玉米灌溉水资源优化配置
发布时间：2017-07-18
本农业灌溉论文主要根据已有文献叙述(以玉米为例)作物产量、作物生长阶段与需水量之间的关系。《灌溉排水学报》本刊是由水利部中国农科院农田灌溉研究所，中国国家灌溉排水委员会主办的学术类刊物，该刊为中文核心期刊，CSTA数据库入选期刊，中国科技引文统计源期刊。
[摘要]黑山县是我国主要商品粮生产基地，现有灌溉配置模式较为单一，水资源分配不均。对玉米作物产量与需水量关系分析得出，当需水量达到一定数值，过多灌水量不对产量造成太大影响，当水量缺乏时，拔节期灌水量对作物产量影响较大;对长系列降水资料分析得出中等干旱年(降水频率75%)降水量及年内分配系数;对地下水水位变化及开采量变化分析，得出近年来地下水开采量趋于稳定，储量呈波形变化。并针对黑山地区玉米灌溉提出农业灌溉水资源优化配置建议。
[关键词]作物产量;灌溉;降水;生育阶段
黑山县位于辽宁省西部，是我国主要商品粮生产基地县，全县水资源贫乏，人均水资源占有量不足全国均值的一半。黑山县现有的灌溉配置模式较为单一，水资源分配不均，浪费水资源的情况比较严重，对作物产量的提高和品质提升有较大影响。本文通过对作物产量、生长特性与作物需水量的分析，弄清地区种植作物的需水量及需水规律(本文以玉米为例)。结合现有水文系列资料，对中等干旱年(75%)条件的降水量、历年地下水进行了分析，对制定科学合理的灌溉模式和采取相应的节水措施至关重要。
1作物灌溉概况
黑山县位于辽宁省西部，锦州市东北部。东与新民市、辽中县接壤，西与北镇市、阜蒙县毗连，南接台安县，北邻彰武县。黑山县总人口62.5万人，其中农业人口45.6万人，城镇人口16.9万人。全县总土地面积2487km2，其中耕地面积216万亩，占土地面积58%，耕地主要作物是玉米、豆类、花生等，其中玉米、豆类、谷物类等147万亩。总灌溉面积74.21万亩，有效灌溉面积66.23万亩，其中节水灌溉面积9.33万亩(其中管灌1.39万亩、喷灌1.8万亩、滴灌6.14万亩)。现状年实际灌溉面积55.83万亩，其中水田6.26万亩、菜田16.53万亩、水浇地33.04万亩。
1.1作物产量与需水量
玉米的产量都是先随着需水量的增加而快速增加，当需水量达到一定程度时，产量增加缓慢，开始呈现出“报酬递减”现象。作物产量(籽粒)与全生育需水量的模型为:Y=aET2+bET+c其中:玉米:a=-2.6×10-3，b=23.701，c=-46607，R=0.9554。作物产量与全生育期需水量的函数关系，在不同的试验年份之间有所不同，作物与全生育期需水量之间存在着一种相对比较稳定的关系[1]。作物水分生产效率与全生育期需水量。水分生产效率(WUE)定义为作物每消耗1m3谁所能生产的籽粒产量，即:WUE=Y/ET。在途中WUE的最高点与总产量的最高点并不一致，相应于WUE最高点的需水量ET要低于产量Y的最高点ET。玉米的水粉生产效率与需水量有以下关系式:WUE=-7.676×10-7ET2+0.0065ET-11.926图1玉米产量和水分生产效率与需水量之间的关系由图1可以看出，作物产量与需水量之间关系较为稳定，当需水量达到一定数值时，产量也趋近平稳。
1.2作物生长阶段与灌水期
根据已有文献得出结论，对动态规划的数学模型及模型求解过程并非本文重点，不做过多叙述。表1主要列举在不同水文年情况下的优化灌溉制度。根据资料不难看出在一般的年份(平水年)，不灌水时的产量相当于充分灌水时产量的65%左右。灌一次水可达85%左右。灌两次水可达90%左右。由此可见，节水灌溉可以保证在不减产的情况下有较大的节水效果，且灌水时间也起着比较重要的作用，在相同的灌水次数情况下，科学合理确定模式灌水定额及优化灌水时间对增加粮食产量起着重要的作用。根据黑山县“节水增粮行动”总体实施方案中，描述该地区玉米生育阶段各项指标情况如下表2。按照辽宁地区常年玉米播种大致在4月11日开始起算始到9月灌溉，覆盖全生育期，具体生育阶段时间如图2所示，每月天数如表3所示。综上所述，当玉米生育时达到一定需水量时，产量会达到峰值，当地区水量匮乏时，保证拔节期灌水，能相对提高玉米产量。即6月份降水对作物影响尤为重要。
2水资源状况分析
根据《辽宁省水资源》1956～2000年系列评价成果，黑山县多年平均水资源总量37405万m3。其中，地表水资源量14138万m3，地下水资源量24973万m3，重复量1706万m3，可开采量21216万m3[2]。按用水总量控制分配指标分析，农业灌溉可用水量为13303万m3，其中地表可用水量为655万m3，地下可用水量为12648万m3。作物生长需水供给主要分为自然降水、河道引水及地下水提水灌溉等三种方式。由于黑山地区河流较少且径流较小，地表供水忽略不计。下面着重对黑山地区降水与地下水储量进行分析。
2.1降雨量状况分析
黑山县属北温带大陆性季风气候，四季分明。春季多风少雨，夏季炎热多雨，秋季凉爽宜人，冬季干燥寒冷。黑山县处于绕阳河流域，根据《辽宁省水资源》1956～2000年系列评价成果，年平均降水量为561.6mm，年降水量最多的为1994年，降水量达到1058.6mm。年降水量最少的年份为1999年，年降水量只有267.6mm。多年平均降水量为561.6mm，不同频率年降水量分别为:频率20%年均降水量为687mm，频率50%年均降水量为551.2mm，频率75%年均降水量为456.0mm，频率95%年均降水量为339.0mm。该区降水量的分布呈现出由北向南逐渐增加的特点。全年降水量主要集中在夏季，6～8月降水量约占全年总降水量的65%左右，蒸发量1737.9mm(见图3)。玉米灌溉用不同降水频率表示典型年的干旱程度，一般为平水年(降雨量频率为50%)、中等干旱年(降雨量频率为75%)以及干旱年(降雨量频率为95%)。通过黑山县司屯、沙岭岗、白厂门等六处长系列雨量站降雨资料，推算出，黑山县中等干旱年(降雨量频率为75%)降雨量年内分配系数，如表4所示。可以得出中等干旱年(降雨量频率75%)黑山地区4至8月降雨量多年均值为29.8mm、38.4mm、73.4mm、122mm、93mm。降雨量按照月份天数平均，计算各生育阶段降雨量如表5所示。由表3可以看出，在中等干旱年时，黑山地区玉米作物在播种-拔节、拔节-抽穗阶段缺水较为严重，分别占到阶段需水量的51%、36.6%。其他阶段相差较小。由于自然降水随机性较强，此处对各生育阶段降水量与需水量之间做了理想状态下的对比，具有一定参考意义。
2.2地下水状况分析
2.2.1地下水补给与排泄区域地下水补给主要来源为大气降水入渗补给、河道渗漏补给、侧向补给、井灌回归补给等。地下水排泄主要是开采量排泄、侧向流出、河道排泄、潜水蒸发等2.2.2近10a地下水开采量及水位变化近10年地下水平均年开采量14275万m3，最大年开采量为14888万m3、最小年开采量为12375万m3，区间变化幅度在-13.3%～4.3%之间，现状年与2002年相比总体开采量增加了768万m3，近几年开采量基本稳定。详见表6及图4。从黑山县代表站(以半拉门为例，其他多处地下水站情况类似)地下水位变化过程线图可以看出，地下水位近年变化有所上升，主要因为近2年降水较多，如图5所示。黑山县地下水开采量近年来趋于稳定，地下水储量变化较大，通过大气降水入渗补给、河道渗漏补给、侧向补给、井灌回归补给等方式，以及开采量排泄、侧向流出、河道排泄、潜水蒸发等排泄项等综合因素，使得地下水储量大致呈波型变化。
3结论与建议
3.1结论
黑山县农业用水缺乏，灌溉模式较为单一，从支持灌区管理科学决策的角度出发，通过对作物的生长习性及地区自然水资源状况进行分析，得出以下结论:(1)作物产量与需水量之间的关系，当需水量达到一定数值时，产量逐渐达到峰值，过多的灌水量不对产量造成太大的影响;当水量缺乏时，拔节期灌水量对作物产量影响较大，在干旱时应保证拔节期灌水量;得出黑山地区玉米各个生育阶段的时间，为科学灌溉提供参考意义。(2)通过对黑山地区长系列降水资料的分析，得出中等干旱年(降水频率75%)年内月分配;通过作物在各个生育阶段的需水量与降水量的分析，得出在中等干旱年时，作物在播种-拔节、拔节-抽穗期间缺水较为严重，需要地下水灌溉补给。(3)通过对黑山地区长系列地下水水位变化及近年来地下水开采量变化分析，得出近年来地下水开采量趋于稳定，地下水储量呈波形变化。
3.2建议
黑山县为我国农业商品粮生产基地，但水资源匮乏。虽然近些年来大力发展节水灌溉技术，节水灌溉得到了普及，但在灌溉方式上未做到统筹考虑导致水资源的极大浪费。(1)建议灌区与水文、气象等部门积极联动，实时获得降水、墒情、地下水水位及气象预报等资料，根据作物生长规律，科学安排灌溉及水量控制。(2)加强对开采区的地下水动态监测，每月初监测一次地下水位，跟踪地下水开采前后的动态变化，根据区域地下水的动态变化，科学调配开采量。
