滇中受水区农业节水潜力估算与分析

顾世祥1，朱 赟,3，李亚龙，刘凤丽，熊玉江

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，昆明 650021；2.长江科学院 农业水利研究所，武汉 430010；3.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024 )

1 研究背景

大力发展农业节水是目前方向性、 战略性的大事。 农业节水潜力计算在当下社会发展中具有极重要的理论与实践意义[1-2]。 农业节水潜力主要是指农田灌溉节水潜力， 主要体现在农田灌溉水利用系数的提高和灌溉用水定额的下降两方面[3-5]。 现时期节水潜力分析是以各部门、 各种作物通过综合节水措施所达到的节水条件下的定额、 水利用系数、 节水器具普及率等为参照标准, 分析现状用水水平与节水条件下的上述指标的差值, 并根据现状的实物指标(如灌溉面积等) 计算最大的可能节水量[6-8]。

目前， 我国农业节水潜力研究多通过构建多指标多目标综合评价体系, 从区域农业节水灌溉综合评价角度进行节水潜力评价。刘小燕等[9]采用定额比较法分析了通辽市科尔沁区现状年和规划水平年的农业节水潜力。马素英等[10]以河北省石家庄市2006—2007年为例, 采用水利部公式、海委公式推求了石家庄市2006—2007年各行业节水潜力, 并将两种结果与实际节水潜力进行了分析比较, 认为水利部节水潜力计算公式是目前计算节水潜力的较好方法。王应武等[11]基于当前已有的灌溉节水潜力计算理论, 提出了农业灌区毛节水量与净节水量的区分与计算, 并以灌区实际为例, 分别估算了节水灌溉率提高30%和50%两种工况下的毛节水量与净节水量。王林威等[12]在对宁蒙引黄灌区节水潜力概念辨析、灌溉水量与地下水位变化关系分析、灌区合理灌溉定额计算的基础上, 采用传统的节水潜力计算公式, 分析了青铜峡灌区的节水潜力。琼月等[13]针对西北干旱地区石羊河流域下游民勤县自然条件和水资源配置不合理的矛盾, 提出了一种基于优化的多尺度农业节水潜力计算方法, 通过计算分析多尺度农业节水潜力为当地提高了用水效率。刘柏君等[14]在分析青海西宁海东地区节水现状、解析区域现状用水水平的基础上, 评价了该地区的节水潜力, 其中农业节水部分采用传统节水潜力计算方法, 提出了具有针对性与适应性的农业、工业、城镇生活用水优化对策。崔永正等[15]基于超效率SBM模型, 在全国视角下测度分析2008—2018年黄河流域9省的农业用水效率及其分解, 并深入分析流域各省的农业节水潜力。

滇中地区是云南省的经济核心区和农业优先发展区域, 但受自然条件约束, 也是云南省缺水最严重的地区, 水资源短缺已成为其经济发展的突出瓶颈。本文根据有限的水、土资源数据资料, 参考各学者节水潜力计算案例研究, 最终选取水利部推荐的农业节水潜力计算方法, 计算分析滇中受水区的农业节水潜力, 旨在为该区域农业节水发展提供一定参考。

2 研究区概况

本文研究区为滇中引水工程受水区，涉及大理、丽江、楚雄、玉溪、昆明和红河6个受水片区，共包含34个受水小区，涉及6个州(市)的36个县(区、市)，国土面积3.69万km2，约占全省国土面积的9%(图1)。现状耕地面积64.25万hm2，占全省总耕地面积的10%，人均耕地面积0.1 hm2，低于全省平均水平。滇中受水区是云南省耕地最为连片、种植水平高的粮食主产区，主要种植水稻、玉米、豆类和薯类，在云南省农业发展中具有举足轻重的地位和作用。2017年底，滇中受水区所涉及的6个受水片区共发展节水灌溉面积约285.56万 hm2，其中高效节水灌溉面积约6.96万 hm2。平均灌溉水利用系数为0.59，高于全国平均水平0.542，低于国内先进水平0.735。平均节水灌溉率达到48.01%，略高于全国平均水平36.6%，低于国内先进水平76%。受水区现状农业节水技术较国内先进水平还有一定距离，农业节水潜力还有发展空间。

图1 滇中受水区

3 数据与研究方法

3.1 数据来源

从中国气象科学数据共享服务网站收集了22个相应区域县级典型气象站点2012—2017年逐日气象数据，包括最高(低)气温、空气相对湿度、日照时间、降雨量和风速等，用以了解研究区年径流量特征；从云南省1949—2017年统计年鉴[16]、云南省水资源公报、农业统计年报等收集了滇中受水区各州(市)水资源、农业用水、农业灌溉、粮食产量等数据；参考了《云南省土地利用总体规划》《云南省水利发展“十三五”规划》《大型灌区续建配套与节水改造方案编制技术指南》《中型灌区续建配套与节水改造方案编制技术指南》以及《云南省“十三五”高效节水灌溉实施方案》、《云南省用水定额(2019版)》等项目成果资料。

3.2 计算方法

滇中受水区农业节水潜力的计算采用水利部推荐的农业节水潜力计算方法(式(1))[15-16]。该公式综合考虑了农作物种植结构调整、大中型灌区改造、节水灌溉面积扩大、渠系水利用系数提高、灌溉制度改进等措施，涵盖了工程节水、农艺节水、管理节水3个方面。

Wn=A0(Q0/u0-Qt/ut) 。

(1)

式中：Wn为农田灌溉节水潜力；A0为现状灌溉面积(hm2)；Q0为现状作物加权净灌溉需水定额(m3/hm2)；Qt为考虑作物布局调整后的远期水平年作物加权净灌溉需水定额(m3/hm2)；u0为现状水平年灌溉水利用系数；ut为远期水平年灌溉水利用系数。

4 研究区农业节水潜力估算与分析

4.1 情景设置

根据《基于LMDI的滇中受水区农业用水量变化影响因素分析》[17]一文中对滇中受水区农业用水量影响因素的分析，认为促进其农业用水量有增加趋势的正向效应即主要因素是高耗水作物种植比例与综合灌溉定额。因此在节水情景设置时，以2017年(平水年)为现状基准年，2030年为规划水平年，根据滇中受水区34个受水小区农业用水、农业节水现状，选定灌溉水利用系数、节水灌溉率、高效节水灌溉率以及高耗水作物(水稻)种植比例为指标，进行组合，拟定5个节水发展情景，用上述水利部推荐的农业节水潜力计算方法(公式(1))分析计算各情景的节水潜力。具体如表1所示。

表1 滇中受水区节水发展情景

4.2 结果分析

4.2.1 农业节水潜力分析

根据提高灌溉水利用系数平均水平、调整种植结构后得到的5种节水发展情景，通过式(1)进行农业节水潜力计算，得到滇中34个受水小区在各情景下的农业节水潜力结果(表2)及滇中受水区总体农业节水潜力情况(图2)。情景1时各受水小区维持基准年灌溉水利用系数平均水平及种植结构原状，不具有农业节水潜力；情景2时除大理市受水小区农业节水潜力为394万m3外，其余33个受水小区的农业节水潜力均为负值，其中元谋元马受水小区农业节水潜力达到-2 598万m3，各受水小区所在片区农业节水潜力合计值均为负；在情景3的灌溉水利用系数平均水平和种植结构下，仅南华龙川、富民永定、昆明四城区、易门龙泉、通海秀山农业节水潜力为负值，其它受水小区农业节水潜力均为正，各受水小区所在片区农业节水潜力合计值均为正；在情景4的灌溉水利用系数平均水平和种植结构下，仅富民永定和昆明四城区2个受水小区农业节水潜力为负，其它受水小区农业节水潜力均为正，其所在受水片区农业节水潜力合计值均为正；情景5时，各受水小区农业节水潜力及其所在受水片区农业节水潜力合计值均为正。

从滇中受水区总体农业节水潜力情况(图2)分析，情景1维持节水现状未作改变，无节水潜力；情景2农业节水潜力为-21 211万m3，情景3、4、5时，农业节水潜力均为正且依次增加，分别为18 782万、20 094万、41 649万m3。综合分析各受水小区及所在受水片区农业节水潜力情况，在节水发展情景1、2情况下，滇中受水区不具备农业节水潜力。

表2 各受水小区农业节水潜力

图2 滇中受水区各情景农业节水潜力

4.2.2 区域粮食安全分析

根据现状人口与城镇化水平，按照云南省新型城镇化发展的要求，采用人口综合增长率法预测，参考国民经济与社会发展的相关规划成果，确定各受水区的人口增长率和总人口规模，如表3所示。大理、丽江6个受水小区现状总人口210.31万人，城镇人口102.13万人，城镇化率48.6%。预测滇中受水区2030年总人口为228.64万人，年均增长率为7.6‰，其中城镇人口122.31万人，城镇化率53.5%；预测滇中受水区2040年总人口为248.71万人，年均增长率为8.0‰，其中城镇人口139.71万人，城镇化率56.2%。在2030—2040年人口预测为增长的趋势下，过度压缩粮食作物(水稻)种植面积会造成区域粮食产量一定程度降低。

表3 受水区总人口与年均增长率预测

4.2.3 节水投资分析

依据《大型灌区续建配套与节水改造方案编制技术指南》《中型灌区续建配套与节水改造方案编制技术指南》以及《云南省“十三五”高效节水灌溉实施方案》，节水灌溉投资、高效节水灌溉投资分别以1.5万元/hm2和5.25万元/hm2计算，单方水纯效益以1.30元计算(因节水情景1、2不具备节水潜力，此处不做节水投资效益分析)。可得出滇中受水区在节水情景3、4、5下的节水效益情况(表4)。由表4可以看出，节水发展情景3、4在农业节水潜力与单方节水能力投资方面相差并不大。与情景3相较而言，情景4农业节水潜力增加7%，但单方节水能力投资却较情景3降低6.5%；情景5农业节水潜力最大，若拟定其为节水方案，可节水41 649万m3，但在该情景下单方节水能力投资较情景3、4分别高出30.3%、39.4%。

表4 滇中受水区各情景节水效益分析

综上分析可知，由于节水发展情景1灌溉水利用系数平均水平与种植结构都在现状的基础上没有作出调整，不具节水潜力，而情景2的农业节水潜力值为负，不满足节水指标，因此不能将这2种节水情景作为节水方案；节水发展情景4虽然通过压缩高耗水作物种植面积，在情景3的基础上增加了7%的节水潜力，但由于过度压缩水稻种植面积，容易造成不利于滇中受水区粮食安全的问题，故而不可取；情景5通过大力推进节水灌溉工程建设，提高了灌溉水利用系数，大幅增加了滇中受水区农业节水潜力，但建设资金投入过大，单方节水投资较高，根据滇中受水区实际发展情况，不应作为规划水平年节水方案。因此，在规划水平年2030年，推荐将节水发展情景3作为滇中受水区节水方案。

5 结 论

农业节水与灌溉水利用系数、节水灌溉面积、种植结构、水分生产效率和粮食安全等密切相关。滇中受水区现状节水水平总体上虽处于全国中等水平，但与国内先进地区仍有较大差距，农业节水技术水平也较低。通过对5个节水发展情景的农业节水潜力、区域粮食安全及节水投资效益进行比对分析，最终认为，在规划水平年2030年，滇中受水区灌溉水利用系数平均水平达到0.69，节水灌溉率和高效节水灌溉率分别达到80%和30%，种植结构在现状年水平基础上，根据各受水小区实际情况，在-10%～3%的范围内调整水稻种植面积时，农业节水潜力可达到18 782万m3。