云水资源利用对北三河流域农田灌溉需水影响分析

田雪莹 ，王高旭，吴永祥，吴 巍，刘 涛

(1.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, 江苏 南京 210029； 2.河海大学 水文水资源学院, 江苏 南京 210098)

随着经济社会的快速发展，我国部分地区水资源开发利用已接近或超过水资源和水环境承载能力，经济社会用水挤占生态环境用水的情况愈演愈烈，即使是水资源相对丰富的南方地区也存在缺水问题[1-2]。我国云水资源量巨大，每年水汽净输入量占水汽输入总量的13%，这部分水汽凝结形成固态或液态的水凝物贮存在空中。未参与地表降水的形成、悬浮在大气中待开采的水凝物便是云水资源[3-4]。根据《全国人工影响天气发展规划（2014—2020）》的研究结果，每年可利用的云水资源量为2 800 亿m3，目前实际人工增雨量仅为500 亿m3左右，约为每年可利用云水资源量的18%，故我国大陆上空的云水资源存在巨大的开发潜力[5]。我国从20世纪50年代起开展人工影响天气作业来开发云水资源，逐渐将云水资源的利用从抗旱应急变为常态化的稳定业务[6]。农业是用水大户，以往多通过调水工程满足农田灌溉需水，调水工程由于存在诸多问题，可发挥作用有限。合理开发云水资源，可解决由于调水工程的兴建而带来的诸多问题，直接用于调节当地农业用水，既提供新的用水来源又促进农田灌溉用水的经济高效利用。

云水资源利用，主要通过向云体播撒干冰、碘化银等高效冷云催化剂[7-8]来达到降水目的。1949年，Bergeron建立第一个云概念模型，随后大量学者开始探究结合静力概念的云播方式应用于增加降雨的可行性[9]。1958年，我国首次通过人工增雨有效缓解了吉林省的需水问题，此后多省纷纷开展人工影响天气作业。经过多年发展，我国人工影响天气作业规模已达世界首位[10]。2020年，Zhou等[4,11-12]分析了云水资源的概念，提出了两种量化云水资源的方法，进一步为云水资源的利用提供了理论支撑。在理论与技术的不断发展下，人工增雨技术日益成熟，人工影响天气的应用范围也进一步扩大，对云水资源的利用也不再局限于应急抗旱。

人工增雨对农业的影响很大，研究人工增雨条件下的作物产量及需水情况十分必要。1948年，Penman推算出了计算水面、裸地和草地蒸发量的公式[13]；1963年，Monteith将表面阻力引入Penman公式，得到了Penman-Monteith公式[12]；1971年，Vonnegut通过对比人工降水前后降水量变化引起的农作物产量变化情况，建立了产量-降水量区域回归方程[8]。我国于1949年开始建试验站研究作物需水量[12]。1998年，谢森传通过田间试验资料计算了棵间土面蒸发[14]；2012年，Zhang等对中国1956—2000年的降水数据进行分析，总结出中国不同区域降水变化趋势及春秋两季的干旱风险对春小麦等生长期在春秋两季作物的影响[15]；2013年，韩宇平等采用Penman-Monteith公式计算了淮河区主要作物的需水量[16]；2015年，Huang等通过分析美国东部1963—2011年降水数据，总结出生长季降水量-产量关系与重要月份降水量-产量关系[17]；2020年，李志等采用Penman-Monteith公式计算苏北地区不同水文年冬小麦的需水量与灌水量，得到两者的差异情况[18]。

农田灌溉需水预测研究多采用Penman-Monteith公式及作物系数法计算单一作物需水量，继而进行灌溉需水计算[19]。以往研究多侧重于天然降水下的农田灌溉需水预测，以探求陆面水资源在各行业上的合理分配[20]。随着人工增雨技术的发展及其应用范围的扩大，人工增雨和农田灌溉的结合应用成为了新的研究方向。研究云水资源利用对农田灌溉需水量的影响，对统筹云水资源与陆地水资源具有重大意义。因此，本文选择北三河流域构建农田灌溉需水预测模型，结合Penman-Monteith公式进行不同降水频率、不同增雨情景下的农田灌溉需水计算，为云水资源在农田灌溉方向的应用提供参考。

1 研究区概况和数据来源

北三河流域是北运河、潮白河和蓟运河3个流域的统称（图1），地跨北京市、天津市、河北省，属海河流域[21]。总体地形为北部山区，东南部平原，流域面积为3.58 万km2，流域内总人口为1 486 万。属温带东亚季风气候，年降雨量变化大，时旱时涝，降水量年内分配不均，汛期降水量占年降水量的80%～85%，尤以7—8月降水居多[22]。

图1 北三河流域分布Fig.1 Distribution of the North Three Rivers Basin

北三河流域的水资源开发利用主要通过蓄水工程和跨流域调水工程实现。蓄水工程包括密云水库、怀柔水库、海子水库、邱庄水库、于桥水库。跨流域调水工程包括南水北调中线工程和引滦入津工程。密云水库处于燕山群山丘陵之间，是北京最大的也是唯一的饮用水源；怀柔水库兼具防洪、蓄水、供水功能，储蓄南水北调中线输送水量，为北京市供水提供保障；邱庄水库作为中转调节枢纽，在引滦入唐跨流域调水中发挥了巨大作用；于桥水库是天津市唯一的水源地，集防洪、供水、灌溉、发电功能于一体，属引滦入津工程。

在山区、平原区分区的基础上，结合水系特点和行政区划界线，可以将北三河流域划分为11个计算单元，其中山区6个，平原区5个（表1）。

表1 北三河流域行政分区Tab.1 Administrative division of the North Three Rivers Basin

北三河流域涉及北京市、天津市和河北省3个行政区。作物需水量计算所需气象数据资料来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/）。本文选取张北、丰宁、密云等3个国家基准气象站和张家口、怀来、延庆、承德、遵化、北京、霸州、宝坻、天津、唐山、天津塘沽等11个国家基本气象站2015年的逐日气象数据。降水数据来源于北三河流域境内14个国家气象站1961—2018年间的降水数据。

对研究区域的农田灌溉需水量，选择播种面积较大的几种主要农作物，运用农田灌溉需水量计算模型进行计算。选取原则为从大到小累加播种面积达95%的农作物。研究区域选取的13种主要农作物的播种面积来自人工增雨涉及区域的统计年鉴（见表2）。

表2 各计算分区主要农作物面积Tab.2 Area of main crops in each calculation region 单位：ha

2 研究方法

基于Penman-Monteith公式，运用土壤水量平衡法构建农田灌溉需水量预测模型，计算式为：

式中：Fg为农田灌溉需水量（mm）；EC为作物需水量（mm）；P为降水量（mm）；DP为作物根区的深层渗漏量（mm）；RO为田间排走的地面径流量（mm）；Pe为有效降水量（mm）。

2.1 作物需水量

作物需水量采用参考作物法计算，该方法具有较好的通用性和稳定性，估算精度也较高。本文研究北三河流域13种主要农作物的灌溉需水预测，单一作物的需水量计算式[23]如下：

式中：E1为单一参考作物蒸腾蒸发总量（mm）；KC为作物系数，指某阶段作物需水量和参考作物需水量的比值，一般由实测资料确定，不同作物的作物系数、同种作物在不同生育期内的作物系数一般不同。

参考作物需水量根据FAO56推荐的公式[23]计算：

式中：E0为参考作物的蒸散发速率（mm/d）；Rn为作物表面上的净辐射（MJ/（m²·d））；G为土壤热通量（MJ/m2·d）；T为离地面2 m高处日平均气温（℃）；u2为离地面2 m高处的风速（m/s）；es为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）；Δ为饱和水汽压-气温关系曲线在T处的切线斜率（kPa/℃）；γ为温度计常数（kPa/℃）。

2.2 有效降水量

有效降水量为渗入土壤并储存在作物主要根系吸水层中的降水量，其数量为降雨量扣除地面径流量和深层渗漏量[24]。在我国北方地区，次降水量不大，若雨强也不大，基本都能被储蓄在田间土壤中，一般不会产生径流或深层渗漏[25]。由于地面径流量与深层渗漏量不易测得，国内学者在研究中通常采用经验公式法来计算有效降水量[25]，公式如下：

式中：Pe为有效降水量（mm/d）；Pa为实际次降水量（mm/d）；α为降水有效利用系数，当Pa＜5 mm时，α取0，当Pa为 5～50 mm 时， α取 0.8～1.0，当Pa＞50 mm 时， α取 0.7～0.8。

3 结果与讨论

3.1 云水资源分布及降水情况

选取北三河流域14个国家气象站1961—2018年降水系列，利用泰森多边形计算流域面雨量，通过排频计算即将年降水量按从大到小排列，借助水文频率分布曲线适线软件求得该降水系列的相关参数，根据设计频率反查年降水后选出对应95%、75%、50%降水频率的典型年，分别为2002年、2006年、1974年。结合典型年的年降水及北三河流域1961—2018年降水系列中对应3种降水频率的年降水量，通过同倍比法得到北三河流域未增雨时各计算分区在不同降水频率下的降水情况。

由图2（a）可知，北三河流域降水量整体变化趋势基本符合“平水年降水量＞枯水年降水量＞特枯水年降水量”的规律。由于北三河流域内各区域降水和月间降水不均，局部地区降水并不符合以上规律，如河北潮白河山区、唐山平原区等[26]。由图2（b）可知，降水集中在5—9月，其中7月降水最多。

图2 未增雨时北三河流域降水量Fig.2 Precipitation in North Three Rivers Basin without precipitation enhancement

根据中国气象科学研究院数据统计，得出北三河流域2000—2017年云水资源和水凝物降水效率多年平均季节分布见图3和4。由图3可知，北三河流域云水资源夏季最为充沛，春秋相接近，冬季最少但也在300 mm以上。由图4可知，夏季水凝物的降水效率较高，为32%～38%；冬季降水效率最低，在7.5%以下。结合云水资源分布情况，可见北三河流域上空的云水资源存在巨大的开发潜力。

图3 北三河流域2000—2017年云水资源多年平均季节分布Fig.3 Annual average distribution of cloud water resources in North Three Rivers Basin from 2000 to 2017

图4 北三河流域2000—2017年水凝物降水效率多年平均季节分布Fig.4 Annual average distribution of precipitation efficiency of hydrometeor in North Three Rivers Basin from 2000 to 2017

目前，国内外进行的人工增雨试验降水效果大致为10%～25%，我国进行人工增雨作业的地区如祁连山、古田水库等地，其试验降水效果也基本在25%以下[20]。结合实际降水效果，以及北三河流域多年平均云水资源分布及水凝物降水效率，同时为了体现梯度增雨对北三河流域农田灌溉需水量的影响，本文对北三河流域设定了增雨频率分别5%、10%、15%的3种人工增雨情景。

3.2 作物需水量

利用式（2）和（3）求得北三河流域各计算分区13 种作物的作物需水量，汇总得各计算分区逐月作物需水量见表3。根据逐月作物需水量求得北三河流域年度作物需水量为390 mm。由表3可以看出同一地区月间作物需水量相差较大，4—9月为所选农作物的主要生长期，所以作物需水量较大；各分区在同一时段内的作物需水量相近。

3.3 需水分布

利用农田灌溉需水预测模型，模拟得到未增雨时北三河流域的农田灌溉需水分布（图5）。可见，河北蓟运河山区在50%频率下的农田灌溉需水情况较95%、75%降水频率下有所缓解。其余地区在3种降水频率下的农田灌溉需水分布基本一致。北运河山区、北京蓟运河山区、天津蓟运河山区、河北潮白河山区、廊坊市区等农田灌溉需水相对较少；北京潮白河山区、北京平原区、廊坊东平原区等3个地区的农田灌溉需水略多，为1～2 亿m3；天津平原区、河北蓟运河山区、唐山平原区等地区农田灌溉需水最多，皆在5 亿m3以上。天津平原区的作物种植总面积最大，其农田灌溉需水量却并非最大，河北蓟运河山区的作物种植总面积约为天津平原区的1/3，但其农田灌溉需水量却比天津平原区多。结合图2（a）可知，同一降水频率下北三河流域各计算分区的降水差异并不大，造成农田灌溉需水差距悬殊的原因主要在于作物种植结构与种植面积的不同。

图5 北三河流域未增雨时农田灌溉需水分布Fig.5 Distribution of irrigation water shortage in North Three Rivers Basin without precipitation enhancement

3.4 多种增雨情景下不同降水频率的农田灌溉需水量

根据模拟结果可知，未增雨时北三河流域在95%、75%、50%降水频率下的全年农田灌溉需水量分别为274 717、261 493 和257 641 万m3。由图6（a）可知，夏季农田灌溉需水量最多，其次是春秋两季，冬季农田灌溉需水量相对较少。由图6（b）可知，北三河流域在95%、75%、50%降水频率下的逐月农田灌溉需水量相接近，变化趋势也基本一致，8月份农田灌溉需水量最高。

图6 未增雨情景下北三河流域在各降水频率下的农田灌溉需水Fig.6 Irrigation water requirement of North Three Rivers Basin under different precipitation frequencies without precipitation enhancement

不同降水频率下北三河流域在各增雨情景下的农田灌溉需水变量见图7。由图7（a）～（c）可知，在3种降水频率下北三河流域增雨后，夏季农田灌溉需水减少量最多，春秋两季次之，冬季最少。增雨5%、10%和15%时，夏季农田灌溉需水减少量分别约超过600、1 200和1 800 万m3，春秋两季减少量约超过70、140和200 万m3。分析图7（d）～（f）中逐月农田灌溉需水减少情况可知，在3种降水频率下增雨后，6—8月农田灌溉需水减少量较多，全年农田灌溉需水减少量的70%都集中在这个时段，故秋季农田灌溉需水减少量远高于其他季节；春季主要受4、5月降水影响，秋季主要受9、10月降水影响。

图7 不同降水频率下北三河流域在各增雨情景下的农田灌溉需水变量Fig.7 Irrigation water requirement’s change of the North Three Rivers Basin under different rainfall scenarios with different precipitation frequencies

3.5 讨 论

（1）作物种植结构与种植面积影响农田灌溉需水量。北三河流域种植作物多样，主要有冬小麦、玉米、大白菜。天津平原区这3种作物种植面积远高于河北蓟运河山区，而农田灌溉需水量却略低于后者，这主要由于河北蓟运河山区花生的种植面积大，耗水较多。唐山平原区的冬小麦、玉米、大白菜的种植面积虽然低于天津平原区，但由于马铃薯、花生、棉花等种植面积也较大，故农田灌溉需水量最多。经查阅统计年鉴，北三河流域花生、棉花、马铃薯等作物单位面积产量低于谷物粮食，但由于其耗水大，所以这几种作物种植面积对农田灌溉需水的影响较大。

（2）云水资源利用可显著减少农田灌溉需水。由表4可知，随增雨5%、10%、15%情景的改变，全流域农田灌溉需水减少量及减少比例情况均增势明显。增雨15%时，3种降水频率下农田灌溉需水减少量在2 500 万m3以上，农田灌溉需水减少比例约1%，考虑人工增雨成本及现行水价，增雨效益十分可观。

表4 不同降水频率下增雨后北三河流域农田灌溉需水减少量Tab.4 Reduction of irrigation water demand in North Three Rivers Basin after precipitation enhancement

（3）夏季（6—8月）增雨对农田灌溉需水的影响效果较好。由表5可知，平水年、枯水年和特枯水年夏季增雨后农田灌溉需水减少比例均最高，春秋两季增雨后农田灌溉需水减少比例相对较少。增雨15%时，3种降水频率下的夏季农田灌溉需水减少比例均在1.4%以上，春秋两季农田灌溉需水减少比例均在0.9%以下。这得益于夏季空中云水资源较为丰富，虽然水凝物降水效率较于春、秋、冬三季略高，但增雨后仍可对农田灌溉需水产生较大的影响。

表5 云水资源利用下的北三河流域季节农田灌溉需水减少比例Tab.5 Proportion of seasonal irrigation water demand reduction in North Three Rivers Basin under the utilization of cloud water resources 单位：%

（4）春、秋两季适合对河北潮白河山区、天津平原区，河北蓟运河山区，唐山平原区等地增雨。由图3、图4可知，春季河北潮白河山区云水资源分布相对较多，秋季天津平原区、河北蓟运河山区、唐山平原区等地分布相对较多，各地云水资源量相差不大。此外，春秋两季4个地区的水凝物降水效率均不高。由图5可知，天津平原区、河北蓟运河山区、唐山平原区3个地区农田灌溉需水最多，水资源供需矛盾最为突出；春秋两季对天津平原区、河北蓟运河山区、唐山平原区增雨，降水直接作用于农田，可有效缓解农田灌溉缺水严重程度；河北潮白河山区需水较少，增雨后对流域整体的农田灌溉需水情况影响较小，考虑春秋两季对其增雨，意在提高水凝物降水效率，存蓄降水，通过水资源调配，进一步发挥其效用。

4 结 语

（1）云水资源利用可对农田灌溉需水产生明显影响，增雨效益可观；同时对北三河流域的作物种植结构进行优化，这将有效缓解农田灌溉用水短缺现状。随着人工增雨技术的不断发展，增雨效率有望进一步提高，届时云水资源利用将带来更大的效益。在进行作物种植结构优化时，建议结合北三河流域各区域来水情况及可利用水资源分布情况研究作物种植结构的调整方案，重点关注天津平原区、河北蓟运河山区、唐山平原区等农田灌溉需水量较大区域。

（2）枯水年、特枯水年夏季适宜对北三河全流域增雨，春秋两季适宜对河北潮白河山区、天津平原区，河北蓟运河山区，唐山平原区等地增雨。由于北三河流域汛期在7、8月份，在实行具体的人工增雨方案时，应结合汛情实时分析，研判增雨条件及适合增雨时段。

（3）云水资源的利用为灌溉用水提供了新的来源渠道，同时也为水资源的优化配置提供了新思路。从云水资源常态化利用研究来看，平水年及丰水年也可开展人工增雨作业。平水年、丰水年北三河流域上空云水资源较枯水年、特枯水年丰富，但目前较少实施人工增雨。若日后云水资源开发成为常态化业务，可在综合考虑风险和效益的基础上，在云水资源更丰富的平水年、丰水年也进行增雨，通过水利工程调配增加区域水资源可利用量，缓解流域可能出现的水资源短缺。