基于ET的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉規(guī)劃

喬 鵬，王 嵐

(吐魯番市水資源管理中心,新疆 吐魯番 838000)

農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉規(guī)劃中的節(jié)水一般指的是節(jié)水潛力，即通過(guò)采取某種農(nóng)業(yè)節(jié)水措施提高農(nóng)業(yè)灌溉用水標(biāo)準(zhǔn)，通常是指灌溉水有效利用系數(shù)(灌溉效率)提高后，從而可能減少的用水量[1]。節(jié)水潛力的大小既與用水現(xiàn)狀有關(guān)，又受投資力度、節(jié)水模式、用水結(jié)構(gòu)等相關(guān)因素的綜合作用，是一種可能的“最大”或“潛在”的節(jié)水量[2]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水潛力又被稱為灌溉取水節(jié)水量，是指減少的灌溉取水量，但實(shí)際上這部分水量又可分為無(wú)效ET、地表下和地表水回歸量、其他無(wú)效損失量等三個(gè)方面，一些學(xué)者認(rèn)為只有減少的蒸散量以及無(wú)效損失量屬于真正意義上的節(jié)水量[3]。因?yàn)閺膮^(qū)域水平衡來(lái)看，地表水和地下水回歸量都要被重復(fù)利用，這一部分節(jié)水并不能增加可利用灌溉水的總量。無(wú)效損失量主要是指被環(huán)境污染或其他因素?fù)p害而成為不可利用的水量，無(wú)效ET指田間土面蒸發(fā)、渠系水面蒸發(fā)、潛水蒸發(fā)等，減少這部分損失，則可以增加可利用灌溉水的總量，這部分水量又被稱為凈節(jié)水潛力或真實(shí)節(jié)水潛力[4-5]。

1 工程概況

新疆吐魯番市地處北緯41°12′～43°40′，東經(jīng)87°16′～91°55′之間，屬東天山斷陷盆地，地勢(shì)封閉低洼，冷濕空氣不易進(jìn)入，形成了極端干旱的溫帶大陸性荒漠氣候。由于氣候條件限制，吐魯番市農(nóng)業(yè)完全依賴于灌溉，是典型的干旱區(qū)綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，吐魯番市農(nóng)業(yè)種植面積的迅速擴(kuò)張，水資源嚴(yán)重短缺，地下水超采嚴(yán)重，導(dǎo)致了地下水位不斷下降、土地鹽堿化、艾丁湖季節(jié)性干涸等一系列水環(huán)境問題[6-7]。

為提高水資源利用率，節(jié)約水資源，吐魯番市多年來(lái)持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉且已有一定規(guī)模，雖然提高了用水效率，但地下水位連年下降的局面并無(wú)明顯改善[8]。為改善水環(huán)境，逐步減少地下水超采，2010年吐魯番市利用世界銀行資金實(shí)施了“新疆坎兒井保護(hù)及節(jié)水灌溉工程”項(xiàng)目，引入“真實(shí)節(jié)水”理念，開展了以遙感計(jì)算ET(Evapotranspiration)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉補(bǔ)充規(guī)劃研究，從耗水的角度開展了吐魯番市農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃，為吐魯番市水資源管理提供支持。

2 規(guī)劃方法

2.1 規(guī)劃目標(biāo)

依據(jù)ET控制紅線，制定吐魯番市各區(qū)(縣)的農(nóng)業(yè)節(jié)水補(bǔ)充規(guī)劃，通過(guò)調(diào)整灌溉面積、實(shí)施節(jié)水灌溉和種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施，滿足不同階段的農(nóng)業(yè)目標(biāo)ET，減少地下水開采，提高農(nóng)業(yè)用水效率和效益，實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置和高效利用，在保障農(nóng)民增收和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的條件下，減少農(nóng)業(yè)用水和耗水總量，實(shí)現(xiàn)資源性節(jié)水，轉(zhuǎn)移為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境改善可利用的水資源量。

2.2 規(guī)劃原則

一是在現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌以耕地紅線和耗水紅線為主要約束條件。二是考慮吐魯番區(qū)特殊的氣候條件，結(jié)合種植作物選擇技術(shù)成熟的滴灌作為主要節(jié)水灌溉建設(shè)模式。三是退地減水以吐魯番市及各區(qū)縣制定出臺(tái)的相關(guān)政策和辦法為基礎(chǔ)。四是種植結(jié)構(gòu)調(diào)整過(guò)程中，要兼顧經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)水效益，并遵循聚集效益原則，同一類作物盡量集中規(guī)劃種植。

2.3 確定目標(biāo)ET

吐魯番市ET數(shù)據(jù)由其他世界銀行項(xiàng)目通過(guò)ETWatch模型計(jì)算獲得，模型原理及計(jì)算方式參見相關(guān)文獻(xiàn)[9]，根據(jù)區(qū)域水資源供耗平衡，區(qū)域耗水量可用式(1)表示：

ET=R+P-O-CS

(1)

式中：R為入流量，m3;P為降水，m3;ET為蒸騰蒸發(fā)量，m3;O為出流量，m3;CS為地下水蓄變量,m3。

區(qū)域ET又分為生產(chǎn)性消耗、非生產(chǎn)性消耗。基于遙感數(shù)據(jù)解析的土地利用類型，區(qū)域非生產(chǎn)性ET可采用式(2)表示：

ET非生產(chǎn)性=ET森林+ET草地+ET水體+

ET耕地+ET城鎮(zhèn)+ET裸地

(2)

式中：ET森林、ET草地、ET水體、ET耕地、ET城鎮(zhèn)、ET裸地分別為森林、草地、水體與濕地、耕地、城鎮(zhèn)建設(shè)用地與未利用地的非生產(chǎn)性ET,m3。

森林、草地、水體與濕地、未利用地的ET通過(guò)疊加遙感ET與土地利用數(shù)據(jù)計(jì)算。耕地的非生產(chǎn)性蒸散量計(jì)算，利用多時(shí)相的遙感數(shù)據(jù)，采用未種植耕地提取與識(shí)別方法，提取研究區(qū)的未種植耕地，然后通過(guò)疊加未種植耕地與遙感ET數(shù)據(jù)，獲取未種植耕地的ET數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)之上，采用地統(tǒng)計(jì)空間插值方法計(jì)算種植耕地的非生產(chǎn)性消耗ET。

在水資源總量沒有大變化的前提下，農(nóng)業(yè)節(jié)水規(guī)劃目標(biāo)是希望通過(guò)農(nóng)業(yè)節(jié)水，將節(jié)約的水資源量轉(zhuǎn)移到工業(yè)等非農(nóng)業(yè)部門，用以支撐地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此，對(duì)區(qū)域或流域而言，應(yīng)首先滿足生活耗水量的需求，因經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng)的影響，其次應(yīng)該滿足工業(yè)耗水量的需求，最后才是農(nóng)業(yè)耗水量的需求。農(nóng)業(yè)目標(biāo)ET可表示為可耗水總量與生活耗水量和工業(yè)耗水量之差，結(jié)合式(1)、式(2)最終確定的農(nóng)業(yè)ET目標(biāo)如表1。

表1 吐魯番市各區(qū)縣農(nóng)業(yè)ET目標(biāo) 萬(wàn)m3

2.4 作物耗水定額

根據(jù)吐魯番灌溉定額試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及主要作物耗水量的分析，確定主要作物綜合耗水定額如表2。

表2 吐魯番市主要作物耗水定額 m3·hm-2

2.5 節(jié)水效益

根據(jù)“真實(shí)節(jié)水”的概念和基本構(gòu)成，真實(shí)節(jié)水量指采取節(jié)水措施后減少的無(wú)效消耗水量和無(wú)效流失水量之和。實(shí)際上對(duì)于吐魯番市的綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)田蒸散發(fā)占水資源消耗的絕大多數(shù)，無(wú)效流失基本忽略不計(jì)。因此計(jì)算綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)的真實(shí)節(jié)水量主要是計(jì)算消耗水量的減少量，無(wú)效消耗減少量的計(jì)算方法可用式(3)表示：

(3)

式中：ΔAi為增加的第i種節(jié)水措施面積，hm2；ΔIi為第i種節(jié)水措施減少的凈耗水定額,m3/hm2。

3 規(guī)劃方案

規(guī)劃水平年為2012年，規(guī)劃目標(biāo)年為2030年，階段目標(biāo)年為2015年、2020年、2025年、2030年，規(guī)劃基本單元為縣級(jí)行政區(qū)劃。

通過(guò)退耕還水和調(diào)整種植結(jié)構(gòu)等多種方式，逐步退減約4.33萬(wàn)hm2耕地，規(guī)劃到 2030年吐魯番地區(qū)農(nóng)作物播種面積為66 136.27 hm2，其中：高昌區(qū)24 269.33 hm2，鄯善縣23 140.40 hm2，托克遜縣18 726.53 hm2，目標(biāo)年耕地退減面積和結(jié)構(gòu)調(diào)整如表3，目標(biāo)年種植結(jié)構(gòu)及節(jié)水灌溉情況如表4，根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)獲取的取耗水量轉(zhuǎn)換系數(shù)，2030年取水量控制在7.7億m3，各階段目標(biāo)年取水量紅線如表5，節(jié)水規(guī)劃效益估算如表6。

表3 2030年規(guī)劃種植結(jié)構(gòu)和退地規(guī)模 hm2

表4 2030年吐魯番市節(jié)水規(guī)劃灌溉方式 hm2

表5 吐魯番市規(guī)劃各階段年取水量紅線 萬(wàn)m3

表6 吐魯番市節(jié)水規(guī)劃效益估算

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了吐魯番市世界銀行貸款項(xiàng)目中，通過(guò)遙感計(jì)算蒸散發(fā)，從耗水分析的角度開展的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉規(guī)劃研究，結(jié)果顯示為實(shí)現(xiàn)2030年規(guī)劃年農(nóng)業(yè)ET目標(biāo)，2030年農(nóng)業(yè)取水量需要控制在7.7億m3，由于目前水資源開發(fā)利用量已遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)厮Y源承載能力，每年減少的農(nóng)業(yè)取水量不能單純依靠調(diào)整種植結(jié)構(gòu)和推行節(jié)水灌溉的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，還需要退減耕地面積，2030年吐魯番市農(nóng)作物播種面積需要控制在6.6萬(wàn)hm2。