童 坤，耿雷華

（1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所中國(guó)科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；2.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029）

1 研究背景

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水約占總用水量的64%［1］，而灌溉用水又是農(nóng)業(yè)中的用水大戶，約占農(nóng)業(yè)用水的90%，因此，農(nóng)業(yè)上節(jié)約用水，重點(diǎn)是節(jié)約農(nóng)田灌溉用水。但農(nóng)田灌溉用水是個(gè)大系統(tǒng)，過程復(fù)雜，受到降水、蒸發(fā)等多個(gè)因素的影響［2］。宋妮等［3］研究發(fā)現(xiàn)在一系列影響因子中，降雨量對(duì)長(zhǎng)江流域早稻灌溉需水量的影響最大；黃仲冬等［4］通過模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)平均降雨量對(duì)夏玉米的灌溉需水量年際波動(dòng)的貢獻(xiàn)率最大，其次為降雨頻次，潛在蒸散量最小。但根據(jù)不同的水文頻率對(duì)農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行相關(guān)計(jì)算的文獻(xiàn)較少，僅尹劍等［5］根據(jù)不同的水文年型分別計(jì)算關(guān)中灌區(qū)9大灌區(qū)不同水文年型不同情景下可能的資源型節(jié)水潛力和效率型節(jié)水潛力，但文中并未闡述不同的水文頻率之間農(nóng)業(yè)用水的換算關(guān)系。而目前的農(nóng)業(yè)用水量，在大部分規(guī)劃下達(dá)的文件中，都是多年平均的概念；張麗君等［6］也提出目前農(nóng)業(yè)的計(jì)劃用水偏離實(shí)際，不能按照水文氣象變化等及時(shí)調(diào)整灌溉定額。因此，如何將不同降水頻率下的單位灌溉面積用水量折射到多年平均上來，為規(guī)劃水平年不同頻率下農(nóng)業(yè)用水定額的下達(dá)提供參考依據(jù)是目前亟需解決的問題。

2 不同頻率分區(qū)系數(shù)計(jì)算過程

從作物需水的角度分析，豐水年農(nóng)田實(shí)際單位灌溉面積用水量可以減小，枯水年農(nóng)田實(shí)際單位灌溉面積用水量應(yīng)該加大。但從可供水量的角度考慮，對(duì)于某一特定區(qū)域而言，豐水年可供水量通常比枯水年可供水量大，特別是在水資源相對(duì)缺乏的北方地區(qū)，由于受到可供水量限制，枯水年農(nóng)田實(shí)際單位灌溉面積用水量往往小于豐水年。因此，需要從各個(gè)區(qū)域的實(shí)際出發(fā)，分析降水量的影響。

為了反映降水量對(duì)農(nóng)田實(shí)際單位灌溉面積用水量的影響，對(duì)于某一特定分區(qū)單元而言，需要收集其農(nóng)田實(shí)際單位灌溉面積用水量與降水量的長(zhǎng)系列資料，以便根據(jù)降水量排頻結(jié)果，計(jì)算出不同降水頻率下的實(shí)際單位灌溉面積用水量。

本次研究以31個(gè)省（自治區(qū)、直轄市）為基本單元，由于農(nóng)田實(shí)際單位灌溉面積用水量受當(dāng)?shù)刈匀粭l件、作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉工程形式、節(jié)水能力建設(shè)及管理水平等因素影響很大，為了對(duì)全國(guó)各區(qū)域農(nóng)業(yè)用水量進(jìn)行科學(xué)評(píng)估，首先需要根據(jù)地理位置、地形、土壤、氣候條件、水資源特征等進(jìn)行分區(qū)，確定分區(qū)單元。本次研究將全國(guó)劃分成東北地區(qū)［7］、黃淮海地區(qū)［8］、長(zhǎng)江中下游地區(qū)、華南地區(qū)、西南地區(qū)和西北地區(qū)共6個(gè)區(qū)域，如表1所示。

表1 全國(guó)農(nóng)業(yè)用水分區(qū)Table1 Zoning of agricultural water consumption

采用水資源公報(bào)中1997—2014年的年度降水量和農(nóng)田實(shí)際單位灌溉面積用水量數(shù)據(jù)，計(jì)算各分區(qū)單元25%，50%，75%等不同降水頻率下的農(nóng)田實(shí)際單位灌溉面積用水量。搜集1997—2014年各省區(qū)的降水、農(nóng)田單位實(shí)灌面積用水量等相關(guān)數(shù)據(jù)，利用系列降水量進(jìn)行排頻，選取降水25%，50%，75%3個(gè)頻率，計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率下的農(nóng)田單位實(shí)灌面積用水量，與多年平均對(duì)比，給出不同區(qū)域農(nóng)業(yè)不同降水頻率下實(shí)際單位灌溉面積用水量與多年平均之間的比值，即為該降水頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)。同時(shí)，結(jié)合省份之間水文、種植結(jié)構(gòu)、降水之間的差異，計(jì)算出區(qū)域不同頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)的區(qū)間。降水頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)如式（1）所示，計(jì)算過程如圖1所示。

圖1 分區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算步驟Fig.1 Calculation steps for regulation coefficient（the ratio of actual irrigation water consumption per unit area at a given precipitation frequency to multi-year average irrigation water consumption per unit area）

3 分區(qū)計(jì)算結(jié)果分析

3.1 全國(guó)調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算

以全國(guó)為例，分析我國(guó)1998—2014年農(nóng)田灌溉用水量，如表2所示。從1998—2014年，灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水85%以上，因此，農(nóng)田灌溉用水是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重頭戲。

表2 全國(guó)1998—2014年農(nóng)田灌溉用水量Table2 Water consumption for farmland irrigation across the whole country from 1998 to 2014

收集1997—2014年中國(guó)水資源公報(bào)中歷年來降水量，對(duì)長(zhǎng)系列降水量進(jìn)行P-Ⅲ曲線排頻，如圖2所示。

圖2 我國(guó)降水P-Ⅲ曲線Fig.2 P-Ⅲcurve of precipitation in China

根據(jù)P-Ⅲ曲線計(jì)算結(jié)果，分析不同水平年的單位灌溉面積用水量，如圖3所示，當(dāng)降水頻率＜50%時(shí)，調(diào)節(jié)系數(shù)基本為1；隨著降水的減少，調(diào)節(jié)系數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，在降水70%左右達(dá)到頂峰；隨后又逐步下降。

圖3 我國(guó)單位灌溉面積用水量不同降水頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)Fig.3 Regulation coefficient of irrigation water consumption per unit area under different precipitation

3.2 分區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算

對(duì)各省份、不同區(qū)域的長(zhǎng)系列不同頻率下的農(nóng)田單位灌溉面積用水量統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，分區(qū)計(jì)算結(jié)果如表3所示。總體而言，我國(guó)不同區(qū)域、不同年型的灌溉用水量差異較大，東北地區(qū)、西北地區(qū)在降水25%年型灌溉用水量最高，華南沿海地區(qū)、黃淮海地區(qū)降水75%年型灌溉用水量最高，長(zhǎng)江中下游地區(qū)、西南地區(qū)降水50%年型灌溉用水量最高。

表3 分區(qū)調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table3 Calculation result of regulation coefficient for different areas

在各農(nóng)作物產(chǎn)量中，東北地區(qū)的稻谷和玉米產(chǎn)量約占東北地區(qū)糧食產(chǎn)量的90%，其中玉米約占65%；黃淮海地區(qū)主要的糧食作物是小麥和玉米，約占糧食產(chǎn)量的90%，主要農(nóng)產(chǎn)品還包含蘋果；長(zhǎng)江中下游主要糧食作物是稻谷和小麥，分別約占糧食總產(chǎn)量的65%和20%，其中稻谷的產(chǎn)量較高，需水量較大；華南沿海地區(qū)主要農(nóng)作物為稻谷、甘蔗，其中稻谷產(chǎn)量約占糧食產(chǎn)量的80%；西南地區(qū)主要糧食作物為稻谷、玉米，其產(chǎn)量分別約占糧食產(chǎn)量的41%和27%，甘蔗也是其主要農(nóng)產(chǎn)品；西北地區(qū)玉米、小麥產(chǎn)量分別約占糧食產(chǎn)量的55%和21%。

理論上講，隨著降水的減少，干旱程度的加重，需水量越來越大，調(diào)節(jié)系數(shù)應(yīng)呈上升趨勢(shì)。但在各農(nóng)作物產(chǎn)品中，玉米、小麥、大豆、蘋果、甘蔗等均為旱作物，灌溉需水量不高，因此，東北地區(qū)、西北地區(qū)、黃淮海地區(qū)等以旱作物為主的農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)，由于降水量的減少，供水也有所減少，即呈“無水可供”狀態(tài)。且實(shí)際情況中，由于各種農(nóng)作物生長(zhǎng)周期短，產(chǎn)量與生長(zhǎng)周期內(nèi)降水時(shí)空分布息息相關(guān)，而跟全年平均降水量關(guān)系沒有那么明顯，如在來水欠豐年份，雖然來水較少，但恰好降水在作物生長(zhǎng)適宜期，農(nóng)作物豐收，產(chǎn)量較高；在有些豐水年份豐水地區(qū)，雖然降水量大，但是分配不均或者時(shí)間不適宜，不能被農(nóng)作物所利用，屬于無效降水。因此，在計(jì)算時(shí)，還涉及到水文干旱及農(nóng)業(yè)干旱的概念及相關(guān)性，都與各個(gè)地區(qū)實(shí)際情況息息相關(guān)。

4 案例應(yīng)用

4.1 2013年江蘇省用水概況

選取江蘇省作為案例應(yīng)用研究。2013年江蘇省用水總量499億 m3，其中農(nóng)業(yè)用水302億 m3，占比63%；工業(yè)用水144億 m3，占比30%；生活用水49億 m3，其中居民生活用水 36億 m3；生態(tài)用水3億m3。用水結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 2013年江蘇省用水結(jié)構(gòu)Fig.4 Pie chart of water consumption in Jiangsu Province in 2013

圖4 顯示農(nóng)業(yè)用水中，農(nóng)田灌溉用水264億m3，占農(nóng)業(yè)用水比例的87%；林牧漁用水占比較少，為13%。分析1998—2013年農(nóng)田灌溉用水量，見圖5。

圖5 農(nóng)業(yè)及灌溉用水量Fig.5 Agricultural and irrigation water consumption

由圖5可見，江蘇省農(nóng)田灌溉用水量長(zhǎng)期以來占農(nóng)業(yè)用水比重較高，基本維持在85%以上，林牧漁用水占比較小，因此，灌溉用水也是江蘇省農(nóng)業(yè)節(jié)約用水的重點(diǎn)。

4.2 調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算

對(duì)江蘇省1998—2013年降水量及單位灌溉面積用水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6所示。結(jié)果顯示，江蘇省歷年降水量與單位灌溉面積用水量相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.75，即江蘇省農(nóng)田單位灌溉面積用水量受降水影響較大。因此，通過調(diào)節(jié)系數(shù)測(cè)算不同頻率與多年平均用水量之間的關(guān)系，從而推斷規(guī)劃年不同頻率下的單位灌溉面積用水量可以認(rèn)為是合理的。

圖6 江蘇省降水量及單位灌溉面積用水量Fig.6 Precipitation and irrigation water consumption per unit area in Jiangsu Province

對(duì)江蘇省長(zhǎng)系列降水量進(jìn)行排頻計(jì)算，結(jié)合歷年來不同頻率下的單位灌溉面積用水量，得到各個(gè)頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)，如圖7所示。

圖7 江蘇省不同降水頻率下的調(diào)節(jié)系數(shù)Fig.7 Regulation coefficient at different precipitation frequencies in Jiangsu province

圖7 顯示：隨著降水的減少，江蘇省單位灌溉面積需水量呈增加趨勢(shì)，降水頻率＞30%后，需水量趨于穩(wěn)定，需求量略高于多年平均；降水頻率在70%～80%時(shí)，需水量達(dá)到峰值；其后隨著干旱程度的增加，用水量愈來愈小。這與歷年來江蘇省不同降水頻率下的單位灌溉面積用水量變化趨勢(shì)基本一致。

4.3 江蘇省農(nóng)田單位灌溉面積用水量預(yù)測(cè)

根據(jù)《江蘇省水利現(xiàn)代化規(guī)劃（2011—2020）》，要求建成標(biāo)準(zhǔn)較高、協(xié)調(diào)配套的排灌工程體系，到2020年，全省農(nóng)業(yè)灌溉保證率達(dá)到80%～95%；有效灌溉面積達(dá)到413萬 hm2，占總耕地面積的88%；旱澇保收田面積達(dá)到360萬 hm2，占總耕地面積的77%；高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田面積達(dá)到280萬 hm2，占總耕地面積的60%；節(jié)水灌溉面積達(dá)到287萬 hm2，占總耕地面積的61%。灌溉水利用系數(shù)提高到0.6以上，丘陵山區(qū)單位面積蓄水能力達(dá)到315 m3。

根據(jù)《江蘇省水資源公報(bào)（2013版）》，2013年江蘇省降水量833.4 mm，根據(jù)P-Ⅲ頻率曲線，降水頻率約為92%，為中等干旱年份；結(jié)合圖7，確定2013年單位灌溉面積用水量與多年平均單位灌溉面積用水量的調(diào)節(jié)系數(shù)約為1.02。

結(jié)合《全國(guó)水中長(zhǎng)期供求規(guī)劃（2010—2020）》以及“十三五”期間江蘇省農(nóng)業(yè)建設(shè)工程，測(cè)算2020年江蘇省農(nóng)田灌溉用水約為244億m3。根據(jù)2013年有效灌溉面積約為3 785 000 hm2，則預(yù)測(cè)2020年江蘇省多年平均單位灌溉面積用水量約6 450 m3／hm2。相應(yīng)的，可以預(yù)測(cè)2020年江蘇省不同頻率情況下單位灌溉面積用水量，如表4所示。

表4 江蘇省規(guī)劃水平年不同頻率下的單位灌溉面積用水量Table4 Irrigation water consumption per unit area at different precipitation frequencies in planning year of Jiangsu Province

5 結(jié)論與展望

由于規(guī)劃年“三條紅線”中的用水總量紅線是多年平均用水量的概念，而用水總量的組成中，農(nóng)業(yè)用水量隨著降水量的變化也在不斷變化。因此，如何在計(jì)算過程中折算到實(shí)際降水頻率中，目前一直沒有相關(guān)定論。本文首先將全國(guó)進(jìn)行農(nóng)業(yè)分區(qū)，針對(duì)不同水平年的降水年型，計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)系數(shù)區(qū)間。在具體計(jì)算過程中，結(jié)合各省、市的農(nóng)業(yè)種植特點(diǎn)、水文特點(diǎn)，確定不同降水頻率下的農(nóng)田單位灌溉面積用水量的調(diào)節(jié)系數(shù)，最后根據(jù)下達(dá)的多年平均數(shù)值，可以得到不同頻率的農(nóng)田單位灌溉面積用水量。

但另一方面，由于灌溉主要是發(fā)生在作物生育期內(nèi)，理論上應(yīng)該按作物全生育期內(nèi)降水量而不是采用年降水量進(jìn)行排頻，特別是在灌區(qū)及更小尺度上，主要作物的生長(zhǎng)期大致相同，比較容易確定主要作物的生育期。但是隨著空間尺度的不斷加大，區(qū)域內(nèi)部的作物種類不斷增加，主要作物的種類也逐漸增多，各類作物的生育期相互交叉，難以區(qū)分。本研究確定的基本計(jì)算單元為省區(qū)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本次采用年降水量進(jìn)行排頻，這可能是造成不同頻率下農(nóng)田實(shí)際單位灌溉面積用水量不盡合理的原因之一，也是下一步需要深入研究的內(nèi)容。

［1］ 中華人民共和國(guó)水利部.2014年中國(guó)水資源公報(bào)［R］.北京：中華人民共和國(guó)水利部，2014.

［2］ 穆建新，王 浩，KHAN S.氣候變化對(duì)黃河流域農(nóng)業(yè)用水影響研究［C］∥中國(guó)水利水電科學(xué)研究院第十屆青年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，2010.

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