陳 誠

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475003)

1 概 述

作物需水量就是作物生長發(fā)育過程中所需的水量，一般包括生理需水量和生態(tài)需水量兩部分。生理需水量是指作物生長過程中各項生理活動(蒸騰、光合作用及構(gòu)成生物體系等)所需要的水量；生態(tài)需水量是指為作物正常生長發(fā)育創(chuàng)造良好生活環(huán)境所需要的水分，如調(diào)節(jié)土壤溫度、影響肥料分解、改善田間小氣候等所需要的水分。由于上述各項需水量不好測定和計算，在生產(chǎn)實踐中用作物的蒸騰量和蒸發(fā)量來表示作物需水量，又叫騰發(fā)量。作物從土壤中吸收的水分，絕大部分(99%以上)是通過植物葉面源源不斷地蒸發(fā)進入大氣，剩余不足0.2%的水量留在體內(nèi)成為植物的組成部分。對干旱田，需要考慮植株蒸騰與棵間土壤蒸發(fā)以及田間滲漏等各種水量之和。一般情況下，不考慮滲漏水量，只將植株蒸騰與棵間蒸發(fā)兩項所消耗的水量加起來，稱為作物田間需水量或者田間騰發(fā)水量。

羅玉峰、彭世彰等[1,2]采用FAO56推薦的方法計算了了江蘇灌區(qū)1955-2007年的水稻灌溉需水量，深入研究了氣候變化對作物需水量變化的影響。仕玉治、張弛等[2]針對灌溉資料相對缺乏流域，利用改進的SWAT模型，研究了灌溉需水量、灌溉回歸水量的變化情況并且進一步量化分析了灌溉用水對水循環(huán)的影響。顧世祥、李遠華等[4]采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的修正Penman公式分析計算了霍泉灌區(qū)長系列參考作物的騰發(fā)量及其變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了該灌區(qū)冬小麥、夏玉米需水量預(yù)報模型。張振偉、李彥彥、韓宇平等[5-8]分別建立作物需水量變化預(yù)測模型，計算預(yù)測作物不同灌區(qū)的灌溉水量的變化規(guī)律。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織最新推薦的penman-Monteith修正公式，研究灌區(qū)主要參考作物的需水量變化規(guī)律，并結(jié)合引黃河流域來水量與來沙量的變化情況，研究提出大型引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉模式。

2 計算方法及數(shù)據(jù)

2.1 作物需水量計算方法

(1)模型基本原理。采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織最新推薦的penman-Monteith修正公式和柳園口灌區(qū)實測氣象數(shù)據(jù)資料，計算逐月的日平均作物蒸散量ET0，計算公式如下：

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Rn為輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤的熱通量，MJ/(m2·d)；T為灌區(qū)的平均氣溫；U2為2 m處的平均風(fēng)速；es為飽和水氣壓；ea為實際的水氣壓；r為濕度常數(shù)，kPa/℃；Ra為大氣頂層的太陽輻射值，mm/d；n為實際日照小時數(shù)，h/d；N為最大可能日照時數(shù)，h/d；σT4k為黑體輻射量，mm/d；σ為斯蒂芬博茨曼常數(shù)；Tk為絕對溫度，可取273+t(℃)；ed為實際水汽壓，hPa；a、b為計算凈輻射的經(jīng)驗系數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)來源可靠性分析

柳園口灌區(qū)缺乏氣象觀測設(shè)施，本文采用惠北科學(xué)試驗站的長序列試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算。惠北試驗站始建于1958年，試驗區(qū)域面積約74.17 km2，耕作土地面積大于5 000 hm2?；荼痹囼炚驹囼瀰^(qū)土壤質(zhì)地與柳園口灌區(qū)有較大的相似性，資料能夠滿足柳園口灌區(qū)實際需要，具有較好的代表性，可以直接用于計算柳園口灌區(qū)的作物需水量。

圖1 柳園口灌區(qū)示意圖

月份日照時間/h平均氣溫/℃相對濕度/%風(fēng)速/(m·s-1)13.80.4701.624.33.4651.834.98.4632.346.015.6642.356.121.0682.066.025.8641.975.327.3771.685.326.1801.595.421.7741.7105.315.9691.7114.98.6682.1124.22.6712.0

3 柳園口灌區(qū)ET0變化規(guī)律分析

3.1 柳園口灌區(qū)ET0年際變化規(guī)律分析

利用國內(nèi)penman修正公式的ET0計算結(jié)果(見圖2)，分析柳園口灌區(qū)參考作物蒸騰量變化規(guī)律；研究認為柳園口灌區(qū)ET0近年來處于穩(wěn)定態(tài)勢，整體略有下降?？梢钥闯鲂←湺嗄甑钠骄杷刻幱?20～360 mm之間，棉花多年平均需水量處于400～420 mm之間，玉米需水量處于290～310 mm之間，近10年來主要作物的需水量基本保持一定的穩(wěn)定水平，整體略有下降，下降幅度大約15 mm/10 a。可以看出，受主要參考作物成長季節(jié)和生育期周期的限制，棉花生育期需水量大于小麥，小麥的需水量大于玉米。

圖2 棉花、小麥、玉米等主要作物歷年來生育期ET0變化情況

3.2 主要作物ET0年內(nèi)變化規(guī)律分析

根據(jù)柳園口灌區(qū)多年來實測選取2012年典型年份對主要作物的年內(nèi)變化情況進行分析(見圖3～圖5)?？梢钥闯?，小麥需水量在每年四、五月份達到最大值，占全年需水量60%以上；由于受柳園口灌區(qū)氣候變化的影響，需水量一般在每年9-10月份開始減小，于每年2-3月份受氣溫升高的影響，作物需水量逐漸增加。

圖3 小麥年內(nèi)需水量變化

圖4 棉花年內(nèi)需水量變化

圖5 玉米年內(nèi)需水量變化

棉花與玉米屬于秋季作物，年內(nèi)需水量變化規(guī)律相似。棉花4-5月份棉花處于幼苗期，作物需水量為全年的最小值；7月份處于棉花生長發(fā)育的關(guān)鍵階段，需水量達到峰值，占到全年的52%以上，9-10月份處于生長發(fā)育的后期，處于生殖發(fā)育階段，需水量明顯減小。玉米需水量變化與小麥相似，玉米在7月份需水量最大，8-9月份處于生殖階段，需水量逐步減小，至9月份需水量達到最小值。

河南省柳園口灌區(qū)是黃河下游典型的引黃灌區(qū)，該地區(qū)豐水季節(jié)一般處于4-8月，這與農(nóng)作物的需水變化規(guī)律一致，為灌區(qū)主要糧食的作物的增產(chǎn)增收奠定了基礎(chǔ)；但是由于近年來黃河來水量處于減小趨勢，引黃灌溉水量受流域整體來水量的限制，需要根據(jù)引黃灌區(qū)水量分配特點，探討有效的節(jié)水灌溉模式，發(fā)揮有限水資源利用效率，滿足灌區(qū)農(nóng)作物生長發(fā)育的需求。

4 引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉模式研究

4.1 引黃灌區(qū)灌溉需水量變化研究

柳園口灌區(qū)位于河南省開封市，是黃河下游一個典型的引黃灌區(qū)，根據(jù)Allen 等(1998年)，灌區(qū)作物需水量為：

ET=kET0

式中：ET為作物需水量，mm/d；k作物系數(shù)，無量綱；ET0為參考作物需水量，mm/d。

柳園口灌區(qū)為依靠降雨及黃河水補給大型引黃灌區(qū)，灌溉需水量一般與ET呈正比例關(guān)系。近年來灌區(qū)逐月日平均需水量變化如圖6所示，可以看出柳園口灌區(qū)日平均水量整體處于穩(wěn)定但略有下降趨勢，灌區(qū)灌溉需水量呈類似變化規(guī)律。根據(jù)惠北實驗站實測資料，近年來灌區(qū)有效降雨量沒有明顯的變化，但由于黃河來水量呈明顯逐年減小趨勢(圖6)，需要采探討有效的節(jié)水灌溉模式應(yīng)對灌溉水資源不足問題，保證農(nóng)作物生長發(fā)育的需水量。

圖6 灌區(qū)近年來逐月日平均需水量變化

4.2 引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉模式研究

根據(jù)黃河下游地區(qū)半干旱半濕潤氣候特征，結(jié)合洪枯季降水特點及黃河來水來沙量的特征，研究提出柳園口灌區(qū)有效的節(jié)水灌溉模式。對于黃河下游的引黃游灌區(qū)，灌溉水資源利用效率一般處于40%～50%之間，大量的水通過田間滲漏滲入農(nóng)田濕潤層以下，補充了地下水源；柳園口灌區(qū)洪枯季降水季節(jié)性分配不均勻，干旱季節(jié)時常出現(xiàn)，可以人為利用地下水庫的天然調(diào)節(jié)功能，有效配置地表與地下水資源，推行以井灌與引黃水資源季節(jié)性優(yōu)勢互補灌溉模式。同時受黃河高含沙量水體特征影響，分析黃河上游來水量及含沙量變化規(guī)律，充分利用冬季黃河水含沙量較小優(yōu)勢，大量引黃河水進行灌溉并補充地下水源；根據(jù)對黃河水體含沙量監(jiān)測結(jié)果調(diào)整引黃灌區(qū)灌溉取水量，一旦含沙量大于標準值應(yīng)停止灌溉。灌區(qū)管理過程中應(yīng)結(jié)合作物需水量和黃河水體含沙量變化規(guī)律，適時調(diào)整引黃灌溉和井灌的灌溉模式，有效節(jié)約引黃灌溉水量，控制土壤鹽堿化程度。

針對柳園口灌區(qū)特點，應(yīng)逐步推廣實施噴灌、微灌等先進的節(jié)水技術(shù)；現(xiàn)狀情況下應(yīng)優(yōu)先考慮軟管灌溉的節(jié)水優(yōu)勢，減小灌溉過程中的水量損失。調(diào)整灌區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，發(fā)展高產(chǎn)種植、大棚栽培以及大型機械化操作模式；適度控制蔬菜、水果等需水型作物種植面積；優(yōu)先發(fā)展區(qū)域化、大型化的節(jié)水農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)。

圖7 黃河下游近年來流量變化情況

5 結(jié) 論

本文基于最新推薦的penman-Monteith修

圖8 黃河下游近年來水體含沙量變化情況

正公式，分析研究主要作物的需水量變化規(guī)律，并結(jié)合引黃河來水來沙分布特點，提出了地表水與地下水適時調(diào)整的灌溉模式。主要結(jié)論為：

(1)柳園口灌區(qū)ET0逐年處于穩(wěn)定態(tài)勢，整體略有下降，主要農(nóng)作物受生長季節(jié)和生育周期的限制，棉花生育期需水量大于小麥，小麥的需水量大于玉米。小麥需水量在每年4、5月份達到最大值，占全年需水量60%以上；棉花7月份處于生長發(fā)育的關(guān)鍵階段，需水量達到峰值，占到全年的52%以上；玉米需水量變化與小麥相似，玉米在7月份需水量最大，8-9月份處于生殖階段，需水量逐步減小。

(2)由于近年來黃河來水量呈減小趨勢，現(xiàn)狀情況下應(yīng)軟管灌溉方式，減小輸水過程中的水量損失；結(jié)合黃河下游地區(qū)半干旱氣候特點，充分利用灌區(qū)降水和黃河來水來沙分布特點，適時調(diào)整引黃灌溉和井灌的灌溉模式，充分發(fā)揮有限水資源的最大效益。

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