 161.7×104m3, 林牧渔畜用水量219.1×104m3, 农田灌溉每公顷用水量5 326.5 m3。结合典型灌区农业用水量分析成果, 典型灌区农田灌溉每公顷灌溉用水量为5 470.5m3,两者农田灌溉每公顷用水量基本一致。

4 衢江区农业用水量评估

4.1 衢江区农业用水量现状评估

根据典型灌区和非典型灌区农业用水量分析成果, 计算得到, 衢江区2017年农业用水量为12 360.7×104m3, 其中, 典型灌区农业用水量7 979.9×104m3,占64.6%,非典型灌区农业用水量4 380.8×104m3,占35.4%。

衢江区农业用水量以农田灌溉用水量为主,受农田灌溉期影响较大,主要集中在6—9月。2017年衢江区农田灌溉用水量为11 742.7×104m3,林牧渔畜用水量为618.0×104m3,农田灌溉每公顷用水量为5 518.5m3。其中以农田灌溉每公顷用水量作为分析指标,衢江区农业用水水平整体在衢州市处于相对领先位置,明显低于衢州市平均农田灌溉每公顷用水量(7 056m3);在全省基本处于平均水平,与全省平均农田灌溉每公顷用水量(5 200.5m3)基本接近。衢江区2017年农业用水量评估成果如表6所示。

表6 衢江区2017年农业用水量表

4.2 农业用水量合理性分析

4.2.1 衢江区农业用水量变化 对比2016年水资源公报成果,衢江区2017年农业用水量整体减少1 222.3万m3,下降9.0%;其中农田灌溉用水量减少1 150.3万m3,下降8.9%,与农业用水量变化基本一致;林牧渔畜用水量由于占比较小,对农业用水量变化影响较小,但总体减少72.0万m3。同时,2017年农业用水效率也有较好提升,衢江区2017年农田灌溉水有效利用系数为0.527,相比2016年提高0.008,农田灌溉每公顷用水量由5 794.5 m3下降到5 518.5 m3,农业用水效率逐渐逼近省平均水平。

4.2.2 成果合理性分析 本次研究基于现状调查,根据衢江区灌溉制度,在结合农田试验站相关成果的基础上,重点从作物生长需水和水源灌溉保障角度对典型灌区农业用水量进行深入分析,再通过多元回归的统计手段,对区域整体农业用水量进行全面把控。相比以往常用的计算统计方法,本次研究方法更多从作物、灌溉水源的生长和运作机理出发,更加接近于农业用水本质。

根据调查得到,衢江区2017年种植结构相比2016年稍有变化,其中单季稻略有减少,而早晚稻相对增长,但其他旱作物和经济作物均有不同程度减少,总体上衢江区2017年作物播种面积呈现减少趋势。2017年灌溉期降水量虽有减少变化,但作物需水显著的5—9月基本与2016年维持一致。同时,衢江区近年来农业节水工作的积极开展和农田水利设施建设的大力推进,农田灌溉水有效利用系数、区域高效节水灌溉面积均得到了较好的提升,灌区管理水平和农业用水效率也得到了显著提高。根据本次研究成果,衢江区2017年农业用水量和农田灌溉用水量均有减少,基本符合衢江区农业用水量受种植结构变化和节水水平提升影响的下降变化趋势。

综上,衢江区2017年农业用水量调查评估成果基本合理,符合衢江区实际,基本客观反映了衢江区当前农业用水效率和农田水利建设与管理水平。

5 结语

本文基于典型灌区放水资料调查, 建立了行政区域农业用水量评估方法, 得出衢江区2017年农业用水量为12 360.7×104m3, 农田灌溉用水量为11 742.7×104m3,农田灌溉每公顷用水量为5 518.5 m3。总体来看,衢江区2017年农业用水水平在衢州市内相对靠前,基本接近全省平均水平,农田灌溉用水量比重仍较高,但农业用水呈下降变化。下一步要结合灌区取用水计量监测体系建设的推进,进一步提高典型灌区放水计量精度,开展灌区灌溉回归水研究,剖析灌溉系统内部用水结构,进一步提高农业用水量评估成果的准确性。