基于分区的海河流域农业节水潜力评估工作的若干思考

宋秋波，丁志宏，杨朝瀚

（1.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津300170；2.水利部海河水利委员会，天津300170）

基于分区的海河流域农业节水潜力评估工作的若干思考

宋秋波1，丁志宏1，杨朝瀚2

（1.天津市中水科技咨询有限责任公司，天津300170；2.水利部海河水利委员会，天津300170）

总结了在流域层面上开展基于分区的农业节水潜力评估工作的目的和意义，提出了分区农业节水潜力的评估原则和技术路线，概括了了农业节水潜力的3个层次，剖析了3个层次节水潜力的计算流程，以期为有关方面开展农业节水潜力评估工作提供技术参考。

海河流域；节水区划；节水潜力；评估原则；技术路线；潜力层次；技术参考

海河流域水资源贫乏，多年平均水资源总量370亿m3，人均水资源量270m3，仅为全国人均水资源量的12.8%，是全国七大江河流域中人均水资源量最少的流域。2012年海河流域现状共有大型灌区48个、中型灌区306个，农业总用水量252亿m3，占总用水量的67.77%。其中，农田灌溉用水量221.85亿m3，占农业用水量的88.03%；林牧渔业用水量30.15亿m3，占农业用水量的11.97%。海河流域现状农业灌溉呈现出用水量大、效率较低、保障率不高、节水潜力巨大等特点。

为了实现以水资源的可持续利用支撑流域社会经济的可持续发展的目的，规模化发展节水灌溉、全面提高农业用水效率是海河流域农业灌溉事业发展的必由之路，是发展现代农业的一项重大战略和根本性措施。

为了按照自然和经济规律以及水资源开发利用条件来拟定各区域农业水资源高效利用的方向、措施以及管理意见，便于指导海河流域农业节水灌溉的分区管理工作，2015年，海委组织开展了海河流域农业节水分区研究工作，编制完成《海河流域农业节水分区研究》成果报告，以海河流域水资源三级区套地市单元为分区基本评价单元，采用模糊聚类方法将海河流域农业节水分区构建为由山前平原区（含冀东平原区、北京平原区、天津平原区、冀中南平原区4个二级区）、中部及东部滨海平原区（含邯郸平原区、邢台衡水平原区、沧州平原区3个二级区）、南部引黄平原区（含漳卫河平原区、徒骇马颊河区2个二级区）、北部燕山区（含北部山区、北京山区、天津山区、中东部山区4个二级区）、西北部太行山区（含大同朔州山区、乌兰察布山区、张家口山区3个二级区）、西部太行山区（含北京山区、邯郸山区、一般山区等3个二级区）6个一级区、19个二级区组成的层次化分区体系。

1　评估目的和意义

基于分区的海河流域农业节水潜力评估工作的目的是在所划分得到的农业节水分区体系的基础上，实现不同条件、不同层次分区层面上的农业节水潜力评估，为流域机构实施农业节水灌溉管理工作提供引导性、参考性指标。

评估工作应通过调查研究海河流域不同分区节水农业现状及发展态势，分析现有各类节水措施的特点和适用性，结合流域的自然地理条件、水资源特点、农业灌溉技术水平和耕作土地资源的状况，按照最严格水资源管理制度确定的水资源开发利用的总量与效率控制指标，提出不同层次、不同频率、不同水平年等评价因素组合情形下的各个分区的农业节水潜力，为海河流域农业节水工作的宏观决策、分类指导、规划编制、项目审查、工程建设等提供科学基础和参考依据。

评估工作可以在摸清流域水资源家底、掌握现状农田灌溉发展情况的同时，进一步增强流域机构对各个分区农业灌溉管理工作的指导性，是贯彻落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”新时期治水思路的重要基础工作，是推进实施《国家农业节水纲要（2012—2020年）》的必要技术工作，是流域机构履行对流域农业节水灌溉工作进行宏观指导和组织工作职责的重要抓手，是合理开发与高效利用农业水资源的引导性指标之一，是确定节水工程建设规模和采取节水灌溉措施的科学参考。

2　评估原则与技术路线

2.1评估原则

基于分区的海河流域农业节水潜力评估工作是在分析海河流域农业节水分区的自然地理、社会经济等节水灌溉保障和约束条件的基础上，深入剖析各种节水措施的优缺点和适用性，实现发展需求与技术可能之间的有效对接，结合最严格水资源管理制度确定的水资源开发利用的总量控制和效率控制红线，提出不同层次和不同目标相互结合形成的开发利用框架下的分区农业节水潜力，为流域机构履行节水灌溉工作的管理和指导职能服务。

为此，评估工作的原则可确定如下：

（1）突出水资源条件的约束与保障作用。海河流域水资源贫乏，发展农业灌溉要把水资源条件作为首要影响因素予以考虑，明确“以水定需、以水定地”，将水资源开发利用红线摆在发展灌溉（节水灌溉）面积的前面；同时，针对流域水资源开发利用和配置的相关规划，充分考虑南水北调、引黄等流域外调水以及地下水压采等形成的流域水资源配置新格局对发展灌溉与节水灌溉的影响。

（2）体现自然社会经济条件对于节水灌溉发展的约束性。在考虑不同分区发展农业节水灌溉的条件不同、途径不同、需求不同的同时，也要关注同一节水分区内的不同行政区域（经济区）因为经济基础、社会需求以及节水灌溉工程基础等的差异而对节水灌溉措施的不同需求，实现几者之间的协调是开展节水潜力评估工作的基础。

（3）体现不同层次目标对节水潜力评估工作的引领作用。农业节水的概念和内涵非常丰富，实现手段各异，影响因素不同，对于不同概念定义下的节水潜力应该体现概念和内涵所展现的层次，实现节水潜力的层次化的评价。

（4）体现主要影响因素对节水潜力量值的综合影响。影响农作物理论需水量和实际需水量的主要因素有降水量和参考作物腾发量，这两个因素是具有天然相关性的随机变量，在传统的农业节水潜力评价工作的基础上，有必要统筹考虑二者的耦合作用，将农业节水潜力评估工作的标准由单一考虑降水量的不同频率推广到同时考虑降水量和参考作物腾发量的不同频率组合这一新的评价基准［1］。

2.2技术路线

所谓潜力，即是现状值与期望值的差值。经综合分析，笔者认为，农业节水潜力可以定义为：在保证粮食安全和农业经济效益不降低的前提下，通过各类节水措施的实施而得以从现有农田灌溉水量中减少的水量。据此定义，农业节水潜力由三部分组成，分别为水量输配过程中的节水量、作物吸收利用过程中的节水量、作物种植结构中的节水量，可分别称之为第一层次、第二层次和第三层次上的节水潜力。

评估工作采用实证研究与理论分析相结合的工作思路，通过资料收集、文献调研、数据分析和指标计算，在取水总量控制和用水效率指标约束下，将节水潜力评估与节水措施可能这二者紧密结合，在分析现状实际农业灌溉用水量的基础上，从节水潜力的定义出发，分析作物需水量、作物水分利用效率，分别计算作物需水量和降水量的不同频率组合框架下的第一层次、第二层次和第三层次上的不同阶段的节水量，提出科学、合理、实用的的分区节水量值体系。基于分区的海河流域农业节水潜力评估技术路线，如图1所示。

图1　基于分区的海河流域农业节水潜力评估技术路线

3　技术要点

（1）根据对农作物耗用水量过程的深入分析，可将海河流域农业节水潜力划分为以下3个层次：①通过一定的节水技术工程措施，直接减少农业用水过程中的水量损失，从而减少对水资源的直接消耗量，称之为节水的第一层次；②在第一层次节水的基础上，通过施加其他的节水措施，提高作物将环境要素转化为粮食干物质的转化效率，使得单位用水量所产出的干物质数量有明显增加，即通过提高水分生产效率来减少对水资源的总需求量，称之为节水的第二层次；③在第一层次节水的基础上，在确保粮食安全和农民收入不降低的前提下，改变作物种植结构，通过需水侧的需水作物种类的结构性变化来减少灌溉水量，称之为节水的第三层次。

第一层次的节水主要是减少灌溉用水，节水潜力也主要或完全来自于灌溉用水，作物生产过程中所需要通过灌溉予以补充的水量即为灌溉需水量。

为了讨论节水潜力问题方便，同时也为了将第一、第二和第三层次的节水量相联接，引入基础用水量的概念［2］。基础用水量可以表达为“在没有地下水补给、没有盐碱危害、没有病虫危害、供肥充足的条件下，满足作物产量和正常生长需求所需要实际消耗的水量”。基础用水量是从满足生产目标的角度出发，立足点在区域农业供需水量平衡分析。

一般而言，灌溉需水量和基础用水量具有如下关系：

式中：WRI为灌溉需水量（mm）；WRB为基础用水量（mm）；PE为有效降水量（mm）。

则第一层次节水潜力可以表达为：

式中：WSP1为第一层次节水潜力（mm）；TQI为现状灌溉用水量（mm）；其他符号含义同上。

现状灌溉用水量可以通过文献调研和实地调查等方法来确定，可以看作是一个已知数。因此，确定第一层次节水潜力的问题就转化为确定农田基础用水量和灌溉需水量的问题。基于农田灌溉的目的考虑，可认为在采取各类工程措施挖掘第一层次节水潜力时，不应使农业总用水量低于农田基础用水量，即灌溉需水量应该采取工程措施予以充分满足。决定农田基础用水量的主导因子是具有确定种植结构的作物的需水特性和生产目标，而需要通过灌溉来进行补充的水量主要受作物基础用水量和有效降水量的影响。因此，第一层次的节水潜力就是在满足作物基础用水量的条件下，通过实施各类节水技术措施而可以从现有灌溉用水总量中予以直接减少的水量。

其中，各分区第i种作物的基础需水量WRBi（mm）可以通过参考作物腾发量ET0法来确定，现状灌溉用水量TQT（m3）、分区现状种植结构数量n、分区有效降水量PEi（mm）及其种植面积Ai（m2）通过调查资料来分析确定。

第二层次节水潜力计算公式为：

第二层次节水潜力主要是通过提高作物水分利用效率来实现的。作物水分利用效率可以表示为单位用水量所产出的干物质数量，即：

则有：

式中：WUE为作物水分利用效率；YD为作物干物质数量（kg）；WU为用水量（m3）。

从式（4）中可知，用水量与产量成正比，与水分利用效率成反比，因此提高作物水分利用效率具有明显的减少用水量的作用。鉴于不同措施的实践效果，在开展第二层次节水潜力评价时，YD取为现状作物产量数值。在这个意义上来看，第二层次节水潜力就是在保证现有灌溉面积上的干物质总量不变的基础上，依靠田间农艺节水技术措施而可以使基础用水量减少的数值。

第三层次的节水潜力是在第一层次和第二层次节水潜力分析的基础上，在保证粮食安全和农民收入不降低的前提下，按照市场经济原则所确定的需水量最小的作物种植结构，其实质是通过不同作物类型组合的调整来实现的第一层次节水潜力，是第一层次节水潜力的优化组合。

综上所述，第一层次节水潜力计算公式为：

式中：WRBi为第i种作物的基础用水量（m3）；YDPi为第i种作物的现状平均产量（kg/m2），可通过现状调查资料来获取；YDTi为第i种作物的潜在产量值（kg/m2），可通过调查农业部门研究资料来获取或者通过光温潜力生产值公式来计算确定；p为基础用水量中可以通过薄膜覆盖、秸秆覆盖等措施得以减少的植物株间蒸发损失所占的最大比例；Ai为现状第i种作物的种植面积（m2），可以通过现状调查资料确定。

第三层次节水潜力的计算可以通过改变式（5）中的作物种类和种植面积来实现，具体通过调整WRBi、n、和Ai值来进行。

（2）不同的降水频率条件下，同种作物可以利用的有效降水量是不同的。因而，在不同的降水频率条件下，同种作物的灌溉水需求量也是不同的，与之相对应的节水潜力也不相同。作为同一问题的另一个方面，在相同的降水频率下，作为作物需水量计算基础参考值的参考作物腾发量也是不同的，即同样的降水频率下，在有效降水量利用值相同的假设下，同种作物的需水量也是不同的。因此，有必要同时考虑降水量和参考作物腾发量之间的随机变化，为农业节水潜力的定量评估提供一个综合考虑降水量和参考作物腾发量耦合变异情况下的新的描述基准，此即本次评估所提出的不同频率组合的内涵所在。

（3）最严格水资源管理制度所确定的2020年的水资源开发利用的总量控制指标和用水效率控制指标对于各分区农业节水灌溉的发展具有约束性和引导性，分区节水潜力评价应该核算在总量和效率指标约束下的潜力值。

综上所述，评估工作的内容主要是在明确规划水平年的总量控制和灌溉水利用系数控制指标的基础上，计算第一、第二和第三层次的节水潜力，进而提出各个分区在不同频率组合、不同节水潜力层次等评价因素组合框架下的的规划水平年节水量值体系。

4　结语

在划分得到海河流域农业节水分区的基础上，继续以分区为研究范围，按照节水潜力的3个层次概念框架，统筹考虑降水量和参考作物腾发量对节水潜力的影响，开展基于分区的海河流域农业节水潜力评估工作。这是为流域层面上的农业灌溉规划与管理工作提供技术参考和基础支撑的一项重要技术工作，有利于流域管理机构更好地实施农业节水灌溉方面的水行政管理工作。

［1］丁志宏，何宏谋，王浩.灌区降水量与参考作物腾发量的联合分布模型研究［J］.水利水电技术，2011，42（7）：15-18.

［2］段爱旺，信乃诠，王立祥.节水潜力的定义和确定方法［J］.灌溉排水，2002，21（2）：25-28，35.

TV213.4；S274

A

1004-7328（2016）05-0001-04

2016—05—25

水利部公益性行业科研专项经费项目（201101016）

宋秋波（1980—），男，高级工程师，主要从事水资源咨询工作。