近50 a滹沱河平原冬小麦灌溉需水时空特征研究

杜丽艳

（山西省水利建设开发中心，山西 太原 030002）

近50 a滹沱河平原冬小麦灌溉需水时空特征研究

杜丽艳

（山西省水利建设开发中心，山西 太原 030002）

应用彭曼公式、反距离权重插值（IDW）及相关分析等方法，研究了气候变化对滹沱河平原冬小麦灌溉需水量时空变化的影响，主要得出以下几点结论：①近50a来滹沱河平原冬小麦灌溉需水量以18.5 mm/10 a的速率呈显著下降趋势（P＜0.01）；②在空间特征上，冬小麦需水量以藁城、赵县和宁晋一线为界，分界线以东需水量在500～530 mm，分界线以西在530～600 mm；③降水量是冬小麦需水量变化的主控因素，降水量每增大100 mm，需水量将减少124 mm，日照时数和近地风速显著下降是造成该区需水量下降的主要原因。

气候变化；滹沱河平原；冬小麦；灌溉需水量

冬小麦是滹沱河平原主要耗水作物，种植面积占全区农作物种植面积的比例达30%以上[1]，灌溉水量占全区农业用水量的40%左右[2]。该区灌溉农业与气候变化密切相关，据前人研究[3-8]，降水量、气温、相对湿度及风速等气象因子的变化均对冬小麦灌溉需水有一定程度的影响，尤其是极端降水枯水或极端降水丰水年份。近50 a来，滹沱河平原气候条件发生较大变化，年均气温以0.25℃/10 a的增大速率升高，相对湿度、近地风速和日照时数等也发生不同程度的变化[9]。在此气候背景下，开展气候变化条件下冬小麦灌溉需水时空变化特征及主控因素的研究，对提出有针对性的灌溉农业调控措施、提高水资源合理开发利用水平具有重要意义。

笔者基于滹沱河平原23个气象站降水、最高气温、最低气温、相对湿度及风速等气象数据，研究了该区近50 a来冬小麦灌溉需水量时空特征及主控因素，研究结果可为该区灌溉制度的制定及水资源可持续开发利用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

滹沱河平原位于华北平原中部，面积约8 205 km2，多年平均年降水量536.9 mm。区内主要河流为滹沱河，近50 a来，随着上游大中型水库的修建，下游河道的径流量明显减少。20世纪80年代以来，河道常年干涸无水，地表水资源匮乏。地下水为区内发展的重要水源，地下水开采量占全区总供水量的80%以上，其中农业开采量的比重达到70%以上。浅层地下水超采严重，地下水位平均每年下降1.0 m左右。农业灌溉驱动地下水开采量不断增大是滹沱河平原浅层地下水急剧变化的重要原因，20世纪70年代以来，该区水浇地面积呈现不断增加趋势。其中，1975—2005年，水浇地面积的年增长率为0.81万hm2；灌溉开采井数从1975年的6.75万眼增至2005年的19.29万眼[10]。

1.2 数据来源

笔者采用滹沱河平原23个气象站1961—2010年逐月降水、最高气温、最低气温、相对湿度、日照时数和风速等气象数据（上述数据均可以从中国气象数据网http：//data.cma.cn/下载），计算冬小麦灌溉需水量。气象站点分布状况，如图1所示。气象站点的降水量、最高气温和最低气温等数据源自中国气象网中的中国地面降水月值0.5°×0.5°格点数据集（V2.0）和中国地面气温月值0.5°×0.5°格点数据集（V2.0），相对湿度、日照时数和近地风速等数据采用已有长系列站点观测数据经反距离权重插值（IDW）法插值后得到。

图1 研究区域

1.3 研究方法

本研究拟采用彭曼公式计算参照作物潜在蒸发量，其计算公式为：

式中：ET0为参照作物潜在蒸发量（mm）；Rn为地表净辐射（J/m2）；G为土壤热通量（J/m2）；T 为2 m高处平均气温（℃）；U2为2 m高处风速（m/s）；es为参考高度处饱和水气压（kPa）；ea为参考高度处实际水气压（kPa）；Δ为饱和水气压-温度曲线斜率（kPa/℃）；γ为干湿表常数（kPa/℃）。

作物需水量计算公式为：

式中：ET为作物需水量（mm）；Kc为作物需水系数；其余变量含义同上。

灌溉需水量计算公式为：

式中：Pe为作物生育期内有效降水量（mm）；其余变量含义同上。

作物生育期内有效降水量与计算时段有关。研究表明，以旬为计算时段，采用如下公式可以满足计算精度要求：

式中：P为作物生育期内降水量（mm）；其余变量含义同上。

采用T检验法分析作物需水量时间演变特征，采用偏相关分析法辨析作物需水量主控因素，将每个气象因子的相关系数绝对值除以所有气象因子相关系数绝对值之和[11]，比重越大说明该因子对冬小麦灌溉需水影响权重越大；反之，比重越小，说明该因子对冬小麦灌溉需水影响越小。

2 研究结果

2.1 冬小麦需水量时空演变特征

基于研究区23个气象站点月降水量、最高气温、最低气温、近地风速、相对湿度和日照时数6个气象因子近50 a数据，利用公式（1）—（4）计算得到冬小麦作物需水量，再利用T检验法对冬小麦灌溉需水量的演变趋势进行了识别，如图2（a）所示。由图2（a）可以看出，研究区23个气象站点冬小麦灌溉需水量均呈下降趋势，其中灵寿、正定、藁城、晋州、深泽、辛集、安平、深州、衡水、新河、南宫、武强、献县和肃宁13个站点的下降趋势达到显著水平（P＜0.05），占56.5%。从全区平均水平来看，全区冬小麦灌溉需水量以-18.5 mm/10 a的速率呈下降趋势，且达到显著水平（P＜0.05）。

基于研究区23个气象站近50 a冬小麦多年平均灌溉需水量，采用IDW空间插值得到冬小麦灌溉需水量空间分布，如图2（b）所示。由图2（b）可以看出，冬小麦灌溉需水量空间上表现出东少西多的特征，以藁城、赵县和宁晋一线为界，分界线以东需水量在500～530 mm，分界线以西在530～600 mm。

图2 冬小麦灌溉需水量时空演变特征

2.2 冬小麦需水量主控因素

采用1.3节所述的方法对研究区冬小麦灌溉需水量与最高气温、最低气温、日照时数、相对湿度、近地风速和降水量进行了偏相关分析，并计算了各气象因子的影响权重，结果见表1。滹沱河平原冬小麦灌溉需水量与降水量、相对湿度和最低气温呈负相关关系，其中与降水量和相对湿度的关系达到极显著水平；与最高气温、日照时数和近地风速则呈正相关关系，其中与日照时数和近地风速达到显著水平。从各个气象因素对灌溉需水量的影响权重分析，降水量的影响权重最大，为39.17%；其次为相对湿度，为18.26%。图3为冬小麦灌溉需水量与降水、相对湿度相关关系图。降水量每增大100 mm，冬小麦灌溉蓄水量减少125 mm；相对湿度每减少10%，灌溉需水量平均增大109 mm。

表1 冬小麦灌溉需水量与气象因子相关系数及权重

图3 冬小麦灌溉需水量与降水、相对湿度相关关系

利用SPSS11.5软件对上述6个气象因子演变趋势进行分析，得出近50 a来降水量、相对湿度变化趋势不明显，最低气温呈显著上升趋势（P＜0.01）；近地风速和日照时数呈显著下降趋势（P＜0.01），最高气温呈显著上升趋势（P＜0.01），所以认为近地风速和日照时数的下降是导致研究区冬小麦灌溉需水量下降的主要原因。

3 结论

应用彭曼公式、反距离权重插值（IDW）及相关分析等方法，研究了气候变化对滹沱河平原冬小麦灌溉需水量时空变化的影响，主要得出以下几点结论：①近50 a来研究区冬小麦灌溉需水量以18.5 mm/10 a的速率呈显著下降趋势；②在空间特征上，研究区冬小麦需水量以藁城、赵县和宁晋一线为界呈东少西多特征；③降水量是冬小麦需水量变化的主控因素，日照时数和近地风速显著下降是造成该区需水量下降的主要原因。

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Study on Temporal and Spatial Characteristics of Wheat Maize in Hutuo Plain from 1961 to 2010

DU Li-yan
（Shanxi Hydraulics Construction Center，Taiyuan 030002，China）

In this paper，we studied the temporal and spatial characteristics of wheat maize subject to climate change in Hutuo plain through the methods of penmen equation，IDW and correlation analysis.The results as follows：from 1961 to 2010，the irrigation water requirement（IWR）of wheat maize of Hufu plain showed an obviously declined tendency（P＜0.01），and the rates of decrease was 18.5mm/10year；there is an apparent divided boundary in Hufu plain for IWR of wheat maize，which was Gaocheng，Zhaoxian and Ningjin，in the east of the divided boundary，the IWR was 500～530 mm，and the west of the divided boundary was 530～600 mm；Precipitation is the driving factor of the IWR variation，and an in⁃crease of 100mmfor precipitation，the IWR will decrease 124mm.sunshine duration and the wind speed significantly de⁃cline was the main reason for IWR decrease.

climate change；Hutuo river plain；wheat maize；irrigation water requirement

S152.7

A

1004-7328（2017）05-0037-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.05.013

2017—05—15

杜丽艳（1976—），女，硕士，高级工程师，主要从事水利规划、工程项目审查工作。