辽宁省农田灌溉水有效利用系数变化与影响因素分析

刘 琳

(辽宁省公共资源交易中心，辽宁 沈阳 110000)

1 研究区概况

1.1 农业用水情况

截止2021年底，辽宁省灌溉总面积1663.05万hm2，农田、草场、林果有效灌溉面积分别为1547.45万hm2、2.93万hm2和112.67万hm2，各市有效灌溉面积如表1。其中，沈阳市最大为247.21万hm2，占全省的16%，这是因为沈阳市地处辽宁中部辽河平原，农田分布范围较广；本溪市最小仅为17.21万hm2，这是由于本溪地处辽东多山丘陵地区，降雨较少，农业以旱种作物为主，所以农田有效灌溉面积分布较少[1-6]。

表1 辽宁省各市农田有效灌溉面积及亩均灌溉用水量

按灌区规模划分，截止2021年底大型、中型和小型灌区有效灌溉面积分别为300.04万hm2、175.12万hm2和1072.29万hm2。2021年辽宁省灌溉定额为6990 m3/hm2。其中盘锦市、丹东市平均灌溉用水量最高，分别为12 060 m3/hm2、11 790 m3/hm2；阜新市、锦州市、朝阳市平均灌溉用水量较小，分别为3270 m3/hm2、3000 m3/hm2及2625 m3/hm2。由于辽宁省东部地区雨量充沛，水资源丰富，以种植水稻和设施农业为主，所以灌溉定额较大；辽宁省中部地处辽河平原，农田广阔，用水较多；辽宁省西部干旱少雨，导致灌溉水源紧张，水稻种植面积少，灌溉作物以水浇地为主，因此用水量也是全省最低的[7]。

1.2 灌溉节水潜力

辽宁省2018—2021年平均农田实际灌溉面积1278.23万hm2，平均灌溉总用水量为89.37亿m3，综合灌溉定额为6990 m3/hm2。通过采取节水措施，农业用水效率较过去有了较大提高，平均灌溉用水量不断下降。结合相关调查资料，1990年、2000年、2010年全省灌溉定额分别为10 905 m3/hm2、9510 m3/hm2、7365 m3/hm2，灌溉用水效率也不断增加。

通过对比可知，现状灌溉定额高于全国平均值6465 m3/hm2和松辽流域平均值6930 m3/hm2。现状灌溉水有效利用系数0.5880大于全国平均值0.4930，仍具有很大节水潜力和农业灌溉发展潜力。因此，必须合理调整灌溉面积(增加或退减)，通过建设灌区水源工程、灌区改造与建设工程、田间节水工程等，进一步提升用水效率与节水灌溉面积[8-13]。

2 研究方法

2.1 灌溉水有效利用系数

结合辽宁省实际情况，研究选取59个样点灌区，其中大、中、小型灌区和纯井灌区分别为11个、13个、13个和22个，以水稻为主要观测作物。样点灌区包括地下水、自流引水和提水水源类型，并兼顾中部平原、东西部山区作物种植结构和地形地貌特点。采用“首尾测算法”计算样点灌区灌溉水有效利用系数(IWEUC)，如式(1)：

(1)

式中：W净、W毛为样点灌区的净、毛灌溉用水总量，m3。然后依据逐级汇总、分类计算的原则，分别确定纯井、小型、中型和大型灌区的IWEUC和毛灌溉水量，以水量加权的方式确定省级区域IWEUC。

2.2 建立指标体系

为了合理选择影响因素，本文充分考虑辽宁省节水工程、种植结构、自然和管理等因素，以整体最优化为目标选择9个量化因子建立指标体系如表2。

表2 IWEUC影响因子

2.3 主成分分析

先标准化处理各影响因素，在此基础上构造相关系数矩阵，由于选取的各指标存在复杂的相关关系，指标数据较多且包含的信息有重叠，故选用主成分分析法准确识别主要因子[14]。该方法主要是通过降维处理将多个变量转变成几个综合指标，按照该方法选择原则确定主成分，全面揭示数据内部的结构特征，如式(2)：

Fp=a1iZx1+a2iZx2+…+apiZxp

(2)

式中：Fp为主成分p的方差，一般方差越大则包含的有效信息就越多；a1i、a2i、…、api为特征向量各分量；Zx1、Zx2、…、Zxp为标准化处理后的变量值。

3 结果与分析

3.1 IWEUC变化

(1) 全省IWEUC变化规律。2012—2021年在全省开展农田IWEUC的测算分析工作，通过田间实测获取相关基础数据，随着工作方法的日趋完善和测算精度不断提高，测算结果如图1。

图1 2012—2021年全省IWEUC

由图1可知，2012—2021年辽宁省农田IWEUC呈线性增加，由0.5425提高到0.5880，提高幅度达8.4%，但从2019年后提升速度放缓。全省IWEUC的提高与节水灌溉工程、节水增粮行动、大中型灌区节水改造以及千万亩滴灌工程等项目的实施密切相关，加之最严格水资源管理和节水技术的发展以及节水意识的提升，使得全省IWEUC不断提高。

在此期间，全省大中型灌区节水改造、节水增粮行动、千万亩滴灌工程等项目的实施直接推动了IWEUC的增长；随着农业科技的发展以及水资源管理“三条红线”的实施，提高了人们的节水意识，间接推动了IWEUC的增长[15-16]。

(2)大型灌区IWEUC变化规律。由图2可见，在2012—2021年大型灌区IWEUC的变化分两个阶段，其中2012—2017年IWEUC基本呈线性增长，2017—2021年IWEUC变化有一定波动，但无明显增加。

图2 IWEUC变化规律(4图合一)

(3)中型灌区IWEUC变化规律。由图2可见，2012—2018年中型灌区IWEUC持续增加，从0.4919增大至0.5321，增幅8.2%，2018年后趋于稳定。

(4)小型灌区IWEUC变化规律。由图2可见，2012—2015年小型灌区IWEUC变化较明显，这可能与测算方法有关，由于测算基础数据精度偏低，调整修正了2015年测算数据。2015—2021年投资建设小型灌区较少，灌区管理模式也没有显著变化，因此小型灌区IWEUC无明显变化。

(5)纯井灌区IWEUC变化规律。由图2可见，2012—2021年纯井灌区IWEUC呈上升趋势，从0.7124增大至0.8253，增幅15.8%。具体而言，2015—2016年的IWEUC增加较大，增加净值为0.1199，增幅16.09%，其他时段的IWEUC变幅较小。

纯井灌区IWEUC的变化规律与全省千万亩滴灌工程、节水增粮行动等密切相关。2015—2016年建设节水灌溉工程并于2017年投入运行，新建和改造喷灌、微灌工程使节水灌溉面积和用水效率明显提升，农业用水量占比从17%提高到66%，所以纯井灌区IWEUC增幅较大。

3.2 影响因素分析

IWEUC的高低与农户节水意识、灌区管理水平、工程投入、水源与规模类型、土壤类型及自然条件等密切相关，由偏相关系数分析可知，IWEUC受节水灌溉工程面积的影响极为显著(P<0.01)，受节水灌溉工程投资、实际灌溉面积和生育期降雨量的影响显著(P<0.05)，与其他因素存在不显著正相关关系。其中，IWEUC与节水工程的相关性最高，这是因为管理水平越高，节水灌溉工程发展越好、节水灌溉面积和实际灌溉面积越大则系数越大；其次，作物毛灌溉用水量受降水因素影响使得IWEUC存在一定差异。分析结果见表3。

表3 偏相关分析结果

为准确识别主要影响因素，采用主成分分析法识别主要影响因素。各因子贡献率与初始特征值见表4，结果表明前3个主成分累积贡献率为95.8%且特征值均>1，说明提取前3个为主成分合理，可以反映大部分信息。其中，第1主成分体现了灌区节水工程与自然因素对系数的影响，累积贡献率为60.28%，第2主成分体现了灌区节水工程与管理因素对系数的影响，累积贡献率84.26%，第3主成分反映了种植结构对测算系数的影响。

表4 因子贡献率及特征值

根据表4、表5计算结果，第1主成分中荷载较大的有节水灌溉工程投资、生育期蒸散发量和生育期降雨量，荷载最大的是节水灌溉投资。近年来，针对农田水利辽宁省不断加大投入，通过标准化建设大大增大了渠系防渗率和灌溉用水效率，IWEUC受节水工程建设的正影响程度较高。

表5 主成分荷载

第2主成分中荷载较大的有渠道衬砌率、节水灌溉工程面积和实际灌溉面积，这些因素的正贡献率较大，主要反映灌区节水工程情况和管理水平。研究认为，作物需水量在一定程度上受灌溉耕作、灌排技术等因素的影响，较大实灌面积时必须加强管控，合理的分配灌溉水量。渠道防渗、喷灌、微灌等措施显著增加了节水灌溉面积，渠道衬砌率的增加降低了渠道和田间渗漏率，IWEUC明显提高。

第3主成分中荷载较大的有生育期降雨量、综合灌溉定额和水稻种植比，这些因素体现了种植结构情况，不同灌区自然条件和种植结构的改变会影响当地灌溉及人为管理习惯，这直接或间接影响了IWEUC。

4 结 论

(1)辽宁省IWEUC高于全国平均值0.4930，但低于上海市、北京市、天津市、河北省等先进地区的水平。2012—2021年辽宁省农田IWEUC呈线性增加趋势，自0.5425提高到0.5880，提高幅度达8.4%，但从2019年后提升速度放缓，这主要与2019年全省灌溉用水计量设施不断完善以及农业水价改革全面完成等有关。

(2)灌区规模与灌溉水有效利用系数及其增长存在负相关关系，小型灌区增速最快，其次是纯井灌区，而大型灌区增速最慢。

(3)IWEUC受节水灌溉工程面积的影响极为显著，主成分荷载较大的有节水灌溉工程面积和投资，其正贡献率也较高。通过加强节水灌溉工程建设和优化灌区管理水平及农艺措施能够有效提高IWEUC。