秦皇島市農(nóng)業(yè)用水特征與節(jié)水效益分析計(jì)算

王成建

（河北省水文水資源勘測(cè)局，河北石家莊 050031）

1 秦皇島市概況

秦皇島市位于河北省東北部，地理坐標(biāo)為北緯39°24′～40°37′、東經(jīng)118°33′～119°51′，轄海港區(qū)、山海關(guān)區(qū)、北戴河區(qū)和昌黎縣、撫寧縣、盧龍縣、青龍滿族自治縣[1]。全市海岸線長126.4 km，有山地、丘陵、平原和盆地等地貌。

山地主要分布于撫寧、盧龍縣北部長城一線及青龍滿族自治縣全境，南部有縱向、橫向各三四條較低山脈。整個(gè)山地屬燕山山脈東段，以東西走向?yàn)橹?，面積4 538.4 km2，占全市總面積的58.09%，海拔一般在200～1 500 m，屬中低山。山間丘陵主要在北部山區(qū)，海拔一般在100～200 m，其特點(diǎn)是不連續(xù)、面積較小。山前丘陵為境內(nèi)丘陵主體，面積約占丘陵總面積的70%以上，集中分布于盧龍縣和撫寧縣中部，海拔100 m左右，形態(tài)多為渾圓和緩坡丘。其余丘陵主要分布于戴河以東侵蝕臺(tái)地上，多以孤立殘丘出現(xiàn)，海拔50 m左右。丘陵面積1 863.8 km2，占全市總面積23.86%。平原主要分布于昌黎縣中南部、撫寧縣南部及市區(qū)沿海部分，有小面積分布于盆地中及山地丘陵間，以洪積、沖積平原為主。昌黎和撫寧縣南部平原是全市平原的主體，其形態(tài)特征是連片、少有起伏、北高南低、稍有傾斜，基本廣闊平坦，海拔0～20 m。平原面積1 410.2 km2，占全市總面積的18.08%。

2 秦皇島市用水結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)河北省用水資料統(tǒng)計(jì)方法和內(nèi)容，秦皇島市主要有農(nóng)業(yè)灌溉用水、林牧漁畜業(yè)用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水、居民生活用水、生態(tài)環(huán)境用水等[2]。

農(nóng)業(yè)用水包括水田、水澆地、菜田用水等。林牧漁畜用水包括林果灌溉用水、草場(chǎng)補(bǔ)水、魚塘補(bǔ)水、牲畜用水等。工業(yè)用水按火（核）電、國有級(jí)規(guī)模以上企業(yè)、規(guī)模以下企業(yè)統(tǒng)計(jì)。城鎮(zhèn)公共用水包括建筑業(yè)和服務(wù)業(yè)兩項(xiàng)用水。居民生活用水分為城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活用水。生態(tài)環(huán)境用水分為城鎮(zhèn)環(huán)境和農(nóng)村環(huán)境用水等。

設(shè)在一定時(shí)間尺度內(nèi)，共有n 種用水戶類型｛X1，X2，…，Xn｝，每個(gè)用水戶用水量可表示為｛W1，W2，…，Wn｝，各行業(yè)用水量比例計(jì)算公式為：

式中：Pi為第i 種行業(yè)用水量占總用水量的比例；Wi為第i種行業(yè)用水量（萬m3）；W為各用水行業(yè)總用水量（萬m3）。

根據(jù)2001—2013年用水量資料統(tǒng)計(jì)，秦皇島市多年平均用水量為8.925 1億m3。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算各行業(yè)用水量多年平均值，分析各行業(yè)用水結(jié)構(gòu)情況[3]。秦皇島市各行業(yè)用水比重，如圖1所示。

圖1 秦皇島市各用水行業(yè)用水比重

從圖1 可以看出，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占總用水量的63.4%，工業(yè)用水量占總用水量的15.0%，居民生活用水量占總用水量的9.1%，林牧漁畜業(yè)用水量占總用水量的8.0%，城鎮(zhèn)公共用水占總用水量的3.5%，生態(tài)環(huán)境用水量占總用水量的1.0%。

3 農(nóng)業(yè)灌溉用水指標(biāo)分析

農(nóng)業(yè)灌溉用水指標(biāo)反映一個(gè)地區(qū)的灌溉效益，灌溉設(shè)施效率、渠道防滲效果、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響到一個(gè)區(qū)域的灌溉用水指標(biāo)。其計(jì)算公式為：

式中：B 為農(nóng)業(yè)灌溉用水指標(biāo)（m3/hm2）；W 為農(nóng)業(yè)灌溉年用水量（萬m3）；A為耕地灌溉面積（萬hm2）。

根據(jù)秦皇島市2011年農(nóng)業(yè)用水統(tǒng)計(jì)資料，分析其農(nóng)業(yè)灌溉用水指標(biāo)。秦皇島市2011年耕地灌溉面積8.82 萬hm2、灌溉用水量3.011 9 億m3，經(jīng)計(jì)算，其平均用水指標(biāo)為3 420 m3/hm2。但各縣市用水指標(biāo)相差較大，如撫寧縣農(nóng)業(yè)用水指標(biāo)為5 715 m3/hm2、山海關(guān)區(qū)和昌黎縣為2 610 m3/hm2，相差2.2 倍。秦皇島市農(nóng)業(yè)灌溉用水指標(biāo)計(jì)算成果，見表1。

表1 秦皇島市農(nóng)業(yè)灌溉用水指標(biāo)計(jì)算成果

4 農(nóng)業(yè)節(jié)水效益分析

根據(jù)秦皇島市2006—2013年農(nóng)業(yè)灌溉用水量（不包括菜田用水）統(tǒng)計(jì)資料，其多年平均用水量為3.918億m3；根據(jù)糧食產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)資料，其多年平均糧食產(chǎn)量為84.26萬t。秦皇島市農(nóng)業(yè)用水量與糧食產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，見表2。

表2 秦皇島市農(nóng)業(yè)用水量與糧食產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)

要對(duì)現(xiàn)象變動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，就要建立與長期趨勢(shì)相適應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。最常用的一種配合直線趨勢(shì)模型的方法是最小平方法，又稱最小二乘法[4]。其變化趨勢(shì)直線方程為：

式中：Yt為時(shí)間序列的趨勢(shì)值；a為截距項(xiàng)；b為趨勢(shì)線斜率；t為時(shí)間標(biāo)號(hào)。

農(nóng)業(yè)是在節(jié)水和內(nèi)部挖潛的基礎(chǔ)上穩(wěn)定發(fā)展的[5]。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的大調(diào)整和高科技高附加值產(chǎn)品的提高，農(nóng)業(yè)用水可望在穩(wěn)定現(xiàn)狀的前提下保持農(nóng)業(yè)產(chǎn)值的穩(wěn)定提高。但農(nóng)業(yè)依然是秦皇島市的第一用水大戶，必須依靠節(jié)水灌溉措施來實(shí)現(xiàn)灌溉發(fā)展。

根據(jù)秦皇島市2006—2013年糧食產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，采用趨勢(shì)法分別對(duì)農(nóng)業(yè)用水量和糧食產(chǎn)量進(jìn)行趨勢(shì)分析。秦皇島市糧食產(chǎn)量與灌溉用水量變化過程線，如圖2所示。

圖2 秦皇島市糧食產(chǎn)量與灌溉用水量變化過程線

通過秦皇島市2006—2013年糧食產(chǎn)量和用水量變化分析，建立其變化趨勢(shì)方程式。其中，糧食產(chǎn)量變化趨勢(shì)方程式為：

用水量變化趨勢(shì)方程式為：

利用上述變化趨勢(shì)方程式，分別求得用水量和糧食產(chǎn)量變化情況。結(jié)果表明，秦皇島市糧食產(chǎn)量平均每年增加0.190 8萬t，而用水量（水田和水澆地）平均每年減少0.136 3億m3。這說明，由于采用各種節(jié)水措施，秦皇島市在用水量減小的情況下糧食穩(wěn)步增產(chǎn)。

5 農(nóng)業(yè)節(jié)水措施分析

目前，秦皇島市農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉措施主要有微灌、噴灌和低壓管道輸水設(shè)施等。微灌是利用微灌設(shè)備組裝成微灌系統(tǒng)，將有壓水輸送分配到田間，通過灌水器以微小的流量濕潤作物根部附近土壤的一種灌水技術(shù)[6]。微灌按灌水器及出流形式的不同，主要分為滴灌、微噴灌、小管出流、滲灌等形式。

噴灌是把有壓力的水通過裝有噴頭的管道噴射到空中形成水滴灑到田間的灌水方法。這種灌溉方法比傳統(tǒng)的地面灌溉節(jié)水40%～50%，具有許多優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)范圍很廣，對(duì)土地平整要求不高，在地形復(fù)雜的山崗緩坡地、大小不平的田塊都可進(jìn)行，大田作物、瓜果蔬菜、經(jīng)濟(jì)作物、果樹、牧草等都可以采用；同時(shí)，既可用來灌溉農(nóng)作物，又可用來噴灑肥料、農(nóng)藥，還可用來防霜凍和防干熱風(fēng)等[7]。但是，其也有缺點(diǎn)：主要是投資費(fèi)用大；受風(fēng)速和氣候影響大，當(dāng)風(fēng)速大于5.5 m/s時(shí)（相當(dāng)于4級(jí)風(fēng)）就能吹散雨滴，降低噴灌均勻性，在氣候干燥時(shí)，蒸發(fā)損失增大，會(huì)降低灌溉效果。

管道輸水灌溉是以管道代替明渠輸水灌溉的一種工程形式，借助分水設(shè)施將水輸送到田間[8]。管道輸水類型多樣，應(yīng)用范圍大，大中型灌區(qū)可以采用明渠水與管道有壓輸水相結(jié)合的形式，既有專門為噴灌供水的壓力輸水管道，也有為田間溝畦滴灌的低壓輸水管道[9]。管道輸水可以減少滲漏損失和蒸發(fā)損失，與土壟溝相比，低壓管道輸水損失可下降5%，水的利用率比土渠可提高30%～40%，而且投資少，施工簡(jiǎn)便，深受農(nóng)民歡迎。

根據(jù)2011年農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉資料統(tǒng)計(jì)，秦皇島市有效灌溉面積為12.42 萬hm2，其中節(jié)水灌溉面積1.86 萬hm2，節(jié)水灌溉面積占有效灌溉面積的16.58%。而秦皇島市節(jié)水灌溉主要采用低壓管道輸水措施，總面積1.54 萬hm2，占總節(jié)水面積（低壓管道輸水、微灌、噴灌）的82.8%。在各行政區(qū)，節(jié)水灌溉比例相差較大，如青龍縣節(jié)水灌溉面積達(dá)到48.94%，而盧龍縣節(jié)水灌溉面積僅占5.77%。秦皇島市農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積統(tǒng)計(jì)，見表3。

6 結(jié)論

利用秦皇島市2001—2012年用水量資料，分別對(duì)該市各行業(yè)用水比例、農(nóng)業(yè)用水量變化趨勢(shì)、農(nóng)業(yè)用水效益、農(nóng)業(yè)節(jié)水措施等進(jìn)行分析。結(jié)果表明，秦皇島市多年平均用水量8.925 1億m3，各行業(yè)用水比重如下：農(nóng)業(yè)灌溉用水量占總用水量的63.4%，工業(yè)用水量占總用水量的15.0%，居民生活用水量占總用水量的9.1%，林牧漁畜業(yè)用水量占總用水量的8.0%，城鎮(zhèn)公共用水量占總用水量的3.5%，生態(tài)環(huán)境用水量占總用水量的1.0%。

表3 秦皇島市農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積統(tǒng)計(jì)

由于采用各種節(jié)水措施，秦皇島市在用水量減小的情況下糧食穩(wěn)步增產(chǎn)。通過對(duì)2006—2013年糧食產(chǎn)量變化和用水量變化分析發(fā)現(xiàn)，秦皇島市糧食產(chǎn)量平均每年增加0.190 8萬t而用水量平均每年減少0.136 3 億m3，主要源于采用農(nóng)業(yè)節(jié)水措施、農(nóng)作物優(yōu)良品種和先進(jìn)的耕作措施等。

農(nóng)業(yè)用水量減少和糧食增產(chǎn)主要源于開展農(nóng)業(yè)節(jié)水，秦皇島市農(nóng)業(yè)節(jié)水面積占有效灌溉面積的16.58%，農(nóng)業(yè)節(jié)水主要以低壓管道輸水措施為主。秦皇島市山區(qū)丘陵較多，適合節(jié)水灌溉的農(nóng)田受地貌環(huán)境的制約，致使農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉面積擴(kuò)大受到限制。

[1]秦皇島市水務(wù)局.秦皇島市水資源評(píng)價(jià)[R].秦皇島：秦皇島市水務(wù)局，2003．

[2]中華人民共和國水利部.中國水資源公報(bào)2007[R].北京：中國水利水電出版社，2008．

[3]河北省水利廳.河北省水資源公報(bào)[R].石家莊：河北省水利廳，2001—2013．

[4]陳汝棟，于延榮.數(shù)學(xué)模型與數(shù)學(xué)建模[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009．

[5]劉俊萍，暢明琦.農(nóng)業(yè)節(jié)水是現(xiàn)代生產(chǎn)力發(fā)展的要求[J]．生產(chǎn)力研究，2007，（21）：57-59．

[6]楊旭.城市用水量變化影響因素及其預(yù)測(cè)方法[J]．黑龍江科技信息，2008，（18）：63-64．

[7]候喜豐.實(shí)用農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009．

[8]王留運(yùn).低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)[M].鄭州：黃河水利出版社，2011．

[9]梁春玲，劉群昌，王韶華.低壓管道輸水灌溉技術(shù)發(fā)展綜述[J].水利經(jīng)濟(jì)，2007，25（5）：35-37．