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農(nóng)業(yè)灌溉由于具有用水量大，用水效率較低的特點(diǎn)，決定了其成為我國(guó)節(jié)水內(nèi)容的重點(diǎn)。在以往的灌區(qū)節(jié)水規(guī)劃和改造實(shí)踐中，工程類的灌溉節(jié)水項(xiàng)目，如渠道襯砌、節(jié)水管道鋪設(shè)等，往往成為灌區(qū)節(jié)水的核心。隨著工程節(jié)水投資的加大，節(jié)水成本加速增長(zhǎng)，而另一方面，隨著信息的不斷透明和謀求自身利益和發(fā)展的需要，農(nóng)民開(kāi)始注重使自己的生產(chǎn)種植規(guī)劃迎合市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的需求，出于增產(chǎn)增收的目的，灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生調(diào)整，傳統(tǒng)單一糧食作物種植結(jié)構(gòu)正逐步向多元化經(jīng)濟(jì)作物種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，且有研究表明［1－3］，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整不僅能促進(jìn)農(nóng)民增收，而且可以有效減少灌區(qū)用水量，因此以調(diào)整種植結(jié)構(gòu)為代表的節(jié)水措施在我國(guó)大中型灌區(qū)節(jié)水規(guī)劃工作中，開(kāi)始逐步得到應(yīng)用和普及，并發(fā)揮著越來(lái)越大的效用。

1研究區(qū)概況

寧夏平原區(qū)地處西北內(nèi)陸，天然降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水資源稟賦條件很差。對(duì)于寧夏平原區(qū)而言，水資源主要包括周邊地表、地下來(lái)水，黃河干流和降水產(chǎn)生的地表地下水資源。受先天的自然地理?xiàng)l件所限，由當(dāng)?shù)亟邓a(chǎn)生的地表地下水資源量極其有限，且來(lái)自山前的周邊地表地下水資源量也十分稀少，因此，引用和消耗黃河干流水資源量成為平原區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐，"天下黃河富寧夏"，由此可見(jiàn)一斑。隨著近年來(lái)黃河來(lái)水銳減，一方面黃委實(shí)行"豐增枯減"一刀切的水量分配辦法，另一方面，不斷加快的西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略促使寧夏經(jīng)濟(jì)快速迅猛發(fā)展，對(duì)水資源的需求越來(lái)越高。寧夏平原區(qū)一直是寧夏的精華地帶，其農(nóng)業(yè)發(fā)展是耗黃水量的主要貢獻(xiàn)者。2004年，寧夏平原區(qū)總灌溉面積37．48萬(wàn)hm2，其中水稻面積7．67萬(wàn)hm2，套種面積9．77萬(wàn)hm2，這兩種作物種植面積幾乎占整個(gè)平原區(qū)總灌溉面積的一半，而經(jīng)濟(jì)附加值較高的菜田面積則不足10%，優(yōu)質(zhì)飼草面積所占比例更是微乎其微，僅為0．55%。可見(jiàn)，寧夏平原區(qū)現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)以糧食為主，以特色優(yōu)勢(shì)農(nóng)產(chǎn)品為輔，經(jīng)濟(jì)作物相對(duì)較低，其農(nóng)業(yè)的發(fā)展基本上代表了寧夏未來(lái)整個(gè)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。目前，耗黃指標(biāo)的嚴(yán)格控制以及大面積、低效益的糧食種植面積，無(wú)疑加劇了寧夏平原區(qū)用水負(fù)擔(dān)。在當(dāng)前及今后的地區(qū)用水規(guī)劃和管理中，尤其是灌區(qū)節(jié)水改造規(guī)劃工作中，大力推進(jìn)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整必將成為寧夏平原區(qū)未來(lái)緩解用水緊張，增加用水效益的一個(gè)強(qiáng)力有效的突進(jìn)。

2用水機(jī)理分析

水從水源處輸送到田間再到被作物吸收利用形成干物質(zhì)量，整個(gè)過(guò)程可以分為三個(gè)部分:一是水自水源處經(jīng)由各類輸配水渠道輸送到田間;二是水在田面上逐漸入滲，由地表水轉(zhuǎn)化為土壤水;三是作物根系從土壤中吸收水分，運(yùn)移到植株體內(nèi)，供生長(zhǎng)發(fā)育所用。顯然，農(nóng)業(yè)灌溉用水即圍繞這三個(gè)過(guò)程展開(kāi)。目前對(duì)農(nóng)業(yè)用水和節(jié)水機(jī)理的認(rèn)識(shí)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面［4－6］:一是從傳統(tǒng)的取用水量角度出發(fā)，衡量節(jié)水措施實(shí)施下的取用水量的節(jié)約值，即將水資源在整個(gè)用水過(guò)程中的所有耗散項(xiàng)(蒸發(fā)蒸騰量)和滲漏項(xiàng)均包括在內(nèi)，而不考慮水資源的循環(huán)轉(zhuǎn)化特性。實(shí)際上，對(duì)于某一具體的用水區(qū)域而言，水的滲漏項(xiàng)只是一個(gè)水量賦存形式發(fā)生變化的過(guò)程，由地表水轉(zhuǎn)化為土壤水或地下水，水量并沒(méi)有消失，仍可在本區(qū)域的其他時(shí)間或空間上重新利用，因此不能作為水量損失項(xiàng)看待，也就是說(shuō)，這部分水量并沒(méi)有真正得到節(jié)約，只是改變了一下存在形式而已;二是從資源的角度出發(fā)，將水資源等同于石油、礦產(chǎn)，尋求水的資源性消耗量，認(rèn)為水的耗散量(蒸發(fā)蒸騰量)才是水資源的真正消耗，這部分水量一旦被耗用，將無(wú)法再重新回到區(qū)域的整個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)中，因此，節(jié)水的研究應(yīng)針對(duì)這部分水量開(kāi)展，考慮節(jié)水措施下的耗水量減少值。當(dāng)然，無(wú)論是取用水節(jié)水還是耗水節(jié)水，都需要通過(guò)采取一定的節(jié)水措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，取用水節(jié)水和耗水節(jié)水是相伴而生的，取用水節(jié)水是耗水節(jié)水的表現(xiàn)，耗水節(jié)水是取用水節(jié)水的核心，二者之間關(guān)系密切，不可分割。

3計(jì)算模型及方法

根據(jù)所建立的平原區(qū)水循環(huán)模擬模型對(duì)不同種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方案下的雙重節(jié)水效果進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)未來(lái)不同種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方案下的區(qū)域水資源的消耗、運(yùn)移和轉(zhuǎn)換規(guī)律，分析相應(yīng)的用水與耗水變化機(jī)制，建立取用水節(jié)水與耗水節(jié)水之間的定量對(duì)比關(guān)系。寧夏平原區(qū)是一個(gè)幾乎完全受人工干擾的以垂向蒸散發(fā)為主的水資源利用研究區(qū)。根據(jù)變化環(huán)境下的區(qū)域水循環(huán)轉(zhuǎn)換機(jī)制，建立基于自然和人工雙重作用下的水循環(huán)模擬模型，旨在分析人工干擾頻繁的徑流耗散區(qū)水循環(huán)過(guò)程［7－8］。模型以水量平衡為基礎(chǔ)，以人工灌溉區(qū)域和排水區(qū)域包含的類似子流域的區(qū)域作為計(jì)算單元?jiǎng)澐只A(chǔ)，共分四層，7630個(gè)水循環(huán)單元(圖1)，假定在每一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，水循環(huán)過(guò)程是均勻變化的，選擇以日為計(jì)算時(shí)段進(jìn)行平原區(qū)水循環(huán)的模擬，實(shí)現(xiàn)水資源的時(shí)空動(dòng)態(tài)模擬。其中蒸發(fā)蒸騰量模擬是區(qū)域水循環(huán)模擬的核心環(huán)節(jié)。考慮區(qū)內(nèi)的土地利用變異問(wèn)題，每個(gè)分區(qū)單元的蒸發(fā)蒸騰可能包括植被蒸騰、植物截留蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)和水域蒸發(fā)等多項(xiàng)，水域蒸發(fā)、植被截留蒸發(fā)、植被蒸騰和裸地蒸發(fā)分別采用Penman公式、Noilhan－Planton模型、Penman－Monteith公式以及修正后的Penman公式進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算，不透水域的蒸發(fā)根據(jù)降水量、地表(洼地)儲(chǔ)留能力和潛在蒸發(fā)能力由Penman公式進(jìn)行求解。

4方案設(shè)置

種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的原則是在確保糧食安全的前提下，考慮作物需水、供水和缺水規(guī)律，根據(jù)市場(chǎng)需求，提高耗水少、產(chǎn)量附加值高和銷路好的經(jīng)濟(jì)作物比例，建立節(jié)水高效型種植結(jié)構(gòu)，優(yōu)化各生產(chǎn)要素的時(shí)空配置，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)自然資源的生產(chǎn)潛力，最大限度的擺脫水危機(jī)。對(duì)于水資源短缺地區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源利用而言，應(yīng)在確保糧食安全的基礎(chǔ)上，減少耗水大、效益低的糧食作物，增加耗水少、效益高的經(jīng)濟(jì)作物。水稻和套種是寧夏平原區(qū)耗水量最大的作物，也是作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)，未來(lái)寧夏平原區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整主要方向?yàn)?1)壓縮水稻面積;2)壓縮小麥套種玉米面積;配合農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)果調(diào)整，進(jìn)一步壓縮套種面積，改為單種小麥、飼草、玉米或是蔬菜等。據(jù)此目標(biāo)，設(shè)定以下7個(gè)調(diào)整方案。其中方案1為現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)。方案1、方案2、方案3和方案4均保持玉米套種面積不變，調(diào)整水稻及其他作物;方案3、方案5、方案6和方案7均保持水稻面積不變，調(diào)整玉米套種及其他作物。具體調(diào)整方案(表1)。

5模型計(jì)算結(jié)果分析

5．1種植結(jié)構(gòu)調(diào)整下的取用水資源耗用狀況分析寧夏平原區(qū)水資源條件較為復(fù)雜，用水來(lái)源主要包括周邊地表、地下來(lái)水，黃河干流和降水產(chǎn)生的地表地下水資源［9－10］。盡管從水量上分析，當(dāng)?shù)亟邓椭苓厑?lái)水量較少，引用和消耗黃河干流水資源量是平原區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐，但在用水實(shí)踐過(guò)程中，各類水分相互交織且運(yùn)移轉(zhuǎn)化，因此，不僅需要分析廣義水資源消耗利用情況，還要對(duì)相應(yīng)措施下的耗黃水量變化作重點(diǎn)研究，以此作為未來(lái)區(qū)域用水和節(jié)水的主攻方向。通過(guò)平原區(qū)水循環(huán)模擬模型的結(jié)果對(duì)比可知(表2):1)對(duì)于平原區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展而言，黃河水量是重要的支柱性水源，在廣義水資源消耗量中，對(duì)黃河水量的消耗占據(jù)75%以上，充分證明了"天下黃河富寧夏"的這一說(shuō)法。2)隨著種植結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的增強(qiáng)，高耗水作物面積大幅度減少，引黃水量、廣義水資源消耗量、耗黃水量及其他水量消耗，整體呈現(xiàn)遞減態(tài)勢(shì)。3)在現(xiàn)狀年應(yīng)用黃河水量情況下，雖然隨著種植結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的增強(qiáng)，耗黃水量在引黃水量中的比重逐步加大，但農(nóng)業(yè)對(duì)黃河水量的實(shí)際消耗平均約為45%，說(shuō)明在引用的黃河水量中，只有不足一半的水量被作物蒸發(fā)蒸騰消耗掉，農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用率僅為45%，大量的黃河水量被白白浪費(fèi)，即便將滲漏量也包含在內(nèi)，用水效率平均能達(dá)到65%左右，可見(jiàn)，寧夏平原區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率不高，節(jié)水潛力較大。

5．2種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)區(qū)域節(jié)水的促進(jìn)作用種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方向是以低耗水、高效益的作物替代高耗水、低效益的作物，結(jié)構(gòu)調(diào)整的本身已經(jīng)蘊(yùn)涵了節(jié)水的方向，即減少耗水。以下分析單獨(dú)調(diào)整水稻或套種，以及兩者綜合作用下對(duì)區(qū)域節(jié)水的促進(jìn)作用，以供區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展借鑒。(1)水稻調(diào)整對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水的影響。在研究水稻對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水的影響中，以方案1為基準(zhǔn)，其他方案與該方案取用水和耗水差值作為水量節(jié)約量。由表3可知，隨著水稻面積的減少，農(nóng)業(yè)取用水水量和耗水水量均逐漸減少，農(nóng)業(yè)取用水節(jié)水量和耗水節(jié)水量逐漸增加，方案4與方案1相比，農(nóng)業(yè)取用水量減少了2．48億m3，而耗水水量?jī)H減少了0．61億m3。(2)套種調(diào)整對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水的影響。在研究水稻對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水的影響中，以方案3為基準(zhǔn)，其他方案與該方案取用水和耗水差值作為水量節(jié)約量。由表4可知，隨著套種面積的減少，農(nóng)業(yè)取用水水量和耗水水量均逐漸減少，農(nóng)業(yè)取用水節(jié)水量和耗水節(jié)水量逐漸增加，方案7與方案3相比，農(nóng)業(yè)取用水量減少了3．6億m3，而耗水水量?jī)H減少了1．45億m3。(3)組合方案對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水的影響。以上分別對(duì)單獨(dú)調(diào)整水稻和套種進(jìn)行分析，水稻和套種均是寧夏平原區(qū)未來(lái)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)，因此應(yīng)分析二者組合方案下農(nóng)業(yè)水量的變化。

6結(jié)論

水循環(huán)是研究一切水問(wèn)題的基礎(chǔ)，寧夏用水條件具有特殊性和復(fù)雜性，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整是一項(xiàng)對(duì)用水過(guò)程的干預(yù)調(diào)整行為，合理的調(diào)整方向不僅能實(shí)現(xiàn)地區(qū)水資源的充分節(jié)約和高效利用，而且還能促進(jìn)區(qū)域水資源的良性循環(huán)［11］。根據(jù)文中研究，可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論及建議。(1)寧夏平原區(qū)用水應(yīng)根據(jù)黃河水量，量水而行。寧夏平原區(qū)用水，尤其是農(nóng)業(yè)發(fā)展用水，應(yīng)根據(jù)黃河來(lái)水變化，在限定的耗黃水量指標(biāo)下，及時(shí)進(jìn)行科學(xué)用水規(guī)劃，合理分配有限水資源量，盡可能采取各種有效節(jié)水措施，提高水分有效和高效附加值。(2)應(yīng)注重取用水節(jié)水和耗水節(jié)水之間的定量關(guān)系。文中數(shù)據(jù)系列較少，對(duì)取用水節(jié)水和耗水節(jié)水之間的關(guān)系只是進(jìn)行了初步探討，但已有跡象表明，二者之間存在著某種不可分割的定量關(guān)系。因此，在今后的節(jié)約用水過(guò)程中，應(yīng)著重加強(qiáng)取用水和耗水二者之間的機(jī)理分析和量化研究，力爭(zhēng)在用水實(shí)踐中通過(guò)對(duì)取用水量的測(cè)算來(lái)表現(xiàn)和衡量對(duì)水資源的消耗本質(zhì)。(3)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整力度及節(jié)水效果定量關(guān)系描述尚有困難。種植結(jié)構(gòu)調(diào)整措施雖是一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)合算、效益明顯的高效節(jié)水措施，但因其結(jié)構(gòu)調(diào)整呈現(xiàn)多樣化、復(fù)雜化特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)調(diào)整往往同農(nóng)民意愿和思想認(rèn)識(shí)緊密聯(lián)系;在定量表現(xiàn)方法上，與其他節(jié)水措施不同，無(wú)法用某一單獨(dú)數(shù)據(jù)表示(如渠系襯砌可用襯砌率表示襯砌實(shí)施規(guī)模)，而是多種作物面積的比例關(guān)系，因此，在衡量種植結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的大小及其與相應(yīng)節(jié)水效果之間的關(guān)系時(shí)尚存在一定的問(wèn)題。(4)應(yīng)嘗試綜合措施下的節(jié)水效果研究。節(jié)水措施多種，且因時(shí)因地而異，如何將這些措施綜合考慮，評(píng)價(jià)其對(duì)節(jié)水效果的影響，同時(shí)將其應(yīng)用于未來(lái)的水資源管理和生產(chǎn)實(shí)踐中，是一件任重道遠(yuǎn)的大事。