基于井渠結(jié)合灌溉模式的冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率研究

基于井渠結(jié)合灌溉模式的冬小麥灌溉水分生產(chǎn)率研究

由于水的使用和測(cè)量的不同，水的生產(chǎn)率也有許多形式，如農(nóng)業(yè)用地總供水利用率、農(nóng)業(yè)用地總供水效率、灌溉水利用率、降水效率和總供水生產(chǎn)力。雖然這些指標(biāo)使用起來(lái)很簡(jiǎn)單,但是水分的投入對(duì)尺度邊界有極大依賴性,從而使得不同尺度水分生產(chǎn)率評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)差異。不僅如此,部分學(xué)者認(rèn)為投入的水量有一部分成為回歸水被重復(fù)利用,進(jìn)一步貢獻(xiàn)更多的產(chǎn)出,如田間尺度的排水量和深層滲漏水量在下游田塊可以被再次用于灌溉生產(chǎn)更多的糧食,所以應(yīng)該在考慮回歸水及其重復(fù)利用水量的基礎(chǔ)上來(lái)評(píng)價(jià)不同尺度的水分生產(chǎn)率,否則可能使得評(píng)價(jià)結(jié)果偏小,從而誤導(dǎo)了節(jié)水措施的制定。由于不同尺度水分生產(chǎn)率存在尺度效應(yīng),使得不同尺度之間的節(jié)水效果并不一致,單個(gè)尺度用水效率的提高并不意味著更大尺度用水效率的提升,所以要想了解某一尺度采取節(jié)水措施后其他尺度的響應(yīng),也必須對(duì)水分生產(chǎn)率的尺度效應(yīng)進(jìn)行研究。Bastiaanssen等通過(guò)資料收集、水量平衡模型以及遙感技術(shù)破譯得到了巴基斯坦Indus灌區(qū)的水平衡要素,然后將面積從上游逐級(jí)往下游聚集,計(jì)算了渠灌水分生產(chǎn)率和騰發(fā)量水分生產(chǎn)率隨面積變化的規(guī)律。Peter分別采用SWAP(SoilWaterAtmospherePlant)和SLURP(SemidistributedLandUse-basedRunoffProcess)模型對(duì)位于土耳其Gediz流域上下游的SRB灌區(qū)和MLB灌區(qū)進(jìn)行凈入流量水分生產(chǎn)率、消耗水量水分生產(chǎn)率和騰發(fā)量水分生產(chǎn)率的計(jì)算,結(jié)果表明,由于上游的出流在下游被回歸利用,使得上游的SRB灌區(qū)的水分生產(chǎn)率大于下游的MLB灌區(qū)。謝先紅等、崔遠(yuǎn)來(lái)等、董斌等通過(guò)田間試驗(yàn)、遙感和水文模型等手段對(duì)湖北漳河灌區(qū)的不同指標(biāo)隨尺度變化的規(guī)律進(jìn)行了揭示,結(jié)果表明回歸水的重復(fù)利用會(huì)使水分生產(chǎn)率呈現(xiàn)隨尺度增大而變大的規(guī)律。石津灌區(qū)是華北平原典型井渠結(jié)合灌區(qū),其水分循環(huán)和再利用過(guò)程有其獨(dú)特性,本文利用Hydrus-1D模型和Modflow模型模擬不同尺度水分收支,在尺度劃分的基礎(chǔ)上探討該灌區(qū)冬小麥凈入流量水分生產(chǎn)率和凈灌溉水分生產(chǎn)率的尺度效應(yīng)。1研究領(lǐng)域和方法1.1灌溉方式及灌溉管理系統(tǒng)石津灌區(qū)位于河北省中部的滏陽(yáng)河和滹沱河之間,地理位置為北緯37°30′～38°18′,東經(jīng)114°19′～116°30′。灌區(qū)控制面積為4144km2,設(shè)計(jì)灌溉面積16.7萬(wàn)hm2,其主要功能為農(nóng)業(yè)灌溉,同時(shí)兼顧發(fā)電和城市供水。灌區(qū)是典型的溫帶半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,多年平均降雨量507.2mm,6～9月的降雨量占全年降水量的70%～80%。灌區(qū)實(shí)行純井灌溉和井渠結(jié)合灌溉兩種灌溉方式(圖1,填充區(qū)域?yàn)榫Y(jié)合灌溉),渠道灌溉系統(tǒng)包括總干渠、干渠、分干渠、支渠、斗渠5級(jí)固定渠道,渠系水利用系數(shù)為0.44,田間水利用系數(shù)約為0.78,灌溉水利用系數(shù)0.34,灌溉水資源的一次利用率偏低。灌區(qū)淺層地下水系統(tǒng)以安平-辛集-寧晉一線為界,可分為東西兩部分。西區(qū)井灌發(fā)達(dá),部分地區(qū)實(shí)行井渠結(jié)合灌溉,近年來(lái)由于地下水嚴(yán)重超采,地下水位持續(xù)下降,淺層地下水埋深由20世紀(jì)60年代初的2～4m,下降到2011年的15～40m。東區(qū)淺層地下水埋深較淺,多為4～10m,地下水普遍為微咸水或咸水,淡水區(qū)面積不足其25%,因此東區(qū)灌溉水源除依靠地表水外,還以深層地下水作為補(bǔ)充。灌區(qū)潛水運(yùn)動(dòng)的基本方向是西北向,即從東區(qū)流向西區(qū)。地下水水力坡度在西區(qū)為1/200～1/1000,在東區(qū)為1/5000～1/20000。灌區(qū)主要作物是冬小麥、夏玉米和棉花,其中冬小麥一般每年的10月中下旬播種,第2年6月上旬收割。井水灌溉的冬小麥生育期一般灌溉3～4次,第1次在播前根據(jù)前期降雨量決定是否灌溉,后面3次在冬小麥返青后的3月中旬、4月中旬和5月下旬各灌溉一次,渠道灌溉的冬小麥一般灌溉2～3次,第1次在播前根據(jù)前期降雨量決定是否灌溉,后面兩次灌溉則是在冬小麥返青后的3月上旬和4月下旬進(jìn)行。2007—2009年兩季冬小麥的灌溉制度見表1。1.2水循環(huán)路徑各尺度邊界范圍定義作物、田間、分干、干渠和灌區(qū)5個(gè)尺度。作物尺度是指作物(冬小麥)根系區(qū)土壤帶;田間尺度在作物尺度的基礎(chǔ)上向下延伸,將作物根系層以下的非飽和帶和飽和帶包含進(jìn)去,因此根系層深層滲漏量、淺層抽水量和毛管上升補(bǔ)給量屬于該尺度范圍內(nèi)的循環(huán),不計(jì)入出流或者入流。相比作物尺度,田間尺度存在著對(duì)根系層深層滲漏水量的回歸再利用過(guò)程;分干尺度在田間尺度的基礎(chǔ)上增加了分干及以下各級(jí)渠系的水分循環(huán)過(guò)程,渠系水分循環(huán)過(guò)程的增加一方面導(dǎo)致?lián)p失途徑增多,增大了渠道灌溉水量,但增加的灌溉水量有一部分通過(guò)渠系損失回歸地下水庫(kù),這些回歸水量一部分在本尺度被重復(fù)利用,一部分通過(guò)水平交換流出該尺度,在更大的尺度被抽取出來(lái)重復(fù)利用,因此分干尺度與田間尺度相比,并非簡(jiǎn)單增加了渠道灌溉引水量,而是要綜合考慮渠道灌溉引水量的增加和回歸利用水量的同時(shí)影響;干渠、灌區(qū)尺度水循環(huán)路徑與分干尺度類似,但涉及面積更大,渠系更多,情況更為復(fù)雜。各個(gè)尺度的邊界范圍見表2。需要說(shuō)明的是,作物根系層深層滲漏量未能回歸地下水而儲(chǔ)存在根系層以下非飽和帶中的水量、渠系滲漏損失未回歸地下水庫(kù)而儲(chǔ)存在非飽和帶中的水量在冬小麥生育期是無(wú)法被冬小麥重復(fù)利用的,因此在進(jìn)行水平衡要素分類時(shí),將這兩部分的土壤儲(chǔ)水改變量視作流出了邊界成為土壤水出流量,而并非將其歸屬為土壤儲(chǔ)水變化量的范疇,即土壤儲(chǔ)水量改變僅限于作物根系層范圍。各個(gè)尺度水平衡要素分類見表3。1.3凈入流量和重復(fù)利用水量選擇凈入流量水分生產(chǎn)率和凈灌溉水分生產(chǎn)率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行尺度效應(yīng)分析,其表達(dá)式如下:Pni=10YNi(1)Ρni=10YΝi(1)Pi=10YI?R(2)Ρi=10YΙ-R(2)式中Pni為凈入流量水分生產(chǎn)率,kg/m3;Pi為凈灌溉量水分生產(chǎn)率,kg/m3;Y為冬小麥產(chǎn)量,kg/hm2;Ni為凈入流量,mm;I為灌溉總水量,mm;R為重復(fù)利用水量,mm。不同尺度的凈入流量和重復(fù)利用水量在表3中已給出;灌溉總水量是指渠道灌溉水量、潛水灌溉水量和承壓水灌溉水量之和。1.4土壤水分收率及模型構(gòu)建研究區(qū)地下水埋深普遍大于臨界埋深,土壤水與地下水之間以垂直向下補(bǔ)給的形式單向聯(lián)系,因此將土壤水和地下水分成兩個(gè)系統(tǒng)分別進(jìn)行模擬。模擬時(shí)段為2007—2009年兩季冬小麥生育期,模擬的時(shí)間步長(zhǎng)為天。研究區(qū)屬于華北平原半干旱區(qū),冬小麥生育期的土壤水分為一維垂向運(yùn)動(dòng)。首先根據(jù)收集的土壤質(zhì)地、地下水埋深、氣象、降雨、灌溉強(qiáng)度等資料將整個(gè)研究區(qū)劃分為67個(gè)獨(dú)立模擬單元,然后利用Hydrus-1d軟件計(jì)算每個(gè)模擬單元的土壤水分收支狀況,模擬時(shí)上邊界為灌溉、降雨等,下邊界為實(shí)測(cè)地下水位。最后利用GIS對(duì)每個(gè)單元的模擬結(jié)果進(jìn)行聚合,得到整個(gè)研究區(qū)土壤水分收支狀況的空間分布,并根據(jù)53個(gè)實(shí)測(cè)的土壤含水量對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。采用GMS軟件中的Modflow模型來(lái)構(gòu)建研究區(qū)潛水二維分布式模型,并利用實(shí)測(cè)的潛水位對(duì)模型進(jìn)行率定和檢驗(yàn)。模型的水平邊界為給定流量邊界,由達(dá)西定律和實(shí)測(cè)地下水位插值流場(chǎng)計(jì)算得到;下邊界為不透水邊界;上邊界為分干及以上骨干渠系滲漏損失補(bǔ)給(線性)、支渠及以下末級(jí)渠系滲漏損失補(bǔ)給(面狀)、麥地田間灌溉補(bǔ)給(面狀)、潛水抽水量(面狀)和很少的潛水蒸發(fā)量(面狀,忽略不計(jì))。2結(jié)果和討論2.1根系深層滲漏量較小,但直徑和厚度較大水分收支只統(tǒng)計(jì)冬小麥種植面積上的水量,并且在各個(gè)尺度上,為了避免同一尺度上不同個(gè)體之間空間變異的影響,水分收支計(jì)算整個(gè)研究區(qū)的平均值。表4給出了不同尺度水分收支狀況。在作物尺度,承壓水灌溉量和降雨量是主要的水分來(lái)源,兩者之和占凈入流量的66.65%。其次是渠道灌溉量和潛水灌溉水量,毛管上升水量所占比重則很小,這是由于研究區(qū)地下水埋深較大所致。在冬小麥生育期,土壤儲(chǔ)水量略有減少。冬小麥騰發(fā)量占凈入流量的77.94%,根系層深層滲漏水量則占凈入流量的22.06%,說(shuō)明仍有大量的水資源流出了該尺度的邊界范圍,水分損失較大。由于地下水埋深很大,在冬小麥生育期就能回歸進(jìn)入地下水庫(kù)被重復(fù)利用的水量只占根系深層滲漏量的17.02%,只占凈入流量的3.76%,大部分的根系深層滲漏水量都儲(chǔ)存在根系以下非飽和帶中,沒(méi)有進(jìn)入地下水被抽取出來(lái)重復(fù)利用,水資源的重復(fù)利用率很低,說(shuō)明灌區(qū)仍有較大的節(jié)水空間。在田間尺度,由于將飽和帶也納入尺度范圍內(nèi),所以其入流量增加了田間附近渠系對(duì)地下水的補(bǔ)給量以及地下水水平入流量,雖然潛水灌溉量和毛管上升水量此時(shí)不再納入入流量部分,但凈入流量仍有小幅增加。出流量部分,由于一部分根系深層滲漏水量回歸進(jìn)入地下水庫(kù)被重復(fù)利用,使得土壤水出流量有所減少,但地下水出流量的加入使得總出流量較田間尺度大。當(dāng)尺度提升至分干、干渠和灌區(qū)時(shí),各級(jí)渠系逐漸被納入尺度范圍內(nèi),渠系增多使得渠首引水灌溉量變大,逐漸超過(guò)降雨量對(duì)入流的貢獻(xiàn),而凈入流量也因?yàn)榍拦喔人康脑黾映尸F(xiàn)增大趨勢(shì)。在出流部分,雖然地下水出流量減少,但土壤水出流量在增大,使得總出流量呈現(xiàn)增大趨勢(shì),主要原因在于增加的渠道灌溉水量通過(guò)渠系滲漏后大部分并未回歸進(jìn)入地下水庫(kù)被重復(fù)利用,而是儲(chǔ)存在渠系底部以下的非飽和帶中,成為了土壤水出流部分;在重復(fù)利用水量部分,渠道灌溉量增加后一部分通過(guò)渠系滲漏掉,這部分滲漏水量有一小部分補(bǔ)給地下水庫(kù)成為重復(fù)利用水量,從而使得重復(fù)利用水總量在增加。2.2工程措施降低水分生產(chǎn)率根據(jù)灌區(qū)范圍內(nèi)各縣農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒和54個(gè)田塊的實(shí)地調(diào)查,兩季冬小麥平均作物產(chǎn)量為6525.9kg/hm2,結(jié)合不同尺度水循環(huán)計(jì)算結(jié)果,可得到不同尺度水分生產(chǎn)率結(jié)果(圖2)。從圖2可以看出,兩個(gè)水分生產(chǎn)率指標(biāo)總體都呈現(xiàn)隨尺度提升而逐漸變小的規(guī)律,其中凈入流量水分生產(chǎn)率從作物尺度的1.37kg/m3降至灌區(qū)尺度的1.24kg/m3,降幅為9.49%,且降幅隨空間尺度增大而變小。造成這種現(xiàn)象的原因在于隨著尺度的提升,渠道引水量逐漸增大,而地下水埋深偏大導(dǎo)致增加的灌溉水量只有小部分進(jìn)入地下水庫(kù)被重復(fù)利用,大量的灌溉水量?jī)?chǔ)存在根系和渠系以下非飽和帶中成為土壤水出流,盡管地下水出流在減少,但是總的出流量隨著尺度的增大而增加,在消耗水量不變的情況下,大的出流量意味著存在較大的凈入流量,從而導(dǎo)致凈入流量水分生產(chǎn)率的減小。隨著尺度的提升,出流量的增幅逐漸變小,使得凈入流量水分生產(chǎn)率的降幅也在逐漸減小,可見空間尺度越大,節(jié)水潛力越大,但邊際效應(yīng)會(huì)遞減。凈灌溉水分生產(chǎn)率從作物尺度的2.05kg/m3降至灌區(qū)尺度的1.71kg/m3,降幅為16.59%。作物尺度和田間尺度的凈灌溉水分生產(chǎn)率一致,原因是兩個(gè)尺度都沒(méi)有將渠系納入邊界范圍,其總灌溉水量和重復(fù)利用水量是相等的。從田間尺度跨越到分干尺度,凈入流量水分生產(chǎn)率減幅較大,原因是分干與田間之間還存在支渠和斗渠兩個(gè)級(jí)別的渠系,尺度的跨度相對(duì)較大,而從分干到干渠以及從干渠到灌區(qū)尺度,凈灌溉水分生產(chǎn)率的降幅差別不大。造成凈灌溉水分生產(chǎn)率隨尺度提升而逐漸減小的原因在于灌溉水量會(huì)隨著尺度的增加而增加,但增加的灌溉水量只有一小部分能夠進(jìn)入地下水庫(kù)被重復(fù)利用,導(dǎo)致凈灌溉水量隨尺度的增大而增大,所以在這種情況下,通過(guò)工程措施減少渠系滲漏損失對(duì)于提升水分生產(chǎn)率仍有很好的效果。由于凈灌溉水分生產(chǎn)率考慮了重復(fù)利用水量的影響,所以該指標(biāo)要比傳統(tǒng)的灌溉水分生產(chǎn)率要大;從圖2可以看出,作物尺度到灌區(qū)尺度,增幅在5%～12%之間。但因?yàn)檠芯繀^(qū)地下水埋深大,在冬小麥生育期就能夠進(jìn)入地下水庫(kù)被重復(fù)利用的水量比例相對(duì)較小,使得重復(fù)利用水量的提升作用有限,無(wú)法消減尺度增大導(dǎo)致的損失水量增多的影響。2.3時(shí)間尺度對(duì)凈灌溉水分生產(chǎn)率的影響在冬小麥生育期間,很大一部分水量都儲(chǔ)存在根系以下和渠系底部以下非飽和帶中成為土壤水出流量,這部分水量在冬小麥生育期的時(shí)間尺度內(nèi)無(wú)法被作物利用而成為損失水量,但是從多年時(shí)間尺度來(lái)看,只要沒(méi)有流出尺度邊界,就最終能夠進(jìn)入地下水庫(kù)被重復(fù)利用,因此在田間及以上尺度不能將其再視作尺度的出流量,圖3給出了多年時(shí)間尺度下兩個(gè)水分生產(chǎn)率指標(biāo)隨尺度變化規(guī)律,同時(shí)將冬小麥時(shí)間尺度下的凈灌溉水分生產(chǎn)率及不考慮重復(fù)利用量的傳統(tǒng)灌溉水分生產(chǎn)率繪入圖中以便進(jìn)行對(duì)比。將時(shí)間尺度提升后,凈入流量水分生產(chǎn)率的尺度效應(yīng)發(fā)生了顯著改變,此時(shí)出流量隨尺度擴(kuò)大而顯著減小,在作物尺度上,根系深層滲漏水量很大,因此出流量很大,到了田間及以上尺度,由于將整個(gè)非飽和帶-飽和帶都納入邊界范圍內(nèi),其出流量不再包括土壤水出流而只有地下水出流量,模擬結(jié)果顯示地下水出流隨尺度增大而減小,意味著隨著尺度增大,小尺度的出流量通過(guò)地下水水平流動(dòng)進(jìn)入其他區(qū)域,在更大尺度上被再利用,因此在多年時(shí)間尺度下,凈入流量水分生產(chǎn)率隨空間尺度增大而增大,增幅達(dá)25.36%,節(jié)水潛力則隨著空間尺度增大而減小。在多年時(shí)間尺度下,尺度增大導(dǎo)致的灌溉水量增加可以全部進(jìn)入地下水庫(kù)成為重復(fù)利用水量,因此尺度的改變對(duì)凈灌溉水分生產(chǎn)率沒(méi)有產(chǎn)生影響,說(shuō)明通過(guò)工程措施提高渠系水利用效率對(duì)長(zhǎng)時(shí)段的凈灌溉水分生產(chǎn)率并無(wú)影響。相比冬小麥生育期時(shí)間尺度下的凈灌溉水分生產(chǎn)率,多年時(shí)間尺度下的凈灌溉水分生產(chǎn)率從作物尺度到灌區(qū)尺度提升了37%～65%,且隨著尺度增大而提升幅度變大,這部分節(jié)水潛力應(yīng)該通過(guò)水資源調(diào)控的方式獲得。3灌溉水分生產(chǎn)率與年齡的關(guān)系(1)石津灌區(qū)冬小麥生育期的灌溉降雨量的很大一部分通過(guò)作物根系深層滲漏和渠系滲漏損失掉,從傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)角度來(lái)看,灌區(qū)仍有較大的節(jié)水空間。(2)空間邊界的差異導(dǎo)致入流量和重復(fù)利用水量不同,從而使得凈入流量水分生產(chǎn)率和凈灌溉水分生產(chǎn)率具有尺度依賴性。在冬小麥生育期內(nèi),隨著