基于CROPWAT的滇中南部水稻灌溉制度研究

段琪彩，王树鹏，张 雷，罗应培，戚 娜

(云南省水利水电科学研究院，云南 昆明 650228)

云南地处低纬高原，农业气候资源特征鲜明，造就了立体农业和高原特色农业丰富多彩、复杂多样的优势特点。滇中是云南底纬高原的重要组成部分，光热资源条件好，但水资源较为紧缺[1-2]。为缓解滇中的缺水问题，充分发挥独特的自然优势，2018年3月水利部正式对滇中引水工程初步设计报告准予行政许可，目前工程已全面开工。然而，云南作为以山地为主的边疆省份，灌溉试验站网建设发展缓慢[3]，灌溉制度研究较中东部地区差距较大，水肥不合理利用不仅制约着经济发展，同时也造成了局部地区面源污染[4]，对贯彻落实“绿水青山就是金山银山”的发展思想和实施乡村振兴战略产生一定影响。CROPWAT[5]是联合国粮农组织(FAO)开发的计算机程序，目前该模型在全球不同地区作物需水量计算和灌溉制度制定中应用较广，Narmilan A等[6]对斯里兰卡Batticaloa水稻需水量进行了研究，Verma Ramesh等[7]应用模型对印度Uttarakhand Dehradun地区水稻需水量进行了研究，王中波等[8]应用模型计算了松嫩平原南部地区水稻各生育期需水量、有效降雨和灌溉需水量。众多研究表明，对作物、土壤等参数进行校准后，该模型应用取得了较好效果[9-14]，但针对滇中南部地区水稻泡田水量和本田期灌水量系列进行模拟，据此制定灌溉制度的研究成果尚不多见。本文应用CROPWAT模型模拟水稻的泡田水量和本田期灌水量系列并制定灌溉制度，旨在为水资源优化配置、高效利用以及灌区规划设计提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 模型简介

CROPWAT是联合国粮食及农业组织土地和水开发司基于土壤、气候和作物数据计算作物需水量和灌溉需水量的计算机程序，并评估作物在雨养和灌溉条件下的效益。模型基础数据包括气候、作物、土壤3类，还可根据实际需要对灌溉管理条件进行交互式动态设置，界面友好，应用灵活方便。

CROPWAT 8.0中使用的所有计算程序均基于联合国粮食及农业组织的两份灌溉和排水系列出版物，即第56号《作物蒸散发-计算作物需水量指南》和第33号《对水的产量响应》。CROPWAT 8.0软件包中预设了标准作物和土壤数据，当无法获得本地数据时可通过作物类型和土壤特性选择合适的数据，应用该模型进行所需计算。当本地数据可用时，可以轻松地修改这些数据文件或创建新的数据文件，以达到更好的计算效果。同样，如果没有当地的气候数据，可以从相关的气候数据库CLIMWAT获得全世界5 000多个监测站的气候数据。CROPWAT 8.0灌溉计划的制定是以日为时间尺度的土壤-水平衡原理，根据气候、土壤、作物数据和各种用户定义的供水、灌溉管理条件，计算给定作物的灌水量，制定灌溉计划(制度)。

1.2 气象数据

建水气象站数据来源于中国气象科学数据共享服务网(https://data.cma.cn/)，收集了该站的经度、纬度、海拔高程和1958—2013年逐日降水量、日平均气温、日最高气温、日最低气温、日平均相对湿度、日照时数和日平均风速。

1.3 模型参数

应用CROPWA模拟灌水量所涉及的参数包括土壤、作物两类，同时需设定灌溉管理方案。作物参数包括播种时间、作物系数、各阶段生长时间、根系层深度、株高和水稻泡田土层深度共6个参数；土壤参数包括土壤总有效水量、最大入渗速率、耕作层深度、初始有效土壤水分耗损率共4个综合参数，另外还包括泡田时排水孔隙度、临界消耗率和泡田完成时水层深度、最大水层深度4个附加参数。文中田间管理方式为本地区常用的淹水灌溉模式，其中泡田时间为5月25日，插秧时间为5月28日，收割时间为9月25日；总有效水量(TAW)按式(1)计算[5]；其余参数根据建水试验点2016—2018稻季试验结果分析确定[14]。泡田时排水孔隙度(n)不仅与土壤特性有关，还受前期降水量影响，年际间变化较大，本文根据试验结果率定的回归方程式(2)计算。各参数取值见表1、2。

TAW=1000(θfc-θwp)

(1)

式中 TAW——总有效水量，mm/m；θfc——田间持水率，根据试验结果取0.42；θwp——凋萎点含水率，根据土壤类型(粉砂黏土)取0.27。

n=39.4-0.1948P

(2)

式中n——泡田时排水孔隙度，%；P——泡田之前20 d累积降水量，mm。

表1 建水试验点水稻种植作物参数

表2 建水试验点水稻种植土壤及稻田参数

1.4 灌溉制度拟定方法

灌溉制度采用理论计算法拟定，具体步骤为：①依据建水试验点2016—2018稻季试验数据，对CROPWAT模型参数进行设置；②依据建水气象站1958—2013年数据，应用模型分别模拟历年水稻泡田水量和本田期灌水量；③由水稻全生育期灌水量组成样本系列，采用矩法计算不同保证率(P=50%、P=75%、P=90%)的灌水量，以相应保证率(P=50%、P=75%、P=90%)灌水量对应年份为典型，得到不同保证率灌溉制度。

2 结果与分析

2.1 水稻灌溉制度

建水水稻灌溉制度见表3。由表3可见，滇中南部建水水稻P=50%、P=75%、P=90%的灌溉定额分别为510.1、591.1、651.2 mm，其中泡田定额分别为185.3、209.2、213.9 mm，本田期灌溉定额分别为324.8、381.9、437.3 mm，泡田定额占总定额的35%左右。建水水稻5月28日插秧，本田期灌水次数分别为9、10、11次，灌水定额在20.3～46.7 mm；一般6月灌水4次，7月灌水2～3次；8—9月不同保证率的灌水次数差异较大，P=50%和P=75%年景共灌水3次，P=90%年景8月共灌水5次。由表3还可看出，6月中旬以前的灌水定额较小在20.3～26.2 mm，返青期之后灌水定额较接近在40.2～46.7 mm；不同保证率(P=50%、P=75%、P=90%)灌水定额无明显差异，P=90%年景较P=50%年景泡田定额增加13.4%、本田期增加25.7%。总体来看，不同保证率的灌水定额无明显差异，灌水次数和灌溉定额则随保证率提高而增多(大)，灌水量年际间差异前期6—7月较小、后期8—9月较大。

2.2 灌水量模拟结果分析

建水1958—2013稻季灌水量特征值统计见表4。从表4可以看出，泡田水量最大值为1963季的241.7 mm，当年前期非常干旱，5月1—25日降水量仅13.5 mm，泡田时土壤较为干燥，从而导致当季的泡田水量最大；雨季来临后，本田期降水量虽然偏少但分配相对均匀，本田期的灌水量为418.7 mm较多年平均值331.0 mm略偏大。泡田水量最小值为2001季的63.4 mm，当年雨季来得早，自4月23日起开始连续降雨，至5月25日累积降水量288.7 mm，泡田时的土壤含水量大，致使当季的泡田水量最小；当季降水量接近平均情况，本田期灌水量263.9 mm。泡田水量出现极值的年份，本田期灌水量并不一定相应出现极端情况。本田期最大灌水量为2010季的570.4 mm、最小灌水量为1971季的159.6 mm，全生育期最大灌水量为2010季的753.0 mm、最小灌水量为2001季的327.3 mm。全生育期灌水量最大值与本田期出现年景一致为2010季，最小值与泡田水量出现年景一致为2001季，即全生育期灌水量同时受泡田水量和本田期灌水量影响，随机性较大。

表3 建水水稻灌溉制度

表4 1958—2013年稻季建水水稻灌水量统计

按泡田水量与本田期灌水量叠加为全生育期灌水量再排频和按泡田水量、本田期灌水量分别排频后叠加得全生育期的灌水量2种情况，分别统计P=50%、P=75%、P=90%的灌水量，结果见表5。从表5可见，先排频后叠加与先叠加后排频所得灌溉定额存在一定差异，其中泡田水量偏差在±5.9%以内，本田期灌水量偏差在+9.0%，全生育期灌水量偏在+8.0%以内，本田期灌溉定额先排频成果偏大。

表5 建水水稻灌水量排频结果

另据1958—2013年稻季灌水量统计分析，全生育期灌水量接近的年景泡田水量和本田期的灌水量存在较大差异，例如1981季(P=73.7%)和1982季(P=77.2%)全生育期灌水量频率接近P=75%，这两季的泡田水量分别为109.9、219.4 mm，本田期灌水量分别为466.7、372.4 mm，两季的灌水量相差较大。

可见，泡田水量和本田期灌水量极值、不同保证率值出现年景并不一定相应。从较小空间尺度来看，水稻灌水量主要受气象因素影响，在降水、气温、风速、湿度等众多气象因子中，又以降水过程分配的影响最为明显。降水量一般为随机过程，在水稻不同生育期为随机组合，从而导致水稻泡田水量与本田期的灌水量并不一定同频，因此制定灌溉制度时应同时考虑泡田水量和本田期灌水量，将两者叠加后再进行排频得到的灌溉制度更切合本地区实际。

2.3 灌溉制度合理性分析

用水定额有设计定额、统计定额、管理定额之分[16]，不同定额所关注的侧重点不同，其结果也存在一定差异。目前，云南省实施的DB 53/T 168—2019《云南省地方标准用水定额》中，建水农业灌溉用水分区属滇中Ⅰ-3区，水稻泡田定额在240.0～255.0 mm，本田期P=50%、P=75%、P=90%的灌溉定额分别在427.5～435.0、487.5～502.5、540.0～562.5 mm，可见现行的灌溉定额较本次研究成果略偏大，其中泡田定额偏大12.2%～37.6%，本田期灌溉定额偏大23.5%～33.9%。滇中属高原季风气候，降水量年际变化大，年内分布不均匀，水资源紧缺，供需矛盾突出，现行水稻灌溉定额略偏大，从节约用水、减少农业灌溉退水、保护水资源的角度考虑，本文拟定的水稻灌溉制度符合本地区实际。

3 结论

在对CROPWAT模型中相关参数进行校准的基础上，依据1958—2013年建水气象观测数据，模拟了建水水稻的灌水量过程，并经排频拟定了水稻灌溉制度，得到以下结论。

a)滇中南部建水水稻P=50%、P=75%、P=90%的灌溉定额分别为510.1、591.1、651.2 mm，其中泡田定额分别为185.3、209.2、213.9 mm，本田期灌溉定额分别为324.8、381.9、437.3 mm，泡田定额占总定额的35 %左右。本田期灌水次数分别为9、10、11次，灌水定额在20.3～46.7 mm。

b)不同保证率灌水定额无明显差异，灌水次数则随着保证率提高而增多，灌溉定额也随之增大，泡田定额P=90%较P=50%增加13.4%，本田期灌溉定额P=90%较P=50%增加25.7%；不同保证率的灌水量年际间差异前期6—7月较小、后期8—9月较大。

c)滇中南部建水现行的水稻灌溉定额标准基本合理，但从节约用水、保护水资源的角度考虑，水稻灌溉仍有20 %以上的节水潜力。