海河流域农业节水潜力计算工作的若干思考

丁志宏，邓方方，解文静

海河流域农业节水潜力计算工作的若干思考

丁志宏1，邓方方2，解文静3

（1.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津300170；2.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021；3.水利部海河水利委员会，天津300170）

为了便于开展海河流域农业节水潜力计算工作，推导了流域尺度上的农业节水潜力计算公式，概括了农业节水潜力概念的3个层次，梳理了3个概念层次上的节水潜力计算流程，论述了计算过程中的若干技术要点，以期为有关方面开展流域尺度上的农业节水潜力计算工作提供技术参考。

海河流域；农业灌溉；节水潜力；计算公式；潜力层次；计算流程；技术要点

定量地分析和评价流域农业灌溉的节水潜力是流域机构开展农业节水管理工作的重要技术支撑和工作内容。所谓农业节水潜力，可以理解为是现状水平年农业灌溉需水量与规划水平年农业灌溉需水量之间的差值，是现状值与期望值之间的差值。则，农业节水潜力的大小是与现状水平年的农业灌溉需水量、种植结构、节水水平、节水措施、节水措施实施面积以及规划水平年的农业灌溉需水量、种植结构、节水水平、节水措施、节水措施实施面积、节水规划投资额、相关方面的利益主体的积极性等诸多技术、经济和社会因素有关的复杂因变量，是用水结构、节水模式、规划水平、投资力度、利益调整等相关因素综合作用的结果，是一种未来水平年可能得以实现的“最大”或“潜在”的节水量，具有复杂性、尺度性、动态性、敏感性等特点。

综上所述，流域农业节水潜力的实现过程是一个涉及自然、社会、经济、技术等多维度影响因子的复杂系统工程，而流域农业节水潜力量值的计算、分析与评价是此项系统工程的基础性技术工作。

1 计算公式

基于“真实节水”的概念[1]，本文以作物土壤层作为研究对象，构建土壤水量平衡概念模型[2]，如图1所示。考虑可能出现的各种水量要素，建立水量

式中：ΔW土壤为土壤含水量的变化量（mm）；P为冠层截流后到达地面的降水量（mm）；Rp为降水产生的地表径流（mm）；Sp为降水产生的深层渗漏（mm）；Igross为理论毛灌溉需水量（mm）；Ri为灌溉产生的地表径流（mm）；Si为灌溉产生的深层渗漏（mm）；Rpr和Spr分别为降水产生的地表径流（mm）和深层渗漏的重复利用量（mm）；Rir和Sir分别为灌溉产生的地表径流（mm）和深层渗漏的重复利用量（mm）；GR为地下水补给（不包括灌溉和降雨渗入地下水的水量对土壤的补给）（mm）；ETf为满足作物正常生长所需的蒸腾蒸发量，即作物需水量（mm）；Ls为土壤水侧向流出研究区域的水量（mm）；Win为其它入流项（mm），如从研究区域外进入研究区域土壤层的引水量或入流量等。平衡方程如下：

图1 土壤水量平衡概念模型

对式（1）进行变换，得：

式中：等号的左边是净灌溉需水量，记为理论净灌溉需水量Inet，等号的右边是有效灌溉供水量；βET为作物灌溉调节系数；其余变量含义同上。

假设降水的回归水重复利用量为传统的降水损失乘以降水回归水利用系数βp，记为Rpr+Spr= (Rp+Sp)βp，则理论净灌溉需水量计算公式为：

式中：Pe为有效降水量（mm）；其余变量含义同上。

当计算时段为年时，土壤含水量的变化ΔW土壤很小，可忽略不计；土壤层水分运动以垂向为主，因此土壤层的水分侧向流出量Ls一般较小，也可忽略不计。则，理论净灌溉需水量计算公式可简化为：

假设灌溉回归水重复利用量为传统的灌溉损失乘以灌溉回归水利用系数βi，记为：

式中：Iloss为灌溉损失量（mm）；其余变量含义同上。

由于Iloss=Igross(1-ηi)，其中ηi为灌溉水利用系数，则式（5）可改写为：

将式（6）进一步简化，可得：

式（7）也可写作：

式（7）中的理论毛灌溉需水量是考虑了作物需水量、降水和灌溉回归水的重复利用情况下的理论毛灌溉需水量，有别于传统意义上的毛灌溉节水量。

实施节水措施后的理论毛灌溉需水量计算公式为：

则农业理论节水潜力ΔW计算公式为：

基于如下假设，将式（4）和（7）从灌区尺度推广到流域尺度上：在流域尺度上考虑，降水损失所形成的回归水重复利用量为零，即认为降水损失所形成的地表和地下水的回归水是被农业生产系统以外的生活、工业或生态系统加以利用而未回归到农业系统中得以重复利用，因而βp=0；灌溉损失水量的重复利用量为零，即认为灌溉损失所形成的地表和地下水的回归水是被农业生产系统以外的生活、工业或生态系统加以利用而未回归到农业生产系统中得以重复利用，因而βi=0。

基于上述假设，式（4）变为：

式（7）变为：

式（11）变为：

式中：ET′f、P′e、G′R分别为实施节水措施后的作物正常需水量（mm）、有效降水量（mm）、地下水补给量（mm）；其余变量含义同上。

鉴于海河流域地下水现状埋深普遍较大且平原区地下水超采严重的实际，不考虑地下潜水对作物补给作用的变化，也不考虑降水有效利用系数的变化，则式（11）变为：

式（15）即为本文提出的流域农业节水潜力计算的基本公式，其节水潜力计算的基准是现状年的作物灌溉需水量，而非现状年的作物实际灌溉水量，主要是考虑从作物本身生长对水分的需求出发来探索未来节水潜力更有意义，更主要的是由于现状年作物实际灌溉水量组成复杂、灌溉对作物需水的满足程度差异较大，受降水因素、经济因素和农民灌溉意愿的影响较大，缺乏各类作物详细灌溉水量的统计数据，难以衡量，用于计算缺乏实际可行性。

2 潜力层次

由式（15）可知，流域农业节水潜力的来源主要有以下两个方面（从实际灌溉实践出发，本文不考虑调亏灌溉等改变βET的节水措施）：①改变ηi的值，即提高灌溉水利用系数。通过一定的节水技术工程措施，直接减少农业用水过程中的水量损失，从而减少对水资源的直接消耗量，本研究称之为节水的第1层次，即工程型节水潜力；②改变ETf的值，即降低农作物潜在需水量。降低作物潜在需水量的途径有2个：第1个途径是在第1层次节水的基础上，通过施加其它的节水措施，提高作物将环境要素转化为粮食干物质的转化效率，使得单位用水量所产出的干物质数量有明显增加，即通过提高水分生产效率来减少对水资源的总需求量，本研究称之为节水的第2层次，即效率型节水潜力，在保证现有灌溉面积上的干物质总量不变的基础上，依靠田间农艺节水技术措施可以使作物潜在需水量减少的数值；第2个途径是：在确保粮食安全和农民收入不降低的前提下，改变作物种植结构，通过需水侧的需水作物种类的结构性变化来减少作物潜在需水量，进而减少灌溉需水量，本研究称之为节水的第3层次，即结构型节水潜力。

综上所述，本文所定义的第1层次、第2层次和第3层次节水潜力，即工程型、效率型和结构型节水潜力，其计算公式分别如下所述：

2.1 工程型节水潜力

工程型节水潜力计算公式为：

式中：η1和η2分别表示采用节水技术前后的工程型水分利用系数，即灌溉水利用系数；I需表示分区的作物净灌溉需水量（m3），取决于作物的蒸腾蒸发量ET（mm）、降水P（mm）、降水有效利用系数α、地下水利用量G（mm）以及作物种植面积A（hm2）。

式中：i表示分区内的作物种类；Ai为第i种作物种植面积（hm2）；ETi为第i种作物的需水量，即蒸腾蒸发量（mm）；其余变量含义同上。

2.2 效率型节水潜力

效率型节水潜力计算公式为：

式中：ϕ1表示通过调整作物生理过程所能产生的农田耗水减少的百分比；ϕ2表示通过采用滴灌等节水灌溉措施和秸秆覆盖等农艺措施使得农田耗水减少的百分比[4]；其余变量含义同上。

2.3 结构型节水潜力

结构型节水潜力计算公式为：

式中：I规需表示分区规划水平年的作物灌溉需水量（m3）；I现需表示分区现状水平年的作物灌溉需水量（m3）；Ai规为规划水平年的第i种作物的种植面积（hm2）；Ai现为现状水平年的第i种作物的种植面积（hm2）；其余变量含义同上。

必须指出的是，流域农业节水潜力的3个层次之间不能简单相加而得出总体节水潜力。

3 技术要点

在开展海河流域农业节水潜力计算、分析和评价工作的过程中，有一些需要注意的问题，现集中阐述如下：

3.1 作物需水量的计算

作物需水量的计算可以采用2种途径：一是在流域降水量站点数量较多、分布较为均匀、系列长度较长时，可以先根据同期的气象数据采用Penman-monteith公式计算选定的代表性作物的参考作物腾发量ET0，再选择适宜的作物系数进而求得长系列的作物需水量。此种方法的好处是可以考虑降水量和参考作物腾发量这2个农作物理论需水量的主要影响因素的耦合作用，将农业节水潜力评估工作的标准由单一考虑降水量的不同频率推进到同时考虑降水量和参考作物腾发量的不同频率组合这一新的评价基准[5]，不足之处是需要的基础数据较多、基础计算工作量较大、作物系数确定较为困难，对基础资料的齐备程度和详细程度要求较高。二是采用流域内的各省级行政区的水行政主管部门颁布的农业灌溉用水定额标准，流域灌溉需水量作为农田水利工程规划、设计和灌溉用水管理的重要参数，长期以来一直受到水利科学界的重视，各级水利部门开展了大量的灌溉试验工作，取得了丰富的作物灌溉需水量成果，各省（自治区、直辖市）都提出了各自行政区域范围内的农业灌溉用水定额，在计算节水潜力时可以直接引用，采用这种方法的不足之处是只能计算灌溉定额标准中给定的降水频率下的作物需水量，不能同时考虑降水量和参考作物腾发量的不同频率组合。

3.2 现状种植结构的确定

现状农业种植结构，尤其是冬小麦、春玉米、夏玉米、棉花、水稻、花生、大豆等大田作物的种植面积，是农业灌溉节水潜力计算的现状用水端的基础数据，可以通过查阅有关省（自治区、直辖市）的农村统计年鉴、水利统计年鉴、水资源公报附表等来获取。

3.3 种植结构调整方向

农业灌溉用水是海河流域的用水大户，占海河平原区总用水量的75%，是导致地下水超采的主要原因，特别是在冬小麦生育期，实际耗水量远大于有效降水量，降水对冬小麦的水分满足率很低，以地下水为主要水源的人工灌溉成为粮食高产稳产的重要保障。相比之下，玉米因为其生育期在夏秋两季，降水量较为集中，与海河流域降水量的年内分布特征匹配度较好，对人工灌溉的需求量相对较小。据统计，华北平原冬小麦的播种面积自1998年以来的近20年间出现了一定程度的减少，长期以来占主导地位的冬小麦—夏玉米一年两熟耕作制度在部分区域已演变为春/夏玉米一年一熟制，夏玉米的播种面积不断增加。与冬小麦相比，玉米生育期恰好是年内降水的丰水期，水分亏缺量相对较小，灌溉水需求量也较小。因此，冬小麦播种面积的减少以及耕作制度的变化必然会节约一部分农业灌溉水量。

海河流域各分区的节水均不能满足冬小麦的需水情况，且需灌溉的水量较大，整体优势不太明显，近年来种植结构和规模比较稳定，因而可以根据水情适当压缩冬小麦的种植面积。玉米的降水利用率和效益都比较高，对于发展节水农业意义重大。海河平原区的玉米种植已经具有较大规模，且近年种植规模比较稳定。目前玉米的市场前景较好，可作为动物饲料和工业原料。因而，应将玉米作为海河平原区重点发展的作物，并着重提高其单产。棉花较适应海河平原区的降水分布情况，近年来平原区的棉花种植面积和单产都有较大增幅，是海河流域较有发展潜力的作物，但棉花价格近年来波动较大且费工，应以稳定种植面积为宜。水稻需水量较大，除了冀东平原区和天津平原区可保留一定面积的水稻种植以外，海河流域其余各分区宜不再种植水稻，以节约灌溉用水。

4 结语

流域农业节水潜力是在理想状态下的作物的广义节水潜力，是理论上的最大可能的节水量，其各种影响因素具有时间易变性和空间异质性且相互之间的关系错综复杂，因而农业节水潜力具有复杂性、敏感性、动态性、尺度性。基于土壤水量平衡方程，从整体和宏观着眼，抓住问题的主要环节，推导了流域尺度上的农业节水潜力3个层次的计算公式并探讨了计算和评价过程中的一些技术问题。

[1]何宏谋，丁志宏，张文鸽.融合ET管理理念的黄河流域水资源综合管理技术体系研究[J].水利水电技术，2010，41（10）：10-13.

[2]刘路广，崔远来，王建鹏.基于水量平衡的农业节水潜力计算新方法[J].水科学进展，2011，22（5）：696-702.

[3]段爱旺，信乃诠，王立祥.节水潜力的定义和确定方法[J].灌溉排水，2002，21（2）：25-28，35.

[4]尹剑，王会肖，刘海军，等.关中地区典型作物农业节水潜力研究[J].北京师范大学学报（自然科学版），2013，（Z1）：205-209

[5]丁志宏，何宏谋，王浩.灌区降水量与参考作物腾发量的联合分布模型研究[J].水利水电技术，2011，42（7）：15-18.

TV214

A

1004-7328（2017）02-0016-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.007

2016—11—11

国家自然科学基金项目（51309202）；水利部公益性行业科研专项经费项目（201101016）

丁志宏（1979—），男，博士，高级工程师，主要从事水文水资源研究与咨询工作。