成都市主要农作物灌溉节水潜力分析
刘艺平 夏春兰 潘露 过晓婕
摘要：农业灌溉用水长期占据成都市总用水开支中的主要组成部分。以成都市主要农作物为研究对象，在保证农作物生产和农业灌溉用水安全的前提下，从提高节水灌溉率降低农作物灌溉需水量方向进行研究，探讨了农业灌溉节水潜力，并对成都市未来农业灌溉节水发展方向提出了建议。结果表明：随着节水灌溉率的提升，各类农作物的综合灌溉用水定额减小，其灌溉需水量均产生明显下降。但仅依靠实施工程性节水措施降低灌溉需水量存在局限性，由此获得的节水潜力将随着节水灌溉率的提高而逐渐减小，还需要实施非工程节水措施，形成因地制宜的节水灌溉综合体系，从而达到高效、高产的农业节水目标。
关键词：农业节水;节水潜力;节水灌溉率;灌溉需水量;成都市
中图法分类号：
S274文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.004
文章编号：1006 - 0081（2021）06 - 0021 - 05
随着城市人口、经济的发展，水资源短缺问题日益严峻，如何合理开发利用水资源，创建节水型社会，成为与人们生活息息相关的社会热点问题。从历年成都市用水情况可以看出，农业用水一直占据主要位置，其中，又以农业灌溉用水为主要用水户。近年来，随着其他行业需用水量的增长，水资源供需矛盾日益明显，能否有效控制农业用水量已成为解决成都区域性缺水、过程性缺水和配置性缺水问题的制约因素[1]。农业灌溉用水利用效率较低，用水浪费严重一直是导致农业用水量居高不下的主要原因[2]，为了合理利用水资源，提高水资源的利用率，在保证农作物生产和农业灌溉用水安全的前提下，探讨节水潜力是非常有必要的。
农业灌溉节水潜力是指在一定的发展阶段，通过投入一定的成本推行农业节水措施以提高农业灌溉用水标准，从而减少的耗用水量[3]，其影响因素众多。目前，对于农业灌溉节水潜力的计算还未形成统一的认识，多数是以通过采取节水措施，改进相关节水灌溉技术为出发点，从提高灌溉水利用率等方面，得到灌溉需水的减少量，从而算得节水潜力[4]。国外对农业灌溉节水潜力的研究较少，C.D.Davenport和M.R.Hagan定义了灌溉过程中取水与节水可回收和不可回收水的概念[5]，D.Zeihum等指出可使用农业灌溉水有效率评价农业节水潜力[6]，W.W.Wallender等针对农业节水灌溉的尺度问题，提出灌溉水文学概念，从不同角度对农业灌溉节水潜力进行了研究[7]。近年来，国内学者在农业节水潜力方面做了较多研究，如崔远来等在对灌区渠系进行等效概化基础上，采用经验公式法进行了不同工况下不同环节灌溉用水效率的分析计算[8]。傅国斌等从作物需水量出发，考虑经济需水量、有效降水补给、地下水利用量、输水损失、田间损失、无效蒸腾等因素后，建立了理论节水潜力的计算公式，并利用调节因子求得实际节水潜力[9]。雷波等基于灌区尺度提出农业节水潜力估算理论和方法，并提出将不同节水措施实现的灌溉节水量分为“毛节水量”和“净节水量”概念，以区分“工程节水量”和“真实节水量”[10]。赵西宁等综合考虑区域社会经济发展水平、水文水资源状况、农业水资源开发利用、农业节水水平和生态环境等多项指标，建立区域农业节水潜力综合评价体系，通过综合评价模型分析各指标的贡献大小，从而对区域农业节水潜力进行评价[11]。
本文从成都市主要农作物种植现状出发，以2018年为现状基准年，综合考虑农作物需水量、节水灌溉率、输水损失等因素，通过加强农业灌溉节水工程改造，将节约灌溉用水量和减少耗水量体现在农作物综合灌溉用水定额的变化中，分析农作物灌溉需水量变化情况，从而预测成都市主要农作物灌溉用水的节水潜力。
1 成都市概况
成都市地处中国西南地区、四川盆地西部、青藏高原东缘，东北与德阳市、东南与资阳市毗邻，南面与眉山市相连，西南与雅安市、西北与阿坝藏族羌族自治州接壤。全市土地面积为14 335 km2，常住人口1 633.00万人，是西南地区重要的中心城市。成都市地处亚热带湿润季风气候区，热量充足，雨量丰富，四季分明，日照较少。成都市土壤资源丰富，土壤类型多样，养分充分，土层深厚，质地适中，适宜各种农作物及林草生长。成都市属长江流域岷沱江水系，岷江为成都市最主要河流，其水量丰富，水质优异，洪枯变化较小，是成都主要供水水源;成都市多年平均水资源总量为86.64亿m3，总量较丰富，但由于人口密集，人均水资源占有量较少。
成都市种植业发达，农作物以水稻、小麦、玉米、油菜籽、蔬菜等为主。根据《成都市统计年鉴》数据显示[12-13]，近年来，成都市农作物种植面积变化较小，种植结构基本保持稳定，2017～2018年各农作物种植面积见表1。
2 计算方法
（1）节水灌溉率。指已采取节水工程措施的灌溉面积占总灌溉面积的百分数[14]。
（2）综合灌溉用水定额[mi]。指某农作物在规定位置和规定水文年型下核定的在一个生育期内单位面积的灌溉用水量，计算公式如下：
式中：[mi]为某农作物的综合灌溉用水定额，m3/hm2;[m净]为某农作物净灌溉用水定额，指在备耕期及作物全生育期内，未计入渠系输水和田间灌水损失的单位面积上的净灌溉水量，m3/hm2;[ηt]为采用不同灌溉方式时的灌溉水利用系数，若无节水灌溉措施，可采用按大中型灌区现状斗口以下灌溉水利用系数、地表水小型灌区或井灌区现状灌溉水利用系数进行综合确定，若为某种节水灌溉措施，参考《节水灌溉工程技术标准》规定相应节水灌溉技术的灌溉水利用系数最低值[15];[pt]为采用相应灌溉方式的农作物种植面积占该作物种植面积的百分数。
（3）灌溉需水量Q。灌溉需水量由各农作物综合灌溉定额（[mi]）与相應灌溉面积的乘积求和后得到，计算公式如下：
式中：Q为灌溉需水量，m3;[Qi]为某农作物的灌溉需水量，m3;[Ai]为某农作物的种植面积，hm2。
（4）节水潜力[ΔQ]。节水潜力为现状基准年灌溉需水量与预测情景年灌溉需水量的差值，计算公式为：
式中：[ΔQ]为节水潜力，m3;[Q0]为现状基准年的灌溉需水量，m3;[Qj]为第j种情景下的灌溉需水量，m3。
3 结果与分析
3.1 研究范围及预测情景设计
将上述计算方法应用到成都市主要农作物灌溉节水潜力分析中，以稻谷、小麦、玉米、大豆、马铃薯、油菜籽、花生、蔬菜为主要研究对象，设置现状基准年为2018年。2018年成都市节水灌溉率约为79.1%，其中渠道防渗工程措施约占节水工程措施的98%，低压管灌和微灌约占2%，2018年各主要农作物播种面积如表1所示。预测情景1为节水灌溉率提高至85%时，预测情景2为节水灌溉率提高至90%时。在计算过程中，假定各农作物种植面積与基准年相同，净灌溉用水定额不变，节水灌溉率提高时各类节水灌溉工程措施实施比例保持不变。
3.2 主要农作物灌溉需水量
农作物的灌溉需水量计算是在综合考虑灌溉分区、农作物类型、灌溉设计保证率、灌溉方式等因素的基础上，参考四川省用水定额、成都市统计年鉴[13]及水资源公报[16]等相关文献、资料计算出的某类农作物的综合灌溉定额，再乘以相对应的种植面积。计算结果见表2和表3。
从表2及表3中可以看出，随着节水灌溉率的提升，采用节水工程措施的灌溉面积增大，不必要的田间及渠系的渗漏、蒸发等得到有效控制，灌溉用水定额均呈现了不同程度的降低，相应的各农作物的灌溉需水量也产生了明显的下降。各类农作物的灌溉需水总量差异较大，其中，稻谷、蔬菜、油菜籽的灌溉需水量相对较大，当节水灌溉率增大后需水量变化较为明显，主要是与种植面积较大且灌溉用水定额较大有关。蔬菜与稻谷相比，虽种植面积差距不大，但由于稻谷的灌溉用水定额高于蔬菜，因此蔬菜的灌溉需水量仅为稻谷的3/4左右。玉米、大豆、马铃薯和花生由于灌溉用水定额较低，灌溉需水量占比均不高，其中玉米虽然种植面积占总面积的13.21%，在50%的设计保证率下，灌溉需水量却仅占总量的3.5%左右。通过以上分析可以得知，对于不同农作物，当节水灌溉率变化时灌溉用水定额的减少量不同，对于净灌溉用水定额较大的农作物，如稻谷，当节水灌溉率提高时，其综合灌溉用水定额减小数值较明显，而对于净灌溉用水定额较小的农作物，如马铃薯，其综合灌溉用水定额变化较小。此外，不同种类农作物的灌溉需水总量受其灌溉用水定额、种植面积的双重控制。因此，在未来成都市农业发展中，可根据当地自身种植条件，在不影响经济发展及国家政策规划的前提下，通过适当调整种植作物结构，合理规划布局节水灌溉工程措施分布等，有效减少农业灌溉用水。
3.3 节水潜力分析
通过对不同情景下成都市主要农作物灌溉需水量的计算，由表3中可知，当灌溉保证率为50%、75%、90%时，现状年的灌溉需水量分别为19.20亿，22.31亿，26.50亿m3;当节灌率提升5%时灌溉需水量分别为18.75亿，21.79亿，25.88亿m3;当节水灌溉率提升10%时，灌溉需水量分别为18.40亿，21.38亿m3和25.40亿m3，通过计算可得出不同预测情景下相应的节水潜力，计算结果如表4所示。
从表4可以看出，当节水灌溉率提高时，节水灌溉工程措施实施面积增加，有效减少了成都市主要农作物的灌溉需水量，在节水灌溉率提升5%和10%两种预测情景下，其灌溉需水量分别减少了2.3%和4.2%，这说明成都市农田灌溉用水还有较大的节水潜力。但同时也能发现，节水潜力的变化幅度并非一成不变，如在灌溉保证率为50%时，从现状及预测情景1的变化情况可知，当节水灌溉率提高5%可获得0.45亿m3的节水潜力，灌溉需水量减少2.3%;但从预测情景1到预测情景2，即节水灌溉率再次提高5%时获得的节水潜力变为0.35亿m3，灌溉需水量减少1.9%，可见随着节水灌溉率的继续增大，灌溉需水量的变化速率逐渐降低，节水潜力逐渐减小，这可能与节水灌溉工程措施主要通过减少渗漏、蒸发损失量，提高灌溉水利用系数从而减少灌溉需水量有关，当此类损失量在灌溉用水中占比逐渐减小时，通过工程措施获得的节水潜力也就随之减小。因此，为了更加有效地降低农作物灌溉需水量，除通过实施节水灌溉工程增加节水灌溉率外，还应考虑优化作物种植结构、改进灌溉制度、改进作物栽培技术等非工程节水措施[11]。
4 结 论
本文从分析成都市主要农作物在不同节水灌溉率情景下的灌溉需水量变化情况入手，探讨成都市农业灌溉节水潜力，得出以下结论。
（1）成都市种植的农作物以稻谷、小麦、玉米、大豆、马铃薯、油菜籽、花生、蔬菜为主，随着节水灌溉率的提升，各农作物的灌溉需水量产生了明显的下降。这说明通过实施节水灌溉工程改造，减少农业灌溉过程中渗漏、蒸发等无效损耗，对减少农业灌溉用水量是极为有效的。
（2）在对不同农作物灌溉需水量进行对比分析的过程中，可以发现当节水灌溉率变化时不同农作物的综合灌溉用水定额变化量不同。对于净灌溉用水定额较大的农作物，其综合灌溉用水定额变化数值较明显，此外不同种类农作物的灌溉需水总量受其灌溉用水定额、种植面积的双重控制。因此，在未来成都市农业发展中，应根据当地自身种植条件，在不影响经济发展及国家政策规划的前提下，通过适当调整种植作物结构、合理规划布局节水灌溉工程措施分布等，更高效地减少农业灌溉用水。
（3）通过对成都市主要农作物节水潜力分析计算发现，节水灌溉率提高时，成都市主要农作物的灌溉需水量均有不同程度的减少，这说明成都市农田灌溉用水还有较大节水潜力。但同时也需注意，仅依靠实施工程性节水措施降低灌溉需水量存在局限性，由此获得的节水潜力将随着节水灌溉率的提高而逐渐减小。此外，从成都市现状工程性节水灌溉措施来看，主要以渠道防渗等为主，滴灌、喷灌等高效节水措施普及度较低，仅占节水灌溉工程措施的2%左右，与国内外先进水平相比，还有很大差距。工程性节水措施在一定程度上可以提高灌溉效率减少灌溉用水，但工程节水潜力变化幅度随节灌率提升逐渐减小，渠道防渗等节水措施仅能从提高农业灌溉效率方面来获得节水潜力，而喷灌等高效节水措施可从提高灌溉水利用系数方面获得更大的节水潜力[3，4，14]。因此，成都市农业灌溉要获取更大的节水潜力，要从推进规模化高效节水灌溉建设、智慧化灌溉建设、加强节水灌溉综合管理等方面，加快农业灌溉工程中高效节水灌溉技术的推广和应用。此外，也应根据田间作物生长习性、区域地理条件、气象条件、水源条件、种植结构等特征的差异，结合实际采取优化作物种植结构、改进灌溉制度、改进作物栽培技术等非工程节水措施，形成因地制宜的节水灌溉综合体系，从而达到高效、高产的农业节水目标。
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（编辑：李 慧）
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