安达市灌溉用水需求与节水灌溉发展面积阈值分析

管孝艳，吕 烨，韩松俊，彭国明

(1.国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京 100048；2.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048；3.黑龙江省安达市水务局，黑龙江 安达 151400)

水资源短缺已成为制约我国粮食稳定发展的主要瓶颈，干旱灾害已成为农业生产的主要威胁，发展节水灌溉已成为现代农业可持续发展的必然选择[1-3]。准确的分析灌溉用水需求及节水灌溉面积发展阈值，对合理选择区域经济发展模式与发展速度，促进水资源可持续利用具有重大的意义[4]。

用水需求预测始于大约100 年前的美国，许多发达国家从20世纪60年代起就开始重视对国民经济各部门未来用水量的预测，1980年前后，在中国农业区划工作的带动下，开展了水资源调查评价和水资源利用评价工作。薛小杰利用改进的径向基函数网络对黄河流域的农业需水进行了预测[5]；刘小花根据开封市的历年地下水、地表水及引黄水的系列资料，采用时间序列方法进行了开封市农业灌溉用水的预测[6]。黄修桥对我国中长期灌溉用水需求进行了分析，并总结了适合我国国情的节水灌溉发展模式[4]。甘红分析了中国东北农业灌溉水资源保障及空间差异，构建了农业灌溉水资源保障度分析模型[7]。实际上影响农业用水的因素复杂多变，若简单地根据灌溉定额预测用水量和灌溉面积发展规模会造成较大误差，而更加准确的确定作物需水量，并据此来确定灌溉需水将进一步提高灌溉用水需求及节水灌溉面积发展规模的研究精度。

为合理利用有限的水资源，大力发展高效节水灌溉，提高粮食综合生产能力，推进现代农业建设，2012-2015年国家实施了东北四省区(黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古) “节水增粮行动”[8]。黑龙江省安达市以此为契机，建设国家级高效节水灌溉示范区，本文以安达市节水增粮行动为背景，研究分析安达市灌溉用水需求及节水灌溉面积发展阈值，以期为安达市高效节水灌溉的发展提供参考依据。

1 研究区概况

安达市位于黑龙江省西南部，属于松花江流域和松嫩平原腹地，境内无天然江河，地处中温带大陆性半干旱季风气候区，冬季寒冷、干燥，时间长达200 d以上，夏季雨热同期，气温变化大，日照时间长，降雨时空分布不均，风多风大、频率高，土壤蒸发量大，春夏之交干旱频生。多年平均气温3.3℃，多年平均降水量405.3 mm，降水年内分配不均，6-8月降水量占全年降水量的65.6%，年均蒸发量(E601)888.2 mm，≥10 ℃的年均积温2 914 ℃，无霜期141 d，平均日照2 659 h，冻土层深度2.14 m。年平均风速2.6 m/s，风向多为西北风。

安达市总面积3 586 km2，其中耕地面积为1 282 km2，现状总灌溉面积为5.2万hm2，均为旱田，其中节水灌溉面积为1.70万hm2，均为喷灌工程。在节水增粮行动中，安达市集中连片大规模推广应用玉米高效节水灌溉技术，2012-2015年安达市“节水增粮行动”总灌溉面积为4.88万hm2，其中改造2.16 万hm2，新增2.72万hm2[9](见表1)。安达市节水增粮行动的水源主要为地下水。

表1 安达市节水增粮行动灌溉面积 万hm2

2 水资源开发利用现状及潜力

安达市地表水资源比较贫乏，属于地表径流量低值区，根据《松辽流域水资源综合规划》，确定安达市多年平均径流深仅为11.5 mm，由此分析计算安达市地表水资源量仅为4 124万m3。根据黑龙江省水利水电勘测设计研究院2005年完成的《黑龙江省水资源综合规划地下水资源量评价报告》，安达市全市地下水资源量为2.141 4亿m3。地下水可开采量为1.698 亿m3。安达市地表水资源量为4 124万m3，地下水资源量为2.141 4 亿m3，重复计算量为1 080万m3，安达市水资源总量2.445 8 亿m3。

安达市现状供水水源主要为地下水，现状地下水供水量为1.127 7 亿m3。安达市近10 a来地下水资源开采量见表2。

表2 安达市近10 a来地下水资源开采量表 万m3

现状年安达市总用水量1.129 2亿m3，其中地表水15万m3，受当地地表水资源条件的限制，地表水利用率虽然仅为0.12%，但是由于当地地表水资源量较少，地表径流丰枯变化大，产流条件差，剩余可利用量无法加以利用。地下水用水量为1.127 7 亿m3，当地地下水可开采量1.698 0亿m3，地下水开采率为66.41%，剩余可开采量为5 708万m3。地下水开采程度稍高，但尚有部分用水潜力。而现有地表水蓄水工程调蓄能力有限，除了现有塘坝春季播种坐水(15万m3)，剩余水量无法充分利用，安达市地表水资源开发利用潜力不大。

根据《黑龙江省安达市节水增粮行动水资源论证报告》[10]，安达市90%频率年大气降雨量为316.5 mm， 90%频率年的地下水可开采量6 759.84万m3。

3 灌溉需水量分析

气象要素变化引起的蒸散发能力的变化将影响作物需水量，进而与降水量的变化一起影响研究区域灌溉需水量，从而影响区域灌溉定额制定、灌溉需水预测和用水管理。计算作物需水量最经典也是最常用方法是作物系数法，即：

ETc=KcET0

(1)

式中：ETc为作物需水量，mm；ET0是参照腾发量，mm；Kc是作物系数。

为了分析气象要素变化对研究区作物需水量和灌溉需水量的影响，本研究采用FAO推荐的分段单值平均法计算1956-2014年灌区主要作物玉米的作物需水量的变化。研究区域玉米与4月底播种，9月底收获，生长期约150 d。初始作物系数取0.4，生育中期作物系数取1.15，Kcend取0.35。

作物需水量一部分可以由天然降雨供给，另一部分需由灌溉补充。所谓净灌溉需水量是指为保证作物正常生长并取得高产而需要通过灌溉补充给作物的水量。它是作物需水量与有效降雨量之差。由每种作物各月的净灌溉需水量可以计算整个灌区各月的综合净灌溉需水量，计算公式如下：

NIR=ETc-PcETc>Pe

(2)

NIR=0ETc≤Pe

(3)

式中：NIR为净灌溉需水量，mm；ETc为作物需水量，mm；Pe是作物生育期内的有效降雨量，mm；P是实际降雨量，mm。

有效降雨量采用美国农业部土壤保持局推荐的方法来计算[11-13]：

(4)

可以看出，研究区内作物需水量和净灌溉需水量都具有显著下降的趋势(见图1)。

图1表明作物需水量和净灌溉需水量受到气象要素变化的影响，近5 a玉米的作物需水量为418.1 mm，而单位面积净灌溉需水量为101.4 mm。

图2给出了1956-2014年和1990-2009年多年平均的月作物需水量ETc和净灌溉需水量NIR变化。玉米6-8月作物需水量和净灌溉需水量较大，其中近5 a 8月份灌溉需水量最大，达到37.2 mm。

4 节水灌溉发展面积阈值分析

节水灌溉发展的规模与工农业、国民经济的发展、人口变化与粮食生产、土地利用状态、水资源开发、能源、物资的消耗、水利工程建设、灌溉发展、建设方针政策、资金的投入等因素有关，其中任一因素供求关系的变化都将影响灌溉节水的发展。东北节水增粮行动中水资源是制约节水灌溉发展的最主要因素，本文仅讨论水资源约束下的节水灌溉发展面积阈值。

图1 安达气象站1956-2014玉米作物需水量ETc和净灌溉需水量NIR变化过程

图2 1956-2014年和1990-2009年多年平均的玉米月平均作物需水量ETc和净灌溉需水量NIR变化

根据表1中节水灌溉面积的发展情况和灌溉用水需求分析的结果，同时，依据《节水灌溉工程技术规范》(GB/T50363-2006)要求，喷灌区灌溉水利用系数不应低于0.8，滴灌区不应低于0.9，本研究中取喷灌灌溉水利用系数取0.88，滴灌灌溉水利用系数取0.95。可以得到安达市的农业灌溉需水量为5 560.88 万m3，其中喷灌需水量为4 762.8万m3，膜下滴灌需水量为798.08万m3。

根据《喷灌工程技术规范》(GB/T50085-2007)以及《微灌工程技术规范》(GB/T50485-2009)，确定地下水喷灌灌溉设计保证率为90%，地下水滴灌设计保证率为85%。参考《黑龙江省安达市“节水增粮行动”实施方案》(2012-2015年)，玉米喷灌设计灌溉净定额为975 m3/hm2，玉米膜下滴灌设计灌溉净定额为525 m3/hm2。根据《国家农业节水纲要(2012-2020年)》和《全国农田水利“十三五”规划报告》，按照节水灌溉发展“因地制宜、分区实施”的原则，东北地区合理发展膜下滴灌、喷灌，在有规模化耕作条件的地区集中连片发展大中型季下滑行走式喷灌。安达市制定了以喷灌为主，膜下滴灌为辅的节水灌溉发展思路。据此，我们制定了5种不同节水灌溉发展规模(喷微灌比例)，计算得到安达市节水增粮行动后仍可以发展的节水灌溉面积阈值如表3所示。

表3 安达市节水增粮行动后节水灌溉面积发展阈值

安达市节水灌溉面积的发展与群众意愿和土地流转的程度密切相关，今后进一步根据水资源的约束条件以及经济社会发展速度，合理确定高效节水灌溉模式及其发展规模将是节水增粮行动实施以后安达市发展节水灌溉需要进一步研究的问题。

5 结 语

(1)安达市“节水增粮行动”总灌溉面积为4.88 万hm2，地表水资源比较贫乏且开发利用潜力不大，节水增粮行动的水源主要为地下水，90%频率年的地下水可开采量6 759.84万m3。

(2)基于作物系数法计算的玉米灌溉需水量表明，由于作物需水量和净灌溉需水量受到气象要素变化的影响，作物需水量和净灌溉需水量都具有显著下降的趋势，近5 a玉米的作物需水量为418.1 mm，而单位面积净灌溉需水量为101.4 mm，8月份灌溉需水量最大，达到37.2 mm。

(3)安达市的农业灌溉需水量为5 560.88万m3，其中喷灌需水量为4 762.8万m3，膜下滴灌需水量为798.08万m3。在水资源约束下的节水灌溉发展面积阈值为节水增粮行动后地下水可开采量1 198.96万m3，拟定的5种节水灌溉发展模式(100%喷灌、90%喷灌+10%膜下滴灌、80%喷灌+20%膜下滴灌、70%喷灌+30%膜下滴灌、60%喷灌+40%膜下滴灌)下可发展灌溉面积阈值分别为1.23、1.34、1.44、1.55和1.65万hm2。

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[7] 甘 红，刘彦随．中国东北农业灌溉水资源保障及空间差异分析[J]．农业工程学报，2005，21(10)：31-35．

[8] 关于支持黑龙江省 吉林省 内蒙古自治区 辽宁省实施“节水增粮行动”的意见(财农[2011]502号)(EB/OL).http:∥nys.mof.gov.cn/zhengfuxinxi/.

[9] 中国灌溉排水发展中心，黑龙江省安达市水务局.黑龙江省安达市“节水增粮行动”实施方案(2012-2015年)[R]. 2012.

[10] 黑龙江省水利水电勘测设计研究院. 黑龙江省安达市节水增粮行动水资源论证报告[R]. 2013.

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