新疆灌溉定额空间分布规律浅析

林志强 马铁成

(新疆维吾尔自治区灌溉排水发展中心,新疆 乌鲁木齐 830000)

灌溉定额在解决灌区水资源供需矛盾、促进灌溉工程良性运行、注重水资源利用与水环境监管制度深入实施、强化水资源科学管理等方面发挥着重要作用[1]。新疆地处我国西部内陆腹地,气候干旱、降水稀少、蒸发强烈、生态脆弱,形成了我国典型的“荒漠绿洲灌溉农业”格局,目前新疆大面积推广应用滴灌高效节水技术,研究分析滴灌灌溉定额分布规律,为农业水资源高效利用管理提供技术支撑尤显迫切。杨波等[2]利用克里金插值法绘制西藏燕麦灌溉定额分布图,分析西藏燕麦主要种植区灌溉定额空间分布及影响因素,得出日照时数对燕麦灌溉定额影响最大的结论。周和平等[3]通过PM方法选取新疆 1952—2008 年气象资料计算出多年ET0并进行时空发展趋势研究。马铁成等[4]采用MK和回归分析法对新疆参考作物蒸散量时空分布与年际变化规律进行分析,得出各区域ET0值南疆最大、东疆次之、北疆最小的结论。林栋等[5]通过对遥感影像的解译和灌区土样采集检测,分析南疆典型灌区适宜盐分淋洗定额空间分布规律,得出土壤盐分空间分布主要呈现“西多东少、北多南少”特征的结论。罗红英等[6]采用土壤水量平衡原理计算灌溉定额长系列值,利用克里金插值法得到灌溉定额及其主要影响因子的等值线图,分析西藏青稞灌溉定额的空间分布规律。目前,针对灌溉定额空间分布的研究较少,本文根据新疆灌溉定额最新研究成果,分析当地灌溉定额空间分布规律和原因。

1 研究区概况

新疆地处中国西北,亚欧大陆腹地,约占全国陆地总面积的1/6;地貌可以概括为“三山夹两盆”:北面是阿尔泰山,南面是昆仑山,天山横亘中部,把新疆分为南北两部分,习惯称天山以南为南疆,天山以北为北疆[7]。新疆属于典型的温带大陆性干旱、半干旱气候,降水稀少、蒸发量大,年降雨量多在200mm以内,且南北差异较大。当地水资源时空分布极不均衡,表现出西多东少、北多南少、山区多平原少的主要特点。2021年,新疆用水总量为571.37亿m3,其中农业用水量为526.72亿m3,约占总用水量的92%,属于典型的灌溉农业[8]。为更好地发挥水资源在新疆农牧业生产和水生态水环境方面的积极作用,提升用水保障和水土资源保护能力,使新疆水利迈向更高质量、更有效率、更可持续发展的新阶段,研究新疆灌溉定额空间分布规律具有十分重要的意义。

2 研究方法

本文基于新疆农业用水定额最新成果中的灌溉定额,利用ArcGIS10.8软件,对75%灌溉用水保证率下春小麦、春玉米、油葵、棉花、其他果树、防护林木(防护生态苗圃)等作物的灌溉定额,运用克里金(Kriging)插值绘制分布图并进行分析。分析使用的气象站位置见图1。

图1 气象站分布

克里金插值法,又称多项式插值法,是一种重要的数学多项式插值方法,本质是由一些给定的离散数据,通过穿插方法构造一个多项式来进行插值拟合,可以用来表示未知函数或进行未知函数的作图等工作[9]。

解析型插值方法是根据位置的精度和多项式的次数来确定多项式的系数,并求解拟合出未知函数的解析形式。这种插值法中最具有代表性的是克里金插值法,也是应用最多的一种插值方法。

克里金插值原理如下:给定n+1个离散点(xi,yi)(i=0,1,2,…,n),其中xi互异,它们可以通过一个多项式Pn(x)来拟合,即

Pn(x)=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+

bn(x-x0)(x-x1)…(x-xn1)

通过确定相应的系数,可以拟合出xi,yi之间的关系,即可以精确求解未知函数。

克里金插值原理表示为

Pn(x)=y0+b1(x-x0)+b2(x-x0)(x-x1)+…+

bn(x-x0)(x-x1)…(x-xn1)

其中:b1,b2,…,bn分别为克里金插值的系数,有如下的解析公式:

b1=[y1y0](x1x0),b2=[y2y0](x2x0)(x2x1),…,

bn=[yny0](xnx0)(xnx1)…(xnx1)

通过确定系数b1,b2,…,bn,便可以根据Pn(x)拟合出相应的多项式,来插补所有的未知数据,从而实现函数求解。

3 结果与分析

3.1 空间分析

为更加直观地对新疆灌溉定额空间分布情况进行分析,选取75%灌溉用水保证率下新疆具有代表性的春小麦、春玉米、油葵、棉花、其他果树、防护林木(防护生态苗圃)6种作物灌溉定额数值,运用克里金插值绘制出新疆农业灌溉定额空间分布图(见图2)。

图2 灌溉定额分布

从图2(a)可以看出,春小麦灌溉定额最大值为若羌县260m3/亩,最小值为裕民县215m3/亩,整体分布呈现三块区域,分别在准格尔盆地、塔里木盆地、吐哈盆地周边,其中,灌溉定额准格尔盆地周边最低,塔里木盆地周边居中,吐哈盆地周边最高。

从图2(b)可以看出,春玉米灌溉定额最大值为托克逊县370m3/亩,最小值为青河县250m3/亩,分布呈现两块区域,基本以天山为界限,灌溉定额天山以北低,天山以南高。分析原因是天山北坡有来自北冰洋和大西洋的湿润气流,湿润气流被天山阻挡导致北坡降水多于南坡。

从图2(c)可以看出,油葵灌溉定额最大值为于田县300m3/亩,最小值为裕民县245m3/亩,分布基本呈现两块区域,分别为准格尔盆地周边、塔里木盆地和吐哈盆地周边,准格尔盆地周边灌溉定额低于塔里木盆地和吐哈盆地周边。

从图2(d)可以看出,棉花灌溉定额最大值为若羌县330m3/亩,最小值为拜城县275m3/亩,分布基本呈现两块区域,以天山为界限,天山以北灌溉定额低,天山以南灌溉定额高。还有一部分呈现蓝色区域,主要分布在阿勒泰地区和塔城地区,由于未种植棉花,所以灌溉定额数据不存在,导致分布图呈现蓝色。

从图2(e)可以看出,其他果树灌溉定额最大值为托克逊县470m3/亩,最小值为青河县260m3/亩,分布基本呈现两块区域,以天山为界,灌溉定额天山以北低,天山以南高。

从图2(f)可以看出,防护林木(防护生态苗圃)灌溉定额最大值为博湖县340m3/亩,最小值为塔城市280m3/亩, 基本呈现两块区域,南疆受到塔克拉玛干沙漠气候影响,整体呈现干旱缺水现象,灌溉定额最大;东疆受到吐哈盆地干燥少雨气候影响,灌溉定额整体偏高;北疆灌溉用水最低。

导致春小麦与其他作物的灌溉定额空间分布规律不同的原因是,春小麦在新疆各个县(市)均有种植,最能反映新疆灌溉定额分布规律,其余几种作物由于有部分地区未种植,导致没有灌溉定额数值,用克里金插值法绘制的图不能完全反映新疆灌溉定额的分布规律。春小麦的灌溉定额在北疆平均270m3/亩左右、南疆300m3/亩左右、东疆350m3/亩左右,数值差异较为明显。其余作物灌溉用水定额数值差异无春小麦明显。春小麦需水高峰期在抽穗～灌浆期,一般在每年的6—7月,而新疆蒸散量最大值主要出现在5—7月,春小麦需水高峰期和蒸散量最大值出现时间高度重合,导致春小麦灌溉定额分布与蒸散量基本分布一致,新疆蒸散量呈北疆、南疆、东疆分布,故春小麦定额分布呈现三块区域。

3.2 气温年内分布分析

采用新疆多年7月平均气温数据,用克里金插值法绘制出多年7月平均气温分布(见图3)。气温分布基本呈两块区域分布,以塔里木盆地为界限,北部气温低于南部,西南角温度低于周边,是由于海拔升高导致气温降低,气温分布情况与灌溉定额分布近似但不完全一致。

综上可以看出,新疆灌溉定额极大值普遍分布在东疆,极小值一般分布在北疆,灌溉定额极值差较大。整体上新疆灌溉定额分布存在东疆高、北疆低,东边大、西边小的规律。新疆地域面积大,各地温度差值较大,降水差异较大,水资源分布不均,导致灌溉定额分布呈现南高北低、东多西少的规律。经分析,产生这种分布情况的原因是南疆平均气温要高于北疆,南疆风速季节变化的一致性要比北疆差一些。新疆整体降水偏少,北疆大部分地区的年降水量只有200mm左右,而南疆降水更少,年降水量不足100mm。塔里木盆地受到塔克拉玛干沙漠气候影响,整体呈现干旱缺水现象,塔里木盆地内部降水量尚不及20mm。吐哈盆地干燥少雨,平均每年只有11天下雨,年降水量只有十几毫米,一般情况,每次下雨仅能把地表淋湿,至于沙漠腹地,甚至有时终年滴雨不下。准噶尔盆地周边西北风吹入盆地,冬季气候寒冷,雨雪相对丰富。而吐哈盆地周边干燥少雨的气候注定灌溉定额高于准噶尔盆地周边。

3.3 月均气温分析

选取和田市、若羌县、伊州区、阿勒泰市、石河子市、伊宁市6个县(市)气象资料,绘制月均气温变化趋势,见图4。

图4 月均气温变化趋势

通过月均气温变化趋势分析发现,新疆年内气温整体变化幅度较大,呈现出年中气温高、年初和年底气温低、南北温差大的特点,并且山区气温低于平原区。4月气温均值最高的是和田地区18.51℃,气温最低的是阿勒泰地区9.59℃,温差达到8.92℃;7月气温均值最高的是若羌县27.83℃,气温最低的是阿勒泰地区21.92℃,温差达到5.91℃。但是从6种作物灌溉定额分布图上可以看出,和田地区和巴州没有一种作物灌溉定额为最高,阿勒泰地区只有两种作物的灌溉定额最低。这表明虽然灌溉定额分布与气温有一定的关系,但并不完全取决于气温,这是由于灌溉定额是通过Penmanship-Monteith公式计算,测算因子包括纬度、高程、平均气温、水气压、2m处风速、日照时数6项指标[4],气温对灌溉定额影响较大,灌溉定额分布规律与气温分布存在较大的关联性。

4 结 语

本文选择新疆在75%灌溉用水保证率条件下6种作物的微灌灌溉定额,采用克里金插值法绘制分布图并分析,发现新疆灌溉定额呈现这种分布情况是多种原因造成的。气候上,北疆属于温带大陆性干旱半干旱气候,南疆属暖温带大陆性干旱气候。在气温上,南疆的气温高于北疆,北疆年均气温-4～9℃,南疆年均气温7～14℃。降水上,北疆的降水量高于南疆,北疆全年降水量为150～200mm,南疆全年降水量为25～100mm。三山夹两盆的地形因素影响,纬度、高程、平均气温、水气压、2m处风速、日照时数等指标的影响,北冰洋和大西洋的湿润气流也对灌溉定额的分布有所影响。全区灌溉定额整体上呈现东疆>南疆>北疆的特点,灌溉定额最大值普遍在东南区域,灌溉用水最小值普遍在西北区域。新疆灌溉定额分布呈现出越往东南越高、越往西北越低的规律。