基于ET的农业节水灌溉规划

乔 鹏，王 岚

(吐鲁番市水资源管理中心,新疆 吐鲁番 838000)

农业节水灌溉规划中的节水一般指的是节水潜力，即通过采取某种农业节水措施提高农业灌溉用水标准，通常是指灌溉水有效利用系数(灌溉效率)提高后，从而可能减少的用水量[1]。节水潜力的大小既与用水现状有关，又受投资力度、节水模式、用水结构等相关因素的综合作用，是一种可能的“最大”或“潜在”的节水量[2]。传统的农业灌溉节水潜力又被称为灌溉取水节水量，是指减少的灌溉取水量，但实际上这部分水量又可分为无效ET、地表下和地表水回归量、其他无效损失量等三个方面，一些学者认为只有减少的蒸散量以及无效损失量属于真正意义上的节水量[3]。因为从区域水平衡来看，地表水和地下水回归量都要被重复利用，这一部分节水并不能增加可利用灌溉水的总量。无效损失量主要是指被环境污染或其他因素损害而成为不可利用的水量，无效ET指田间土面蒸发、渠系水面蒸发、潜水蒸发等，减少这部分损失，则可以增加可利用灌溉水的总量，这部分水量又被称为净节水潜力或真实节水潜力[4-5]。

1 工程概况

新疆吐鲁番市地处北纬41°12′～43°40′，东经87°16′～91°55′之间，属东天山断陷盆地，地势封闭低洼，冷湿空气不易进入，形成了极端干旱的温带大陆性荒漠气候。由于气候条件限制，吐鲁番市农业完全依赖于灌溉，是典型的干旱区绿洲灌溉农业区，自20世纪90年代以来，吐鲁番市农业种植面积的迅速扩张，水资源严重短缺，地下水超采严重，导致了地下水位不断下降、土地盐碱化、艾丁湖季节性干涸等一系列水环境问题[6-7]。

为提高水资源利用率，节约水资源，吐鲁番市多年来持续发展农业节水灌溉且已有一定规模，虽然提高了用水效率，但地下水位连年下降的局面并无明显改善[8]。为改善水环境，逐步减少地下水超采，2010年吐鲁番市利用世界银行资金实施了“新疆坎儿井保护及节水灌溉工程”项目，引入“真实节水”理念，开展了以遥感计算ET(Evapotranspiration)为基础的农业节水灌溉补充规划研究，从耗水的角度开展了吐鲁番市农业节水规划，为吐鲁番市水资源管理提供支持。

2 规划方法

2.1 规划目标

依据ET控制红线，制定吐鲁番市各区(县)的农业节水补充规划，通过调整灌溉面积、实施节水灌溉和种植结构优化等措施，满足不同阶段的农业目标ET，减少地下水开采，提高农业用水效率和效益，实现水资源的合理配置和高效利用，在保障农民增收和农业可持续发展的条件下，减少农业用水和耗水总量，实现资源性节水，转移为经济发展和生态环境改善可利用的水资源量。

2.2 规划原则

一是在现状种植结构基础上，统筹以耕地红线和耗水红线为主要约束条件。二是考虑吐鲁番区特殊的气候条件，结合种植作物选择技术成熟的滴灌作为主要节水灌溉建设模式。三是退地减水以吐鲁番市及各区县制定出台的相关政策和办法为基础。四是种植结构调整过程中，要兼顾经济效益和节水效益，并遵循聚集效益原则，同一类作物尽量集中规划种植。

2.3 确定目标ET

吐鲁番市ET数据由其他世界银行项目通过ETWatch模型计算获得，模型原理及计算方式参见相关文献[9]，根据区域水资源供耗平衡，区域耗水量可用式(1)表示：

ET=R+P-O-CS

(1)

式中：R为入流量，m3;P为降水，m3;ET为蒸腾蒸发量，m3;O为出流量，m3;CS为地下水蓄变量,m3。

区域ET又分为生产性消耗、非生产性消耗。基于遥感数据解析的土地利用类型，区域非生产性ET可采用式(2)表示：

ET非生产性=ET森林+ET草地+ET水体+

ET耕地+ET城镇+ET裸地

(2)

式中：ET森林、ET草地、ET水体、ET耕地、ET城镇、ET裸地分别为森林、草地、水体与湿地、耕地、城镇建设用地与未利用地的非生产性ET,m3。

森林、草地、水体与湿地、未利用地的ET通过叠加遥感ET与土地利用数据计算。耕地的非生产性蒸散量计算，利用多时相的遥感数据，采用未种植耕地提取与识别方法，提取研究区的未种植耕地，然后通过叠加未种植耕地与遥感ET数据，获取未种植耕地的ET数据，在此基础之上，采用地统计空间插值方法计算种植耕地的非生产性消耗ET。

在水资源总量没有大变化的前提下，农业节水规划目标是希望通过农业节水，将节约的水资源量转移到工业等非农业部门，用以支撑地区经济的发展。因此，对区域或流域而言，应首先满足生活耗水量的需求，因经济效益驱动的影响，其次应该满足工业耗水量的需求，最后才是农业耗水量的需求。农业目标ET可表示为可耗水总量与生活耗水量和工业耗水量之差，结合式(1)、式(2)最终确定的农业ET目标如表1。

表1 吐鲁番市各区县农业ET目标 万m3

2.4 作物耗水定额

根据吐鲁番灌溉定额试验数据以及主要作物耗水量的分析，确定主要作物综合耗水定额如表2。

表2 吐鲁番市主要作物耗水定额 m3·hm-2

2.5 节水效益

根据“真实节水”的概念和基本构成，真实节水量指采取节水措施后减少的无效消耗水量和无效流失水量之和。实际上对于吐鲁番市的绿洲农业区，农田蒸散发占水资源消耗的绝大多数，无效流失基本忽略不计。因此计算绿洲农业区的真实节水量主要是计算消耗水量的减少量，无效消耗减少量的计算方法可用式(3)表示：

(3)

式中：ΔAi为增加的第i种节水措施面积，hm2；ΔIi为第i种节水措施减少的净耗水定额,m3/hm2。

3 规划方案

规划水平年为2012年，规划目标年为2030年，阶段目标年为2015年、2020年、2025年、2030年，规划基本单元为县级行政区划。

通过退耕还水和调整种植结构等多种方式，逐步退减约4.33万hm2耕地，规划到 2030年吐鲁番地区农作物播种面积为66 136.27 hm2，其中：高昌区24 269.33 hm2，鄯善县23 140.40 hm2，托克逊县18 726.53 hm2，目标年耕地退减面积和结构调整如表3，目标年种植结构及节水灌溉情况如表4，根据试验观测获取的取耗水量转换系数，2030年取水量控制在7.7亿m3，各阶段目标年取水量红线如表5，节水规划效益估算如表6。

表3 2030年规划种植结构和退地规模 hm2

表4 2030年吐鲁番市节水规划灌溉方式 hm2

表5 吐鲁番市规划各阶段年取水量红线 万m3

表6 吐鲁番市节水规划效益估算

4 结 语

本文介绍了吐鲁番市世界银行贷款项目中，通过遥感计算蒸散发，从耗水分析的角度开展的农业节水灌溉规划研究，结果显示为实现2030年规划年农业ET目标，2030年农业取水量需要控制在7.7亿m3，由于目前水资源开发利用量已远超当地水资源承载能力，每年减少的农业取水量不能单纯依靠调整种植结构和推行节水灌溉的方式来实现，还需要退减耕地面积，2030年吐鲁番市农作物播种面积需要控制在6.6万hm2。