長江流域灌溉效率指標分析

李亞龍，范琳琳，王建鵬，羅文兵

(1長江科學院 農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢 430010；2長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，武漢 430013)

0 前 言

長江流域是我國重要的糧、棉、油生產(chǎn)基地，承擔全國新增糧食產(chǎn)能任務56億kg，占全國新增產(chǎn)能的11.2%，發(fā)展灌溉對保障糧食安全和穩(wěn)定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有至關重要的意義。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水占用水總量的50%以上[1,2]，隨著流域經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，用水量不斷增加，各行業(yè)擠占農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)象日益突出，保障糧食安全就是要在農(nóng)業(yè)用水總量不增加甚至會減少的情況下增加灌溉面積、提高灌溉保證率[3-6]。由于長江流域地域廣闊，上、中、下游地形地貌差異顯著，水土資源分布和匹配不均衡，區(qū)域間差異顯著，灌溉用水特征和效率空間變異較大[7,8]；同時由于氣候變化等原因，流域內(nèi)季節(jié)性干旱和洪澇災害頻發(fā)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大損失。如何從流域角度分析不同區(qū)域水土資源匹配特性，并針對性地提出灌溉發(fā)展策略，是提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率、推動農(nóng)業(yè)供給側(cè)結構改革的重要課題[9-12]，因此本文依據(jù)第一次全國水利普查有關灌區(qū)普查成果，從流域尺度對灌溉效率相關指標進行了初步分析和探討。

1 長江流域的灌區(qū)及灌溉特征

長江流域是我國重要的糧棉基地，對保障我國糧食安全和農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展有著極其重要的作用。了解長江流域灌區(qū)基本情況并分析灌溉指標空間特征，對指導節(jié)水灌溉技術在長江流域的推廣應用有重要的現(xiàn)實意義。

1.1 灌區(qū)灌溉指標的空間特征分析

1.1.1 長江流域灌區(qū)空間分布特征

針對在長江流域范圍內(nèi)有灌區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的14個省(市、自治區(qū))，以大型灌區(qū)(2 萬hm2)、重點中型灌區(qū)(0.33～2 萬hm2)和一般中型灌區(qū)(0.067～0.33 萬hm2)為研究對象，選擇灌區(qū)數(shù)量、設計灌溉面積、有效灌溉面積及灌溉水利用系數(shù)等為灌溉效率指標，并進行統(tǒng)計分析。

流域內(nèi)14個省(市、區(qū))共有灌區(qū)1 897個。其中，2 萬hm2以上規(guī)模的灌區(qū)104個，0.33～2 萬hm2規(guī)模的重點中型灌區(qū)426個，0.067～0.33 萬hm2規(guī)模的一般中型灌區(qū)1 367個。灌區(qū)數(shù)量較多的是四川、湖北、湖南、江西，灌區(qū)總數(shù)均超過300個；其次是重慶、貴州，灌區(qū)總數(shù)量為100個。

1.1.2 不同規(guī)模灌區(qū)的設計灌溉面積

流域內(nèi)14個省(市、區(qū))灌區(qū)設計灌溉面積共733.03 萬hm2。其中，2 萬hm2以上規(guī)模的灌區(qū)設計灌溉面積391.44 萬hm2，占總面積的53.4%；0.33～2 萬hm2規(guī)模的灌區(qū)設計灌溉面積208.70 萬hm2，占總面積的28.47%；0.067～0.33 萬hm2規(guī)模的灌區(qū)設計灌溉面積132.89 萬hm2，占總面積的18.13%。

長江流域各省(市、區(qū))設計灌溉面積的空間分布規(guī)律與灌區(qū)數(shù)量相似。湖北、四川、湖南、江西4省設計灌溉面積均超過100 萬hm2，其中湖北省為284.66 萬hm2。其次為安徽、江蘇、云南、貴州省，面積均超過26.67 萬hm2。

各省(市、自治區(qū))不同規(guī)模灌區(qū)的設計灌溉面積所占比例差異較大。如四川省、湖北省、重慶市、河南省以2 萬hm2以上大型灌區(qū)為主，大型灌區(qū)設計灌溉面積占總面積的比例均超過50%。貴州省、云南省同樣以大型灌區(qū)為主，但比例未超過總面積的50%，且0.067～0.33 萬hm2一般中型灌區(qū)的比例大于0.33～2 萬hm2中型灌區(qū)。湖南省三種類型灌區(qū)設計灌溉面積所占比例基本相同。長江流域中下游的江西省、江蘇省0.33～2 萬hm2中型灌區(qū)所占比例最大，接近50%，大型及小型灌區(qū)所占比例相當。

1.1.3 不同規(guī)模灌區(qū)的有效灌溉面積

根據(jù)統(tǒng)計，流域內(nèi)14個省(市、區(qū))灌區(qū)有效灌溉面積共556.86萬畝，占全流域灌區(qū)設計灌溉面積的76%。其中，2 萬hm2以上大型的灌區(qū)有效灌溉面積278.89 萬hm2，占設計灌溉面積的71.25%，占流域總有效灌溉面積的50.1%；0.33～2 萬hm2中型灌區(qū)的有效灌溉面積170.93 萬hm2，占設計灌溉面積的81.9%，占流域總有效灌溉面積的30.7%；0.067～0.33 萬hm2小型灌區(qū)的有效灌溉面積107.04 萬hm2，占設計灌溉面積的80.55%，占流域總有效灌溉面積的19.2%。

有效灌溉面積及不同規(guī)模灌區(qū)所占比例的空間分布規(guī)律分別如圖1所示。從圖1可以看出，有效灌溉面積較大的地區(qū)仍為湖北省、四川省、湖南省、安徽省及江西省，均超過66.67 萬hm2。從空間分布特征來看，有效灌溉面積較大的省份主要集中在長江中下游地區(qū)。

圖1 有效灌溉面積空間分布及不同規(guī)模灌區(qū)有效灌溉面積比例圖

各省(市、自治區(qū))不同規(guī)模灌區(qū)的有效灌溉面積所占比例，與設計灌溉面積所占比例的空間分布特征相似。

1.2 灌區(qū)灌溉指標的尺度效應分析

1.2.1 大型灌區(qū)

除湖北省、四川省、湖南省、安徽省外，其余省份大型灌區(qū)的設計灌溉面積及有效灌溉面積均小于33.33 萬hm2，空間差異不大(如圖2所示)。面積最大的為湖北省，其設計灌溉面積為168.01 萬hm2，有效灌溉面積為113.31 萬hm2，但有效灌溉面積占設計灌溉面積的比例較小，為67.4%。各省的灌溉水利用系數(shù)相差不大，除陜西省、貴州省外，其他大部分省份的灌溉水利用系數(shù)都集中在0.4～0.5之間。

1.2.2 重點中型灌區(qū)

重點中型灌區(qū)灌溉面積及灌溉水利用系數(shù)的空間分布與大型灌區(qū)有一定的差異(如圖3所示)。湖北省是設計灌溉面積及有效灌溉面積最大的省份，兩個指標均大于53.33 萬hm2；其次是湖南省與江西省，兩個指標均大于26.67 萬hm2；而四川省中型灌區(qū)的灌溉面積有所減少，其有效灌溉面積僅19.23 萬hm2。從空間上來看，長江中下游省份的中型灌區(qū)灌溉面積較大。除廣西自治區(qū)、重慶市外，其他省份的灌溉水利用系數(shù)均大于0.4，其中江蘇省、湖北省、湖南省、陜西省的灌溉水利用系數(shù)均大于0.5。

圖2 2 萬hm2以上大型灌區(qū)各指標空間分布圖

圖3 0.33～2 萬hm2中型灌區(qū)各指標空間分布圖

1.2.3 一般中型灌區(qū)

一般中型灌區(qū)灌溉面積及灌溉水利用系數(shù)的空間分布差異較大(如圖4所示)。面積最大的是湖南省，其設計灌溉面積41.46 萬hm2，有效灌溉面積32.68 萬hm2。四川省、湖南省、江西省、湖北省面積次之。灌溉水利用系數(shù)重慶市最小為0.4，湖南省灌溉水利用系數(shù)最大為0.559。

2 長江流域灌溉效率指標時空變化規(guī)律

2.1 長江流域灌溉水利用系數(shù)

(1)灌溉水利用系數(shù)空間分布特征。從圖5中可以看出，長江流域各省(市、區(qū))的灌溉水利用系數(shù)的數(shù)值集中在0.3～0.55之間(安徽省由于缺少調(diào)查數(shù)據(jù)，顯示為0)。灌溉水利用系數(shù)最高的陜西省為0.536，最低的西藏自治區(qū)為0.355。各省的灌溉水利用系數(shù)差別不大，特別是長江流域內(nèi)主要的湖北、湖南、四川、重慶、貴州、云南、江西等省(市)，其灌溉水利用系數(shù)都在0.45上下波動。

圖4 0.067～0.33萬hm2小型灌區(qū)各指標空間分布圖

圖5 灌溉水利用系數(shù)空間分布圖

(2)灌溉水利用系數(shù)省際差異分析。2010年流域17個行政區(qū)的灌溉水利用系數(shù)見圖6。西藏自治區(qū)灌溉水利用系數(shù)是全國最低的，僅為0.384。上海市灌溉水利用系數(shù)均值為全國最高，達到0.708，且其大型和小型灌區(qū)的灌溉用水有效利用系數(shù)在全國也是最高。主要原因為：①上海的灌區(qū)全部為提水灌區(qū)；②崇明灌區(qū)雖然為大型灌區(qū)，但實際上是由若干個小型灌溉區(qū)域打捆組成，灌區(qū)骨干渠道均為灌排兩用，從骨干渠道提水灌溉，實際上只有斗、農(nóng)兩級渠道，且兩級渠道防滲率較高；③上海小型灌區(qū)按灌溉泵站的數(shù)量劃分，一個灌區(qū)控制面積大多數(shù)為13.33～33.33 hm2(一般不超過66.67 hm2)，大部分灌區(qū)只有農(nóng)渠、毛渠兩級，且渠道防滲率較高；④全市節(jié)水灌溉工程面積占有效灌溉面積的比例較高。

圖6 長江流域分行政區(qū)和灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)

(3)灌溉水利用系數(shù)的時間變異規(guī)律。2005年灌溉水利用系數(shù)處于0.3～0.35之間的僅有西藏，0.35～0.45之間的省市有廣西、云南、四川、貴州、江西、重慶、湖南、湖北、青海、安徽，甘肅、陜西、浙江、江蘇、河南灌溉水利用系數(shù)處于0.45～0.55之間，僅上海超過0.55，為0.599 5。截至2010年，西藏自治區(qū)灌溉水利用系數(shù)提高為0.384，全流域灌溉水利用系數(shù)均高于0.35，其中西藏、云南、廣西、四川、貴州、江西省處于0.35～0.45之間，重慶、湖南、青海、湖北、安徽、甘肅、陜西省處于0.45～0.55之間，浙江、江蘇、河南、上海灌溉水有效利用系數(shù)均高于0.55。可見，經(jīng)過5年的發(fā)展，長江流域省市灌溉水有效利用系數(shù)分布逐漸由多數(shù)低于0.45向高于0.45轉(zhuǎn)變，2005年灌溉水有效利用系數(shù)高于0.45省市僅占35%，而2010年占65%。見圖7。

圖7 長江流域灌溉水有效利用系數(shù)分布情況

2.2 長江流域節(jié)水灌溉率空間特征

經(jīng)過10年的發(fā)展，除貴州外，各地區(qū)的節(jié)水灌溉率就有顯著的增長。從圖8可見，長江流域內(nèi)17個行政區(qū)節(jié)水灌溉發(fā)展水平參差不齊，上游和下游各有節(jié)水灌溉率的高峰，而中游節(jié)水灌溉率相對較低。上游甘肅、陜西節(jié)水灌溉發(fā)展較快，2010年節(jié)水灌溉率達到65%，上游地區(qū)缺水，如何利用更少的水生產(chǎn)更多的糧食，發(fā)展節(jié)水灌溉是保證糧食安全的首要措施。下游浙江、上海節(jié)水灌溉率也較高，這些地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展較快，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的條件比較完善，節(jié)水灌溉率為全流域最高值，超過70%。中游地區(qū)節(jié)水灌溉發(fā)展較慢，其中湖南省節(jié)水灌溉率只有11.5%，為全流域的最低值。

圖8 長江流域17個行政區(qū)2000年及2010年節(jié)水灌溉率

2.3 長江流域灌溉水分生產(chǎn)率變異規(guī)律

灌溉的最終目的是生產(chǎn)糧食，因此單方灌溉水生產(chǎn)出的糧食越多，那么灌溉水的利用效率也就越高。我國2010年單方灌溉水糧食產(chǎn)量約為1.1 kg/m3，遠小于發(fā)達國家2.5～3 kg/m3的水平。從圖9可見，長江流域單方灌溉水糧食產(chǎn)量總體呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，年增長約1.342%。其中，中游增長較快，且單方灌溉水糧食產(chǎn)量顯著高于上游、下游及長江流域平均水平。上游增長幅度緩慢，然而下游卻有逐年緩慢下降的趨勢。上海市單方灌溉水糧食產(chǎn)量由2002年的1.012 kg/m3下降到2010年的0.743 kg/m3；浙江省基本不變，維持在0.9 kg/m3左右；江蘇省2007年達到最高點1.312 kg/m3，2010年又下降到1.197 kg/m3；安徽省則由2002年的2.205下降到2010年的1.945 kg/m3。

圖9 1999-2011年長江流域水分生產(chǎn)率變化規(guī)律

3 長江流域農(nóng)業(yè)供給側(cè)機構性改革對策

3.1 長江流域灌溉水產(chǎn)值

長江流域承擔著生產(chǎn)我國糧食總產(chǎn)量的40%，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要地區(qū)。然而，長江全流域人均耕地面積僅0.056 hm2，接近聯(lián)合國糧農(nóng)組織確定的0.053 hm2警戒線，但長江流域糧食產(chǎn)量保持穩(wěn)定增長。

長江流域糧食單產(chǎn)總體呈上升趨勢，但上升的幅度逐漸減小，增長潛力有限。其中，糧食單產(chǎn)呈現(xiàn)下游>中游>上游的趨勢。長江流域平均糧食單產(chǎn)與中游幾乎一致，且高于全國水平。然而，從2000-2010年，長江流域糧食單產(chǎn)增加537 kg/hm2，平均增長1.056%；全國糧食單產(chǎn)增加712 kg/hm2，平均增長1.559%；與全國增幅相比，長江流域糧食單產(chǎn)增幅仍顯緩慢。總體上，長江流域中游耕地面積大，是耕地整理挖潛和提高糧食單產(chǎn)的重點；上游耕地面積較小，但糧食單產(chǎn)仍有較大上升空間。

從圖10可以看出，2000-2003年，下游單方水產(chǎn)值最高。然而，從2003年開始，中游單方水產(chǎn)值增長加快，成為流域最高值；上游次之，且與長江流域平均水平相似；下游最低，2010年單方水產(chǎn)值為9.244 元/m3，年均增長幅度為6.38%，上游增長幅度為10.24%，中游12.17%，長江流域平均增長幅度也為9.89%。經(jīng)過10年農(nóng)業(yè)節(jié)水科技進步和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴大，長江流域單方水產(chǎn)值由4.669元提高到11.992元。

圖10 長江流域2000-2010年糧食單產(chǎn)及單方水產(chǎn)值變化圖

3.2 長江流域農(nóng)業(yè)節(jié)水對策

從圖11可以看出，除江西、安徽糧食種植比例有所上升之外，其他地區(qū)糧食種植比例均有一定的下降，作物種植結構做出了相應的調(diào)整。然而，農(nóng)業(yè)種植結構調(diào)整的幅度并不大，10年間糧食作物種植面積下降幅度均不足5%，可見，在我國糧食安全問題突出的情勢和現(xiàn)狀單位面積糧食生產(chǎn)能力下，糧食種植比例還需要得到一定的保證，作物種植結構難以做出很大的調(diào)整。

圖11 長江流域及行政區(qū)2000年及2010年糧食種植比例

湖北省作為長江流域的糧食主產(chǎn)省份之一，從1992-2000年，糧食播種面積逐年下降，減少14%左右，水稻種植面積減少9%；而從2000-2010年，糧食種植面積經(jīng)過波動減少不到4%，水稻種植面積減少不到1%；可見，在糧食生產(chǎn)的要求下，進行作物種植結構調(diào)整的潛力已經(jīng)非常有限(見表1)。因此，應針對區(qū)域現(xiàn)有農(nóng)業(yè)種植結構相對穩(wěn)定的現(xiàn)狀，制定流域農(nóng)業(yè)節(jié)水發(fā)展規(guī)劃；鑒于水稻仍然是流域內(nèi)最大的耗水大戶，今后應重點開展水稻高效節(jié)水灌溉技術的研發(fā)和推廣，同時對油料、棉花、果樹等經(jīng)濟附加值較高的農(nóng)林作物實施精準灌溉和水肥一體化。

表1 湖北省1992-2010年作物種植結構 %

注：數(shù)據(jù)來源于湖北省歷年統(tǒng)計年鑒。

4 結 語

近年來，長江流域灌區(qū)節(jié)水改造提高了輸配水和灌溉管理效率，灌溉水利用系數(shù)有了明顯的提高。然而，與全國相比，長江流域灌溉水利用系數(shù)還較低，只有少數(shù)省(市、自治區(qū))達到全國平均水平。

目前，因流域內(nèi)水資源較為豐富，節(jié)水灌溉發(fā)展并不完善，且節(jié)水意識不強，諸如渠道襯砌、節(jié)水灌溉制度、低壓管道輸水、噴滴灌系統(tǒng)、灌溉輸配水優(yōu)化策略等工程 節(jié)水技術仍未在長江流域的廣大地區(qū)得到大范圍推廣應用，大部分農(nóng)民仍在沿用傳統(tǒng)的地面灌溉和水田淹灌方式，這表明長江流域仍存在著巨大的節(jié)水潛力與節(jié)水技術推廣遠景。

在保障糧食安全的前提下，長江流域農(nóng)業(yè)種植結構調(diào)整的潛力非常有限，因此大田作物的規(guī)模化高效節(jié)水和經(jīng)濟作物的精準灌溉及水肥一體化應當時今后流域農(nóng)業(yè)節(jié)水的主要發(fā)展方向。

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