新疆农业水资源总量控制及承载评估

Total Amount Control and Carrying Capacity Assessment of Agricultural Water Resources in Xinjiang

摘要: 基于最严格的水资源总量控制目标约束，研究评估新疆地方系统(不含新疆生产建设兵团)农业灌溉水资源承载力。本文以2018年现状为基准，综合考虑农业用水在总用水量的占比、滴灌面积在总灌面积的占比、灌溉定额、灌溉水利用系数对灌溉水资源量的影响，运用水土平衡及系统工程优化评估灌溉水资源承载能力。结果显示：预期2035年农业用水总量由2018年386.20亿m³降至282.10亿m³，这一远景目标的实现伴随农业用水占比由91.8%降至74.7%，毛灌溉定额由7695 m³/hm²下降至5955 m³/hm²，滴灌面积占比由48.5%提升至86.2%，灌溉水利用系数由0.542提升至0.650，由此可承载极限总灌面积为488.15万hm²，比2018年减少灌溉面积13.52万hm²。分析结果说明，在十分有限的农业水资源总量控制条件下，在适宜范围内降低灌区灌溉定额，提升灌溉水利用系数和滴灌节水规模，是以水定地稳定总灌面积的重要保障。

Abstract: Based on the most stringent water resources total amount control target constraints, the agricultural irrigation water resources carrying capacity of local systems (without Xinjiang Production and Construction Corps) in Xinjiang are studied and evaluated. Using 2018 as the benchmark, this paper comprehensively considers the effects of the proportion of agricultural water in total water consumption, the proportion of drip irrigation area in total irrigation area, irrigation quota and irrigation water utilization coefficient on irrigation water resources, and evaluates the carrying capacity of irrigation water resources by using water and soil balance and system engineering optimization. The results show that the total amount of water used for agriculture is expected to decrease from 38.620 billion m³ in 2018 to 28.210 billion m³ in 2035. The achievement of this long-term goal is accompanied by the decrease of agricultural water use from 91.8% to 74.7%, the decrease of gross irrigation quota from 7695 m³/hm² to 5955 m³/hm², the increase of drip irrigation area from 48.5% to 86.2%, and the increase of irrigation water use coefficient from 0.542 to 0.650. The ultimate carrying capacity of the total irrigated area is 4.881.5 million hm², which is 135.2 million hm² less than 2018. Analysis results show that under the condition of limited total amount of agricultural water resources, the irrigation quota can be reduced and the irrigation water use efficiency and water saving scale can be increased, which is an important guarantee to stabilize the total irrigation area with water.

1. 引言

新疆是我国典型的沙漠绿洲灌溉农业，水利灌溉水资源节约高效利用，在农业经济发展中具有重要地位并起到特殊作用。基于最严格的水资源总量控制研究分析农业用水承载力，对推进新疆经济社会生态可持续发展具有重要现实意义。新疆水资源利用效率方面，张羽威 [1] 等人采用GIS与空间相关法分析表明，新疆各地二产、三产GDP与用水量为空间负相关，第一产业用水量在空间对GDP影响成正相关具有一定空间聚集性，说明农业用量大表现集中。杜根 [2] 等人对新疆地州农业水资源利用效率研究认为，农业水资源利用效率呈现北疆、东疆及南疆依次递减，克拉玛依、昌吉州、塔城地区、巴州、和田、吐鲁番等农业用水处于高效率状态。周和平 [3] 等人基于水资源利用技术指标，采用综合评价和柯布道格拉斯模型分析现状与未来15项投入因素对总用水量的影响，结果表明，现状水资源利用综合量级为3级，规划至2030年综合量级达到2.54~3.0级总体处于可持续状态。张振龙 [4] 等人运用VAR模型和ADF检验、脉冲响应函数及方差贡献度分解，对近年新疆耗水产业生态系统和经济增长分析表明，经济增长与总用水量、工业和农业用水之间存在长期均衡关系，新疆经济快速增长伴随着水资源大力开发和过度利用，并建议实施严格的退地减水政策，明确用水总量控制和定额指标维持新疆水资源可持续利用。胡宝华 [5] 等人通过综合评价模型探析水资源承载力空间布局，表明新疆水资源综合承载布局呈现南疆弱北疆强、东疆弱西部强格局，且水资源支持力、水资源经济承载力、农业承载力、农村承载力、城镇承载力、生态承载力六个因子空间布局呈现区域差异性。雷亚君 [6] 等人对新疆2005~2014年水资源生态足迹、水资源生态承载力分析表明，2005~2012年水资源利用程度中等，2013~2014年水资源利用程度明显增高，南疆、北疆水资源生态足迹、水资源承载力大于东疆，而南、北疆万元GDP水资源生态足迹则小于东疆，对保持现状条件进行2015~2025年预测，新疆水资源生态赤字仍将出现。贺可 [7] 等人利用1972~2015年Landsat MSS/TM/OLI及CBERS遥感影像数据，获取近40年新疆土地利用数据，结果表明，土地不断开垦、耕地面积不断扩大已到了相当数量规模，2000年以来开垦耕地增加了243.03万hm²，现状耕地总量接近900万hm²，土地开垦撂荒成为新疆土地利用变化最重要特征。本文基于水资源总量控制目标，综合考虑农业用水在用水总量占比、滴灌节水面积在总灌面积的占比、灌溉用水定额、灌溉水利用系数对水资源的影响及分析其灌溉水资源承载力，为新疆农业水资源有效利用与灌溉高质量协同发展提供支撑。

2. 材料与方法

2.1. 研究区概况

新疆占国土面积1/6远离海洋深居内陆腹地，位于73˚40'~96˚23'E，34˚25'~49˚10'N，年均气温10.4℃，≥10℃积温3819.1℃，年均降水量154.1 mm，年均蒸发量2125.4 mm，干旱指数10~15。具有“三山夹二盆”洪冲积平原、山间盆地谷地、荒漠戈壁多样性地理环境特征，降水稀少、蒸发强烈、气候干旱、生态脆弱，形成了我国最为典型的沙漠绿洲纯灌溉农业格局，灌溉水资源有效利用是农业经济发展支柱。截止2018年新疆地方系统(不含新疆生产建设兵团，下同) [8] 已建水库482座，库容124.35亿m³ (大型17座库容84.05亿m³；中型96座库容30.77亿m³；小型369座库容9.53亿m³)，库容水量占引用水总量30%。已建水闸工程25,310座(大型22座；中型226座；小型25,062座)。各级渠系输水工程17.76万km (其中防渗8.16万km，防渗率46%)，灌溉面积拥有防渗渠16.3 m/hm²，各级渠系输水量占引用水总量的70%。2018年新疆国民经济社会发展显示 [9]，粮食、棉花、油料和糖类(甜菜)四类作物种植面积分别为220.36、254.05、21.86和5.99万hm²，平均单产6930 kg/hm²、1965 kg/hm²、3045 kg/hm²、74,340 kg/hm²；特色林果产量1729.44万t (园林水果1118.72万t；坚果124.69万t；瓜类486.03万t)。以新疆常住人口2523.22万人计，人均粮食、棉花、油料、糖类(甜菜)和林果拥有量为605 kg、198 kg、26 kg、176 kg和685 kg；农业生产总值1781.75亿元，占比13.1%，人均54,280元；人均综合用水量1668m³，毛灌溉定额7697 m³/hm²。水资源总量多年平均832亿m³占全国水资源 [10] 总量27,462.5亿m³的3.1%，2018年农业用水386.2亿m³占全国3693.1亿m³的10.5%，灌溉面积501.72万hm²占全国7400万hm²的6.8%，养育着占国土17%的新疆各族人民共生发展。

2.2. 研究方法

基于农业水资源承载能力 [11] [12] “在一定水资源可利用量、农业用水技术水平，良好生态环境前提下，通过先进农业节水合理配水措施所能支持的区域极限农业灌溉土地面积”，农业水资源承载灌溉土地面积S_灌溉，是规划目标年供水总量W_供水、灌溉定额M_定额、灌溉技术G_技术、灌溉水利用系数η_灌溉的函数：

$S_{灌溉}=f\left(W_{供水},M_{定额},G_{技术},{\eta }_{灌溉}\right)$ (1)

式中，水资源农业供水W_供水，按规划目标年水资源控制总量，以用水现状基准年供水总量农业用水占比等差递减计算农业用水量；灌溉定额M_定额，数据源于各县1950~2018年气象站点气象资料、新疆农业用水定额技术研究应用 [13]、新疆2013~2018滴灌作物需水量与灌溉制度试验研究成果汇编 [14]，中科院资源环境科学数据中心关于新疆地理土壤分布信息，综合考虑灌区地理区位气候、土壤、作物需水有效降水响应计算分析。参考作物蒸腾量ET₀采用彭曼–蒙特斯(P-M)分析 [15]：

$E{T}_0=\frac{0.408\cdot \Delta \cdot \left(R_n-G\right)+\gamma \cdot \frac{900}{T+273}\cdot u_2\left(e_a-e_d\right)}{\Delta +\gamma \cdot \left(1+0.34\cdot u_2\right)}$ (2)

式中，∆为温度~饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa/℃；R_n为净辐射，MJ/m²·d；G为土壤热通量，MJ/m²·d；γ为湿度表常数，kPa/℃；T为平均气温，℃；u₂为2 m高水平处风速，m/s；e_a为饱和水汽压，kPa；e_d为实际水汽压，kPa。

作物用水量ET按下式分析：

$ET=E{T}_0\cdot K_C-P_0$ (3)

式中，ET为作物用水量，mm；ET₀为参考作物蒸腾量，mm；K_C为作物系数；P₀为有效降水量，mm。

式(3)中K_C为作物生长期需水量与参考作物蒸腾量比值，由下式计算：

$K_C={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}E{T}_i/E{T}_{0i}}$ (4)

式中，i为作物生长的第i阶段；n为作物生长阶段数目；ET_i为作物生长i阶段需水量，mm；ET_0i为作物生长i阶段参考蒸腾量，mm。

式(3)中P₀由下式计算分析：

$P_0=10\gamma H\left({\theta }_2-{\theta }_1\right)+\left(E{T}_d-K_d\right)t$ (5)

式中，P₀为有效降雨量，mm；γ为土壤干容重，g/cm³；H为根系吸水层深度，cm；t为前后两次测定土壤含水率相隔时间，d；ET_d为时段内日均蒸腾量，mm/d；K_d为t时段内日均地下水有效补给量，mm/d；θ₁、θ₂为降雨前、后测得土壤重量含水率，%。降水量P与有效降水量关系为P₀ = Pa，新疆南疆a = 0.35；北疆a = 0.52；全疆a = 0.41 [13]。

考虑土壤质地地理区位对灌溉定额影响，采用地理区位及质地分布加权分析：

$M_{加权}=\frac{ET\left(K_{\text{1}i}+K_{\text{2}j}\right)}{2}$ (6)

$K_{\text{1}i}={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}ET{a}_i}$ (7)

$K_{\text{2}j}={\displaystyle \underset{j=1}{\overset{n}{\sum }}ET{a}_j}$ (8)

式中，M_加权为考虑质地地理区位影响的灌溉定额，mm；ET为作物需水量，mm；K_1i为不同土壤质地调节系数，下标i为粘土质、粉砂土、沙土质；K_2j为不同地理区位调节系数，下标j为前山带、平原带、盆地区；a_ij分别为不同土壤质地、地理区位分布面积，hm²。

不同灌溉模式面积及灌溉定额加权灌区综合田间灌溉定额：

$M_{综合田间}=\frac{{\displaystyle \sum m_i{A}_i}}{{\displaystyle \sum A_i}}$ (9)

式中：A_i为不同灌溉模式(常规灌溉、膜上灌、喷灌、微灌)面积，hm²，m为不同灌溉模式田间灌溉定额，m³/hm²。

灌溉水利用系数η_灌溉，以现状年为基准，在预期目标年之间进行等比值计算：

${\eta }_{灌溉}={\eta }_{现状}{p}_i$ (10)

$p_i={\eta }_{目标}/{\eta }_{现状}$ (11)

式中：η_目标为目标年灌溉水利用系数；η_现状为基准现状年灌溉水利用系数；p_i为灌溉水利用系数现状与目标之间提高系数。

农业水资源承载灌溉土地面积S_灌溉，综上水资源总量控制下农业供水可灌面积：

$S_{灌溉}=W_{供水}{\eta }_{灌溉}/M_{综合田间}$ (12)

本研究数据处理分析采用Excel 2003系统。

3. 结果与分析

3.1. 灌溉水资源量分析

新疆水资源利用刚性约束2030年用水总量控制 [16] [17] 指标526.7亿m³，以2018年供水总量农业用水占比为基准，按2%占比等差递减地方系统农业水资源量如表1所示，可以看出，2030年新疆用水总量526.7亿m³控制指标，其中地方系统379.29亿m³左右。地方系统现状2018年农业用水386.20亿m³，占比91.8%。供水总量379.29亿m³条件下，占比90.0%的农业用水量339.79亿m³；占比86.4%时的农业用水量326.20亿m³；占比81.2%时的农业用水量306.63亿m³；占比74.7%时的农业用水量282.10 亿m³。分析表明，水资源

Table 1. Agricultural water supply of local system in Xinjiang (100 million m3)

表1. 新疆地方系统农业供水量(亿m³)

总量控制目标下，随着经济社会用水结构调整引起农业用水占比下降，农业用水负增长和水资源节约高效利用尤显突出。

3.2. 农业用水田间灌溉定额分析

以新疆86个县域灌区30种大田作物灌溉用水为研究对象，采用式(1)~(8)综合分析得14个地州灌区不同灌溉模式田间灌溉定额(表2)看出，常规灌田间灌溉定额5085 m³/hm²，膜上灌田间灌溉定额4530 m³/hm²，喷灌田间灌溉定额4035 m³/hm²，滴灌田间灌溉定额3720 m³/hm²。不同灌区灌溉模式灌溉定额大小呈现东疆 > 南疆 > 北疆灌区基本规律，与灌区地理生境区位、有效降水气象水文、植物水分蒸散及作物需水特征吻合。

Table 2. Field irrigation quota of different irrigation modes in Xinjiang irrigation district

表2. 新疆灌区不同灌溉模式田间灌溉定额

为获取灌区不同灌溉模式综合田间灌溉定额，以2018年水利统计总灌面积滴灌面积占比48.5%为基准，在此基础上，滴灌面积占比分别提高到52.6%、60.4%、77.3%和86.2%，利用不同灌溉模式田间灌溉定额及其面积，由式(9)加权平均得灌区综合田间灌溉定额，如表3所示。由结果看出，灌区2018年滴灌面积占比48.5%时，综合田间灌溉定额4170 m³/hm²、滴灌面积占比52.6%时，综合田间灌溉定额4305 m³/hm²、滴灌面积占比60.4%时，综合田间灌溉定额4200 m³/hm²、滴灌面积占比77.3%时，综合田间灌溉定额3975 m³/hm²、滴灌面积占比86.2%时，综合田间灌溉定额3870 m³/hm²。分析表明，随着滴灌面积占比增加，综合田间灌溉定额逐步下降并接近滴灌田间灌溉定额，这有利于水资源高效利用和节水增效。

Table 3. Comprehensive field irrigation quota of Xinjiang irrigation district (m3/hm2)

表3. 新疆灌区综合田间灌溉定额(m³/hm²)

3.3. 灌溉水利用系数分析

以2018年灌溉水利用系数0.542为基准，2020年实现0.570， 2025年预期由0.570提升到0.600提高5.26%，2030年预期由0.600提升到0.630提高5.00%，2035年预期由0.630提升到0.650提高3.17%，努力实现新疆灌区综合灌溉水利用系数0.650 (中型灌区不低于0.60，微灌工程近于0.85) [18] 目标。由此得不同灌溉水利用系数及毛灌溉定额如表4所示，由分析结果看出，新疆灌区2020年，实现毛灌溉定额7560 m³/hm²，灌溉水利用系数需达到0.570；灌区2025年，预期毛灌溉定额减少到7005 m³/hm²，灌溉水利用系数需提升至0.600；灌区2030年，预期毛灌溉定额减少至6315 m³/hm²，灌溉水利用系数需提升至0.630；灌区远景2035年，预期毛灌溉定额下降至5955 m³/hm²，灌溉水利用系数需提升至0.650。由此可见，随着灌溉水利用系数提升，毛灌溉定额呈逐步下降状态，但由于灌溉水利用系数趋近上限值，毛灌溉定额下降空间十分有限。

3.4. 农业用水承载灌溉能力分析

由表1~4参数，以式(12)得影响因素与农业用水承载灌溉面积(表5)成果，并由此建立W、N、D、M、η与S多元回归方程式(13)，经拟合方程R、F均为极显著。

$S=58.8595+1.2375W+0.1077N-0.0206D-0.0059M-33.3210\eta$ (13)

$\left[R_{\left(70\text{-}2,0.01\right)}={0.980}^{**}>R_{\left(70\text{-}2,0.01\right)}=0.325;F_{\left(70,0.01\right)}={334.73}^{**}>F_{\left(70,0.01\right)}=2.37\right]$

由式(13)看出，灌溉水资源可承载灌溉面积S，与农业用水量W、供水总量农业用水占比N成正比，与总灌面积滴灌面积占比D、毛灌溉定额M、灌溉水利用系数η成反比，对水资源承载灌溉面积影响大小顺序： $W>N>D>M>\eta$，表明影响承载灌溉面积多因素中农业水量最为明显。由此，灌区S与W之间存在关系如图1所示，经拟合北疆、东疆、南疆灌区回归方程如下：

$S_{北疆灌区}=0.0268W^2-10.374W+1099.30$ (14)

$\left(R_{\left(5\text{-}2,0.01\right)}={0.993}^{**}>R_{\left(5\text{-}2,0.01\right)}=0.959\right)$

$S_{东疆灌区}=0.7133W^2-28.982W+306.73$ (15)

$\left(R_{\left(9\text{-}2,0.01\right)}={0.949}^{*}>R_{\left(5\text{-}2,0.01\right)}=0.878\right)$

$S_{南疆灌区}=0.1141W^2-62.594W+8774.80$ (16)

$\left(R_{\left(9\text{-}2,0.01\right)}={0.878}^{*}>R_{\left(5\text{-}2,0.01\right)}=0.878\right)$

Table 4. Irrigation water utilization coefficient and gross irrigation quota (m3/hm2)

表4. 灌溉水利用系数及毛灌溉定额(m³/hm²)

注：M_毛为毛灌溉定额；η_灌溉为灌溉水利用系数；M_田为综合田间灌溉定额。

(a) (b) (c) (d) (e)

Table 5. Total control area of agricultural water resources and its influencing factors

表5. 农业水资源总量控制可承载灌溉面积及影响因素

拟合方程相关性具有显著和极显著水平代表性。对式(15)~(16)一阶求导得北疆、东疆、南疆水资源极限承载灌溉面积为193.54万hm²、20.32万hm²、274.29万hm²，整体合计488.15万hm²。

4. 讨论

在农业供水量有限情形下，毛灌溉定额和灌溉水利用系数及滴灌面积占比，直接影响灌溉面积承载能力。基于最严格水资总量控制目标，预期分析2035年地方系统农业用水总量282.10亿m³，在农业用水占比74.7%，高效滴灌节水面积占比86.2%，毛灌溉定额5955 m³/hm²，灌溉水利用系数0.650时，可承载488.15万hm²灌溉土地面积，由此水资源总量控制减水减地，比2018灌溉面积减少13.52万hm²。

(a) 南疆喀什 (b) 东疆哈密 (c) 北疆博州 (d) 北疆灌区 (e) 东疆灌区 (f) 南疆灌区

Figure 1. Relationship between irrigation area s and irrigation water utilization coefficient W

图1. 灌溉面积S与灌溉水利用系数W关系

5. 结论

新疆地方系统在有限的农业用水预期282.10亿m³时，通过规模化滴灌节水技术、提升灌溉水利用系数，可有效降低灌溉用水定额，可承载极限灌溉面积为488.15万hm²，其中北疆、东疆、南疆灌区承载灌溉面积分别为193.54万hm²、20.32万hm²、274.29万hm²。

基金项目

新疆水利科技专项(YF2020-01)。

参考文献