桓臺縣水資源承載能力及農(nóng)業(yè)用水量優(yōu)化配置

桓臺縣水資源承載能力及農(nóng)業(yè)用水量優(yōu)化配置研究山東·桓臺縣農(nóng)業(yè)綜合節(jié)水重點試驗站王立平（研究員）桓臺縣地表水匱乏，工農(nóng)業(yè)用水以提取地下水為主。本文在保證糧食安全的基礎(chǔ)上，以桓臺縣區(qū)域水資源承載能力為依據(jù)，根據(jù)桓臺縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，利用非充分灌溉原理，以效益最大為目標(biāo)，進(jìn)行了桓臺縣農(nóng)業(yè)灌水量優(yōu)化配置，可供同類灌區(qū)參考。現(xiàn)匯報如下：引言：桓臺縣多年均淺層地下水可利用量為1.7663億m3，P=50%時為1.8256億m3，P=75%時為1.5998億m3。(1)桓臺縣現(xiàn)狀年國民經(jīng)濟(jì)需水量桓臺縣的國民經(jīng)濟(jì)用水量P＝50%典型年為1.7396億m3，75％為1.8596億m3。

1桓臺縣水資源承載能力分析

(2)桓臺縣不同典型年的水資源承載能力P=50%，承載能力為100％，P＝75％承載能力為80％，由此可知，該地區(qū)若遇平水年份可滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，若遇干旱年份年缺水2600萬m3左右。因此只有采取非充分灌溉方式，才能保證該地區(qū)糧食安全的發(fā)展和水環(huán)境的良性循環(huán)。（1）種植面積狀況桓臺縣耕地面積3.23萬hm2，其中糧田3.07萬/hm2，復(fù)種指數(shù)1.8，農(nóng)作物種植面積5.53hm2，農(nóng)作物以冬小麥、夏玉米為主，種植面積大致相同。有蔬菜種植面積0.17萬hm2。根據(jù)縣境內(nèi)的不同區(qū)域自然條件和地質(zhì)單元，可將全縣劃分為5個區(qū)：Ⅰ區(qū)為0.828萬hm2，Ⅱ區(qū)為0.774萬hm2，Ⅲ區(qū)為2.952萬hm2，Ⅳ區(qū)為0.720萬hm2，Ⅴ區(qū)為0.252萬hm2，總計為5.526萬hm2。（2）降雨狀況桓臺縣多年平均降水量為544.9mm，但年際間相差很大。經(jīng)計算，不同典型年冬小麥、夏玉米生育階段有效降雨量Ｐ=50％，冬小麥為127.7mm，夏玉米為170.8mm；Ｐ=75%，冬小麥為104.7mm，夏玉米為141.0mm，糧食總產(chǎn)達(dá)到29.871萬噸。2農(nóng)業(yè)及農(nóng)灌用量狀況2農(nóng)業(yè)及農(nóng)灌用量狀況（3）灌水狀況桓臺縣冬小麥,夏玉米,在充分供水的情況下,冬小麥最高單產(chǎn)9t/hm2，目前單價為1.40元/kg；夏玉米最高單產(chǎn)為9t/hm2,目前單價為1.30元/kg?？紤]井灌水年運行費用,桓臺縣地下水單位水量費用為0.3元/m3。對于經(jīng)濟(jì)作物，假定完全滿足地區(qū)經(jīng)濟(jì)作物種植面積和灌溉用水需要，在水資源優(yōu)化配置計算前扣除。（4）農(nóng)灌資源量桓臺縣農(nóng)業(yè)灌溉均以井灌為主，計算可得各區(qū)多年均允許開采量Ⅰ區(qū)為1481萬m3，Ⅱ區(qū)為1326萬m3，Ⅲ區(qū)為5580萬m3，Ⅳ區(qū)為1614萬m3，Ⅴ區(qū)為490萬m3，總計為10491萬m3。2農(nóng)業(yè)及農(nóng)灌用量狀況根據(jù)加權(quán)平均耗水量計算公式，取不同農(nóng)作物產(chǎn)量水平耗水量，進(jìn)行區(qū)域平衡計算，采用公式及計算結(jié)果如下：EN=K1K2K3K4ET[η+K（1-η）]（1）ET=ΣEiSI/ST（2）求得充分供水冬小麥最大需水量5271m3/hm2，單產(chǎn)9t/hm2，夏玉米最大需水量3573m3/hm2，單產(chǎn)9t/hm2時的農(nóng)業(yè)用水量為610.2mm/a，在作物水分生產(chǎn)函數(shù)接近最高效益點的非充分供水條件下，根據(jù)灌溉試驗求得的全生育期作物水分生產(chǎn)函數(shù)，冬小麥最大需水量為3807m3/hm2，單產(chǎn)7.5t/hm2,夏玉米最大需水量2877m3/hm2,單產(chǎn)7.5t/hm2時的農(nóng)業(yè)用水量為469.1mm/a。將該地區(qū)的多年平均降雨量544mm，減掉約30mm的人畜及其他非農(nóng)業(yè)用水量，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最多可利用的降雨資源量僅為510mm左右，再考慮到可能產(chǎn)生的地表徑流量。3灌溉方式確定

經(jīng)對比分析，可知桓臺縣在現(xiàn)狀水資源條件下，僅能采用非充分供水的灌溉方式，才能保證該地區(qū)在獲得農(nóng)業(yè)最高效益的同時，還確保該縣的生態(tài)環(huán)境平衡和水資源的持續(xù)利用。3灌溉方式確定

由農(nóng)作物灌溉需水量平衡分析可知，對75%保證率代表年，Ⅲ區(qū)、Ⅴ區(qū)和全區(qū)缺水均較多?，F(xiàn)分別以該典型年為例，對三種控制區(qū)域分別進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉用水優(yōu)化配置計算。4不同典型年農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置方案

(1)75%典型年Ⅲ區(qū)農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置方案以該縣灌溉試驗資料為依據(jù)，建立全生育期冬小麥和夏玉米的水分生產(chǎn)函數(shù)，采用動態(tài)規(guī)劃方法，計算求得Ⅲ區(qū)各時段作物最優(yōu)配置水資源量為冬小麥3431萬m3，夏玉米為984萬m3，其實際凈灌水定額：冬小麥2220m3/hm2，夏玉米540m3/hm2，對應(yīng)作物產(chǎn)量、冬小麥7500×（0.834）kg/hm2，，夏玉米7035×（0.781）kg/hm2，單方水糧食生產(chǎn)率分別為1.97kg/m3，2.65kg/m3，最后求得Ⅲ區(qū)優(yōu)化灌溉條件下總經(jīng)濟(jì)效益為29196.8萬元。(2)75%典型年V區(qū)農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置方案采用與Ⅲ區(qū)相同計算方法求得該區(qū)優(yōu)化灌溉水量：冬小麥279萬m3，夏玉米118萬m3。對應(yīng)作物產(chǎn)量、7500（0.834）kg/hm2、7440（0.827）kg/hm2，水分生產(chǎn)率分別為1.97、2.62kg/m3，總經(jīng)濟(jì)效益為2501.1萬元。4不同典型年農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置方案(3)75%典典型型年年全全區(qū)區(qū)農(nóng)農(nóng)業(yè)業(yè)水水資資源源優(yōu)優(yōu)化化配配置置方方案案用同同樣樣的的方方法法求求得得全全區(qū)區(qū)農(nóng)農(nóng)業(yè)業(yè)水水資資源源優(yōu)優(yōu)化化配配置置灌灌溉溉水水量量：：冬冬小小麥麥6265萬萬m3，夏夏玉玉米米2157萬萬m3，畝畝凈凈灌灌水水定定額額分分別別為為2160萬萬m3、600萬萬m3；4不不同同典典型型年年農(nóng)農(nóng)業(yè)業(yè)水水資資源源優(yōu)優(yōu)化化配配置置方方案案相對對產(chǎn)產(chǎn)量量分分別別為為7365（（0.819））kg/hm2，7170（（0.797））kg/hm2，水水分分生生產(chǎn)產(chǎn)率率分分別別為為1.98、、2.64kg/hm2。(1)根根據(jù)據(jù)優(yōu)優(yōu)化化分分配配模模型型，，以以下下關(guān)關(guān)系系成成立立：：作物物全全生生育育期期分分配配水水量量××灌灌溉溉水水利利用用系系數(shù)數(shù)（（0.85））=作作物物種種植植面面積積××作作物物灌灌水水定定額額以ⅢⅢ、、ⅤⅤ區(qū)區(qū)和和全全區(qū)區(qū)優(yōu)優(yōu)化化結(jié)結(jié)果果分分別別對對小小麥麥、、玉玉米米進(jìn)進(jìn)行行驗驗證證，，上上式式成成立立，，表表明明計計算算結(jié)結(jié)果果正正確確。。（2））按按作作物物生生長長規(guī)規(guī)律律，，作作物物缺缺水水越越大大，，其其水水利利用用系系數(shù)數(shù)越越高高，，水水分分生生產(chǎn)產(chǎn)率率越越高高。。從從ⅢⅢ、、ⅤⅤ區(qū)區(qū)和和全全區(qū)區(qū)優(yōu)優(yōu)化化結(jié)結(jié)果果可可知知，，三三區(qū)區(qū)小小麥麥、、玉玉米米缺缺水水相相差差不不大大，，產(chǎn)產(chǎn)量量及及其其作作物物水水分分生生產(chǎn)產(chǎn)率率也也相相差差不不大大。。5成成果果合合理理性性驗驗證證（3））從從ⅢⅢ、、ⅤⅤ區(qū)區(qū)和和全全區(qū)區(qū)優(yōu)優(yōu)化化結(jié)結(jié)果果可可知知，，75%代代表表年年缺缺水水情情況況下下，，三三區(qū)區(qū)作作物物種種植植面面積積都都達(dá)達(dá)到到允允許許最最大大值值，，即即缺缺水水不不影影響響種種植植面面積積，，只只影影響響作作物物單單產(chǎn)產(chǎn)，，按按作作物物生生產(chǎn)產(chǎn)規(guī)規(guī)律律，，當(dāng)當(dāng)缺缺水水達(dá)達(dá)到到一一定定限限度度時時，，也也可可能能影影響響作作物物種種植植面面積積。。以以75%代代表表年年全全區(qū)區(qū)為為例例分分析析，，當(dāng)當(dāng)全全區(qū)區(qū)供供水水量量由由1.0491億億m3減至至0.8億億m3時，，小小麥麥、、玉玉米米種種植植面面積積都都將將開開始始減減少少。。（4））根根據(jù)據(jù)桓桓臺臺縣縣作作物物灌灌溉溉經(jīng)經(jīng)驗驗，，該該區(qū)區(qū)小小麥麥生生育育期期一一般般進(jìn)進(jìn)行行返返青青、、抽抽穗穗和和灌灌漿漿3次次灌灌水水，，玉玉米米灌灌水水2次次。。從從ⅢⅢ、、ⅤⅤ區(qū)區(qū)和和全全區(qū)區(qū)優(yōu)優(yōu)化化結(jié)結(jié)果果可可知知，，小小麥麥也也主主要要進(jìn)進(jìn)行行起起身身、、抽抽穗穗和和灌灌漿漿3次次灌灌水水，，玉玉米米灌灌水水2次次，，計計算算結(jié)結(jié)果果和和經(jīng)經(jīng)驗驗相相符符。。（5））從從ⅢⅢ、、ⅤⅤ區(qū)區(qū)和和全全區(qū)區(qū)優(yōu)優(yōu)化化結(jié)結(jié)果果可可知知，，75%代代表表年年缺缺水水情情況況下下，，三三區(qū)區(qū)玉玉米米水水分分生生產(chǎn)產(chǎn)率率都都高高于于小小麥麥水水分分生生產(chǎn)產(chǎn)率率，，這這是是由由小小麥麥、、玉玉米米各各生生育育階階段段作作物物特特性性決決定定的的。。5成成果果合合理理性性驗驗證證(2)以以75%代代表表年年全全區(qū)區(qū)為為例例分分析析，，當(dāng)當(dāng)作作物物需需水水完完全全得得到到滿滿足足時時，，小小麥麥水水分分生生產(chǎn)產(chǎn)率率為為1.71，，缺水水時時小小麥麥水水分分生生產(chǎn)產(chǎn)率率優(yōu)優(yōu)化化結(jié)結(jié)果果為為1.97-1.98，，玉玉米米水水分分生生產(chǎn)產(chǎn)率率優(yōu)優(yōu)化化結(jié)結(jié)果果為為2.62-2.65。。因因此此在在缺缺水水地地區(qū)區(qū)可可適適當(dāng)當(dāng)降降低低作作物物灌灌溉溉水水用用量量，，以以提提高高作作物物水水分分生生產(chǎn)產(chǎn)率率。。6結(jié)結(jié)語語(1)以以75％％代代表表年年分分析析：：全全區(qū)區(qū)農(nóng)農(nóng)作作物物足足額額灌灌溉溉，，其其農(nóng)農(nóng)業(yè)業(yè)水水資資源源承承載載能能力力僅僅為為0.8。。（3）從Ⅰ區(qū)區(qū)、Ⅲ區(qū)和全全區(qū)優(yōu)化結(jié)果果可知，75%代表年缺缺水情況下，，三區(qū)作物灌灌溉主要集中中在3、4、、6月份，此此時應(yīng)加大大地下水開采采力度，充分分利用地下水水，騰空地下下庫容，增加加雨季降水入入滲回灌水量量。（4）冬小麥麥、夏玉米適適宜灌水模式式如下。①冬小麥各生生育期適宜灌灌水量。一一般年份春季季降雨在120mm左右右，冬小麥生生育階段灌水水2-3次（（另加播前灌灌水40mm），合計灌灌四水,總灌灌水量22