三義寨引黃灌區(qū)主要作物需水量計算及趨勢分析

馮峰 姜楠 馮躍華 王孟楨 高子樂 張澤天

摘 要：針對三義寨引黃灌區(qū)主要作物需水量、有效降水量和凈灌溉需水量的計算問題，采用參考作物法構(gòu)建模型，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的彭曼-蒙特斯（Penman-Monteith）公式的修正公式進(jìn)行計算。以惠北水利科學(xué)試驗站觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，得出冬小麥全生育期（10月中旬至第二年5月下旬）的作物需水量2000—2019年年際變化范圍為395.494～796.776 mm，均值為579.425 mm，有效降水量均值為160.090 mm，凈灌溉需水量均值為453.291 mm，灌溉需求指數(shù)均值為0.773，對灌溉的依賴程度較高;夏玉米全生育期（6月中旬至9月中旬）的作物需水量在1999—2019年年際變化范圍為187.581～716.762 mm，均值為359.310 mm，有效降水量均值為295.776 mm，凈灌溉需水量均值為149.768 mm，灌溉需求指數(shù)均值為0.371，對灌溉的依賴程度較低;棉花全生育期（4月上旬至10月下旬）的作物需水量1999—2019年年際變化范圍為366.985～1 049.358 mm，均值為580.561 mm，有效降水量均值為433.519 mm，凈灌溉需水量均值為266.470 mm，灌溉需求指數(shù)均值為0.421，對灌溉的依賴程度為中等。將3種作物需水量按生育期疊加，灌區(qū)凈灌溉需水量最大的月份為3月，原因是冬小麥在拔節(jié)抽穗期對水量需求較大。4月、5月冬小麥處于關(guān)鍵的灌漿成熟期，棉花處于苗期和成長期，因此凈灌溉需水量在各月中分別位于第3、2位。3種作物的生育期需水量、凈灌溉需水量均為增加趨勢，有效降水量均呈減少趨勢，夏玉米和棉花的凈灌溉需水量增加傾向率較大，主要原因是夏玉米和棉花的生育期與降水量較大的7—8月重合，因此受到降水量和氣候的影響較顯著。

關(guān)鍵詞：引黃灌區(qū);作物需水量;凈灌溉需水量;有效降水量;三義寨灌區(qū)

中圖分類號：TV213.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.032

引用格式：馮峰，姜楠，馮躍華，等.三義寨引黃灌區(qū)主要作物需水量計算及趨勢分析[J].人民黃河，2021，43（9）：165-170.

Water Requirement Calculation and Trend Analysis of Main Crops in Yellow River Irrigation Area

FENG Feng1，2， JIANG Nan1，2， FENG Yuehua3， WANG Mengzhen4， GAO Zile3， ZHANG Zetian1，2

（1.Yellow River Conservancy Technical Institute， Kaifeng 475004， China; 2.Henan Engineering Technology Center for

Water Resources Conservation and Utilization in the Middle and Lower Reaches of Yellow River， Kaifeng 475004， China;

3.Eastern Henan Water Conservancy Administration Bureau， Kaifeng 475002， China; 4.Sanyizhai Branch Office，

Eastern Henan Water Conservancy Administration Bureau， Kaifeng 475300， China）

Abstract： Aiming at the calculation of main crop water requirement （CWR）， effective precipitation and net irrigation water requirement in the Yellow River irrigation area of Sanyizhai， a reference crop method was used to build a model based on the Penman-Monteith formula recommended by the FAO. On the basis of the Huibei Water Conservancy Scientific Experimental Station observation data， it is concluded that the growth period of winter wheat all （from mid-October to late-May of the next year） inter-annual variability of CWR in 2000-2019 is 395.494-796.776 mm， the average is 579.425mm， the mean of effective rainfall is 160.090 mm， the mean of net irrigation water requirement is 453.291mm and the mean of irrigation demand index is 0.773， indicating high degree of dependence on irrigation. During the whole growth period of summer maize （from mid-June to mid-September）， the CWA varies from 187.581-716.762 mm in the period of 1999-2019， the average is 359.310 mm， the mean of effective rainfall is 295.776 mm， the mean of net irrigation water requirement is 453.291 mm and an average irrigation demand index is 0.371， which shows less dependent on irrigation. During the whole growth period of cotton （from early-April to late-October）， the CWA varies from 366.985-1049.358 mm in the period of 1999-2019， with an average of 580.561 mm， the mean of effective rainfall is 433.519 mm， the mean of net irrigation water requirement is 266.470 mm and an average of irrigation demand index is 0.421， indicating a moderate dependence on irrigation. The water demand of the three crops is superimposed according to the growth period. The largest net irrigation water demand is in March and the water demand of winter wheat is relatively larger at the heading stage. Winter wheat in April and May is in the critical grouting maturity stage and cotton is in the seedling stage and growth stage， so the net irrigation water demand is in the second and third place in the whole year. Three kinds of water requirement of crop growth period， the net irrigation requirement are increasing， effective rainfall all shows a trend of decrease， summer maize and cotton net irrigation water requirement of increasing tendency is larger， mainly because of summer corn and cotton growth duration and rainfall of larger overlap in July and August， so the influence of rainfall and climate is significant.

Key words： Yellow River irrigation area; water requirement of crop; net irrigation water requirement; effective precipitation; Sanyizhai irrigation area

習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上的講話中明確指出推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用[1]。引黃灌區(qū)以農(nóng)業(yè)用水為主，進(jìn)行水資源節(jié)約集約利用的前提是掌握作物需水量及其在生育期內(nèi)的分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上才能在灌區(qū)實施“以需定供，以耗定供”，實現(xiàn)節(jié)約水資源、提高利用效率的目標(biāo)[2]。目前針對灌區(qū)耗水量和作物需水量的計算研究，學(xué)者們從水資源形成及轉(zhuǎn)化角度出發(fā)建立了多種計算模型[3-6]。蔡明科等[7]在寶雞峽灌區(qū)耗水量變化規(guī)律及影響因素分析研究中，通過對灌區(qū)用水對象和耗水機(jī)理的分析，建立了灌區(qū)耗水量計算模型。秦大庸等[8]采用灌區(qū)多年的耗水量與降水量等資料進(jìn)行計算，對寧夏引黃灌區(qū)耗水量及水均衡模擬進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為引黃耗水量與降水量之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。劉蘇峽等[9]基于水量平衡理論提出直接從降雨量推導(dǎo)流域生態(tài)耗水量的計算方法。韓宇平等[10]基于水量平衡理論，將計算區(qū)域概化為水箱來建立耗水模型，計算分析了寧夏引黃灌區(qū)的廣義生態(tài)耗水量。謝立群等[11]采用Penman-Monteith公式計算水稻需水量，最后得出沈陽市毓寶臺灌區(qū)水田耗水量。朱發(fā)昇等[12]提出了渠系耗水中水面蒸發(fā)計算的模擬調(diào)度法，以及采用水量平衡法計算渠系浸潤耗水，并應(yīng)用到我國的干旱區(qū)。但是涉及河南省豫東引黃灌區(qū)的作物需水量計算成果較少，對年際變化、生育期變化規(guī)律進(jìn)行分析的成果顯得缺乏。

本文根據(jù)惠北水利科學(xué)試驗站1999—2019年逐日氣象資料，計算三義寨引黃灌區(qū)冬小麥、夏玉米和棉花3種作物生育期的作物需水量、有效降水量和凈灌溉需水量，分析3種作物的灌溉需求指數(shù)和水量年際變化趨勢，為引黃灌區(qū)的水資源節(jié)約集約利用和高質(zhì)量發(fā)展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 數(shù)據(jù)來源及計算模型

1.1 區(qū)域概況

三義寨引黃灌區(qū)的取水口位于河南省開封市蘭考縣境內(nèi)，灌區(qū)的總土地面積為4 344.2 km2，總耕地面積為27萬hm2[13]。目前灌區(qū)引水能力約為150 m3/s，有效灌溉區(qū)域為開封市的開封縣、蘭考縣、杞縣，商丘市的民權(quán)縣、寧陵縣、睢陽區(qū)、梁園區(qū)、睢縣、虞城縣等，共計9個縣（區(qū)）[14]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的氣象、需水試驗等數(shù)據(jù)均來自河南省豫東水利工程管理局惠北水利科學(xué)試驗站，其地理位置為東經(jīng)114°31′、北緯34°46′，代表區(qū)域為河南省開封市柳園口引黃灌區(qū)。選取該站1999—2019年逐日地面氣象觀測資料，包括日降水量、日水面蒸發(fā)量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均空氣相對濕度、日日照時數(shù)、日平均風(fēng)速等數(shù)據(jù)[15]，可直接用于計算三義寨引黃灌區(qū)的作物需水量等。

1.3 計算模型

1.3.1 作物需水量計算

本研究采用參考作物法，以三義寨引黃灌區(qū)內(nèi)惠北水利科學(xué)試驗站觀測的氣象資料計算參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0。ET0乘以作物系數(shù)Kc得到實際作物蒸發(fā)蒸騰量，作物全生育期的需水量計算公式為

ETc=∑ETci=∑（Kci·ET0i）（1）

式中：ETc為作物全生育期的需水量，mm;ETci為作物第i階段的需水量，mm;Kci為第i階段的作物系數(shù);ET0i為第i階段的參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm。

參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）推薦的彭曼-蒙特斯（Penman-Monteith）公式的修正公式來計算[16]。單作物系數(shù)法計算比較簡單，在實際作物需水量的計算和預(yù)報中應(yīng)用較為廣泛，其計算公式為

ETc=Kc·ET0（2）

1.3.2 凈灌溉需水量計算

作物的凈灌溉需水量等于生育期內(nèi)作物需水量與有效降水量之差[17]。其計算公式為

VIR=ETc-Pe （3）

其中

Pe=aP

式中：VIR為作物日凈灌溉需水量，mm/d;Pe為日有效降水量，mm/d;a為有效降水量經(jīng)驗系數(shù);P為日降水量，mm/d。

1.3.3 有效降水量計算

有效降水量經(jīng)驗系數(shù)的確定受到很多因素的影響，要在物理機(jī)制影響上綜合分析其影響因素，結(jié)合灌區(qū)以往的降水資料，確定更適應(yīng)于灌區(qū)的有效降水量經(jīng)驗系數(shù)[18]。表1中的有效降水量經(jīng)驗系數(shù)對三義寨引黃灌區(qū)長期使用效果良好，可以直接采用。

1.3.4 年際變化傾向率計算

計算年際變化傾向率，首先將要素的趨勢變化用線性方程表示[17]，即

t=a0+a1t （t=1，2，…，n）（4）

式中：t為要素的擬合值;t為年份序列號;a0為常數(shù);a1為回歸系數(shù)，也為傾向率，表示要素年際的變化率。

將冬小麥、夏玉米和棉花作物需水量、有效降水量或凈灌溉需水量的長期變化趨勢采用線性回歸方程表示，其形式為

X^=a0+a1t （t=1，2，…，n）（5）

其中a1=d1/dt

式中：X^為線性回歸的擬合值;a1為傾向率，當(dāng)a1為正或負(fù)時，表示要素在計算時段內(nèi)線性增加或減少;d1為單位時間段內(nèi)擬合值變化量;dt為單位時間段長度。

1.3.5 灌溉需求指數(shù)計算

灌溉需求指數(shù)是凈灌溉需水量與作物需水量的比值，反映各種作物生長對灌溉的依賴程度[19]，其計算公式如下：

VIDI=VIR/ETc（6）

式中：VIDI為各類作物灌溉需求指數(shù)。

2 計算結(jié)果

2.1 3個年度的計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

對于三義寨引黃灌區(qū)的冬小麥作物需水量、有效降水量和凈灌溉需水量，以2006—2007年度、2011—2012年度、2012—2013年度逐日氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用式（1）～式（3）進(jìn)行計算，結(jié)果列入表2。為了驗證結(jié)果的可靠性，將3個年度的計算數(shù)據(jù)與惠北水利科學(xué)試驗站冬小麥作物需水量試驗實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，試驗冬小麥品種為開麥18，坑測、畦灌、生育期控制土壤水分范圍為田間持水量上限60%，由表2可知，3個年度冬小麥生育期的計算凈灌溉需水量的誤差分別為0.7%、9.0%、5.6%，表明計算公式參數(shù)選取合理，適用性較強(qiáng)。

2.2 3種作物的計算結(jié)果

對于三義寨引黃灌區(qū)的冬小麥、夏玉米和棉花3種作物，以1999—2019年的逐日氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用式（1）～式（3）計算冬小麥生育期（10月中旬至第二年5月下旬）、夏玉米生育期（6月中旬至9月中旬）、棉花生育期（4月上旬至10月下旬）逐日作物需水量、有效降水量和凈灌溉需水量，進(jìn)行逐月累計，計算結(jié)果見表3～表5，3種作物的需水量、有效降水量和凈灌溉需水量年際變化見圖1～圖3。

3 變化趨勢分析

3.1 3種作物累計分析

如圖1至圖3所示，三義寨引黃灌區(qū)的3種作物生育期逐年需水量與凈灌溉需水量變化趨勢相似，凈灌溉需水量與有效降水量的變化曲線基本呈現(xiàn)鏡像對稱，表明生育期內(nèi)的有效降水量將直接影響凈灌溉需水量的大小，有效降水可以顯著減小或緩解灌溉用水的壓力。將三義寨引黃灌區(qū)的冬小麥、夏玉米和棉花3種主要作物的逐月凈灌溉需水量均值按照生育期月份進(jìn)行累計（見表6），并與逐月有效降水量均值進(jìn)行比較（見圖4），可見每年凈灌溉需水量最大的月份為3月。雖然3月只有冬小麥在生育期內(nèi)，但是冬小麥在3月拔節(jié)抽穗期對水量需求較大。4月、5月冬小麥處于關(guān)鍵的灌漿、成熟期，棉花處于苗期和成長期，因此4月、5月的凈灌溉需水量在各月中分別位于第3、2位。每年凈灌溉需水量和有效降水量均最小的月份為1月，有效降水量最大的月份為7月、8月，有效緩解了夏玉米、棉花的灌溉用水壓力。

三義寨引黃灌區(qū)的冬小麥、夏玉米和棉花3種主要作物生育期長短、月份是不完全重合的，為了精準(zhǔn)地研究引黃灌區(qū)在每個月的灌溉需求情況，利用式（6）計算作物的灌溉需求指數(shù)，并按月份進(jìn)行對比（見表7）?？梢?，冬小麥灌溉需求指數(shù)最大的月份為3月，其次是4月、5月，均為小麥生長最關(guān)鍵的時期，灌溉需求指數(shù)最小的月份是10月;夏玉米灌溉需求指數(shù)最大的月份為6月、9月，最小的月份是8月;棉花灌溉需求指數(shù)最大的月份是9月，其次是6月，最小的月份是7月。根據(jù)三義寨引黃灌區(qū)的種植結(jié)構(gòu)，冬小麥面積大約占總面積的80%，夏玉米占70%，棉花占20%，將3種作物的灌溉需求指數(shù)逐月均值進(jìn)行合計（見表7），每年灌溉需求指數(shù)最大的月份是5月，其次是4月和3月，與計算出的凈灌溉需水量最大的3個月份一致。

3.2 變化趨勢分析

利用式（5）計算三義寨引黃灌區(qū)冬小麥生育期（235 d）需水量、有效降水量和凈灌溉需水量2000—2019年需水量傾向率。生育期需水量總體呈增加趨勢（見圖5），需水量傾向率為2.446 4 mm/a;有效降水量總體呈減少趨勢（見圖6），降水量傾向率為-0.142 1 mm/a;凈灌溉需水量總體呈增加趨勢（見圖7），凈灌溉需水量傾向率為2.868 1 mm/a。

利用式（5）對三義寨引黃灌區(qū)冬小麥、夏玉米和棉花的作物需水量、有效降水量和凈灌溉需水量及其年際變化傾向率進(jìn)行計算，見表8。3種作物的生育期需水量均為增加趨勢，其中夏玉米和棉花的需水量傾向率較大;3種作物生育期有效降水量均呈現(xiàn)減少趨勢，夏玉米和棉花的有效降水量傾向率絕對值較大;3種作物的凈灌溉需水量均呈現(xiàn)增加趨勢，夏玉米和棉花的凈灌溉需水量傾向率較大，其原因是夏玉米和棉花的主要生育期與降水量較大的月份重合，受到降水量的影響較顯著。

4 結(jié) 論

（1）三義寨引黃灌區(qū)冬小麥全生育期（10月中旬至第二年5月下旬）的需水量在2000—2019年年際變化范圍為395.494～796.776 mm，多年平均值為579.425 mm;有效降水量年際變化范圍為58.000～267.000 mm，多年平均值為160.090 mm;凈灌溉需水量的年際變化范圍為224.055～698.774 mm，多年平均值為453.291 mm。冬小麥的灌溉需求指數(shù)均值為0.773，對灌溉的依賴程度較高。

（2）三義寨引黃灌區(qū)夏玉米全生育期（6月中旬至9月中旬）的需水量在1999—2019年年際變化范圍為187.581～716.762 mm，多年平均值為359.310 mm;有效降水量年際變化范圍為135.800～505.400 mm，多年平均值為295.776 mm;凈灌溉需水量的年際變化范圍為3.817～439.762 mm，多年平均值為149.768 mm。夏玉米的灌溉需求指數(shù)均值為0.371，對灌溉的依賴程度較低。

（3）三義寨引黃灌區(qū)棉花全生育期（4月上旬至10月下旬）的需水量，在1999—2019年年際變化范圍為366.985～1 049.358 mm，多年平均值為580.561 mm;有效降水量年際變化范圍為306.600～869.100 mm，多年平均值為433.519 mm;凈灌溉需水量的年際變化范圍為0.422～750.371 mm，多年平均值為266.470 mm。棉花的灌溉需求指數(shù)均值為0.421，對灌溉的依賴程度中等。

（4）三義寨引黃灌區(qū)3種主要作物的逐月凈灌溉需水量均值最大的月份為3月，冬小麥在3月拔節(jié)抽穗期對水量需求較大。4月、5月冬小麥處于關(guān)鍵的灌漿、成熟期，棉花處于苗期和成長期，因此凈灌溉需水量在全年中分別位于第3、2位。每年凈灌溉需水量和有效降水量均最小的月份為1月，有效降水量最大的月份為7月、8月，有效滿足了夏玉米、棉花的需水。

（5）三義寨引黃灌區(qū)3種作物的生育期需水量均為增加趨勢，其中夏玉米和棉花的需水量傾向率較大; 3種作物生育期有效降水量均呈現(xiàn)減少趨勢，夏玉米和棉花的有效降水量傾向率絕對值較大;3種作物的凈灌溉需水量均呈現(xiàn)增加趨勢，夏玉米和棉花的凈灌溉需水量傾向率較大，主要原因是夏玉米和棉花的主要生育期與降水量較大的月份重合，受到降水量的影響較顯著。

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