基于作物系數法的灌溉需水量計算

0水資源合理利用規劃的必要性由于降水時間和降水空間的不平等，中國大部分地區的農業對灌溉。中國水資源短缺的嚴峻形勢對灌溉農業的發展提出了更高的要求,即要在農業用水總量基本不增加的條件下提高農業綜合生產能力,建設節水、高效、防污的現代農業。實現這一目標的有效措施是實施農業用水的總量控制和定額管理,核心問題是提高灌溉用水的效率和效益?？茖W的灌溉用水定額是衡量用水水平、挖掘節水潛力、考核節水成效的依據,也是水資源科學規劃、管理和調配的依據。在20世紀80年代中期,水利部曾組織全國各省區的200多個灌溉試驗站,對全國主要農作物的需水量與灌溉制度進行了試驗研究,并以這些試驗數據為基礎出版了《中國主要作物需水量與灌溉》專著。此后,在南水北調規劃項目中,水利部農田灌溉研究所與中國水利水電科學研究院合作,對北方地區20多種主要作物在不同典型年下的作物需水量和灌溉需水量進行了研究,在積累大量基礎數據的同時,也為在全國范圍內開展類似的研究積累了經驗。本文以全國水資源規劃三級區為基本單元,選取200多個氣象站近30a的資料,采用FAO推薦的PenmanMonteith方法計算了各研究區歷年逐日的參照騰發量,用作物系數法計算了主要作物的需水量和凈灌溉需水量,并用各地灌溉試驗站的實測資料進行了檢驗?；贕IS的空間分析功能,采用反距離加權插值法得到主要作物多年平均作物需水量與凈灌溉需水量的分布圖。選擇種植面積最廣的小麥、玉米、棉花和水稻4種作物,分析其作物需水量與凈灌溉需水量的空間分布特征,得到不同地區的灌溉需求指數,在此基礎上分析中國不同地區不同作物對灌溉的依賴程度。1材料和方法1.1典型氣象站的數據收集和分析以全國水資源規劃的214個三級區為基本單元,考慮農業和氣象分區,共劃分了216個農業用水研究區(見圖1)。在每個研究區內選定一個典型氣象站作為該區的代表點,收集了1970-2000年逐日的氣象資料,包括降雨、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、風速、相對濕度、日照時數等。用計算機程序對所有氣象數據進行了分析和整理,包括相關分析、壞數剔除、缺失插補、變化趨勢分析等。對各研究區內種植的作物類型、種植面積和生育階段進行了調查統計,并根據各研究區的水熱條件和各種作物的生物學特性,確定了不同區域不同作物的生育階段劃分。1.2蒸騰量與發量作物需水量指作物在土壤水分和養分適宜、管理良好、生長正常、大面積高產條件下的棵間土面(或水面)蒸發量與植株蒸騰量之和。它是確定作物灌溉需水量的基礎。作物需水量受土壤、作物、氣候等多種因素影響。確定作物需水量的方法主要通過田間測定,也可采用理論計算的方法。本研究中采用作物系數法計算作物需水量,計算公式如下式中:ETc——作物需水量,mm;ET0——參照騰發量,mm;Kc——作物系數。1.2.1土壤熱輻合強度的計算參照騰發量是某種標準參照作物的潛在蒸騰蒸發速率,采用國際糧農組織(FAO)推薦的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)方法計算,計算公式如下式中:Rn——冠層表面凈輻射,MJ/(m2·d);G——土壤熱通量,MJ/(m2·d);T——平均氣溫,℃;es——飽和水汽壓,kPa;ea——實際水汽壓,kPa;(35)——飽和水汽壓-氣溫關系曲線在T處的切線斜率,kPa/℃;uf067——濕度計常數,kPa/℃;U2——2m高處的風速,m/s。1.2.2作物系數fao作物系數是某種作物的潛在騰發量與參照騰發量之比,它反映不同作物與參照作物的區別,是根據參照騰發量計算實際作物需水量的重要參數。作物系數受土壤、氣候、作物生長狀況和管理方式等多種因素影響,因此,不同作物的作物系數應根據當地的灌溉試驗成果確定,需要逐時段(旬或月)的變化過程。對沒有試驗資料或試驗資料不足的作物和地區,可以利用FAO推薦的84種作物的標準作物系數和修正公式,根據當地氣候、土壤、作物和灌溉條件進行修正。FAO推薦在規劃中確定作物系數的方法為分段單值平均法,即把全生育期作物系數變化過程概化為在4個階段的3個值(Kcini、Kcmid、Kcend)。無越冬期作物的時段平均作物系數的變化過程如圖2a所示。對有越冬期的作物,由于冬季表土凍結和作物休眠的緣故,期間作物系數很小,因此,需增加越冬期的作物系數Kcfro。圖2b給出越冬生長作物的時段平均作物系數變化過程。從FAO-56中查出各種作物在標準條件下的作物系數(所謂標準條件是指空氣濕度約為45%,風速約為2m/s,供水充足,管理良好,生長正常,大面積高產的作物條件)。非標準條件按照下式對作物系進行修正:式中:Kctab——不同生育階段標準條件下的作物系數(可從FAO-56的表中查出);RHmin——該生育階段內日最低相對濕度的平均值,%;h——該生育階段內作物的平均高度,m;其余符號含義同前。用上述方法計算了全國216個研究區內30種主要作物的作物系數變化過程,圖3為幾種主要作物的作物系數計算值與灌溉試驗站資料的對比,用FAO推薦的分段單值平均法計算得到作物系數與灌溉試驗站實測值比較接近,說明該方法確定的作物系數用于水資源規劃中的需水預測是可行的。1.3灌溉補充水量ir作物需水量中的一部分可由降雨供給,降雨供給不足的部分需由灌溉補充,作物生長過程中需依靠灌溉補充的水量為作物的凈灌溉需水量。某種作物的凈灌溉需水量等于生育期內作物需水量與有效降雨量之差,即式中:IR——作物凈灌溉需水量,mm;Pe——作物生育期的有效降雨量,mm。1.3.1作物有效降雨的有效利用及氣候變化作物生長期的有效降雨量指能夠提供給作物蒸發蒸騰,從而減少作物對灌溉水需求的雨量。對于旱作物,有效降雨量指總降雨量中能夠保存在作物根系層中用于滿足作物蒸發蒸騰需要的那部分雨量,不包括地表徑流和滲漏至作物根系吸水層以下的部分。對于水田作物,由于在各生育階段均有其最大的適宜水層深度,有效降水指總降水量中把田面水深補充到最大適宜深度的部分,以及供作物蒸發蒸騰利用的部分和改善土壤環境的深層滲漏部分之和,不包括形成地表徑流和無效深層滲漏部分。影響有效降雨的主要因子有降雨強度、土壤質地及結構、地形及平整度、降水前的土壤含水率、作物種類及生育階段、作物需水量、耕作措施和灌溉管理措施等。作物有效降雨量需逐時段(日、旬或月)計算,由于不同作物需水量不同,生長期內的降雨量和降雨分布也有很大差別,因此,降雨的有效利用比例也因作物不同而異。實時計算作物生育期有效降雨量最準確的方法是時段水量平衡法。需逐時段(1~5d)的降雨和騰發量,且要掌握時段初土壤儲水量的實測值和最大儲水量,這在規劃設計中是較難實現的。目前中國各地已總結出一些計算不同作物有效降雨量的檢驗公式,但這些經驗公式均需要率定出適合當地土質、作物等條件的計算參數,通用性較差。研究表明,作物有效降雨量的計算方法與計算時段長度的選取有關,逐旬有效降雨量可采用以下簡化方法計算計算對比結果顯示,上述計算不同作物有效降雨量的簡化方法用于以旬為時段的計算,其精度能夠滿足規劃和設計的要求。但當以日為計算時段時,該方法計算的有效降雨量會過小,而以月為計算時段時,該方法計算的有效降雨量會偏大。本研究中有效降雨量以旬為計算時段。2結果與分析2.1作物需水量與凈灌溉需水量的空間分布用上述方法計算了216個站點主要作物30a逐日的作物需水量與逐旬的凈灌溉需水量,分別統計得到各站點各種作物的多年平均值,用反距離加權插值法對各站點的多年平均值進行空間插值,得到主要作物多年平均作物需水量與凈灌溉需水量的空間分布(見圖4~8)。對比全國不同地區主要作物多年平均作物需水量和凈灌溉需水量,總體上符合以下規律:蒸騰蒸發量大的作物依次是水稻、棉花、甜菜、小麥和谷子;灌溉需水量大的作物依次是水稻,小麥、甜菜、棉花和薯類;蒸騰蒸發量和灌溉需水量均小的作物依次為大豆、花生和夏玉米。選擇種植面積最廣的小麥、玉米、棉花和水稻4種作物,分析其作物需水量與凈灌溉需水量的空間分布特征。2.1.1冬小麥灌溉需水量遞增冬小麥種植區主要在河南、山東、河北、安徽、江蘇、陜西、甘肅、新疆和山西等地,全生育期需水量200~550mm,從南向北逐漸增大(圖4)。冬小麥生長期降雨相對較少,且強度不大,基本均為有效降雨量。由于降水量南高北低,而需水量南低北高,造成冬小麥凈灌溉需水量由南向北遞增,高值區位于西部的新疆克拉瑪依市和西藏阿里地區,需補充灌溉水量500~600mm;低值區位于淮河流域南部,需補充灌溉水量100~200mm;在黃淮海地區,高值區位于由山東濰坊向西北延伸的德州、天津、保定、北京的條形帶上,需補充灌溉水量350~400mm,向南北兩側遞減。2.1.2全生育期需水量玉米種植遍布全國各區,夏玉米主要分布在華北與陜西關中、安徽省淮北平原等地,這些地區光、熱、水等資源較好,適宜一年兩熟制。春玉米橫貫東北和西北。夏玉米生長期一般為6月中旬至9月中旬,生育期為90~100d,全生育期需水量300~400mm(圖5)。由于生長期短,熱量條件差異不大,需水量在地區間差別較小。夏玉米整個生長期處于雨季,是對灌溉依賴程度最弱的糧食作物,灌溉水量在地區間差異也不顯著,由于降水時空分布不均勻,補充灌溉水量隨年型變化,大部分地區需補充灌溉1水,中等干旱和特殊干旱年需灌兩水。春玉米生長期一般為4月下旬、5月中旬至9月中旬,生育期為125~140d,全生育期需水量500~600mm(圖6),通常需比夏玉米多灌1水。灌溉需水量高值區位于三門峽地區,向南北遞減,東北地區約100~150mm。2.1.3灌溉需水量分布棉花主要分布在新疆、山東、河南、河北、湖南、江蘇、安徽等地,生長期較長,從4月中下旬至10月中下旬,全生育期需水量500~800mm(圖7),從南向北逐漸增大。新疆一帶需水量很高,一般為650~700mm,最高達800mm。灌溉需水量高值區位于新疆克拉瑪依地區,需補充灌溉水量700~800mm;低值區位于華南地區廣西東部及廣東西部,需補充灌溉水量30~80mm;東部主產區灌溉水量一般在200~300mm。2.1.4川和鄂、染色、晚雙季稻、中稻的分布特點水稻主要分布在湖南、江西、廣西、廣東、安徽、江蘇、四川和黑龍江等地,分為早稻、晚稻和中稻,早晚雙季稻主要分布在中國中南和東南沿海地區,中稻主要分布在長江中下游平原、云貴高原、四川盆地、東北地區的三江平原和遼河平原。2.2灌溉需求指數灌溉需求指數(IR/ETc)指凈灌溉需水量占作物需水量的比例,反映不同地區作物生長對灌溉的依賴程度。對216個代表站點30a平均的主要作物需水量和凈灌溉需水量進行分析,得到中國不同地區主要作物的灌溉需求指數,見表1。按主要作物類型分析,中稻多年平均灌溉需求指數在東北地區為0.25~0.55,華北平原為0.50~0.70,西北地區達到0.6~0.95,而南方地區一般小于0.45;冬小麥多年平均灌溉需求指數在0.4~0.95之間,由東南向西北遞增,是除水稻外對灌溉需求最高的作物,在新疆達到0.65~0.95,幾乎完全依賴灌溉;夏玉米多年平均灌溉需求指數除新疆地區外均小于0.5,是灌溉需求最小的糧食作物;春玉米的灌溉需求指數大于夏玉米,特別在西北地區均大于0.5;棉花多年平均灌溉需求指數大多小于0.55,只在甘肅和新疆達到0.8以上。從灌溉需求指數的地區分布分析,中國東北、長江中下游、華南、川渝和云貴區主要作物的灌溉需求指數平均小于0.5,旱作物的灌溉需求較低,水稻灌溉需求指數在0.25~0.60之間,適宜種植各類作物。在華北、蒙寧和晉陜甘區,灌溉需求指數大多在0.35~0.75之間,農作物對灌溉的需求比較高,其中旱作物生育期需水的30%~50%靠灌溉補充,水稻對灌溉的需求約占生育期需水量的55%~80%。位于新疆地區主要作物的灌溉需求指數均在0.7以上,灌溉是這一地區農業發展的必要條件。青藏區受地形的影響,農作物對灌溉的需求由東南向西北遞增,灌溉需求指數差異較大。3灌溉需求較采用標準化的方法計算了全國216個研究區30種主要作物的需水量和凈灌溉需水量,利用GIS的空間分析功能得到主要作物多年平均作物需水量與凈灌溉需水量的空間分布圖,由此得到以下分析結果:1)中國主要作物多年平均作物需水量大的作物依次是水稻、棉花和小麥;灌溉需水量大的作物依次是水稻、小麥和棉花;作物需水量和灌溉需水量均小的作物為夏玉米;南方和東北的大部分地區正常年景旱田作物可不灌溉。2)中國東北、長江中下游、華南、川渝和云貴區的平均灌溉需求指數小于0.5,作物對灌溉的需求比較低;華北、蒙寧和晉陜甘區灌溉需求指數大多在0.3