内蒙古河套灌区节水潜力的估算

第19卷第1期

2003年1月农业工程学报

T ran sacti on s of the CSA E V o l .19　N o.1Jan .　2003

内蒙古河套灌区节水潜力的估算

傅国斌,李丽娟,于静洁,刘昌明

(中国科学院地理科学与资源研究所)

摘　要:从作物需水量出发,考虑经济需水量、有效降水补给、生育期作物地下水利用量、输水损失、田间损失、无效蒸腾、非充分灌溉系数等因素后,建立了一个节水潜力的理论计算公式,继而利用一个调节因子,求得实际节水潜力。利用此方法对内蒙古河套灌区近、中、远期的节水潜力进行了估算,结果表明,河套灌区远期的节水潜力(灌溉面积100%达到目前的节水灌溉标准,这在今后25～30年时间里完全可以实现),在不考虑压盐用水的情况下,可达20.02亿m 3,约为现状用水量的40%左右。关键词:农作物需水量;节水潜力;内蒙古河套灌区

中图分类号:S 271;S 274.4 文献标识码:A 文章编号:100226819(2003)0120054205

收稿日期:2001211226　修订日期:2002211225

基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G 1999043601和

G 1999043602);国家

“九五”重点科技攻关项目子专题(982928201201205)

作者简介:傅国斌,男,副研究员,在职博士生,主要从事水文水资源的

研究。北京安外大屯路　中国科学院地理科学与资源研究所,100101

1　引　言

农业灌溉是我国的用水大户,因此,大力发展节水灌溉是缓解我国水资源供需矛盾的主要途径之一。而灌区节水潜力的准确估算,不仅对灌区节水灌溉规划有科学的指导意义,而且对区域水资源的优化配置、大型水利枢纽工程的规划和设计、乃至区域经济发展等都有着十分重要的现实意义。

2　灌区节水潜力估算的方法

到目前为止,国内外对节水潜力的内涵还没有一个公认的标准,相应地对节水潜力的计算也就没有一致的方法。大多数涉及节水潜力的估算,都是从单一的节水灌溉技术出发[1～3]。K romm 等人[4]对美国堪萨斯、内布拉斯加、俄克拉何马、得克萨斯等州709个灌溉用户39种节水措施的调查表明,节水措施于地点、水源、水深、年龄、受教育程度等诸多因素有关。本文从作物需水量出发,提出了一种计算灌区节水潜力的方法。该方法首先以作物需水量为起点,考虑经济需水量、有效降水补给、生育期作物地下水利用量、输水损失、田间损失、无效蒸腾、非充分灌溉系数等因素后,构造了一个在此种条件下的理论节水潜力的计算公式,继而利用水资源利用管理水平、大众的节水意识、水的价格、有关水的法规的制定和执行情况、水利投资等限制因子,求得现实节水潜力。其基本的计算流程框图如图1所示。2.1　农作物需水量

农作物需水量是农业节水的核心问题,因为节水必须有个基本标准,这个标准的基本依据就是农作物需水量。虽然对于农作物需水量,国内外还没有一个技术权威的定义,但对作物需水量的估算和测定,多数学者有着较

为一致的方法,其一般的计算公式为[5,6]

E T =K c E T 0

(1)

式中　E T ——作物需水量;K c ——作物系数;E T 0——参考作物腾发量(reference crop evapo tran sp irati on ),代表气象条件对作物需水量的影响。作物系数是计算作物需水量的重要参数,它反映了作物本身的生物学特征、产量水平、土壤耕作等条件对作物需水量的影响。

图1　灌区节水潜力的计算流程框图

F ig .1　F low chart of calcu lati on of w ater 2saving

po ten tial in the irrigati on district

2.2　农作物经济需水量

现代作物水分生产函数表明,作物产量与水分之间

的曲线可大致划分为3个不同的阶段:在第一阶段,作物产量随水分增加而明显增加,这就是灌区和雨养农业区产量相异的主要原因;在第二阶段,作物产量虽然仍随水分的增加而增加,但增加的幅度明显降低,其一阶导数呈减小趋势,二阶导数成为负值;在第三阶段,作物产量会随着水分的增加而减少,这正是我国南方渍害的理论解释。利用式(1)所获得的农作物需水量实际上是曲线上的第二个拐点,即单位面积产量最大的作物需水量。但如果

4

5

我们从水分生产效率的角度出发,则第一个拐点才是真正意义上的农作物需水量,此时水分生产效率最高,一阶导数达到极大值[7,8],本文将此时的农作物需水量称之为“经济需水量”。

2.3　净灌溉需水量

净灌溉需水量(In)是指需要用灌溉等方式来满足作物正常生长的那部分水量,在数量上等于作物需水量减去有效降水量及作物直接耗用的地下水,即

I n=E T c-P e-G-(W f-W o)(2)式中　P e——有效降水量,通常用ΑP求得;G——作物直接耗用的地下水量;W f、W o——作物生长期结束和开始时的土壤含水量。

2.4　毛灌溉定额

因为在输水过程中存在着不可避免的损失,因此作物需要灌溉的水量较净灌溉需水量要高。毛灌溉定额(Ig),就是净灌溉定额加上不可避免的最小水损失。在数量上,毛灌溉定额可以利用净灌溉需水量和各个环节水的水分利用率求得,即

I g=In (b1×b2)(3)式中　b1——渠系水利用系数,一般是末级固定渠道放出的总水量与渠道引进的总水量的比值;b2——田间水利用系数。

2.5　非充分灌溉条件下灌溉定额

在很多情况下,作物灌溉由于受灌溉水源、灌溉设施、灌溉技术、监测设施等因素的制约,很难做到适时适量灌溉,所以作物灌溉一般都是非充分的。但在实际应用中,这个定额非常难以确定。在本研究中,我们利用灌区实际灌溉量和农作物需水量之间的关系,大致概化一个非充分灌溉系数(b3),这样作物在非充分灌溉条件下的灌溉定额Im就可由下式简单求得

Im=Ig×b3(4) 2.6　非充分灌溉条件下灌溉需水量

非充分灌溉条件下灌溉需水量(W i)等于各种作物非充分灌溉条件下灌溉定额与该种作物灌溉面积乘积之和,即

W i=∑(K×Im j×A j)　j=1,2,…,N(5)式中　K——折算系数,因为理论灌溉定额在这里是毫米深的概念,灌溉面积通常是公顷等,而理论灌溉用水应该是万(或亿)立方米;Im j——第j种作物在非充分灌溉条件下的灌溉定额;A j——第j种作物的灌溉面积; N——区域(灌区)的作物种类。

2.7　理论节水潜力

本研究节水潜力的估算是将某一基准年的实际灌溉用水量和灌区在非充分灌溉条件下灌溉需水量的差值作为理论上的节水潜力,其通用的方程式为

W p=W b×W i(6)式中　W p——理论节水潜力;W b——某一基准年实际灌溉用水量。

2.8　现实节水潜力

理论节水潜力是理想情景下,可以节约出来的最大水量。在社会发展的特定阶段,现实节水潜力主要取决于管理水平、大众的节水意识、水的价格、有关水的法规、水利投资等几个因素,即

W a=Β×W p

式中　W a——实际的节水潜力;W p——理论节水潜力;Β——实际节水潜力占理论节水潜力的比例,它取决于水资源利用管理水平、大众的节水意识、水的价格、有关水的法规的制定和执行情况、水利投资等诸多因素。

2.9　不同阶段节水潜力估算

社会不同发展阶段的节水潜力,主要取决于科学技术、社会经济的发展水平和灌区需水程度,依据上面对实际节水潜力估算的公式,不同阶段的节水潜力主要受以下几组参数的影响:提高水分生产效率,使农作物经济需水量降低;充分利用雨水和地下水,降低净灌溉需水量;提高水的利用率,包括提高渠系水利用系数和田间水利用系数;适度提高非充分灌溉系数,使作物取得稳产和高产;调整作物种植结构,降低灌区需水量;提高现实节水潜力占理论节水潜力的比例Β,最大限度的挖掘节水潜力。

3　内蒙古河套灌区节水潜力的估算

内蒙古河套灌区位于内蒙古自治区的西部,是全国三大特大型灌区之一,也是内蒙古自治区和黄河流域重要的粮、油、糖基地。

3.1　近、中、远期河套灌区发展预测

1)内蒙古河套灌区农作物种植结构。1997年内蒙古河套引黄灌区各种农作物的种植面积见表1。

表1　1997年内蒙古河套灌区各种主要作物的种植面积

T ab le1　C rop p lan ting areas in the H etao Irrigati on D istrict(1997)1000hm2

区　域

粮豆作物

小麦玉米夏杂秋杂(套种)

经济作物

葵花油料甜菜

林果牧草

一　干19.933.246.145.053.423.692.282.1510.515.53解　放85.779.281.313.7168.9410.166.306.115.5114.60永　济52.4014.358.7110.7847.9913.194.568.872.233.27义　长60.5115.855.1315.4235.2533.6224.9412.631.393.79乌拉特34.296.982.258.8520.3510.528.936.850.372.38小　计252.9149.7123.5343.80175.9571.1847.0136.6120.0529.5755

　第1期傅国斌斌等:内蒙古河套灌区节水潜力的估算