基于井渠结合灌溉模式的冬小麦灌溉水分生产率研究

基于井渠结合灌溉模式的冬小麦灌溉水分生产率研究

由于水的使用和测量的不同，水的生产率也有许多形式，如农业用地总供水利用率、农业用地总供水效率、灌溉水利用率、降水效率和总供水生产力。虽然这些指标使用起来很简单,但是水分的投入对尺度边界有极大依赖性,从而使得不同尺度水分生产率评价结果出现差异。不仅如此,部分学者认为投入的水量有一部分成为回归水被重复利用,进一步贡献更多的产出,如田间尺度的排水量和深层渗漏水量在下游田块可以被再次用于灌溉生产更多的粮食,所以应该在考虑回归水及其重复利用水量的基础上来评价不同尺度的水分生产率,否则可能使得评价结果偏小,从而误导了节水措施的制定。由于不同尺度水分生产率存在尺度效应,使得不同尺度之间的节水效果并不一致,单个尺度用水效率的提高并不意味着更大尺度用水效率的提升,所以要想了解某一尺度采取节水措施后其他尺度的响应,也必须对水分生产率的尺度效应进行研究。Bastiaanssen等通过资料收集、水量平衡模型以及遥感技术破译得到了巴基斯坦Indus灌区的水平衡要素,然后将面积从上游逐级往下游聚集,计算了渠灌水分生产率和腾发量水分生产率随面积变化的规律。Peter分别采用SWAP(SoilWaterAtmospherePlant)和SLURP(SemidistributedLandUse-basedRunoffProcess)模型对位于土耳其Gediz流域上下游的SRB灌区和MLB灌区进行净入流量水分生产率、消耗水量水分生产率和腾发量水分生产率的计算,结果表明,由于上游的出流在下游被回归利用,使得上游的SRB灌区的水分生产率大于下游的MLB灌区。谢先红等、崔远来等、董斌等通过田间试验、遥感和水文模型等手段对湖北漳河灌区的不同指标随尺度变化的规律进行了揭示,结果表明回归水的重复利用会使水分生产率呈现随尺度增大而变大的规律。石津灌区是华北平原典型井渠结合灌区,其水分循环和再利用过程有其独特性,本文利用Hydrus-1D模型和Modflow模型模拟不同尺度水分收支,在尺度划分的基础上探讨该灌区冬小麦净入流量水分生产率和净灌溉水分生产率的尺度效应。1研究领域和方法1.1灌溉方式及灌溉管理系统石津灌区位于河北省中部的滏阳河和滹沱河之间,地理位置为北纬37°30′～38°18′,东经114°19′～116°30′。灌区控制面积为4144km2,设计灌溉面积16.7万hm2,其主要功能为农业灌溉,同时兼顾发电和城市供水。灌区是典型的温带半干旱半湿润季风气候,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%。灌区实行纯井灌溉和井渠结合灌溉两种灌溉方式(图1,填充区域为井渠结合灌溉),渠道灌溉系统包括总干渠、干渠、分干渠、支渠、斗渠5级固定渠道,渠系水利用系数为0.44,田间水利用系数约为0.78,灌溉水利用系数0.34,灌溉水资源的一次利用率偏低。灌区浅层地下水系统以安平-辛集-宁晋一线为界,可分为东西两部分。西区井灌发达,部分地区实行井渠结合灌溉,近年来由于地下水严重超采,地下水位持续下降,浅层地下水埋深由20世纪60年代初的2～4m,下降到2011年的15～40m。东区浅层地下水埋深较浅,多为4～10m,地下水普遍为微咸水或咸水,淡水区面积不足其25%,因此东区灌溉水源除依靠地表水外,还以深层地下水作为补充。灌区潜水运动的基本方向是西北向,即从东区流向西区。地下水水力坡度在西区为1/200～1/1000,在东区为1/5000～1/20000。灌区主要作物是冬小麦、夏玉米和棉花,其中冬小麦一般每年的10月中下旬播种,第2年6月上旬收割。井水灌溉的冬小麦生育期一般灌溉3～4次,第1次在播前根据前期降雨量决定是否灌溉,后面3次在冬小麦返青后的3月中旬、4月中旬和5月下旬各灌溉一次,渠道灌溉的冬小麦一般灌溉2～3次,第1次在播前根据前期降雨量决定是否灌溉,后面两次灌溉则是在冬小麦返青后的3月上旬和4月下旬进行。2007—2009年两季冬小麦的灌溉制度见表1。1.2水循环路径各尺度边界范围定义作物、田间、分干、干渠和灌区5个尺度。作物尺度是指作物(冬小麦)根系区土壤带;田间尺度在作物尺度的基础上向下延伸,将作物根系层以下的非饱和带和饱和带包含进去,因此根系层深层渗漏量、浅层抽水量和毛管上升补给量属于该尺度范围内的循环,不计入出流或者入流。相比作物尺度,田间尺度存在着对根系层深层渗漏水量的回归再利用过程;分干尺度在田间尺度的基础上增加了分干及以下各级渠系的水分循环过程,渠系水分循环过程的增加一方面导致损失途径增多,增大了渠道灌溉水量,但增加的灌溉水量有一部分通过渠系损失回归地下水库,这些回归水量一部分在本尺度被重复利用,一部分通过水平交换流出该尺度,在更大的尺度被抽取出来重复利用,因此分干尺度与田间尺度相比,并非简单增加了渠道灌溉引水量,而是要综合考虑渠道灌溉引水量的增加和回归利用水量的同时影响;干渠、灌区尺度水循环路径与分干尺度类似,但涉及面积更大,渠系更多,情况更为复杂。各个尺度的边界范围见表2。需要说明的是,作物根系层深层渗漏量未能回归地下水而储存在根系层以下非饱和带中的水量、渠系渗漏损失未回归地下水库而储存在非饱和带中的水量在冬小麦生育期是无法被冬小麦重复利用的,因此在进行水平衡要素分类时,将这两部分的土壤储水改变量视作流出了边界成为土壤水出流量,而并非将其归属为土壤储水变化量的范畴,即土壤储水量改变仅限于作物根系层范围。各个尺度水平衡要素分类见表3。1.3净入流量和重复利用水量选择净入流量水分生产率和净灌溉水分生产率两个指标进行尺度效应分析,其表达式如下:Pni=10YNi(1)Ρni=10YΝi(1)Pi=10YI−R(2)Ρi=10YΙ-R(2)式中Pni为净入流量水分生产率,kg/m3;Pi为净灌溉量水分生产率,kg/m3;Y为冬小麦产量,kg/hm2;Ni为净入流量,mm;I为灌溉总水量,mm;R为重复利用水量,mm。不同尺度的净入流量和重复利用水量在表3中已给出;灌溉总水量是指渠道灌溉水量、潜水灌溉水量和承压水灌溉水量之和。1.4土壤水分收率及模型构建研究区地下水埋深普遍大于临界埋深,土壤水与地下水之间以垂直向下补给的形式单向联系,因此将土壤水和地下水分成两个系统分别进行模拟。模拟时段为2007—2009年两季冬小麦生育期,模拟的时间步长为天。研究区属于华北平原半干旱区,冬小麦生育期的土壤水分为一维垂向运动。首先根据收集的土壤质地、地下水埋深、气象、降雨、灌溉强度等资料将整个研究区划分为67个独立模拟单元,然后利用Hydrus-1d软件计算每个模拟单元的土壤水分收支状况,模拟时上边界为灌溉、降雨等,下边界为实测地下水位。最后利用GIS对每个单元的模拟结果进行聚合,得到整个研究区土壤水分收支状况的空间分布,并根据53个实测的土壤含水量对模拟结果进行检验。采用GMS软件中的Modflow模型来构建研究区潜水二维分布式模型,并利用实测的潜水位对模型进行率定和检验。模型的水平边界为给定流量边界,由达西定律和实测地下水位插值流场计算得到;下边界为不透水边界;上边界为分干及以上骨干渠系渗漏损失补给(线性)、支渠及以下末级渠系渗漏损失补给(面状)、麦地田间灌溉补给(面状)、潜水抽水量(面状)和很少的潜水蒸发量(面状,忽略不计)。2结果和讨论2.1根系深层渗漏量较小,但直径和厚度较大水分收支只统计冬小麦种植面积上的水量,并且在各个尺度上,为了避免同一尺度上不同个体之间空间变异的影响,水分收支计算整个研究区的平均值。表4给出了不同尺度水分收支状况。在作物尺度,承压水灌溉量和降雨量是主要的水分来源,两者之和占净入流量的66.65%。其次是渠道灌溉量和潜水灌溉水量,毛管上升水量所占比重则很小,这是由于研究区地下水埋深较大所致。在冬小麦生育期,土壤储水量略有减少。冬小麦腾发量占净入流量的77.94%,根系层深层渗漏水量则占净入流量的22.06%,说明仍有大量的水资源流出了该尺度的边界范围,水分损失较大。由于地下水埋深很大,在冬小麦生育期就能回归进入地下水库被重复利用的水量只占根系深层渗漏量的17.02%,只占净入流量的3.76%,大部分的根系深层渗漏水量都储存在根系以下非饱和带中,没有进入地下水被抽取出来重复利用,水资源的重复利用率很低,说明灌区仍有较大的节水空间。在田间尺度,由于将饱和带也纳入尺度范围内,所以其入流量增加了田间附近渠系对地下水的补给量以及地下水水平入流量,虽然潜水灌溉量和毛管上升水量此时不再纳入入流量部分,但净入流量仍有小幅增加。出流量部分,由于一部分根系深层渗漏水量回归进入地下水库被重复利用,使得土壤水出流量有所减少,但地下水出流量的加入使得总出流量较田间尺度大。当尺度提升至分干、干渠和灌区时,各级渠系逐渐被纳入尺度范围内,渠系增多使得渠首引水灌溉量变大,逐渐超过降雨量对入流的贡献,而净入流量也因为渠道灌溉水量的增加呈现增大趋势。在出流部分,虽然地下水出流量减少,但土壤水出流量在增大,使得总出流量呈现增大趋势,主要原因在于增加的渠道灌溉水量通过渠系渗漏后大部分并未回归进入地下水库被重复利用,而是储存在渠系底部以下的非饱和带中,成为了土壤水出流部分;在重复利用水量部分,渠道灌溉量增加后一部分通过渠系渗漏掉,这部分渗漏水量有一小部分补给地下水库成为重复利用水量,从而使得重复利用水总量在增加。2.2工程措施降低水分生产率根据灌区范围内各县农业统计年鉴和54个田块的实地调查,两季冬小麦平均作物产量为6525.9kg/hm2,结合不同尺度水循环计算结果,可得到不同尺度水分生产率结果(图2)。从图2可以看出,两个水分生产率指标总体都呈现随尺度提升而逐渐变小的规律,其中净入流量水分生产率从作物尺度的1.37kg/m3降至灌区尺度的1.24kg/m3,降幅为9.49%,且降幅随空间尺度增大而变小。造成这种现象的原因在于随着尺度的提升,渠道引水量逐渐增大,而地下水埋深偏大导致增加的灌溉水量只有小部分进入地下水库被重复利用,大量的灌溉水量储存在根系和渠系以下非饱和带中成为土壤水出流,尽管地下水出流在减少,但是总的出流量随着尺度的增大而增加,在消耗水量不变的情况下,大的出流量意味着存在较大的净入流量,从而导致净入流量水分生产率的减小。随着尺度的提升,出流量的增幅逐渐变小,使得净入流量水分生产率的降幅也在逐渐减小,可见空间尺度越大,节水潜力越大,但边际效应会递减。净灌溉水分生产率从作物尺度的2.05kg/m3降至灌区尺度的1.71kg/m3,降幅为16.59%。作物尺度和田间尺度的净灌溉水分生产率一致,原因是两个尺度都没有将渠系纳入边界范围,其总灌溉水量和重复利用水量是相等的。从田间尺度跨越到分干尺度,净入流量水分生产率减幅较大,原因是分干与田间之间还存在支渠和斗渠两个级别的渠系,尺度的跨度相对较大,而从分干到干渠以及从干渠到灌区尺度,净灌溉水分生产率的降幅差别不大。造成净灌溉水分生产率随尺度提升而逐渐减小的原因在于灌溉水量会随着尺度的增加而增加,但增加的灌溉水量只有一小部分能够进入地下水库被重复利用,导致净灌溉水量随尺度的增大而增大,所以在这种情况下,通过工程措施减少渠系渗漏损失对于提升水分生产率仍有很好的效果。由于净灌溉水分生产率考虑了重复利用水量的影响,所以该指标要比传统的灌溉水分生产率要大;从图2可以看出,作物尺度到灌区尺度,增幅在5%～12%之间。但因为研究区地下水埋深大,在冬小麦生育期就能够进入地下水库被重复利用的水量比例相对较小,使得重复利用水量的提升作用有限,无法消减尺度增大导致的损失水量增多的影响。2.3时间尺度对净灌溉水分生产率的影响在冬小麦生育期间,很大一部分水量都储存在根系以下和渠系底部以下非饱和带中成为土壤水出流量,这部分水量在冬小麦生育期的时间尺度内无法被作物利用而成为损失水量,但是从多年时间尺度来看,只要没有流出尺度边界,就最终能够进入地下水库被重复利用,因此在田间及以上尺度不能将其再视作尺度的出流量,图3给出了多年时间尺度下两个水分生产率指标随尺度变化规律,同时将冬小麦时间尺度下的净灌溉水分生产率及不考虑重复利用量的传统灌溉水分生产率绘入图中以便进行对比。将时间尺度提升后,净入流量水分生产率的尺度效应发生了显著改变,此时出流量随尺度扩大而显著减小,在作物尺度上,根系深层渗漏水量很大,因此出流量很大,到了田间及以上尺度,由于将整个非饱和带-饱和带都纳入边界范围内,其出流量不再包括土壤水出流而只有地下水出流量,模拟结果显示地下水出流随尺度增大而减小,意味着随着尺度增大,小尺度的出流量通过地下水水平流动进入其他区域,在更大尺度上被再利用,因此在多年时间尺度下,净入流量水分生产率随空间尺度增大而增大,增幅达25.36%,节水潜力则随着空间尺度增大而减小。在多年时间尺度下,尺度增大导致的灌溉水量增加可以全部进入地下水库成为重复利用水量,因此尺度的改变对净灌溉水分生产率没有产生影响,说明通过工程措施提高渠系水利用效率对长时段的净灌溉水分生产率并无影响。相比冬小麦生育期时间尺度下的净灌溉水分生产率,多年时间尺度下的净灌溉水分生产率从作物尺度到灌区尺度提升了37%～65%,且随着尺度增大而提升幅度变大,这部分节水潜力应该通过水资源调控的方式获得。3灌溉水分生产率与年龄的关系(1)石津灌区冬小麦生育期的灌溉降雨量的很大一部分通过作物根系深层渗漏和渠系渗漏损失掉,从传统的评价角度来看,灌区仍有较大的节水空间。(2)空间边界的差异导致入流量和重复利用水量不同,从而使得净入流量水分生产率和净灌溉水分生产率具有尺度依赖性。在冬小麦生育期内,随着