基于作物系數(shù)法的灌溉需水量計(jì)算

基于作物系數(shù)法的灌溉需水量計(jì)算

0水資源合理利用規(guī)劃的必要性由于降水時(shí)間和降水空間的不平等，中國(guó)大部分地區(qū)的農(nóng)業(yè)對(duì)灌溉。中國(guó)水資源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求,即要在農(nóng)業(yè)用水總量基本不增加的條件下提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力,建設(shè)節(jié)水、高效、防污的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效措施是實(shí)施農(nóng)業(yè)用水的總量控制和定額管理,核心問(wèn)題是提高灌溉用水的效率和效益?？茖W(xué)的灌溉用水定額是衡量用水水平、挖掘節(jié)水潛力、考核節(jié)水成效的依據(jù),也是水資源科學(xué)規(guī)劃、管理和調(diào)配的依據(jù)。在20世紀(jì)80年代中期,水利部曾組織全國(guó)各省區(qū)的200多個(gè)灌溉試驗(yàn)站,對(duì)全國(guó)主要農(nóng)作物的需水量與灌溉制度進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并以這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)出版了《中國(guó)主要作物需水量與灌溉》專著。此后,在南水北調(diào)規(guī)劃項(xiàng)目中,水利部農(nóng)田灌溉研究所與中國(guó)水利水電科學(xué)研究院合作,對(duì)北方地區(qū)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(jìn)行了研究,在積累大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí),也為在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展類似的研究積累了經(jīng)驗(yàn)。本文以全國(guó)水資源規(guī)劃三級(jí)區(qū)為基本單元,選取200多個(gè)氣象站近30a的資料,采用FAO推薦的PenmanMonteith方法計(jì)算了各研究區(qū)歷年逐日的參照騰發(fā)量,用作物系數(shù)法計(jì)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(yàn)站的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了檢驗(yàn)?；贕IS的空間分析功能,采用反距離加權(quán)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(qū)的灌溉需求指數(shù),在此基礎(chǔ)上分析中國(guó)不同地區(qū)不同作物對(duì)灌溉的依賴程度。1材料和方法1.1典型氣象站的數(shù)據(jù)收集和分析以全國(guó)水資源規(guī)劃的214個(gè)三級(jí)區(qū)為基本單元,考慮農(nóng)業(yè)和氣象分區(qū),共劃分了216個(gè)農(nóng)業(yè)用水研究區(qū)(見(jiàn)圖1)。在每個(gè)研究區(qū)內(nèi)選定一個(gè)典型氣象站作為該區(qū)的代表點(diǎn),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(fēng)速、相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)等。用計(jì)算機(jī)程序?qū)λ袣庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行了分析和整理,包括相關(guān)分析、壞數(shù)剔除、缺失插補(bǔ)、變化趨勢(shì)分析等。對(duì)各研究區(qū)內(nèi)種植的作物類型、種植面積和生育階段進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計(jì),并根據(jù)各研究區(qū)的水熱條件和各種作物的生物學(xué)特性,確定了不同區(qū)域不同作物的生育階段劃分。1.2蒸騰量與發(fā)量作物需水量指作物在土壤水分和養(yǎng)分適宜、管理良好、生長(zhǎng)正常、大面積高產(chǎn)條件下的棵間土面(或水面)蒸發(fā)量與植株蒸騰量之和。它是確定作物灌溉需水量的基礎(chǔ)。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(guò)田間測(cè)定,也可采用理論計(jì)算的方法。本研究中采用作物系數(shù)法計(jì)算作物需水量,計(jì)算公式如下式中:ETc——作物需水量,mm;ET0——參照騰發(fā)量,mm;Kc——作物系數(shù)。1.2.1土壤熱輻合強(qiáng)度的計(jì)算參照騰發(fā)量是某種標(biāo)準(zhǔn)參照作物的潛在蒸騰蒸發(fā)速率,采用國(guó)際糧農(nóng)組織(FAO)推薦的彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)方法計(jì)算,計(jì)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(shí)際水汽壓,kPa;(35)——飽和水汽壓-氣溫關(guān)系曲線在T處的切線斜率,kPa/℃;uf067——濕度計(jì)常數(shù),kPa/℃;U2——2m高處的風(fēng)速,m/s。1.2.2作物系數(shù)fao作物系數(shù)是某種作物的潛在騰發(fā)量與參照騰發(fā)量之比,它反映不同作物與參照作物的區(qū)別,是根據(jù)參照騰發(fā)量計(jì)算實(shí)際作物需水量的重要參數(shù)。作物系數(shù)受土壤、氣候、作物生長(zhǎng)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(shù)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓喔仍囼?yàn)成果確定,需要逐時(shí)段(旬或月)的變化過(guò)程。對(duì)沒(méi)有試驗(yàn)資料或試驗(yàn)資料不足的作物和地區(qū),可以利用FAO推薦的84種作物的標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)和修正公式,根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥?、作物和灌溉條件進(jìn)行修正。FAO推薦在規(guī)劃中確定作物系數(shù)的方法為分段單值平均法,即把全生育期作物系數(shù)變化過(guò)程概化為在4個(gè)階段的3個(gè)值(Kcini、Kcmid、Kcend)。無(wú)越冬期作物的時(shí)段平均作物系數(shù)的變化過(guò)程如圖2a所示。對(duì)有越冬期的作物,由于冬季表土凍結(jié)和作物休眠的緣故,期間作物系數(shù)很小,因此,需增加越冬期的作物系數(shù)Kcfro。圖2b給出越冬生長(zhǎng)作物的時(shí)段平均作物系數(shù)變化過(guò)程。從FAO-56中查出各種作物在標(biāo)準(zhǔn)條件下的作物系數(shù)(所謂標(biāo)準(zhǔn)條件是指空氣濕度約為45%,風(fēng)速約為2m/s,供水充足,管理良好,生長(zhǎng)正常,大面積高產(chǎn)的作物條件)。非標(biāo)準(zhǔn)條件按照下式對(duì)作物系進(jìn)行修正:式中:Kctab——不同生育階段標(biāo)準(zhǔn)條件下的作物系數(shù)(可從FAO-56的表中查出);RHmin——該生育階段內(nèi)日最低相對(duì)濕度的平均值,%;h——該生育階段內(nèi)作物的平均高度,m;其余符號(hào)含義同前。用上述方法計(jì)算了全國(guó)216個(gè)研究區(qū)內(nèi)30種主要作物的作物系數(shù)變化過(guò)程,圖3為幾種主要作物的作物系數(shù)計(jì)算值與灌溉試驗(yàn)站資料的對(duì)比,用FAO推薦的分段單值平均法計(jì)算得到作物系數(shù)與灌溉試驗(yàn)站實(shí)測(cè)值比較接近,說(shuō)明該方法確定的作物系數(shù)用于水資源規(guī)劃中的需水預(yù)測(cè)是可行的。1.3灌溉補(bǔ)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(bǔ)充,作物生長(zhǎng)過(guò)程中需依靠灌溉補(bǔ)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(nèi)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(zhǎng)期的有效降雨量指能夠提供給作物蒸發(fā)蒸騰,從而減少作物對(duì)灌溉水需求的雨量。對(duì)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(fā)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(duì)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(bǔ)充到最大適宜深度的部分,以及供作物蒸發(fā)蒸騰利用的部分和改善土壤環(huán)境的深層滲漏部分之和,不包括形成地表徑流和無(wú)效深層滲漏部分。影響有效降雨的主要因子有降雨強(qiáng)度、土壤質(zhì)地及結(jié)構(gòu)、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(shí)段(日、旬或月)計(jì)算,由于不同作物需水量不同,生長(zhǎng)期內(nèi)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(shí)時(shí)計(jì)算作物生育期有效降雨量最準(zhǔn)確的方法是時(shí)段水量平衡法。需逐時(shí)段(1~5d)的降雨和騰發(fā)量,且要掌握時(shí)段初土壤儲(chǔ)水量的實(shí)測(cè)值和最大儲(chǔ)水量,這在規(guī)劃設(shè)計(jì)中是較難實(shí)現(xiàn)的。目前中國(guó)各地已總結(jié)出一些計(jì)算不同作物有效降雨量的檢驗(yàn)公式,但這些經(jīng)驗(yàn)公式均需要率定出適合當(dāng)?shù)赝临|(zhì)、作物等條件的計(jì)算參數(shù),通用性較差。研究表明,作物有效降雨量的計(jì)算方法與計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)度的選取有關(guān),逐旬有效降雨量可采用以下簡(jiǎn)化方法計(jì)算計(jì)算對(duì)比結(jié)果顯示,上述計(jì)算不同作物有效降雨量的簡(jiǎn)化方法用于以旬為時(shí)段的計(jì)算,其精度能夠滿足規(guī)劃和設(shè)計(jì)的要求。但當(dāng)以日為計(jì)算時(shí)段時(shí),該方法計(jì)算的有效降雨量會(huì)過(guò)小,而以月為計(jì)算時(shí)段時(shí),該方法計(jì)算的有效降雨量會(huì)偏大。本研究中有效降雨量以旬為計(jì)算時(shí)段。2結(jié)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(jì)算了216個(gè)站點(diǎn)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(tǒng)計(jì)得到各站點(diǎn)各種作物的多年平均值,用反距離加權(quán)插值法對(duì)各站點(diǎn)的多年平均值進(jìn)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(jiàn)圖4~8)。對(duì)比全國(guó)不同地區(qū)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(guī)律:蒸騰蒸發(fā)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(fā)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(qū)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(zhǎng)期降雨相對(duì)較少,且強(qiáng)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(qū)位于西部的新疆克拉瑪依市和西藏阿里地區(qū),需補(bǔ)充灌溉水量500~600mm;低值區(qū)位于淮河流域南部,需補(bǔ)充灌溉水量100~200mm;在黃淮海地區(qū),高值區(qū)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(bǔ)充灌溉水量350~400mm,向南北兩側(cè)遞減。2.1.2全生育期需水量玉米種植遍布全國(guó)各區(qū),夏玉米主要分布在華北與陜西關(guān)中、安徽省淮北平原等地,這些地區(qū)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(zhǎng)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(zhǎng)期短,熱量條件差異不大,需水量在地區(qū)間差別較小。夏玉米整個(gè)生長(zhǎng)期處于雨季,是對(duì)灌溉依賴程度最弱的糧食作物,灌溉水量在地區(qū)間差異也不顯著,由于降水時(shí)空分布不均勻,補(bǔ)充灌溉水量隨年型變化,大部分地區(qū)需補(bǔ)充灌溉1水,中等干旱和特殊干旱年需灌兩水。春玉米生長(zhǎng)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(qū)位于三門峽地區(qū),向南北遞減,東北地區(qū)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(zhǎng)期較長(zhǎng),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(dá)800mm。灌溉需水量高值區(qū)位于新疆克拉瑪依地區(qū),需補(bǔ)充灌溉水量700~800mm;低值區(qū)位于華南地區(qū)廣西東部及廣東西部,需補(bǔ)充灌溉水量30~80mm;東部主產(chǎn)區(qū)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(diǎn)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(guó)中南和東南沿海地區(qū),中稻主要分布在長(zhǎng)江中下游平原、云貴高原、四川盆地、東北地區(qū)的三江平原和遼河平原。2.2灌溉需求指數(shù)灌溉需求指數(shù)(IR/ETc)指凈灌溉需水量占作物需水量的比例,反映不同地區(qū)作物生長(zhǎng)對(duì)灌溉的依賴程度。對(duì)216個(gè)代表站點(diǎn)30a平均的主要作物需水量和凈灌溉需水量進(jìn)行分析,得到中國(guó)不同地區(qū)主要作物的灌溉需求指數(shù),見(jiàn)表1。按主要作物類型分析,中稻多年平均灌溉需求指數(shù)在東北地區(qū)為0.25~0.55,華北平原為0.50~0.70,西北地區(qū)達(dá)到0.6~0.95,而南方地區(qū)一般小于0.45;冬小麥多年平均灌溉需求指數(shù)在0.4~0.95之間,由東南向西北遞增,是除水稻外對(duì)灌溉需求最高的作物,在新疆達(dá)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(shù)除新疆地區(qū)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(shù)大于夏玉米,特別在西北地區(qū)均大于0.5;棉花多年平均灌溉需求指數(shù)大多小于0.55,只在甘肅和新疆達(dá)到0.8以上。從灌溉需求指數(shù)的地區(qū)分布分析,中國(guó)東北、長(zhǎng)江中下游、華南、川渝和云貴區(qū)主要作物的灌溉需求指數(shù)平均小于0.5,旱作物的灌溉需求較低,水稻灌溉需求指數(shù)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(qū),灌溉需求指數(shù)大多在0.35~0.75之間,農(nóng)作物對(duì)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(bǔ)充,水稻對(duì)灌溉的需求約占生育期需水量的55%~80%。位于新疆地區(qū)主要作物的灌溉需求指數(shù)均在0.7以上,灌溉是這一地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要條件。青藏區(qū)受地形的影響,農(nóng)作物對(duì)灌溉的需求由東南向西北遞增,灌溉需求指數(shù)差異較大。3灌溉需求較采用標(biāo)準(zhǔn)化的方法計(jì)算了全國(guó)216個(gè)研究區(qū)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(jié)果:1)中國(guó)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(qū)正常年景旱田作物可不灌溉。2)中國(guó)東北、長(zhǎng)江中下游、華南、川渝和云貴區(qū)的平均灌溉需求指數(shù)小于0.5,作物對(duì)灌溉的需求比較低;華北、蒙寧和晉陜甘區(qū)灌溉需求指數(shù)大多在0.3