桓台县水资源承载能力及农业用水量优化配置研究

桓台县水资源承载能力及农业用水量优化配置研究山东·桓台县农业综合节水重点试验站王立平（研究员）桓台县地表水匮乏，工农业用水以提取地下水为主。本文在保证粮食安全的基础上，以桓台县区域水资源承载能力为依据，根据桓台县农业生产水平，利用非充分灌溉原理，以效益最大为目标，进行了桓台县农业灌水量优化配置，可供同类灌区参考。现汇报如下：引言：桓台县多年均浅层地下水可利用量为1.7663亿m3，P=50%时为1.8256亿m3，P=75%时为1.5998亿m3。(1)桓台县现状年国民经济需水量桓台县的国民经济用水量P＝50%典型年为1.7396亿m3，75％为1.8596亿m3。1桓台县水资源承载能力分析•(2)桓台县不同典型年的水资源承载能力•P=50%，承载能力为100％，P＝75％承载能力为80％，由此可知，该地区若遇平水年份可满足农业生产需求，若遇干旱年份年缺水2600万m3左右。•因此只有采取非充分灌溉方式，才能保证该地区粮食安全的发展和水环境的良性循环。承载能力=100%P=50%承载能力=80%非承载能力P=75%（1）种植面积状况桓台县耕地面积3.23万hm2，其中粮田3.07万/hm2，复种指数1.8，农作物种植面积5.53hm2，农作物以冬小麦、夏玉米为主，种植面积大致相同。有蔬菜种植面积0.17万hm2。根据县境内的不同区域自然条件和地质单元，可将全县划分为5个区：Ⅰ区为0.828万hm2，Ⅱ区为0.774万hm2，Ⅲ区为2.952万hm2，Ⅳ区为0.720万hm2，Ⅴ区为0.252万hm2，总计为5.526万hm2。（2）降雨状况桓台县多年平均降水量为544.9mm，但年际间相差很大。经计算，不同典型年冬小麦、夏玉米生育阶段有效降雨量Ｐ=50％，冬小麦为127.7mm，夏玉米为170.8mm；Ｐ=75%，冬小麦为104.7mm，夏玉米为141.0mm，粮食总产达到29.871万吨。2农业及农灌用量状况2农业及农灌用量状况（3）灌水状况桓台县冬小麦,夏玉米,在充分供水的情况下,冬小麦最高单产9t/hm2，目前单价为1.40元/kg；夏玉米最高单产为9t/hm2,目前单价为1.30元/kg。考虑井灌水年运行费用,桓台县地下水单位水量费用为0.3元/m3。对于经济作物，假定完全满足地区经济作物种植面积和灌溉用水需要，在水资源优化配置计算前扣除。（4）农灌资源量桓台县农业灌溉均以井灌为主，计算可得各区多年均允许开采量Ⅰ区为1481万m3，Ⅱ区为1326万m3，Ⅲ区为5580万m3，Ⅳ区为1614万m3，Ⅴ区为490万m3，总计为10491万m3。2农业及农灌用量状况根据加权平均耗水量计算公式，取不同农作物产量水平耗水量，进行区域平衡计算，采用公式及计算结果如下：EN=K1K2K3K4ET[η+K（1-η）]（1）ET=ΣEiSI/ST（2）求得充分供水冬小麦最大需水量5271m3/hm2，单产9t/hm2，夏玉米最大需水量3573m3/hm2，单产9t/hm2时的农业用水量为610.2mm/a，在作物水分生产函数接近最高效益点的非充分供水条件下，根据灌溉试验求得的全生育期作物水分生产函数，冬小麦最大需水量为3807m3/hm2，单产7.5t/hm2,夏玉米最大需水量2877m3/hm2,单产7.5t/hm2时的农业用水量为469.1mm/a。将该地区的多年平均降雨量544mm，减掉约30mm的人畜及其他非农业用水量，农业生产最多可利用的降雨资源量仅为510mm左右，再考虑到可能产生的地表径流量。3灌溉方式确定经对比分析，可知桓台县在现状水资源条件下，仅能采用非充分供水的灌溉方式，才能保证该地区在获得农业最高效益的同时，还确保该县的生态环境平衡和水资源的持续利用。3灌溉方式确定由农作物灌溉需水量平衡分析可知，对75%保证率代表年，Ⅲ区、Ⅴ区和全区缺水均较多。现分别以该典型年为例，对三种控制区域分别进行农业灌溉用水优化配置计算。4不同典型年农业水资源优化配置方案(1)75%典型年Ⅲ区农业水资源优化配置方案以该县灌溉试验资料为依据，建立全生育期冬小麦和夏玉米的水分生产函数，采用动态规划方法，计算求得Ⅲ区各时段作物最优配置水资源量为冬小麦3431万m3，夏玉米为984万m3，其实际净灌水定额：冬小麦2220m3/hm2，夏玉米540m3/hm2，对应作物产量、冬小麦7500×（0.834）kg/hm2，，夏玉米7035×（0.781）kg/hm2，单方水粮食生产率分别为1.97kg/m3，2.65kg/m3，最后求得Ⅲ区优化灌溉条件下总经济效益为29196.8万元。(2)75%典型年V区农业水资源优化配置方案•采用与Ⅲ区相同计算方法求得该区优化灌溉水量：冬小麦279万m3，夏玉米118万m3。对应作物产量、7500（0.834）kg/hm2、7440（0.827）kg/hm2，水分生产率分别为1.97、2.62kg/m3，总经济效益为2501.1万元。4不同典型年农业水资源优化配置方案(3)75%典型年全区农业水资源优化配置方案用同样的方法求得全区农业水资源优化配置灌溉水量：冬小麦6265万m3，夏玉米2157万m3，亩净灌水定额分别为2160万m3、600万m3；4不同典型年农业水资源优化配置方案相对产量分别为7365（0.819）kg/hm2，7170（0.797）kg/hm2，水分生产率分别为1.98、2.64kg/hm2。(1)根据优化分配模型，以下关系成立：作物全生育期分配水量×灌溉水利用系数（0.85）=作物种植面积×作物灌水定额以Ⅲ、Ⅴ区和全区优化结果分别对小麦、玉米进行验证，上式成立，表明计算结果正确。（2）按作物生长规律，作物缺水越大，其水利用系数越高，水分生产率越高。从Ⅲ、Ⅴ区和全区优化结果可知，三区小麦、玉米缺水相差不大，产量及其作物水分生产率也相差不大。5成果合理性验证（3）从Ⅲ、Ⅴ区和全区优化结果可知，75%代表年缺水情况下，三区作物种植面积都达到允许最大值，即缺水不影响种植面积，只影响作物单产，按作物生产规律，当缺水达到一定限度时，也可能影响作物种植面积。以75%代表年全区为例分析，当全区供水量由1.0491亿m3减至0.8亿m3时，小麦、玉米种植面积都将开始减少。（4）根据桓台县作物灌溉经验，该区小麦生育期一般进行返青、抽穗和灌浆3次灌水，玉米灌水2次。从Ⅲ、Ⅴ区和全区优化结果可知，小麦也主要进行起身、抽穗和灌浆3次灌水，玉米灌水2次，计算结果和经验相符。（5）从Ⅲ、Ⅴ区和全区优化结果可知，75%代表年缺水情况下，三区玉米水分生产率都高于小麦水分生产率，这是由小麦、玉米各生育阶段作物特性决定的。5成果合理性验证(2)以75%代表年全区为例分析，当作物需水完全得到满足时，小麦水分生产率为1.71，缺水时小麦水分生产率优化结果为1.97-1.98，玉米水分生产率优化结果为2.62-2.65。因此在缺水地区可适当降低作物灌溉水用量，以提高作物水分生产率。6结语(1)以75％代表年分析：全区农作物足额灌溉，其农业水资源承载能力仅为0.8。（3）从Ⅰ区、Ⅲ区和全区优化结果可知，75%代表年缺水情况下，三区作物灌溉主要集中在3、4、6月份，此时应加大地下水开采力度，充分利用地下水，腾空地下库容，增加雨季降水入渗回灌水量。（4）冬小麦、夏玉米适宜灌水模式如下。①冬小麦各生育期适宜灌水量。一般年份春季降雨在120mm左右，冬小麦生育阶段灌水2-3次（另加播前灌水40mm），合计灌四水,总灌水量220mm左右小麦即可丰产。②夏玉米生长期内，降雨较充足，可根据降雨的时空分布情况，一般年份灌水1-2次，加上麦套秋作播前水，总灌水量定额在120mm左右，即可获得较高产量。6结语汇报完毕，敬请指正！