鲁西北灌区农业水资源特征及评价方法刍议_宋秋英

0 引 言

【研究意义】社会经济的进步和人口的压力，使得水资源的供需矛盾日趋严重。鲁西北地区地处华北平原中部，属黄河下游引黄灌区，是我国重要的粮食生产区，农业生产对引黄水依赖很大，但同时又面临工业经济发展和全国水资源紧缺导致引黄水量配额日趋严格的双重压力[1]。目前农业用水的指标已靠近理论耗水量，例如德州的禹城和陵城已经将每亩地的水权限定在 220 m3，仅相当于 330 mm，加上年降水

量 580 mm，与全年作物耗水量基本持平[2-4]。这对农

收稿日期：2021-06-18

基金项目：国家自然科学基金项目（41877161）；水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金项目（2016SWG03）

作者简介：宋秋英（1970-），女，山东德州人。高级工程师，主要从事农业水资源管理研究。E-mail: ccts99@126.com

通信作者：刘恩民（1964-），男，山东宁津人。高级工程师，主要从事作

业水资源管理提出了更高的要求，如何利用好有限的水资源，涉及水资源工程规划和调度问题，鲁西北灌区农业水资源工程应进行适应性调整，发展完善的引水、输水、蓄水和灌溉体系[2]。在此之前，首要问题则是建立合理的农业水资源评估体系，提出适宜的灌区水资源评价与管理模式[5-6]。

【研究进展】中国科学院禹城综合试验站在禹城进行了长期的作物耗水规律研究[3,7-12]，以及地下水、土壤水、降水等水文要素的系统监测[3,13-14]，并对德州潘庄引黄灌区的水资源问题进行了专门研究[5-6,15]。研究表明，鲁西北平原夏玉米和冬小麦多年平均耗水量分别约为 410 mm 和 460 mm，受气候变化影响夏玉米和冬小麦耗水量均呈下降趋势[9-10]。灌溉主要发生在冬小麦季节，拔节—灌浆期是冬小麦耗水的旺盛时期，需补充灌溉，但灌水利用效率受次灌水量和前期土壤含水量影响[7]。如采用地下水灌溉，地下水埋

宋秋英 等：鲁西北灌区农业水资源特征及评价方法刍议

深将随灌溉量的增加而增加；采用地表水灌溉，则呈先增加后降低的趋势[5]。这些工作充分揭示了作物需水规律、地下潜水对作物耗水的贡献、地下水被补充和消耗的机理过程、引黄水量的分配策略等。【切入点】但鲁西北灌区水资源利用和地下水对农业灌溉的响应特征均存在明显的时域分异性，受历史浅层地下水超采影响，无论采用地表水还是地下水水源灌溉， 灌区下游地下水埋深均最大[5]，降水和跨区引水入渗是主要补给来源[4]，有效解决补源问题是关键。如何系统评估水资源调配工程影响下灌区农业水资源特征，挖掘水资源开发利用潜力，保障水资源的可持续利用仍需深入研究[3]。

【拟解决的关键问题】基于禹城地区长期定位监测的农业水资源数据，分析鲁西北引黄灌区农业水资源特征，进而提出农业水资源评估体系，以期对该地区农业水资源的精准管理和工程规划提供依据。

1 研究区概况

禹城地区地处鲁西北腹地（东经116°22 '—116°45 '，

北纬 36°41 '—37°12 '），总面积 990 km2，自然地理条 件、农业类型、引黄水源等方面在鲁西北地区具有典 型代表性。禹城地区的地貌类型属黄河下游冲淤平原， 黄河沉积物为唯一成土母质，土层深厚，地形平坦， 地面坡降 1/8 000 左右，海拔高度 17.5~26.1 m。土壤以潮土为主，粉砂、砂壤、轻壤、黏壤几种土壤质地 均有分布，耕层土壤质地以壤土为主。气候类型属暖 温带半湿润季风气候，四季分明，春秋季干旱多风， 蒸发强烈而降水偏少，多发干旱，夏季湿润多雨，集 中了年降水量的 70%以上。多年平均降水量为 578 mm， 年内分布不均，多年平均春季（3—5 月）降水量为

83.9 mm，占全年的 14.3%，夏玉米生长季（6—9 月） 多年平均降水量为 431.9 mm，占全年的 73.8%，E601蒸发量为 972 mm（2003—2005 年平均），小麦、玉米 2 季作物耗水量为 850~900 mm，年太阳辐射总量

506.6 kJ/cm2，日照时间 2 640 h，大于 0 ℃的积温为4 952 ℃，无霜期为 200 d，年平均气温 13.1 ℃[16]。禹城属潘庄灌区，引黄水是主要的客水资源，自 1972 年以来平均引水 1.7×10 8 m3/a，近 20 a 来平均引水1.8×10 8 m3/a[5]。

2 农业水资源的主要矛盾

2.1 农田耗水量及主要缺水时期

基于中国科学院禹城综合试验站内蒸渗仪的长期监测数据，分析冬小麦-夏玉米的耗水过程。图 1 是多年平均冬小麦-夏玉米的日耗水量及同期降水量

的变化过程，为了便于对比将多年平均降水量换算成

日降水量。禹城冬小麦-夏玉米的全年耗水量为 893

mm，全年降水量 578 mm，差值为 315 mm（表 1）。

冬小麦生长季耗水量大于降水量 327 mm，玉米生长季耗水量与降水量基本平衡，降水略大于耗水，差值为 12 mm。

由图 1 可以看出，冬小麦全生育期需要灌溉，缺水矛盾以拔节—灌浆期间尤为突出，本地区主要缺水矛盾是冬小麦生长季，考虑到灌溉均匀度和一定的淋洗水量，冬小麦季需要的灌溉量约为 350 mm[3]，这基本上是全年的缺水量。麦收后是夏玉米生长季，典型的雨热同期，整个生育期内的降水量可满足玉米总耗水，并且有 12 mm 的剩余，由于雨季农田土壤水分水平较高，该水量一般就是当地的年径流深，只是在引黄灌区的下游，沟渠常年干枯，地表径流会被就地拦蓄，年径流深很小；整个玉米季一般会在播种期遇到干旱，但玉米在出苗后对干旱有很强的适应性， 因而灌溉的概率并不高。

7

6

5

4

3

2

1

0

日期

图 1 多年平均（1988—2009 年）冬小麦-夏玉米日耗水量及同期降水量

Fig.1 Multi-year average (1988—2009) daily water consumption of winter wheat and summer maize and precipitation during the same period

表 1 冬小麦-夏玉米耗水量与降水量平衡

Table 1 Water balance between water consumption and precipitation for winter wheat and summer maize

2.2 引黄水量及地下水的响应过程

地下潜水埋深的长期变化主要受制于耗水、降水、引黄水 3 者的平衡关系，短期内还受土壤水的影响。

由图 2 可以看出，冬小麦播种—返青期间地下水位逐渐下降，该时段降水量不能满足冬小麦耗水（图 1），同时期的引黄水量又很少，冬小麦对土壤水、地下水的吸收导致了地下水位下降。自冬小麦拔节（3 月 20

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日）开始至灌浆期是冬小麦耗水量的关键期，该时期水分缺口很大（图 1），但 3、4、5 月的引黄水量比较集中（图 2），引水量占全年总引水量的 60%，客水的引入和灌溉阻止了地下水的消耗，地下水位有所上升。纵观全年，冬小麦生长季地下水呈消耗趋势， 小麦收获时的地下水埋深达到全年最低，随后进入雨季，降水量增多并有部分引黄水量，在玉米收获时地下水位达到全年最高。耗水大于降水引起地下水位下降，客水的引入阻止了地下水的消耗，说明地下水参与着作物耗水，并且地下水发挥着调蓄作用，在丰水期得到补充而在枯水期得到利用。

1.0

1.5

麦生长季地下水开采量进行估算，结果见表 3。其中， 给水度为地下水下降 1 m 所排出的水量，地下水下降时，土壤含水率从饱和（体积含水率 0.46 cm3/cm3）

变为田间持水率（体积含水率 0.35 cm3/cm3），则给水度为 0.11（体积比）；地下水贡献量根据地下水位下降量和给水度计算，为 123.2 mm；冬小麦生长季

对地下潜水的吸收利用量为 70 mm[3]，则地下水开

采量为 53.2 mm，折合到全市耕地面积可得出开采水

量为 2 819.6 万m3。

表 2 禹城市冬小麦灌溉量与同期引水量比较

（1990—2000 年平均）

Table 2 Comparison of irrigation and water diversion for winter wheat in Yucheng city

2.0

播种面积/hm2

总水量/

灌溉量/mm 万m3

同期引水量/ 万m3

差额/ 万m3

2.5

3.0

3.5

日期

6000

5000

53 000 350 18 550 14 474 4 076

表 3 禹城市冬小麦生长季地下水位变化及地下水资源利用评估

Table 3 Change in groundwater level and evaluation of groundwater resources utilization in winter wheat growing season in Yucheng city

冬小麦生长季地下水位 地下水贡献量/mm

4000

3000

播种/m 收获/m 差值/m 给水度

合计/ mm

作物吸收/mm

开采量/ mm

2000

1000

0

11月 12月 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月日期/月

图 2 多年平均地下水埋深与同期引黄水量

（禹城，2000—2007 年）

1.83 2.95 1.12 0.11 123.2 70 53.2

以上分析表明，农业水资源包括多种存在形式的水量，应该有一套综合评价体系。从灌溉用水管理的角度，需要对现状水资源进行评估；从工程规划设计角度，需要对调蓄能力进行评估。鉴于鲁西北引黄灌区的水资源特征，应该综合考虑引水量、沟渠蓄水量、

地下水可供水量等要素来评估农业水资源（图 3）。

Fig.2 Multi-year average water table depth and the amount of water diversion from the Yellow River during the same period (Yucheng, 2000—2007)

3 农业水资源评估方法

3.1 灌溉用水量与同期引黄水量对比

以禹城市冬小麦返青后 2—5 月间的灌溉为列

（见表 2），同期引水量为禹城市 1990—2000 年引黄水量的平均，为 14 474 万m3，而灌溉需水量为 18 550万m3，理论上有 4 076 万m3 的差额是来自其他形式的供水。实际上，350 mm 的灌溉量只是理论上的灌溉定额，实际灌溉量会有所增加，如果再考虑引水量中有部分非农业用水，这个差额会更大。

3.2 农业水资源的评估方法

除引黄水量外，灌溉用水量还来自地下水开采量和沟渠蓄水量。利用多年平均数据对禹城市冬小

图 3 鲁西北地区农业水资源评估体系

Fig.3 Evaluation system of agricultural water resources in Northwest Shandong

宋秋英 等：鲁西北灌区农业水资源特征及评价方法刍议

图 3 中降水量和引水量是按照多年平均值进行估算，实际发生的水量会有所不同，生产实践中往往是由地下水开采量来调蓄的。在引黄灌区的上游，地表水资源相对丰富，但仍需注重地下水调蓄空间的利用，适度扩大井灌规模；而在引黄灌区的下游，地表水很少，建立完善的井灌系统，增强监测与评估手段， 充分利用地下水库容，引水以补源为目的，甚至考虑汛期余蓄水的拦蓄下渗。

4 结 论

鲁西北地区农业水资源的主要矛盾是冬小麦生 长期自拔节到灌浆初期，该时期的灌溉用水量基本上 等于全年的供水量；同期引水量不能满足灌溉需要， 灌溉水来源主要由灌溉季节的引水量、沟渠蓄水量、地下水开采量构成，3 者所占比例在引黄灌区上、中、 下游有所不同，上游主要以引水量和沟渠蓄水量为主， 地下水开采量几乎为 0，而灌区下游基本以井灌为主，地下水开采量占 90%~95%；2—5 月以外的引水量多用与补充地下水库容。

应该综合考虑现状土壤储水量、引水量、沟渠蓄水量、地下水可供水量等要素来评估农业水资源，并将调蓄能力作为一项评价指标。鲁西北农业水资源应该贯彻引水补源、井渠结合、沟渠蓄水的综合措施。不能忽视地下水的调蓄作用，是鲁西北引黄灌区规划掌握的战略原则，不仅在年内完成一个补充、开采的调蓄周期，甚至可以在降雨、引水偏少的干旱年份加大地下水的开采量，进行年度之间的调蓄，是提高灌溉保证率的主要手段。灌区规划应该适当增加上游、中游地区的井灌面积，同时增加引水时间，逐步从引水灌溉向引水-补源-灌溉方向发展；农业水资源的评估应该充分考虑沟渠蓄水的功能，利用地下水库容的资源进行季节间的调蓄。

与农业水资源的评估与管理相关的主要问题是灌溉制度和灌水技术的配合。不同生长阶段的水分敏感性和调亏灌溉显示冬小麦在拔节和开花 2 次灌水可提高水分利用效率，而夏玉米的主要矛盾是播种— 出苗期间的干旱，而出苗所需水量很小，且出苗后不是需水敏感期，用传统方法灌溉会造成很大的浪费。

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Discussion on Characteristics and Evaluation Methods of Agricultural Water Resources in Irrigation District of Northwest Shandong

SONG Qiuying1, ZHAO Defang2, LIU Enmin3*, YANG Lihu3

(1. Qihe County Water Resources Bureau, Dezhou 251100, China；2. Water Resources Bureau of Lingcheng District, Dezhou City, Dezhou 253500, China; 3. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes,

Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

Abstract【: Objective】The primary objectives of this study were to clarify the main contradiction between the supply

and demand of agricultural water resources in the irrigation district of the Yellow River in northwestern Shandong, to establish a suitable agricultural water resources evaluation system for the irrigation area, and to systematically evaluate the agricultural water resources under the influence of the water resource allocation project.【Method】The characteristics of crop water consumption was determined based on the large-scale lysimeters at the Yucheng Comprehensive Experimental Station of the Chinese Academy of Sciences. The long series of hydrological observation data were used to analyze the relationships between agricultural water use, water diversion from Yellow River and groundwater level change. A suitable agricultural water resources evaluation system was proposed in this irrigation area.【Result】The main contradiction between the supply and demand of agricultural water resources in northwestern Shandong occurred during the winter wheat growing season. Supplementary irrigation of approximately 350 mm was required, which was generally the same as the annual water supply. The critical period of winter wheat water consumption was from jointing to the early filling stages, when irrigation application could improve water use efficiency. Irrigation water were mainly taken from the water diversion from the Yellow River, water storage in ditches, and groundwater extraction. Irrigation in the upper reaches was mainly supplied by the water diversion and canal storage, while the amount of groundwater extraction is almost zero. Groundwater from wells was the dominant water resource in the downstream of the irrigation area, and groundwater extraction accounted for 90%~95%. Nevertheless, the water diversion from the Yellow River was mainly used to replenish groundwater except for February to May. Current soil water storage, water diversion, ditch storage, and groundwater availability should be comprehensively considered to evaluate agricultural water resources in the irrigation area. The regulation and storage capacity of groundwater should be used as an evaluation indicator.【Conclusion】The utilization of agricultural water resources in the irrigation district of Northwest Shandong should comprehensively consider the water diversion and replenishment of groundwater, incorporating use of wells and canals irrigation, and water storage in ditches. An appropriate increase of the well irrigation area and diversion time is recommended in the upstream and middle reaches. The diversion irrigation should be gradually developed to diversion-replenishment-irrigation mode and use groundwater reservoir capacity for seasonal regulation and storage of water resources.

Key words: agricultural water resources; crop water consumption; evaluation system; groundwater regulation and storage capacity; irrigation district of northwest Shandong

责任编辑：韩 洋