山东省主要作物灌溉定额研究--《山东农业大学》2011年硕士论文
山东省主要作物灌溉定额研究
【摘要】：随着经济社会的发展,人口的增加,对水的开发利用程度越来越高,水供求矛盾日益突出。水资源短缺问题已日益成为山东省地区农业生产潜力发挥的主要限制因素,发展节水农业势在必行。实施灌溉定额管理,是水资源合理配置、节约使用在灌溉用水管理上的具体体现,也是分配灌溉用水使用权的基本依据。
在水资源严重短缺而用水需求不断增长的情况下,必须实行内涵式发展,实行用水总量控制和定额管理。本文主要对山东省冬小麦和夏玉米的灌溉定额进行研究,包括以下几个方面:
(1)依据山东省水利科学研究院划分的5个灌溉分区,以“以点代面”为原则,在每个分区选择一个代表点,搜集每个代表点的长期气象资料,包括平均气温、最高气温、最低气温、相对湿度、平均风速、日照时数和降水量。
(2)对冬小麦和夏玉米生育期内灌溉定额进行基础研究,包括选取典型年和计算冬小麦和夏玉米典型年生育期内需水量。对生育期内降水量进行排频,整理出各代表点冬小麦和夏玉米生育期内降水量,选取典型水平,即50%和75%的水平,并分别计算出冬小麦和夏玉米生育期内有效降水量。利用Penman-Monteith公式计算出各代表点冬小麦和夏玉米的的参考作物蒸发蒸腾量,并计算出作物需水量。由冬小麦和夏玉米生育期内有效降水量和实际缺水量,以及地下水补给量、非工程措施的节水量后,得出净灌溉定额,为该地区的的灌溉定额研究提供了相应基础。
(3)冬小麦和夏玉米生育期内灌溉制度的研究。以桓台试验站的冬小麦和夏玉米实验为实例,对作物—水模型在作物生育期内灌溉制度的优化应用进行验证。
(4)农业节水不能仅依靠定额控制,还应配合其他的节水措施,文中对山东省发展节水灌溉农业提出相应的建议,包括发展节水技术,应用灌溉预测技术,应用精准灌溉技术等等。
节约灌溉用水的核心就是实行计划用水,文中提出的冬小麦和夏玉米的灌溉定额将有利于节约农业用水,满足现代化农业要求,对实现灌区水资源的可持续利用具有重要意义,具有较强的推广应用价值。
【关键词】：
【学位授予单位】：山东农业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：S274【目录】：
Abstract7-9
1 绪论9-20
1.1 研究背景及意义9-10
1.2 灌溉定额的内涵10-15
1.2.1 本文涉及的一些基本概念10
1.2.2 灌溉定额内涵10-11
1.2.3 灌溉定额的影响因素11-13
1.2.4 灌溉定额的计算13-15
1.3 灌溉定额的国内外研究现状15-18
1.3.1 灌溉定额研究现状15-16
1.3.2 作物需水量计算方法的研究现状16-18
1.4 研究内容及技术路线18-20
1.4.1 主要研究内容18-19
1.4.2 研究路线19-20
2 研究区域概况20-26
2.1 山东省概况20-21
2.1.1 山东省自然概况20
2.1.2 山东省水资源现状20-21
2.2 山东省农业灌溉分区21-24
2.2.1 分区的原则21-22
2.2.2 山东省农业灌溉分区及各分区特点22-23
2.2.3 各分区代表点23-24
2.3 作物种类的确定24-25
2.4 本章小结25-26
3 冬小麦和夏玉米灌溉定额研究26-53
3.1 作物生育期内的降水研究26-32
3.1.1 冬小麦和夏玉米生育期内降水26-31
3.1.2 有效降水31-32
3.2 作物需水量的研究32-48
3.2.1 作物需水量的计算方法33-38
3.2.2 代表点的参照作物蒸发蒸腾量的计算38-45
3.2.3 作物系数和作物需水量45-48
3.3 地下水利用量48-49
3.4 非工程节水措施及节水潜力49
3.5 冬小麦和夏玉米灌溉定额的确定49-50
3.6 本章小结50-53
4 冬小麦和夏玉米生育期内灌溉制度研究53-61
4.1 作物-水模型53
4.2 作物灌溉制度优化模型的构建方法53-56
4.3 桓台主要作物节水高效灌溉制度模拟优化结果56-60
4.4 本章小结60-61
5 山东省农业节水的建议61-64
5.1 发展农业节水工程技术61
5.2 发展现代节水灌溉61-62
5.2.1 推广农艺节水技术61
5.2.2 墒情预报技术61-62
5.2.3 灌区信息化管理62
5.3 建立完善的农业用水水价体系62
5.4 提高农民节水灌溉的认识62-64
6 结论与展望64-66
6.1 结论64
6.2 展望64-66
参考文献66-70
攻读学位期间发表论文情况71
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京公网安备74号灌溉用水定额之浅见
　　实施灌溉用水总量控制和定额管理是水利部党组根据新时期要求，提出的建立、健全节水灌溉发展机制的新思路，是水资源合理配置、节约使用在灌溉用水管理上的具体体现，也是分配灌溉用水使用权的基本依据。为此有关单位正在进行相关调查研究并着手编制指导性文件，一些省率先制定并公布了灌溉用水定额，第二批节水增效重点县建设规划中也明确提出了贯彻灌溉用水总量控制和定额管理的要求。灌溉用水定额在节水灌溉发展史上是崭新的概念，尚未形成广泛的共识，因此从不同视角、不同层面进行逐步深入的探讨是有必要的，基于交流和提高的目的，笔者在本文中谈及一些不成熟的认识，以期抛砖引玉。
1． 灌溉用水定额的内涵
　　灌溉技术中原本就有定额的概念，即灌溉定额，且有净灌溉定额和毛灌溉定额之分。灌溉用水定额和灌溉定额有密切联系，但又有根本区别。净灌溉定额是依据农作物需水量、有效降雨量、地下水利用量确定的，是满足作物对补充土壤水分要求的科学依据，显然它注重的是灌溉的科学性。毛灌溉定额是以净灌溉定额为基础，考虑输水损失和田间灌水损失后，折算到渠首的亩均灌溉需水量，显然它还考虑了灌溉用水在输送、分配过程中发生损失的规律。从以上分析可以看出，灌溉定额更多的是注重灌溉本身的规律性、科学性，并不针对灌溉的合理性和先进性，往往也不具有广泛、客观的可比性。例如同一作物有的品种喜肥喜水，灌溉定额高，有的品种耐干旱，灌溉定额低。灌溉定额的本意只涉及其是否符合各自作物的需水规律，无意评价哪一个合理、先进。再如针对具体渠道给出的渠系水利用系数，只注重采用的数值是否科学，并不涉及技术经济上是否合理，是否先进的问题。原因在于灌溉定额仅仅是一个设计参数，不具有比较标准的属性和支撑体系，如果要进行比较，只能通过不同设计方案进行技术经济分析。灌溉用水定额则是一个具有普遍意义和客观性的比较标准，这是二者的根本区别。　　&九五&以来为适应节水灌溉的发展，提出了采用节水灌溉制度的要求，也规定了对灌溉水利用系数的要求，在一定程度上起到比较标准的作用，但仅适用于节水灌溉工程建设，不是普遍的标准，也不是一个综合性指标。
　　灌溉用水定额和灌溉定额的另一个区别是，灌溉定额是规划设计的依据，而灌溉用水定额是农业用水管理的考核指标。在灌溉系统的规划设计中，为了考虑是否满足作物需水要求，使用净灌溉定额，为了进行渠首、泵站设计，需要毛灌溉定额，可见赋予灌溉定额的作用是为了满足规划设计的需要。但是净灌溉定额无法直接测定，毛灌溉定额又无法用于一个一个灌溉单元的用水管理，从农业用水管理功能看灌溉定额的管理并不具有可操作性。灌溉用水定额是在规定考核位置上的单位用水指标, 可以直接测定、可以客观考核是对其基本要求之一。
　　综上所述，灌溉用水定额是衡量灌溉用水科学性、合理性、先进性，且具有可比性的准则，是农业用水管理的微观指标。灌溉用水的科学性表现为水的输送、分配符合渠道特征，补充土壤水分符合作物需水要求，强调灌溉用水要符合客观规律；合理性表现为技术、经济的可行性，强调灌溉用水要符合现有的技术水平、经济条件，要立足工程现状；先进性表现为技术和管理的前瞻性，强调灌溉水的高效利用；可比性表现为灌溉用水定额是一个具有普遍意义、客观的比较标准。显然灌溉用水的科学性、合理性、先进性、可比性既是一个统一的整体，又是相互影响、相互制约的不同侧面。有时强调科学性，但又有悖合理性；有时强调合理性，但又有悖先进性；有时强调先进性，但又有悖可比性。因此，灌溉用水定额应该在灌溉用水的科学性、合理性、先进性、可比性中寻求一个平衡点，成为客观评价灌溉用水的准则。
2． 灌溉用水定额的影响因素
　　灌溉用水量的影响因素很多，如果不加区分，针对每一种情况确定灌溉用水定额，尽管可以做到很科学、很合理，但不具备可比性，因而失去意义。笔者建议把灌溉用水量的影响因素区分为基本因素、硬影响因素以及软影响因素。基本因素是固有的影响因素，基本上没有选择或改变的余地。例如作物种类，在制定灌溉用水定额时不能因灌溉用水量的差别把小麦改换为玉米，因此作物种类是一个基本因素，应该针对每一种作物（但不是针对每一个品种）制订灌溉用水定额。地域也是一个基本因素，因为各地的降水条件不同、水资源基本条件也不同，而且无法改变。硬影响因素和软影响因素一般是可以选择、可以改变的影响因素，它们的区别并不在于影响程度的大小。改变硬影响因素需要较大的投入，改变软影响因素一般不需要投入，或虽需一定投入但用水户能够自行解决。例如灌溉方式在很大程度上影响灌溉用水量，但如果为各种灌溉方式分别制定灌溉用水定额，实际上和促进节水的目的相悖。另一方面，发展节水灌溉需要投入，不可能一蹴而就，因此也不能无视各种灌溉方式的存在，故把灌溉方式列为硬性影响因素，通过调节系数适当考虑其影响。管理水平同样影响灌溉用水量，但改善管理的投入不大，而且管理水平上也不应该有大的差异，故列入软影响因素，即在统一的管理水平上考虑其影响。
（1） 基本因素
　　作物种类农产品是农业活动的产物，为了得到某种农产品人们进行某种特定的农业活动。农产品的这种客观地位以及不同作物有不同作物需水量，决定了作物种类是制定灌溉用水定额的基本因素。尽管因为某种原因可以放弃种植某种作物而改种其他作物，但只要对这种作物的需求存在，就应该为它制订灌溉用水定额。考虑到作物种类多，建议首先选择播种面积大的作物制订灌溉用水定额，其他作物可以参照执行。
　　地域是制定灌溉用水定额的另一个基本因素，但地域的情况较为复杂。一般而言，省的范围太大，制订的灌溉用水定额难以具有普遍性；用水农户的生产规模又太小，为不同用水农户制订不同的灌溉用水定额是不现实的；笔者认为县的范围较为合适，尽管县域内降水量、水资源基本条件仍有差异，但编制工作和监督工作可以依托水利局，较为理想。县域内自然条件等差异过大时，也可以进一步细化地域因素。
（2） 硬影响因素水资源条件
　　水资源基本条件具有不可选择的特点，但水资源利用条件又具有可以改善的一面，例如通过发展节水灌溉在一定程度上提高水资源承载能力等。节水需要一定的投入，也有一定的经济效益，不同地区、不同条件下的投入和效益是不同的。水资源紧缺但经济条件较好地区可以采用较低的灌溉用水定额，以利于现状农业用水适当转移到用水效益高的行业和部门；相反，水资源丰富但经济条件差的地区可以在一定时期内采用较高的灌溉用水定额，逐步提高水资源利用效率和利用效益，以减轻当前发展农业的经济压力。
　　现状灌溉方式各种灌溉方式的灌溉水利用率是不同的，目前全国仍以灌溉水利用率低的土渠输水灌溉方式为主，在近期内全部改造为管道输水灌溉或喷灌、微灌既不可能，也不必要。但是在水资源短缺地区又要因地制宜地发展节水灌溉，故在制定灌溉用水定额时应以现状灌溉方式作为硬影响因素予以考虑，同时又要视需要和可能，适度超前，制定有利于引导节水灌溉健康发展的用水定额。
　　灌区规模和水源类型尽管灌区规模无法任意选择，具有基本因素的属性，但如果合理确定灌溉用水定额的考核位置，灌区规模的影响可以降低和控制。井灌、渠灌也因考核位置到田间距离不同，在一定程度上影响灌溉用水量，但区别不应太大。综合以上分析，灌区规模和水源类型的影响应列入硬影响因素，以调整系数的方法予以适当考虑。
　　附加用水灌溉用水除在一定程度上满足作物需水外，有时还应考虑附加用水需求，例如耕地盐碱化或有盐碱化威胁时，需要定期增加灌溉水量淋洗盐分。故附加用水也作为硬影响因素予以考虑。
（3） 软影响因素
　　灌区运行管理、农艺措施、作物品种、田间水土管理、传统灌溉习惯等也在一定程度上影响灌溉用水量，但是消除、控制这些影响一般不需要大的投入，同时也属于生产、管理的正常工作，故制订灌溉用水定额时要求把这些影响控制在统一且相对合理的范围内，不再单独考虑其影响。
3． 有关灌溉用水定额几个概念的界定
（1）灌溉用水定额是净定额还是毛定额
　　如前所述，灌溉用水定额本质上是毛定额，它不是农业生产某一环节的用水标准，而是包括各个环节的用水标准。实际上制订生活用水定额时并不区分使用的是普通器具还是节水器具，也不区分通过水表的水是否重复使用；工业用水定额更明确指生产单位产品从水源地取的新水量。可见用水定额包容了用水的主要过程（即生产流程），制订灌溉用水定额应该遵循同样的原则。
（2）灌溉用水定额是综合定额还是单项定额
　　讨论灌溉用水定额是综合定额还是单项定额，应与实现农业用水总量控制的最终目标结合考虑，制订用水定额仅仅是提供一个科学依据。实现灌溉用水总量控制，除灌溉用水定额外，还取决于作物种植结构和灌溉规模。如果采用综合灌溉用水定额的概念，实际上在灌溉用水定额中包含了种植结构的影响，评价灌溉用水总量较为方便。但是，种植结构随着市场变化会不断调整，存在很大的不确定性，因此灌溉用水综合定额实难确定；另一方面，种植结构和灌溉规模互相影响，相关性很强，宜放在同一个层次上考虑。因此建议灌溉用水定额不采取综合定额的形式，还是以单项定额的形式编制为宜。
（3）灌溉用水定额是动态指标还是静态指标
　　在灌溉系统实际运行中，丰水年的灌溉定额小（一般减少灌溉次数），枯水年的灌溉定额大（一般增加灌溉次数），即实际灌溉定额随水文年的不同而变化。编制灌溉用水定额面临的问题则更为复杂，从灌溉需水的角度考虑，丰水年的灌溉用水定额可以减小，枯水年的灌溉用水定额应该加大；但从可供水量的角度考虑，丰水年灌溉用水定额可以上浮，枯水年灌溉用水定额只能下浮。相互矛盾的影响，使得灌溉用水定额作为动态指标相当困难。另一方面，灌溉用水定额的作用一是为科学分配水资源提供依据，二是在灌溉用水总量控制下合理确定种植结构和灌溉规模，它的实时性并不突出，因此原则上可以作为静态指标。静态指标的缺点可以通过定期（3～5年）修订灌溉用水定额（更直接原因是灌溉技术、农业技术的进步）或按照水文年适当浮动等办法弥补。因此，笔者认为灌溉用水定额原则上是一个多年平均意义上的静态指标。
（4）灌溉用水定额是否因灌溉设计保证率而异
　　灌溉设计保证率是灌溉系统规划设计的重要指标，灌溉设计保证率高，则设计灌溉定额大；灌溉设计保证率低，则设计灌溉定额小。如果把灌溉用水定额看成是衡量设计灌溉定额的标准，那么灌溉用水定额也应按灌溉设计保证率提出不同的数值。灌溉设计保证率又是计算可供水量的依据，灌溉设计保证率高，可供水量小；灌溉设计保证率低，可供水量大，又影响灌溉用水总量控制指标。由此可见，考虑灌溉设计保证率对灌溉用水定额和灌溉用水总量指标的影响，不仅使问题更加复杂，而且也使定额、指标的汇总、平衡失去了统一的基准。如果从科学分配水资源的目的出发，灌溉用水定额可以定位在　　&多年平均&的概念上，没有必要与灌溉设计保证率联系起来。但设计灌溉规模和依据灌溉用水总量指标、灌溉用水定额确定的灌溉规模可能有较大出入，这个问题的解决只能留待规划设计方法的改进和提高。
（5）考核灌溉用水定额的位置是渠首还是田间
　　灌溉用水定额本质上是毛定额，是包括作物种植各个环节的用水标准，但是从便于考核的要求考虑，考核位置又不宜统一定为渠首。根据目前灌溉管理的实际情况，建议井灌区以井为单位，灌溉用水定额核算到井口；渠灌区以斗渠为单位，灌溉用水定额核算到斗口。
4． 关于编制灌溉用水定额方法的建议
　　制订生活用水定额、工业用水定额都高度重视实际用水过程的调查，其原因并非这些领域的试验资料不充分，理论分析方法不完备，而是基于用水定额是一个考核指标，只有符合当地的实际条件，才能顺利执行。同样原因，制订灌溉用水定额也应该把灌溉用水普查和典型抽样调查作为主要手段，并以当地现状调查资料作为分析和确定灌溉用水定额的基点。　　1980年以来全国粮食、蔬菜、水果总产量大幅度增加，但农田灌溉用水总量并没有增加。这个事实不但证实了节水灌溉技术的进步和普及，而且说明随着农业技术的进步，作物需水量和水分生产函数发生了很大变化，因此基于过去的灌溉试验资料分析计算灌溉用水定额，难免有很大的局限性。另一方面，随着水资源的日益短缺，不少地区的实际净灌溉水量已经明显低于传统的作物需水量，而且由于抗逆品种的推广，提高了降水实际利用率，由于覆盖技术的推广以及不少地区减少灌水次数，降低了棵间蒸发等等，这些因素目前尚难以用普遍适用的定量关系描述。再者，全国符合《节水灌溉技术规范》要求的节水灌溉面积已达2.5亿亩，占有效灌溉面积31%，这个比例在北方缺水省市更高些。其中不乏措施配套、管理科学、节水增产效益显著的工程，它们提供的灌溉用水实践符合科学、合理、先进的要求，不但应该学，而且学得了，具有可比性。总之，尽管灌溉用水有长期的试验资料，有《节水灌溉技术规范》等作为计算依据，但仍应高度重视现状用水情况调查，并把它作为制订灌溉用水定额的出发点，否则难免脱离实际。
5． 灌溉用水总量和用水定额的关系
　　灌溉用水总量控制的目的是实现水资源的优化配置、高效利用和有效管理。按照这个思路，一个县首先应确定可分配水量控制指标，这个指标主要依据流域水资源承载能力以及分配水资源的原则。各县依据这个指标，综合考虑当地各种优势，合理调整经济结构，优化配置资源，按照经济社会与人口、资源、环境协调发展的要求，合理确定生活、工业、农业用水指标。农业用水指标包括灌溉用水和其他农业生产用水，还应逐步细化到农业用水管理单元（例如乡、镇），作为考核、管理现有农业用水和审批新增农业用水的主要依据。在灌溉用水定额按照作物确定后，影响灌溉用水总量的主要因素是作物种植结构和灌溉规模。应该看到，农业结构调整的内在动力是追求比较效益的提高。种植结构调整的这种价值取向符合　　&经济体制由计划经济向市场经济，经济增加方式由粗放型向集约型转变&的根本要求，因此也应该是灌溉用水优化配置的根本原则。但是种植结构调整必须充分考虑水资源的承载能力，也就是说，必须在灌溉用水总量受到限制的前提下，追求比较效益的提高。即比较效益的最大化是目标，灌溉用水总量是约束条件，种植结构、灌溉规模、灌水技术等是决策变量，是一个有约束的优化问题。在灌溉用水总量控制指标不能满足一定种植结构下的灌溉规模时，不应简单地归结为调减高耗水作物种植面积，而应该进行具体的分析。一般而言，如果作物的经济价值相差不大，而灌溉用水定额相差明显时，应该首先考虑调减高耗水作物种植面积；如果作物的经济价值相差较大，而灌溉用水定额相差不大时，应该首先考虑减小低经济价值作物灌溉面积。
　　总之，把灌溉用水管理目标分解为宏观层面的灌溉用水总量控制目标和微观层面的灌溉用水定额，既是科学的，也是可以操作的。应该说，这些新思路、新概念不仅是对传统灌溉用水管理的变革，也是对原有灌排技术体系的挑战，如何吐故纳新，促进节水灌溉事业更健康发展，是当前面临的新任务。
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