劉 琳

(遼寧省公共資源交易中心，遼寧 沈陽 110000)

1 研究區(qū)概況

1.1 農(nóng)業(yè)用水情況

截止2021年底，遼寧省灌溉總面積1663.05萬hm2，農(nóng)田、草場、林果有效灌溉面積分別為1547.45萬hm2、2.93萬hm2和112.67萬hm2，各市有效灌溉面積如表1。其中，沈陽市最大為247.21萬hm2，占全省的16%，這是因?yàn)樯蜿柺械靥庍|寧中部遼河平原，農(nóng)田分布范圍較廣；本溪市最小僅為17.21萬hm2，這是由于本溪地處遼東多山丘陵地區(qū)，降雨較少，農(nóng)業(yè)以旱種作物為主，所以農(nóng)田有效灌溉面積分布較少[1-6]。

表1 遼寧省各市農(nóng)田有效灌溉面積及畝均灌溉用水量

按灌區(qū)規(guī)模劃分，截止2021年底大型、中型和小型灌區(qū)有效灌溉面積分別為300.04萬hm2、175.12萬hm2和1072.29萬hm2。2021年遼寧省灌溉定額為6990 m3/hm2。其中盤錦市、丹東市平均灌溉用水量最高，分別為12 060 m3/hm2、11 790 m3/hm2；阜新市、錦州市、朝陽市平均灌溉用水量較小，分別為3270 m3/hm2、3000 m3/hm2及2625 m3/hm2。由于遼寧省東部地區(qū)雨量充沛，水資源豐富，以種植水稻和設(shè)施農(nóng)業(yè)為主，所以灌溉定額較大；遼寧省中部地處遼河平原，農(nóng)田廣闊，用水較多；遼寧省西部干旱少雨，導(dǎo)致灌溉水源緊張，水稻種植面積少，灌溉作物以水澆地為主，因此用水量也是全省最低的[7]。

1.2 灌溉節(jié)水潛力

遼寧省2018—2021年平均農(nóng)田實(shí)際灌溉面積1278.23萬hm2，平均灌溉總用水量為89.37億m3，綜合灌溉定額為6990 m3/hm2。通過采取節(jié)水措施，農(nóng)業(yè)用水效率較過去有了較大提高，平均灌溉用水量不斷下降。結(jié)合相關(guān)調(diào)查資料，1990年、2000年、2010年全省灌溉定額分別為10 905 m3/hm2、9510 m3/hm2、7365 m3/hm2，灌溉用水效率也不斷增加。

通過對比可知，現(xiàn)狀灌溉定額高于全國平均值6465 m3/hm2和松遼流域平均值6930 m3/hm2?，F(xiàn)狀灌溉水有效利用系數(shù)0.5880大于全國平均值0.4930，仍具有很大節(jié)水潛力和農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展?jié)摿?。因此，必須合理調(diào)整灌溉面積(增加或退減)，通過建設(shè)灌區(qū)水源工程、灌區(qū)改造與建設(shè)工程、田間節(jié)水工程等，進(jìn)一步提升用水效率與節(jié)水灌溉面積[8-13]。

2 研究方法

2.1 灌溉水有效利用系數(shù)

結(jié)合遼寧省實(shí)際情況，研究選取59個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)，其中大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)分別為11個(gè)、13個(gè)、13個(gè)和22個(gè)，以水稻為主要觀測作物。樣點(diǎn)灌區(qū)包括地下水、自流引水和提水水源類型，并兼顧中部平原、東西部山區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)和地形地貌特點(diǎn)。采用“首尾測算法”計(jì)算樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)(IWEUC)，如式(1)：

(1)

式中：W凈、W毛為樣點(diǎn)灌區(qū)的凈、毛灌溉用水總量，m3。然后依據(jù)逐級匯總、分類計(jì)算的原則，分別確定純井、小型、中型和大型灌區(qū)的IWEUC和毛灌溉水量，以水量加權(quán)的方式確定省級區(qū)域IWEUC。

2.2 建立指標(biāo)體系

為了合理選擇影響因素，本文充分考慮遼寧省節(jié)水工程、種植結(jié)構(gòu)、自然和管理等因素，以整體最優(yōu)化為目標(biāo)選擇9個(gè)量化因子建立指標(biāo)體系如表2。

表2 IWEUC影響因子

2.3 主成分分析

先標(biāo)準(zhǔn)化處理各影響因素，在此基礎(chǔ)上構(gòu)造相關(guān)系數(shù)矩陣，由于選取的各指標(biāo)存在復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，指標(biāo)數(shù)據(jù)較多且包含的信息有重疊，故選用主成分分析法準(zhǔn)確識別主要因子[14]。該方法主要是通過降維處理將多個(gè)變量轉(zhuǎn)變成幾個(gè)綜合指標(biāo)，按照該方法選擇原則確定主成分，全面揭示數(shù)據(jù)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，如式(2)：

Fp=a1iZx1+a2iZx2+…+apiZxp

(2)

式中：Fp為主成分p的方差，一般方差越大則包含的有效信息就越多；a1i、a2i、…、api為特征向量各分量；Zx1、Zx2、…、Zxp為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的變量值。

3 結(jié)果與分析

3.1 IWEUC變化

(1) 全省IWEUC變化規(guī)律。2012—2021年在全省開展農(nóng)田IWEUC的測算分析工作，通過田間實(shí)測獲取相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，隨著工作方法的日趨完善和測算精度不斷提高，測算結(jié)果如圖1。

圖1 2012—2021年全省IWEUC

由圖1可知，2012—2021年遼寧省農(nóng)田IWEUC呈線性增加，由0.5425提高到0.5880，提高幅度達(dá)8.4%，但從2019年后提升速度放緩。全省IWEUC的提高與節(jié)水灌溉工程、節(jié)水增糧行動、大中型灌區(qū)節(jié)水改造以及千萬畝滴灌工程等項(xiàng)目的實(shí)施密切相關(guān)，加之最嚴(yán)格水資源管理和節(jié)水技術(shù)的發(fā)展以及節(jié)水意識的提升，使得全省IWEUC不斷提高。

在此期間，全省大中型灌區(qū)節(jié)水改造、節(jié)水增糧行動、千萬畝滴灌工程等項(xiàng)目的實(shí)施直接推動了IWEUC的增長；隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展以及水資源管理“三條紅線”的實(shí)施，提高了人們的節(jié)水意識，間接推動了IWEUC的增長[15-16]。

(2)大型灌區(qū)IWEUC變化規(guī)律。由圖2可見，在2012—2021年大型灌區(qū)IWEUC的變化分兩個(gè)階段，其中2012—2017年IWEUC基本呈線性增長，2017—2021年IWEUC變化有一定波動，但無明顯增加。

圖2 IWEUC變化規(guī)律(4圖合一)

(3)中型灌區(qū)IWEUC變化規(guī)律。由圖2可見，2012—2018年中型灌區(qū)IWEUC持續(xù)增加，從0.4919增大至0.5321，增幅8.2%，2018年后趨于穩(wěn)定。

(4)小型灌區(qū)IWEUC變化規(guī)律。由圖2可見，2012—2015年小型灌區(qū)IWEUC變化較明顯，這可能與測算方法有關(guān)，由于測算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)精度偏低，調(diào)整修正了2015年測算數(shù)據(jù)。2015—2021年投資建設(shè)小型灌區(qū)較少，灌區(qū)管理模式也沒有顯著變化，因此小型灌區(qū)IWEUC無明顯變化。

(5)純井灌區(qū)IWEUC變化規(guī)律。由圖2可見，2012—2021年純井灌區(qū)IWEUC呈上升趨勢，從0.7124增大至0.8253，增幅15.8%。具體而言，2015—2016年的IWEUC增加較大，增加凈值為0.1199，增幅16.09%，其他時(shí)段的IWEUC變幅較小。

純井灌區(qū)IWEUC的變化規(guī)律與全省千萬畝滴灌工程、節(jié)水增糧行動等密切相關(guān)。2015—2016年建設(shè)節(jié)水灌溉工程并于2017年投入運(yùn)行，新建和改造噴灌、微灌工程使節(jié)水灌溉面積和用水效率明顯提升，農(nóng)業(yè)用水量占比從17%提高到66%，所以純井灌區(qū)IWEUC增幅較大。

3.2 影響因素分析

IWEUC的高低與農(nóng)戶節(jié)水意識、灌區(qū)管理水平、工程投入、水源與規(guī)模類型、土壤類型及自然條件等密切相關(guān)，由偏相關(guān)系數(shù)分析可知，IWEUC受節(jié)水灌溉工程面積的影響極為顯著(P<0.01)，受節(jié)水灌溉工程投資、實(shí)際灌溉面積和生育期降雨量的影響顯著(P<0.05)，與其他因素存在不顯著正相關(guān)關(guān)系。其中，IWEUC與節(jié)水工程的相關(guān)性最高，這是因?yàn)楣芾硭皆礁?，?jié)水灌溉工程發(fā)展越好、節(jié)水灌溉面積和實(shí)際灌溉面積越大則系數(shù)越大；其次，作物毛灌溉用水量受降水因素影響使得IWEUC存在一定差異。分析結(jié)果見表3。

表3 偏相關(guān)分析結(jié)果

為準(zhǔn)確識別主要影響因素，采用主成分分析法識別主要影響因素。各因子貢獻(xiàn)率與初始特征值見表4，結(jié)果表明前3個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率為95.8%且特征值均>1，說明提取前3個(gè)為主成分合理，可以反映大部分信息。其中，第1主成分體現(xiàn)了灌區(qū)節(jié)水工程與自然因素對系數(shù)的影響，累積貢獻(xiàn)率為60.28%，第2主成分體現(xiàn)了灌區(qū)節(jié)水工程與管理因素對系數(shù)的影響，累積貢獻(xiàn)率84.26%，第3主成分反映了種植結(jié)構(gòu)對測算系數(shù)的影響。

表4 因子貢獻(xiàn)率及特征值

根據(jù)表4、表5計(jì)算結(jié)果，第1主成分中荷載較大的有節(jié)水灌溉工程投資、生育期蒸散發(fā)量和生育期降雨量，荷載最大的是節(jié)水灌溉投資。近年來，針對農(nóng)田水利遼寧省不斷加大投入，通過標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)大大增大了渠系防滲率和灌溉用水效率，IWEUC受節(jié)水工程建設(shè)的正影響程度較高。

表5 主成分荷載

第2主成分中荷載較大的有渠道襯砌率、節(jié)水灌溉工程面積和實(shí)際灌溉面積，這些因素的正貢獻(xiàn)率較大，主要反映灌區(qū)節(jié)水工程情況和管理水平。研究認(rèn)為，作物需水量在一定程度上受灌溉耕作、灌排技術(shù)等因素的影響，較大實(shí)灌面積時(shí)必須加強(qiáng)管控，合理的分配灌溉水量。渠道防滲、噴灌、微灌等措施顯著增加了節(jié)水灌溉面積，渠道襯砌率的增加降低了渠道和田間滲漏率，IWEUC明顯提高。

第3主成分中荷載較大的有生育期降雨量、綜合灌溉定額和水稻種植比，這些因素體現(xiàn)了種植結(jié)構(gòu)情況，不同灌區(qū)自然條件和種植結(jié)構(gòu)的改變會影響當(dāng)?shù)毓喔燃叭藶楣芾砹?xí)慣，這直接或間接影響了IWEUC。

4 結(jié) 論

(1)遼寧省IWEUC高于全國平均值0.4930，但低于上海市、北京市、天津市、河北省等先進(jìn)地區(qū)的水平。2012—2021年遼寧省農(nóng)田IWEUC呈線性增加趨勢，自0.5425提高到0.5880，提高幅度達(dá)8.4%，但從2019年后提升速度放緩，這主要與2019年全省灌溉用水計(jì)量設(shè)施不斷完善以及農(nóng)業(yè)水價(jià)改革全面完成等有關(guān)。

(2)灌區(qū)規(guī)模與灌溉水有效利用系數(shù)及其增長存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，小型灌區(qū)增速最快，其次是純井灌區(qū)，而大型灌區(qū)增速最慢。

(3)IWEUC受節(jié)水灌溉工程面積的影響極為顯著，主成分荷載較大的有節(jié)水灌溉工程面積和投資，其正貢獻(xiàn)率也較高。通過加強(qiáng)節(jié)水灌溉工程建設(shè)和優(yōu)化灌區(qū)管理水平及農(nóng)藝措施能夠有效提高IWEUC。