气候变化对汾西灌区灌溉用水量的影响研究

季建鑫，杨 玫，薛丽萍

（1.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024；2.山西省水土保持科学研究所，太原 030024）

0 引 言

气候变暖既引起了降水变化，导致水资源时空分布变化及旱涝灾害的发生[1]，也会使灌区作物的蒸散量增加，降低土壤水的时效性[2]，从而对灌区灌溉用水产生较大影响。定量研究长期气候变化特征及对灌区灌溉用水量的影响，既可以明晰气候及灌区用水量历史变化规律，也可以预测未来变化，为灌区灌溉用水提供科学指导。

线性倾向估计法用来研究气象要素长序列年际变化特征时，可以快速地得到多年趋势变化倾向。Mann-kendall法无需假定样本特殊分布，可避免个人异常值干扰[3,4]，这两种方法常被结合使用。M-K 法进行突变检验时可能会有杂点，可结合距平值法来确定突变期[5,6]。气候变化对灌区灌溉用水量影响研究主要集中于不同气候变化情景下灌溉用水量的变化和灌溉用水量的影响因子研究两个方面[7]。郑润桥[8]等研究区域灌溉用水量时空变化及影响因素，发现相对湿度与日照时数对鲁西北地区灌溉用水量的影响较大。马文津[9]等发现黑龙江部分区域出现“蒸发悖论”现象，但灌溉用水量还是呈增加趋势。宋悦[10]等研究变化环境下泾惠渠灌区净灌溉需水量的响应，结果表明灌区降水减少，ET0增加，净灌溉需量水增加，ET0和种植面积是净灌溉需水量的主要影响因子。前人的研究成果多集中于历史气候或未来气候变化下灌区灌溉用水量总体变化，对灌区灌溉用水量的年内变化及其在不同典型年份条件下的变化研究较少。本文研究山西汾西灌区降水与气温的变化特征及不同典型年灌溉用水量的变化，建立各水文典型年下降水、作物需水量与灌溉用水量的回归方程，定量分析各因素对灌溉用水量的影响，揭示该灌区40 年来气候变化特征及其对灌溉用水量的影响，为进一步掌握灌区气候变化特征及灌溉用水规律、进一步科学合理地指导灌溉提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

汾西灌区位于汾河下游、临汾盆地的汾河西侧，南北长约120 km，东西宽约13 km，受益范围包括洪洞、尧都、襄汾（气象站点见图1），受益面积达28 800 hm2。灌区属温带大陆性半干旱气候，四季分明，雨热同期。冬季寒冷干燥，降雪稀少；春季干旱多风，秋季阴雨连绵；夏季酷热多暴雨，伏天旱雨交错。降水年际变化较大，年内分配不均。本文选择灌区3个气象站点1975-2018年44年的日观测气象资料进行计算与分析。

图1 汾西灌区及气象站概况图Fig.1 Overview map of Fenxi Irrigation area and weather station

1.2 研究方法

1.2.1 气象要素分析方法

气象要素序列常见的分析方法包括趋势分析、突变检验和周期计算。本文采用线性倾向估计法分析时间序列非周期成分的变化特征与趋势，用气候倾向率来表示变化率；用Mann-Kendall 检验法（采用置信度为95%的显著性指标）与距平值法进行突变检验，确定降水与气温的突变年份与变化的显著性。

1.2.2 灌区灌溉用水量计算方法

（1）作物需水量采用FAO_56 的作物系数法计算[11]，公式为：

式中：ETc为作物需水量，mm；ET0为参考作物腾发量，采用Penman-Monteith 公式计算得出，mm；Kc为作物系数，汾西灌区主要作物为冬小麦、春玉米和夏玉米，参考FAO 推荐的夏玉米、汾河灌区春玉米和临汾冬小麦的作物系数[12-14]。

（2）灌溉用水量。灌溉用水量为灌区的灌溉毛用水量，包括作物生长所需灌溉用水量、渠系输水损失量和田间损失量，本文通过灌区净灌溉用水量除以灌溉用水综合利用系数得到：

式中：W为灌区灌溉用水量，mm；W净为灌区净灌溉用水量，mm；η为灌区灌溉用水综合利用系数。

灌区净灌溉用水量为各种作物净灌溉需水量乘以加权系数之和，灌区种植面积占比约为80%，冬小麦、春玉米和夏玉米分别占种植面积的70%、20%、50%。公式为：

式中：W净为灌区净灌溉用水量，mm；IN冬小麦、IN春玉米和IN夏玉米分别为冬小麦、春玉米和夏玉米的净灌溉需水量，mm。

作物净灌溉需水量由农田水量平衡方程得出，汾西灌区地下水埋深大且土壤水分变化不大，不考虑地下水补给和土壤水变化，则净灌溉需水量公式[15]为：

式中：IN为作物净灌溉需水量，mm；Pe为作物生育期内有效降水量，mm，日降水量在3～50 mm 之间，日降水量即为有效降水量，小于3 mm 则不计，大于50 mm 时，有效降水量则为日降水量的0.8倍[16]。

1.2.3 灌区丰水年、平水年、枯水年，灌溉保证率等的确定

对降水序列进行排频计算，用皮尔逊3型曲线配线得到各频率情况下对应的降水量值。一般取P=25%、50%、75%对应的降水量为丰、平、枯水年的设计值，然后在实测系列中选取与设计值相等或接近的年份作为代表年，并用线性回归法建立降水、作物需水量与灌溉用水量之间的关系式，灌溉保证率取50%与75%。

2 结果与分析

2.1 灌区气候变化特征分析

2.1.1 趋势变化特征分析

年降水与平均气温年际变化见图2，由图2 可知：1975 年到2018 年汾西灌区年降水量以2.7 mm/10a 的速率下降，未通过显著性检验，下降趋势不显著。降水CV值为20%，波动较大，1997 年降至最低301.7 mm，2003 年达到最大762 mm，降水极差达460.3 mm。

图2 年降水与平均气温年际变化及其距平值曲线图Fig.2 Interannual variation of precipitation and average temperature and its parity curve

44 年来灌区平均气温以0.67 ℃/10a 的速率上升，于2015年达到最大值15.79 ℃，通过显著性检验，上升趋势显著。平均气温的CV值为7%，较为稳定，1997 年之前多数年份为负距平，1997 年之后多数年份为正距平，故灌区平均气温在20世纪90年代后期之前处于相对偏冷状态，而从20世纪90年代末开始处于升温状态。

2.1.2 突变检验特征分析

年降水突变检验结果见图3（a），由图3 可知：UF与UB交点于1977、2014、2016、2018 年，但只有1977 年以后超出显著水平线，确定1977 年是第一次突变时间，其他点的真伪还需结合降水累计距平曲线（图2）进一步分析得到：降水在2014 和2016 年变化较大，转变前后降水量差值达到248 mm、151 mm，结合两种方法分析结果得到灌区降水的突变时间为1977、2014 和2016 年，确定该年份为降水对灌溉用水量影响的典型年，降水量分别为473.1 mm、613.9 mm、391.18 mm。

图3 年降水与平均气温M-K统计量曲线图Fig.3 Curve of annual precipitation and average temperature M-K statistics

年平均气温突变检验结果见图3（b），其变化特征为：1975-1989年间，气温冷暖交替变化；1989年以后气温增加显著。UB与UF的交点出现在1997 年，因此确定1997 年为突变点；结合平均气温距平曲线结果得到汾西灌区的气温突变点仅仅发生在1997 年，确定该年份为气温对灌溉用水量影响的典型年，气温为14.16 ℃。

2.2 灌溉用水量分析

2.2.1 灌溉用水量年际与年内变化

灌区1975-2018年作物需水量和灌溉用水量年际变化情况如图4 所示，灌区的作物需水量与灌溉用水量呈现上升趋势，分别为7.6 mm/10a、25.4 mm/10a，灌溉用水量的递增速度大于作物需水量的递增速度且年际波动较大，是因为近年来灌区降水年际波动大且总体呈下降趋势，而气温上升，作物需要更多的水分，这使得灌区对灌溉用水的需求增大。

图4 灌区作物需水量和灌溉用水量年际变化Fig.4 Inter-annual variation of crop water demand and irrigation water in irrigated areas

灌区作物需水量、有效降水量及灌溉用水量的年内分布见表1，可以看出三者的年内变化都比较大，作物需水量的变化符合灌区作物的种植生长规律，在年内呈双峰曲线，在5、8 月达到峰值，峰值之差为24.23 mm；有效降水呈单峰曲线，先涨后消，在夏季的7月达到峰值；灌溉用水量的变化与作物需水量相似，不过因为作物需水量与降水一侧大而另一侧小发生的概率比较大，两者较大或较小发生的概率较低，5、8月的有效降水之差较大，它的峰值之差远大于作物需水量的峰值之差，为131 mm。由以上三者的年内分布来看，春灌多发生在4、5 月份且5 月份的灌溉用水量为一年中的最大值，冬灌多发生在11 月份；作物在秋季多数处于成熟期，灌溉需水较少。

2.2.2 气候突变年灌溉用水量变化分析

降水突变年发生在1977、2014、2016 年，气温突变年为1997年，故选取这4个年份为典型年，气候突变年灌溉用水量变化见图5，由图5 可知：灌溉用水量与降水量呈负相关，气温突变年的灌溉用水量为多年最大值894.4 mm，比多年均值大396.8 mm，这是因为气温突变使降水急剧下降为多年以来的最小值，灌溉用水量的变化量约为降水变化量的2.4 倍。在降水突变年，降水量接近多年均值时，灌溉用水量的变化远大于降水量变化，这是降水的年内分布不均导致的；降水量大于多年均值时，灌溉用水量的变化量约为降水变化量的1.7倍；降水量低于多年均值时，灌溉用水量的变化量为降水变化量的2倍。

图5 气候突变年灌溉用水量年际变化Fig.5 Interannual variation of irrigation water consumption in abrupt climate change years

2.2.3 典型水文年灌溉用水量变化及对灌溉制度影响

降水频率曲线见图6，由图6 可知：P为25%、50%、75%，降水对应的设计值分别为515 mm、473 mm、395 mm，可分为丰、平、枯水年3个序列。水文典型年降水与灌溉用水量变化见图7～图9，丰、平、枯水年的多年降水均值分别为572.1 mm、462 mm、354 mm，多年灌溉用水量均值分别为293.2 mm、489 mm、737 mm，灌溉用水量均值之差约为降水均值之差的2倍。灌溉用水量和灌区作物需水量、降水之间的多元线性回归方程分别为：

图6 降水频率曲线Fig.6 Precipitation frequency curve

图7 丰水年降水与灌溉用水量变化Fig.7 Changes in precipitation and irrigation water consumption in abundant years

图8 平水年降水与灌溉用水量变化Fig.8 Changes in annual precipitation and irrigation water consumption in flat water

图9 枯水年降水与灌溉用水量变化Fig.9 Changes in precipitation and irrigation water consumption in dry years

式中：W丰、W平、W枯分别为丰、平、枯水年的灌溉用水量，mm；ET为灌区作物需水量，由主要作物需水量乘以加权系数相加得到，mm；P为降水，mm。

各水文典型年回归方程的决定系数均大于0.9，相关系数均大于0.8，F检验的P值均远小于0.05，这证明灌溉用水量和灌区作物需水量、降水之间的线性关系显著。由方程可看出，作物需水量增加1 mm 时，灌溉用水量增加1.92 mm；降水对灌溉用水量的影响随着降水增多而减小，降水增加1 mm，在丰水年、平水年与枯水年可使灌溉用水量分别减少1.29 mm、1.74 mm、2.72 mm。平水年与枯水年的降水设计值相差78 mm，由方程计算出的灌溉用水量相差139 mm，可推出枯水年的灌溉定额比丰、平水年的灌溉定额多出20%左右。

根据以上分析结果，建议灌区在作物生长期与灌浆期充分保证灌溉，冬小麦、春玉米和夏玉米的灌溉定额分别在180 mm、160 mm、120 mm 左右，成熟期可不灌水。丰水年与平水年灌溉制度的灌溉保证率为50%，冬小麦在越冬前、返青期、生长期和抽穗灌浆期各灌溉1次，夏玉米在生长期和抽雄灌浆期各灌溉1 次，春玉米比夏玉米在播种前多灌溉1 次。枯水年灌溉制度的灌溉保证率为75%，冬小麦增加播种前灌溉一次，玉米在抽雄灌浆期多灌溉1 次。灌溉可进行生长期节水，把农作物生长期达到某一产量水平必须消耗的水量控制在最低限度，保证生育阶段浇关键性水，降低灌溉用水量。

3 讨 论

灌区气象要素变化特征研究有助于探明灌区历史与未来气候变化趋势，本文分析降水与气温时间变化规律，得出灌区气候偏向暖干趋势发展，这与全球的气候变化趋势一致。灌区与山西降水、气温的变化趋势一致，但是灌区降水的下降速率低于山西整体的-15.7 mm/10a，突变时间早于山西整体[17]，平均气温的上升速率大于山西整体的0.306 ℃/10a，突变时间迟于山西整体[18,19]。这可能与汾西灌区的位置以及城镇化活动有关，灌区位于山西省南部地区，降水偏多、气温偏高，靠近汾河，水汽资源易补充，近年来灌区大兴水利设施建设[20]，临汾区域工业发展迅速，对增温也有促进作用。

一般情况下，气温越高，蒸发越强，大气持水能力增强，水循环加强，降水也随之增多。但在气温突变年，气温增加1.31 ℃的情况下，汾西灌区的降水却降至多年最低值301.7 mm，这与厄尔尼诺现象密切相关[21,22]。1997 年发生了20 世纪最强的一次厄尔尼诺现象[23]，赤道东太平洋海温异常升高,中纬度的西南季风减弱,无充沛的水汽向北传送，且6 月西太平洋副热带高压位置偏东南,强度较弱,不能将雨带推向北方[24],而临汾地区基本受西北气流控制，因此降水降至多年最低值[25]。而枯水年单位降水量的变化对灌溉用水量的影响较大，故在厄尔尼诺现象当年，应考虑增加灌溉用水量。

分析灌区灌溉用水量发现春季是灌溉用水量最多的季节，这是因为冬小麦是灌区种植面积最大的作物，春季正值冬小麦的生长期与抽穗灌浆期，也是春玉米种植与生长的时期，作物需水量大[13,14]。作物需水量与降水一侧大而另一侧小发生的概率比较大，两者较大或较小发生的概率较低，这与JIE F[26]等研究结果相符，这两者也是灌溉用水量的主要影响因子，与宋悦[10]、李萍[27]等的研究成果相符。

4 结 论

（1）汾西灌区年降水量以2.7 mm/10a 的速率下降，年际波动大，在1977、2014、2016 年从高向低转变；平均气温以0.471 ℃/10a 的速率显著上升，在1993 年发生暖性气温突变；灌区气候向暖干方向发展。

（2）灌区的作物需水量与灌溉用水量分别以7.6 mm/10a、25.4 mm/10a 的速率上升，灌溉用水量的增长速率大于作物需水量。气温的突变伴随着降水急剧减少，灌溉用水量为多年最大值，远大于降水突变年的灌溉用水量。因此气温突变对灌溉用水量的影响大于降水突变对灌溉用水量的影响。

（3）3种水文典型年的多年灌溉用水量均值之差约为多年降水量均值之差的2 倍。作物需水量增加1 mm 时，灌溉用水量增加1.92 mm；降水增多，其对灌溉用水量的影响减小，单位降水量变化在丰、平、枯水年可分别引起1.29、1.74、2.72单位灌溉用水量的变化。枯水年的灌溉定额比平、丰水年增加20%，灌溉次数增加一次。灌溉时可进行生长期节水，减少灌溉用水量。