考虑土壤水平衡的灌区水资源优化配置研究

考虑土壤水平衡的灌区水资源优化配置研究

河套灌区是我国重要的商品粮基地，但长期以来面临水资源短缺和利用效率低下的问题。本文以解放闸灌域为例，构建了基于土壤水平衡的水资源优化配置模型，通过考虑地下水埋深和土壤含水量的影响，为实现水资源的高效利用提供了科学依据。

河套灌区是我国3 个特大型灌区之一，平坦的地势以及便利的引黄灌溉条件使其成为重要的商品粮基地和产油基地。解放闸灌域(106°43′～107°27′E,40°34′～41°14′N)是河套灌区第二大灌域，引黄灌区面积占总种植面积的95%，农业用水几乎全部依赖于引黄灌溉，是典型的无灌溉则无农业的地区。但长年的引黄漫灌不仅导致灌溉效率低下，而且引发地下水矿化度高、土壤盐渍化等问题。这些因素严重影响当地农作物正常生长，制约了农作物产量提高。近年来黄河受到气候变化与人类活动影响，径流量逐年减少，城镇化进程不断加快，建设用水量大幅度增加，农业灌溉用水供需矛盾不断加剧。因此，迫切需要借助灌区水资源优化配置技术对有限农业水资源进行优化分配，提高水资源利用效率。

模型建立

针对解放闸灌域农业用水供需失衡、地下水埋深浅等问题，本研究构建了基于土壤水平衡的水资源优化配置模型来分配引黄灌溉水量，模型基本框架图如图1所示。模型通过实际蒸散量这一参数建立Jensen水分生产函数模型，土壤水平衡模型及优化配水模型三者之间的相关关系。模型以天为基本时间步长，以月作为配水时间尺度，灌水量作为优化模型决策变量，作物产量作为输出变量，通过优化模型最大化经济效益，确定多情景下的优化配水方案。

图1 模型研究框架图

案例研究

解放闸灌域属于显着的大陆性气候，降雨量小而蒸发量大，年平均降水量为140 mm，蒸发量约为2 000 mm。据历年《引黄灌区成果报告》显示，该灌域总灌溉面积为14.209万hm2，其中引黄面积约占总灌溉面积90%以上，本研究采用平水年的年均引黄水量，约12亿m3。灌溉水的成本一般与种植时间有关，4—9月水价为0.083元/m3。灌溉作物包括主要作物(玉米、小麦、向日葵)和蔬菜、甜瓜等，本研究选择种植面积最大的玉米(约占总种植面积的35%)作为典型作物，种植面积约32 047 hm2，每年玉米灌溉用水量约3.85×108m3。根据《巴彦淖尔市统计年鉴2017》，玉米价格为2.4 元/kg，用于作物种植花费的成本为每公顷10 500元。参考Li等计算结果以及气象站获得的临河气象资料得出玉米不同月份ETmi和λi如表1所示，且玉米最高产量为12 850 kg/hm2。

本研究的作物需水量采用作物系数法确定，其中参考作物蒸发蒸腾量ET0采用Penman-Monteith公式计算，解放闸灌域生育期内各月份ET0值如表2所示。本研究选用Chen等确定的蒸发皿系数0.53，作物蒸发蒸腾量及蒸发皿蒸散发量计算如下：

ETc=KcET0

E=ET0/0.53

式中：ETc为作物蒸发蒸腾量估计值, mm；Kc为作物系数；ET0为参考作物蒸发蒸腾量, mm；E为蒸发皿蒸发量, mm。

结果与分析

利用Lingo软件对上述综合优化模型进行求解，并将日最大蒸散发量、日有效降雨量、可供水量及社会经济等数据输入基于土壤水平衡的水资源优化配置模型中，输出决策变量(实际蒸散发量ETa、灌水量IW)以及通过模型公式计算得出的潜水蒸发量ETgi、地下水埋深Hi和土壤含水量θi等参数，观察其每日变化情况。内蒙古河套灌区解放闸灌域地下水埋深较浅，潜水蒸发量较大，地下水埋深(为1～4 m)和土壤含水量(为0.08～0.20)对灌水量和模型结果有较大的影响，并且有关研究表明，研究区域地下水埋深及土壤含水量存在时空变化特征。因此，本研究将先以初始土壤水含量为固定值，划分7 种不同的地下水埋深情景，并综合考虑灌区实际情况，选定其中一种初始地下水埋深情况，进一步进行 7种不同初始土壤含水量情景划分。

不同初始地下水埋深对优化结果的影响

解放闸灌域地下水埋深处于1～4 m，因而将初始地下水埋深划分为7 种不同情景(1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 m)，探究不同生育期的潜水蒸发量、不同生育期总灌水量、系统净经济效益及地下水埋深变化值随初始地下水埋深变化情况。

图2为潜水蒸发量与地下水埋深变化量随初始地下水埋深变化规律。由图2可以看出，随着初始地下水埋深的增大，潜水蒸发量逐渐减少，在地下水埋深为1 m时潜水蒸发量甚至达到了地下水埋深为4 m时3倍之多，可见初始地下水埋深对灌溉过程中的潜水蒸发具有显着影响。此外，随着初始地下水埋深增大，地下水埋深变化量也逐渐减小。当初始地下水埋深为2.5 m时，地下水埋深变化量曲线出现了拐点；当初始地下水埋深小于2.5 m时，地下水埋深变化量较大且斜率较大；地下水埋深大于2.5 m时地下水埋深变化量小且斜率降低。

为探究初始地下水埋深对灌溉水量的影响，对不同情景下春玉米各个生育阶段灌溉水量分别求解，其优化结果见图3。结果表明灌溉总水量均小于作物需水量。灌水量主要集中在6、7、8月份，并且除了地下水埋深为4 m时的情况，灌水量最大值均出现在7月份，最小值出现在9月份。灌水量最小时引黄水量为0 m3，作物生长所需水量全都由降雨提供。该优化结果与作物耗水量分布一致，符合实际情况。

当初始地下水埋深浅时，灌水量都小于需水量；而当初始地下水埋深大于2.5 m时，出现部分灌溉水大于需水量的情况。这是因为初始地下水埋深浅，部分地下水可通过潜水蒸发补给土壤水用于作物生长；而当初始地下水埋深大时，潜水蒸发量小，部分引黄水量下渗补给地下水。

作物全生育期灌水量随地下水埋深变化的关系如图4 所示。研究发现初始地下水埋深对作物灌水量大小及各生育期分布均有一定影响，随着初始地下水埋深的增大，引黄灌溉水量也不断增大。与此同时，根据净经济效益可知，农业经济效益随地下水埋深增大不断降低：当初始地下水埋深为4 m时，系统产生的净经济效益为5.49×108元；当初始地下水埋深为1 m时，系统产生的净经济效益为5.67×108元。不同情境系统产生的净经济效益在5.49×108～5.67×108元。将优化结果与作物需水量结果进行比较，结果发现当地下水埋深为2.5 m时，当地可节约引黄水量约5.34×107m3，净经济效益达到5.55×108元。

不同初始土壤水含量对优化结果的影响

综合上述结果及实际情况，本研究选取地下水埋深为2.5 m的情景，进行不同初始土壤水含量情景划分。初始土壤含水量情景划分为0.080、0.100、0.120、0.140、0.160、0.180、0.193这7种，并探究其对净经济效益、灌水量、潜水蒸发量、实际蒸散发量，地下水埋深变化值等要素的影响。

在不同初始土壤含水量情景下(图5)，分析灌水量在各生育期分配情况。优化结果表明土壤含水量不断变化时，各生育期灌水量也在不断变化之中。当土壤含水量较低时，应当在4、5月份灌溉一定水量以满足作物对土壤水分的需求；而随着土壤含水量的增加，灌水量不断向7、8月份集中，在这两个生育阶段作物生长所消耗的水分较大。输出结果与实际情况相对应。

图3 不同地下水埋深情景下灌水量在各生育阶段分配情况

图4 系统净效益及全生育期灌水量随不同初始地下水埋深的变化情况

为了进一步了解作物全生育期灌水量及系统净经济效益受初始土壤含水量影响，建立作物全生育期灌水量及系统净效益与初始土壤含水量变化的关系(图6)。土壤含水量对作物灌水量大小及各生育期的分布均有一定的影响。随着初始土壤含水量增大，引黄灌溉水量也不断减小。此外，随着初始地下水埋深增大，农业经济效益呈现先增大后减小的趋势。当初始土壤含水量为0.080时，系统净经济效益为5.41×108元，当初始土壤含水量为0.193时，系统净经济效益为5.67×108元。多种情境下系统净经济效益约为[5.41,5.67]×108元。研究结果表明，当土壤含水量控制在0.12～0.16时，运用该配水方案可以提高水资源利用效率。

综合上述分析结果可知，初始地下水埋深及初始土壤含水量对引黄灌溉水量及系统净经济效益有较大的影响。研究表明地下水埋深2.5 m可作为土壤轻度盐渍化的一个临界值，即当地下水埋深小于2.5 m时，产生土壤盐渍化问题。地下水埋深变化量过大或者过小都不好，地下水埋深变化在一定范围内就可以保证作物正常生长并避免土壤盐渍化。张义强等、杨会峰等通过在解放闸灌域进行实验研究发现，在大部分地区，地下水埋深2.5 m是轻度盐渍化的临界点，当地下水埋深小于2.5 m时，出现轻度盐渍化现象。而地下水埋深控制在2.0～2.8 m较合适，可保证作物的正常生长并缓解土壤盐渍化的问题。本研究结果与上述研究一致，表明模型在当地具有一定的适用性。

讨 论

针对河套地区地下水埋深浅、土壤盐碱化的问题，已有相关研究考虑了地下水位、土壤含水量，进而获得灌溉水量配置。本研究是对Li等所发展方法的改进，本研究选取初始地下水埋深为2.5 m，初始土壤含水量为0.14情景下的作物需水量、引黄水量、净经济效益值与Li等的水量分配研究结果进行对比。2 种方法所获得各月份作物需水量与引黄灌溉水量对比情况如表3所示。本研究得到的各月份作物需水量值和引黄灌溉水量均相对偏少，但是相差不大，表明将模型从田间尺度运用到灌区尺度有一定的可行性。有研究表明当灌水量超过作物需水量时，作物的产量不会增加反而降低。在Li等的研究中，5月份的灌水量值超过了作物需水量，造成了水资源的浪费，而本研究的所有情景都满足灌水量小于作物需水量这一条件的(表3)，其优化后的配水结果约为4 526 m3/hm2，并产生1.53×104元/hm2的经济效益；本研究优化后引黄水量约为4 145 m3/hm2，产生1.64×104元/hm2的净经济效益。即在初始地下水埋深及土壤含水量较合适的情景下，每hm2可节约灌溉用水381 m3，并增加1 100元经济效益。因此，通过本研究的方法所获得得到的优化结果有更高的单方水效益，用水效率更高。

图5 不同土壤水含量情景下灌水量在各生育阶段的分配

图6 全生育期引黄水量及系统净经济效益随不同初始土壤含水量的变化

表3 解放闸灌域玉米各月份作物需水量与灌溉水量对比值

灌区内的灌溉水资源配置通常需要同时考虑多种作物，但由于资料所限，本研究只针对解放闸灌域的玉米进行研究，今后将尝试收集更多基础数据，以本研究所构建模型为框架，同时对更多作物进行优化配水研究。此外，本研究对于不确定性信息的考虑较少，未来研究中将尝试对配置系统中的不确定性信息进行描述与表征，并引入不确定性方法进一步丰富模型，使研究结果更具实际意义。

5 结 论

本研究构建了基于土壤水平衡的水资源优化配置模型并将其应用于河套灌区解放闸灌域，得到了14 种情景下的优化配水方案。结果表明，初始地下水埋深越浅，所需引黄灌溉水量越少，系统净经济效益越大；初始土壤含水量越小，引黄灌溉水量越大，得到的系统净经济效益越小。此外，当地下水埋深为2.0～2.5 m，土壤含水量为0.12～0.16时得到的配水方案较优, 达到[5.50, 5.59]×108元净经济效益基础，节约引黄水量约5.34×107m3。本研究验证了模型在灌区尺度进行单一粮食作物水资源优化配置的可行性，将为类似地区解决有限水资源配置问题提供配置思路与模型基础。在实际的区域农业水资源配置中往往有多种作物，因此在未来的研究中将考虑基于本研究模型框架建立多作物优化配水模型来指导实际水资源配置。