气候变化条件下石羊河流域农业灌溉需水量的模拟与预测

牛纪苹，粟晓玲，唐泽军

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100；

2.中国农业大学水利与土木工程学院， 北京 100083)



气候变化条件下石羊河流域农业灌溉需水量的模拟与预测

牛纪苹1，2，粟晓玲1，唐泽军2

(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院， 陕西 杨凌 712100；

2.中国农业大学水利与土木工程学院， 北京 100083)

摘要：根据石羊河流域及周边共11个气象站点1959—2012年的逐日气象资料，利用大气环流模型HadCM3的输出和SDSM统计降尺度模型，生成A2、B2两种排放情景下未来石羊河流域各站点2020 s，2050 s和2080 s的ET0和降水日值；使用作物系数法，扣除有效降雨量，计算现状和未来不同作物净灌溉定额、流域净灌溉需水量和耗水量；应用反距离加权插值法(IDW)研究作物净灌溉定额的空间分布特征。结果表明，石羊河流域小麦、玉米、甜椒、棉花、胡麻和苹果的多年平均作物净灌溉定额都呈现从西南到东北递增的趋势，预测未来气候变化情景下，6种典型作物净灌溉定额呈增加趋势；多年平均流域净灌溉需水量为12.65×108m3，多年平均耗水量为15.42×108m3；在种植结构维持现状条件下，预计2020 s，2050 s和2080 s，在HadCM3模式的A2情景下净灌溉需水量分别为13.45×108m3、15.02×108m3、16.94×108m3，耗水量分别为15.53×108m3、16.65×108m3、18.18×108m3，B2情景下净灌溉需水量分别为13.55×108m3、14.63×108m3、15.51×108m3，耗水量分别为15.56×108m3、16.34×108m3、17.00×108m3，未来流域净灌溉需水量和耗水量都呈明显上升趋势，且A2情景下的上升幅度大于B2情景。石羊河流域的农业灌溉需水在未来将持续增加，2050 s之后增加趋势更为显著。

关键词：气候变化；灌溉需水；石羊河流域；SDSM

干旱地区既是生态脆弱区，更是气候敏感区，受气候变化的影响非常明显。有研究表明，气候变化会导致水分蒸发量增大，最终会导致土壤有效水分减少，作物受旱减产[1]。因此，探讨气候变化下未来农业灌溉需水的时空分布特征，可为作物种植结构的调整和指导适应气候变化的流域水资源规划与管理提供重要依据。

气候变化研究主要有三类方法[2]：趋势统计分析法、增量情景法[3-4]和模型模拟法，其中模型模拟法是应用气候模式模拟气候条件，结合作物生长模型定量研究气候条件对作物灌溉需水量的影响。相对于仅研究气象要素与农业灌溉需水之间变化趋势关系的趋势统计分析，以及人为假定气象要素变化幅度的增量情景，模型模拟法利用大气环流模型GCM更能反映气候因子变化的大气环境物理基础，而统计降尺度技术的使用，使低分辨率的GCM输出转化为高分辨率、区域尺度，进一步提高了模型模拟法结果在区域尺度的适应性和精度。

丛振涛等[5]使用SRA1B情景下大气环流模式MIROC312的输出，预测未来50年中国的作物需水量和灌溉需水量总体上呈增加趋势；王卫光等[6]使用HadCM3气候模式结合ORYZA2000水稻模型研究发现，以1961—2010年为基准期，在间歇灌溉和淹水灌溉模式下，苏南地区未来水稻耗水量和灌溉需水量均呈增加趋势；Gohari[7]使用GCM结合天气发生器LARS-WG研究发现，伊朗Zayandeh-Rud河流域2015—2044年温度上升、降水下降将导致灌溉需水量持续上升；Chung[8]计算韩国南部地区的灌溉需水量在基准年为410 mm，使用大气环流模式HadCM3研究发现，在A2和B2情景下2050 s将下降4%和8%，在A2和B2情景下的2080 s将下降10%和2%；Schaldach[9]在大气环流模式IPCM4的干旱情景下，预计2050 s欧洲的灌溉需水量下降1%，达到530.6亿m3，在MIMR的湿润情景下，下降5%，达到512.3亿m3；Gondim等[10]使用动力降尺度模型PRECIS和大气环流模式HadCM3，预测Jaguaribe流域的灌溉用水量与基准期(1961—1990年)相比，在2025—2055年A2和B2情景下，将分别增长7.9%和9.1%；Chiang[11]使用5个大气环流模式GCMs和水文模型GWLF，预测在A2情景下，台湾南部地区缺水率在未来短期、中期和长期时间段内分别为23.8%～33.1%， 25.2%～32.2%，25.0%～36%，可见随着时间的推移，水资源短缺日益严峻。

石羊河流域位于甘肃省河西地区东段，介于祁连山东段与巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠南缘之间，东经101°41′～104°16′，北纬36°29′～39°27′。流域降水稀少，干旱缺水。根据牛纪苹等研究，预测在HadCM3模式的A2排放情景下，2020 s、2050 s和2080 s流域参考作物蒸发蒸腾量将分别增加6%、14%和23%，B2情景下将分别增加7%、12%和17%[12]。考虑降雨的变化，未来流域主要作物的灌溉需水和总耗水如何变化，还需要进一步研究。已有的气候变化对石羊河流域灌溉需水的影响研究主要针对单一作物，如熊伟等[13]采用区域气候模式PRECIS结合CERES-Maize模型，发现气候变化使石羊河流域玉米生育期普遍缩短，实际蒸散量和灌溉用水量总体呈现降低趋势；陈超等[14]采用区域气候模式PRECIS结合COSIM棉花模型，发现在未来的气候变化情景下，棉花的耗水量和参考作物蒸发蒸腾量明显提高。

本研究以石羊河流域为研究区，基于1959—2012年的长系列日气象资料，利用作物系数法、大气环流模型HadCM3和统计降尺度模型SDSM，计算并预测了石羊河流域1959—2012年和未来A2、B2两种排放情景下2020 s(2011—2040年)，2050 s(2041—2070年)和2080 s(2071—2099年)小麦、玉米、甜椒、棉花、胡麻和苹果6种典型作物净灌溉定额(I)、流域及各区县总净灌溉需水量(IN)和农业耗水量(Wt)，以期为流域未来的节水规划及种植结构调整提供依据。

1数据来源与研究方法

1.1数据来源

数据资料主要包括实测气象数据和各种作物的种植面积。其中，实测气象数据来自中国气象科学数据共享服务网，包括石羊河流域及其周边共11个气象站(见图1)1951—2012年逐日平均温度、最高温度、最低气温、相对湿度、风速和日照时数等气象资料，各气象站的海拔高度、经纬度等地理信息资料。

流域各区县各种作物的种植面积来自于统计年鉴，流域内门源、山丹及肃南的耕地面积很少，天祝有部分属于黄河流域，由于资料所限，本文将古浪、民勤、天祝、凉州和永昌的灌溉需水量作为石羊河流域总的灌溉需水量。

图1研究区及周边气象站点分布

Fig.1Location of meteorological stations in study area

1.2净灌溉定额(I)、总净灌溉需水量(IN)和农业耗水量(Wt)的计算

净灌溉定额(I)是指必须通过灌溉补充的土壤原有储水量和有效降雨量及地下水利用量不能满足作物蒸发蒸腾、冲洗盐碱以及其他方面要求的水量[15]。由于石羊河流域地下水埋深小于5 m的面积很少，因此忽略地下水的补给，并不考虑冲洗盐碱的净灌溉需水量，各作物净灌溉定额(I)采用下式计算：

I=ETc-Pe

(1)

式中，I为作物净灌溉定额(mm)；ETc为作物蒸发蒸腾量(mm)；Pe为作物生育期内的有效降雨量(mm)。

作物需水量采用下式计算：

ETc=∑Kci×ET0i

(2)

式中，ETc为作物需水量(mm)；Kci为全生育期第i生长阶段的作物系数；EToi为对应该生长阶段的参考作物蒸发蒸腾量(mm·d-1)，采用FAO(世界粮农组织)推荐的Penman-Monteith[16-17](简称PM公式)计算，公式如下：

(3)

式中：ET0为参考作物蒸发蒸腾量(mm·d-1)；Rn为作物表面净辐射量(MJ·m-2·d-1)；G为土壤热通量(MJ·m-2·d-1)；γ为湿度计常数(kPa·℃-1)；T为空气平均温度(℃)；u2为地面以上2m高处的风速(m·s-1)；es为空气饱和水汽压(kPa)；ea为空气实际水汽压(kPa)；Δ为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率(kPa·℃-1)。

作物系数Kc值的选取参考已有的研究成果[18-20]。

农业有效降雨量采用降雨有效利用系数来计算[21]：

Pe=∑σP

(4)

式中，Pe为作物生育期内有效降雨量(mm)；P为日降雨量(mm)；σ为日降雨量有效利用系数(P<5mm，σ=0；5mm≤P≤50mm，σ=1；P>50mm，σ=0.8)。

农业总净灌溉需水量采用下式计算：

(5)

式中，IN为总净灌溉需水量(108 m3)；Ij为第j种作物全生育期净灌溉定额(mm)；Aj为第j种作物播种面积(104 hm2)。

农业耗水量采用下式计算：

(6)

式中，Wt为农业耗水量(108 m3)；ETcj为第j种作物全生育期蒸发蒸腾量(mm)；Aj为第j种作物播种面积(104 hm2)。

1.3统计降尺度模型SDSM

在进行区域尺度气候变化研究时，为了解决GCM空间尺度不匹配的问题，必须充分应用降尺度技术[22]，本文采用统计降尺度模型SDSM 4.2版本预测石羊河流域未来的日ET0和日降水，统计降尺度模型SDSM的具体步骤详见参考文献13。

1.4IDW插值

在ArcGIS下通过反距离权重插值方法(IDW)获得石羊河流域小麦和玉米等6种典型作物净灌溉定额(I)多年平均及未来的空间分布图。

2结果与分析

2.11959—2012年各作物多年平均净灌溉定额

石羊河流域现状种植结构中，小麦、玉米、蔬菜、棉花、水果、油料作物分别占总播种面积的29%、15%、14%，6%、6%及5%，合计占75%。因此以小麦、玉米、甜椒(代表蔬菜)、棉花、胡麻(代表油料作物)和苹果(代表水果)6种主要作物为例，研究石羊河流域多年平均及未来净灌溉定额的时空变化。

1959—2012年流域各区县各作物生育期内的平均净灌溉定额见表1，6种典型作物的净灌溉定额的空间分布如图2。小麦的净灌溉定额呈现出从西南的祁连山区到东北绿洲平原递增的趋势，最大值达603 mm，位于凉州区，而最小值217 mm，位于天祝区；玉米的净灌溉定额空间分布趋势与小麦基本相同，其最大值为325 mm，位于民勤，最小值为96 mm，位于天祝。结合石羊河流域1959—2012年平均降水的空间分布，可以看出流域内降水量越少的区域，I值越大，这与杨兴国[23]的研究所得规律一致。

表1　石羊河流域行政区各作物生育期内多年平均和未来2050 s平均净灌溉定额/mm

2.2多年平均农业灌溉需水量

流域各区县多年平均农业耗水量Wt和净灌溉需水量IN值如表2所示，结果表明，流域多年平均IN为12.65×108m3，多年平均Wt为15.42×108m3；多年平均净灌溉需水量IN的大小排序为：民勤303.21 mm>凉州286.69 mm >永昌257.06 mm>古浪230.14mm>天祝126.46 mm，多年平均单位面积农业总耗水量Wt的大小排序为：民勤336.46 mm>古浪328.61 mm>凉州326.59 mm>永昌307.88 mm>天祝272.88 mm。

表2　石羊河流域行政区多年平均农业耗水量(Wt)和净灌溉需水量(IN)

2.3未来各作物净灌溉定额

石羊河流域各气象站ET0的降尺度模拟效果见文献12，流域日降水量模拟值和实测值的确定性系数R2见表3，率定期R2在0.23～0.68之间、验证期R2在0.30～0.79之间。月尺度降水模拟效果以乌鞘岭站为例(图3)，说明降水模拟值的年内分布与实测值均较为一致，模拟效果比较理想，表明SDSM可以用于降尺度处理GCM的输出数据。

图2石羊河流域各区县6种典型作物多年平均和未来A2情景下净灌溉定额(I)的空间变化

Fig.2Spatial distributions ofIfor six kinds of typical crops in Shiyang River Basin during 1959—2012,

2020s, 2050s, and 2080s under A2 scenarios

A2、B2情景下未来降水相比基准年1961—2000年的变化率如表4所示，在A2情景下，降水在2020 s、2050 s和2080 s三个时期将分别下降5%，13%和19%，变幅随时间逐渐增大；B2情景与A2情景的变化趋势是相同的，未来3个时期将分别下降6%，11%和13%。流域降水在未来将持续减少，在2050 s之后变化趋势将会更为显著。

预测石羊河流域各行政区在2020 s、2050 s和2080 s各作物生育期内的平均净灌溉定额，以2050 s为例，如表1所示，不同作物的净灌溉定额对气候变暖的响应存在着差异。在ArcGIS下获得未来2020 s、2050 s和2080 s小麦、玉米、甜椒、棉花、胡麻和苹果的净灌溉定额在A2和B2两种气候变化情景下的空间分布图，以A2情景为例，如图2所示，在2080 s流域小麦的净灌溉定额最大值达701.97 mm，位于凉州区，而最小值位于天祝区，为404.28 mm；玉米最大值为413.28 mm，位于民勤，最小值位于天祝区，为230.61 mm；小麦和玉米在未来3个时期A2、B2两种情景下的净灌溉定额空间分布规律与多年平均分布基本一致，且在时间上呈上升趋势，增幅逐渐增大，到A2情景下的2080 s，小麦净灌溉定额比现状年增加144.52 mm，玉米比现状年增加90.92 mm；且A2情景下的增幅大于B2情景。

图3　乌鞘岭站SDSM模拟的月降水和实测月降水序列散点图

表4　流域降水A2和B2两种情景下的变化率

2.4未来农业灌溉需水量

流域各区县未来农业耗水量Wt值和净灌溉需水量IN如表5所示，在A2情景下，总净灌溉需水量IN和农业总耗水量Wt在2020 s、2050 s和2080 s三个时期将分别达到13.45×108m3、15.02×108m3、16.94×108m3和15.53×108m3、16.65×108m3、18.18×108m3；B2情景与A2情景的上升趋势相同，在未来3个时期将分别上升到13.55×108m3、14.63×108m3、15.51×108m3和15.56×108m3、16.34×108m3、17.00×108m3；A2情景下的增幅在2020 s小于B2情景，但在2050 s和2080 s都大于B2情景。因此，石羊河流域的农业耗水量Wt和净灌溉需水量IN在未来将持续增加，在2050 s之后这种上升趋势将会更为显著。

3结论与讨论

1) SDSM模型可以用于ET0和降水的降尺度处理。

2) 石羊河流域小麦、玉米、甜椒、棉花、胡麻和苹果多年平均净灌溉定额(I)在空间上都呈现从西南到东北递增的趋势。预测未来气候变化情景下，6种典型作物的I空间分布仍呈现从西南部地区向东北地区递增的规律，且I在时间上都呈现上升趋势，A2情景下的增幅大于B2情景。

3) 石羊河流域多年平均Wt和IN分别为15.42×108m3、12.65×108m3，在未来A2情景下，Wt和IN

表5　石羊河流域行政区未来平均农业耗水量(Wt)和净灌溉需水量(IN)/108m3

在2020 s分别为15.53×108m3、13.45×108m3；在2050 s分别为16.65×108m3，15.02×108m3；在2080 s分别为18.18×108m3、16.94×108m3。在未来B2情景下，Wt和IN在2020 s分别为15.56×108m3、13.55×108m3；在2050 s分别为16.34×108m3、14.63×108m3；在2080 s分别为17.00×108m3、15.51×108m3。未来IN和Wt呈明显上升趋势，且A2情景下的增幅大于B2情景。

从总体来看，气候变化使区域农业灌溉需水在未来呈上升趋势[5-10]，而石羊河流域降水量小、蒸发量大，灌溉对作物产量起着至关重要的作用。未来的气候变化会使流域水资源矛盾供需更加突出，甚至导致灌溉用水进一步挤占生态用水。因此急需采取措施缓解流域灌溉水供需矛盾突出的状况，如：科学管理农业灌溉用水，开展农田水利基本建设，推广旱作节水技术，还可以改变播期、引入早中熟品种、适当扩大棉花等喜温喜热作物的种植面积等。

本研究在探讨气候变化对石羊河流域农业灌溉需水的影响时，未考虑作物生育期、品种改良和病虫害的影响，也未考虑气候变化对作物系数的影响，有待于进一步的研究。

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Simulation and estimation of impact from climatic changes on

irrigation water requirement in Shiyang River Basin

NIU Ji-ping1,2, SU Xiao-ling1, TANG Ze-jun2

(1.CollegeofWaterResources&CivilEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;

2.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

Abstract：Upon the simulation and estimation of the impact from climatic changes on net irrigation requirement quota of crop, irrigation water requirement (IN) and total crop water demand (Wt) in Shiyang River Basin could provide support for efficient use of water resources and sustainable development of agriculture. While dailyET0 and precipitation in 2020 s, 2050 s and 2080 s were downscaled from HadCM3 (Hadley centre Coupled Model, version 3) outputs under A2 and B2 emission scenarios by SDSM (Statistical Downscaling Model), based on meteorological data from 11 meteorological stations located in and around the Shiyang River Basin during 1951—2012. Net irrigation requirement quota,IN andWt were calculated by using crop coefficient method, and removing the effective rainfall. The spatial distribution of net irrigation requirement quota was investigated by Inverse Distance Weighted Interpolation. The results showed that net irrigation requirement quota performed an increasing tendency from southwest to northeast gradient for wheat, maize, sweet pepper, cotton, sesame and apple. HadCM3 projected an increasing trend for these six typical crops. The presentIN andWt were 12.65×108m3and 15.42×108m3, respectively in the whole basin. When the present planting structure was maintained, under A2 emission scenario, theIN were 13.45×108m3, 15.02×108m3, and 16.94×108m3, and theWt were 15.53×108m3, 16.65×108m3, and 18.18×108m3, respectively in 2020 s, 2050 s and 2080 s. Under B2 emission scenario, theIN were 13.55×108m3, 14.63×108m3, and 15.51×108m3, and theWt were 15.56×108m3, 16.34×108m3, and 17.00×108m3respectively in 2020 s, 2050 s and 2080 s. A remarkable increasing temporal trend was observed in net irrigation water requirement,IN andWt. The increase under B2 scenario was lower than that under A2 scenario. There would be a significant increasing trend about requirement of irrigation water in the future, which would especially be more significant after the 2050 s.

Keywords:climatic change; net irrigation water requirement; Shiyang River Basin; SDSM

中图分类号：S274；S161

文献标志码：A

通信作者：粟晓玲(1968—)，女，四川开江人，教授，博士，博士生导师，主要从事水资源规划与管理研究。 E-mail:suxiaoling17@126.com。

作者简介：牛纪苹(1989—)，女，山东日照人，博士研究生，主要从事农业水土资源利用与保护研究。

基金项目：国家自然科学基金项目(51279166)；西北农林科技大学中央高校基本科研业务费科技创新重点项目(QN201168)

收稿日期：2015-03-06

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.32

文章编号：1000-7601(2016)01-0206-07