王丽红，刘路广，刘能胜，陈丽娟，潘少斌

(1.湖北省水利水电职业技术学院，武汉 430070；2. 湖北省水利水电科学研究院，武汉 430070)

鄂北地区位于湖北省北部，是有名的“旱包子”地。随着城镇化进程的加快，城镇供水挤占农业灌溉用水和生态环境用水现象日益严重，旱灾频繁。水资源供需矛盾已严重制约当地经济发展和社会稳定，是鄂北地区最直接和最现实的民生问题。农业用水是第一大用水户，农业节水是缓解水资源供需矛盾的有效措施，许多研究成果表明[1-3]，采用节水灌溉模式可减少水分无效损失。本文针对鄂北地区水情现状及湖北省灌溉试验站分布，采用位于该区的长渠灌溉试验站灌溉试验成果，构建田间水稻生长模型，对灌溉模式进行优化分析，提出鄂北地区适宜的灌溉模式，计算分析鄂北地区水稻不同灌溉模式的传统节水潜力和真实节水潜力。该研究对缓解水资源供需矛盾和实现最严格水资源管理制度总量红线指标具有重要意义。

1 鄂北地区水稻生长模型的构建

长渠灌溉试验站为湖北省重点试验站，开展了水稻不同灌溉模式田间试验。试验采用坑测法，设计了浅灌模式、中蓄模式、湿润模式3种处理，3次重复。3种灌溉模式田面水层控制标准见表1。移栽前一次下足底肥(碳酸氢铵、过磷酸钙各750 kg/hm2)，返青期末追尿素150 kg/hm2。前茬作物为小麦，移栽前耕耙各2次。计划防治病虫害3～5次，适时晒田，叶面追肥(拔节孕穗期)。

田间水稻生长模型采用ORYZA模型，该模型在水稻生长模拟方面已得到了广泛应用[4]。长渠灌溉试验站开展了水稻不同灌溉模式的田间试验，但缺乏水稻不同生育阶段生物量、叶面积指数等相关观测资料，无法对ORYZA模型基本参数进行精确率定，需通过附近灌溉试验站实测资料对模型基本参数进行初步率定。团林灌溉试验站(湖北省中心站)位于荆门市团林镇，与长渠灌溉试验站相距约97 km，气候、地理特征相近，中稻品种和管理措施相似，且该站具有丰富的水稻灌溉试验资料。因此，采用团林灌溉试验站资料对ORYZA模型基本参数进行初步率定，然后采用长渠灌溉试验站水稻产量资料对模型生长速率等参数进一步率定和验证。

表1 长渠灌溉试验站中稻灌溉制度试验处理水层 mm

(1)采用长渠灌溉试验站水稻物候实测资料对ORYZA模型中物候相关参数(阶段发展速率参数DVRJ、DVRI、DVRP、DVRR)进行率定。

(2)采用团林灌溉试验站多年水稻灌溉试验资料，对ORYZA模型中的基本作物参数(干物质分配系数FLV、FST、FSO，死叶速率DRLV等)进行初步率定。

(3)采用2010年和2011年逐日气象资料和不同灌溉模式的产量资料，对模型参数进一步率定和验证。

主要通过水稻产量对ORYZA模型进行率定和验证，见表2。由表2可知，浅灌、中蓄2种灌溉模式水稻产量模拟值小于实测值，而湿润灌溉模式模拟值偏高。不同灌溉模式，率定期产量模拟值保持不变，而验证期产量模拟值有较小的差异。主要因为3种灌溉模式水稻生育期内灌溉控制下限最小设定为0，即不会造成水稻产生水分胁迫现象，仅分蘖后期晒田时可能因为期间气象因素影响造成水稻生长不同程度的短期水分胁迫。ORYZA模型可模拟水分胁迫对水稻生长的影响，无法模拟水层深度对水稻生长的影响。率定期晒田期间由于降雨充沛，未造成水稻生长产生水分胁迫现象，不同灌溉模式下产量模拟值无变化；而验证期由于不同灌溉模式下晒田期初始水层的差异，且晒田期间降雨较少，使得水稻在生长模拟过程中受到不同程度的水分胁迫，因此不同灌溉模式下产量具有差异。总之，在率定和验证期，产量模拟值与实测值吻合较好，表明该模型就有较好的适用性，模型中的参数取值合理且模拟精度可靠。

表2 水稻产量实测值与模拟值对比

2 鄂北地区适宜灌溉模式模拟分析

2.1 灌溉模式处理设计

(1)雨后蓄水深度统一设定为60 mm。

(2)灌溉下限。返青期水稻根系发育不全，幼苗较脆弱，不宜受旱；抽穗开花期对水分最敏感，水分胁迫会造成严重减产，因此返青期和抽穗开花期需保持水层；黄熟期自然落干。其他生育阶段按水稻根区土壤(耕作层)饱和含水率的百分比设定为：95%、90%、85%、80%、70%、60%等6个水平。

(3)灌水定额设定为20、30、40、50、60 mm等5个水平。

不同灌溉下限(6个水平)、不同灌水定额(5个水平)共计30个处理，每个处理模拟30年(1981-2010年)，模型共运行900次。

2.2 不同灌溉下限不同灌水定额的水稻生长模拟结果

不同灌溉下限不同灌水定额的水稻产量多年均值见表3。由表3可知，同一灌溉下限，不同灌水定额的水稻产量多年均值差异较小。随灌水定额的增加，水稻产量也未表现出一致性的规律。因此，灌水定额对水稻产量影响很小。同一灌水定额，不同灌溉下限对水稻产量具有较明显的影响，且表现为水稻多年平均产量随灌溉下限的下降而减少的变化规律。当灌溉下限为80%～100%时，水稻产量下降不明显；当灌溉下限小于80%时，水稻产量减产显著。

表3 不同灌溉下限不同灌水定额对应的水稻产量多年均值 kg/hm2

2.3 不同灌溉下限不同灌水定额的水稻灌溉定额

不同灌溉下限，不同灌水定额水稻本田期灌溉定额见图1(a)。由图1(a)可知，同一灌溉下限，不同灌水定额对灌溉定额具有较明显的影响，随灌水定额的增加，水稻本田期灌溉定额均表现为增加趋势。同一灌水定额，不同灌溉下限对灌溉定额具有较明显的影响，且表现为灌溉定额多年平均值随灌溉下限的降低而减少。当灌溉下限为80%～100%时，灌溉定额相差较小；而灌溉下限低于80%时，灌溉定额出现明显下降。

2.4 不同灌溉下限不同灌水定额的水稻灌溉次数

不同灌溉下限不同灌水定额的灌水次数见图1(b)。由图1(b)可知，同一灌溉下限时，灌水定额越小，灌溉次数越多。当灌水定额低于30 mm/次时，灌溉次数明显增加，而灌水定额为30～60 mm/次时，灌溉次数相近，差异不大。同一灌水定额，不同灌溉下限对灌溉次数也具有较明显的影响，且基本表现为随灌溉下限增加而减少的变化趋势。当灌溉下限高于耕作层土壤饱和含水率的80%时，灌溉次数几乎相同；当灌溉下限继续降低(低于80%)，灌溉次数明显较少，主要由于水稻本田期灌溉定额较少。

图1 不同灌溉下限时不同灌水定额的水稻灌溉定额和灌溉次数

2.5 鄂北地区水稻适宜灌溉模式

根据上述分析可知，当灌溉下限低于80%时，水稻本田期的灌溉定额显著减少，但水稻产量产生明显减产现象；同一灌溉下限时，灌水定额为50～60 mm/次时，水稻本田期的灌溉次数显著减少，但水稻本田期灌溉定额较大；同一灌溉下限时，灌水定额为20～30 mm/次时，水稻本田期的灌溉定额明显降低，但灌溉次数较多，增加了田间管理的难度。综合对比分析，本研究推荐的适宜灌溉模式为：蓄水深度为60 mm；返青期和抽穗开花期需保持水层，其他生育期灌溉下限设定为耕作层土壤饱和含水率的80%；灌水定额为30～40 mm/次。

3 鄂北地区节水潜力计算分析

3.1 传统节水潜力计算

(1)计算方法。通常把实施节水灌溉措施前毛灌溉水量与实施节水灌溉措施后毛灌溉水量的差值作为传统节水潜力，计算方法为：

式中：ΔW为传统节水潜力，m3；M0,net为节水灌溉模式实施前的净灌溉定额，m3/hm2；M1,net为节水灌溉模式实施后的净灌溉定额，m3/hm2；η0为节水措施实施前的灌溉水利用系数；η1为节水措施实施后的灌溉水利用系数；A为灌溉面积，hm2。

(2)参数确定。①灌溉水利用系数。参考最严格水资源管理制度红线指标和湖北省现代灌溉发展规划综合确定；②水稻种植面积。主要采用各县市2013年统计年鉴数据。见表4。③净灌溉定额。根据试验数据，湿润灌溉模式优于中蓄模式和浅灌模式，湿润模式净灌溉定额为7 425 m3/hm2；中蓄模式为9 735 m3/hm2；浅灌模式为9 840 m3/hm2。试验数据与大田实际灌溉定额相比偏大，主要由于测坑年久失修，漏失现象严重。根据模型模拟成果可知，浅灌模式为4 215 m3/hm2，中蓄模式为4 170 m3/hm2；湿润模式为4 050 m3/hm2；优化推荐灌溉模式为3 420 m3/hm2。模拟值与试验值相差较大是因为模拟考虑了梨底层作用，因此模拟成果与实际更相近。由于大田灌溉模式与浅灌模式或中蓄模式相近，因此，M0,net取二者平均值，为4 192.5 m3/hm2；M1,net取推荐模式，为3 420 m3/hm2。

表4 种植面积及灌溉水利用系数

(3)计算成果。根据计算参数和计算公式，采用鄂北地区适宜灌溉模式，鄂北地区传统节水潜力为3.94亿m3。

3.2 耗水节水潜力计算

(1)计算公式。区域内某部门或行业通过各种节水措施所节约出来的水资源量并没有损失，仍然存留在区域水资源系统内部，或被转移到其他水资源紧缺的部门或行业，满足该部门或行业的需水要求，因此取用水的减少量并没有实现真正意义上节水。为了克服传统节水潜力评价和计算方法的局限性，许多学者主张从水资源消耗特性出发，研究区域真正节水潜力，提出了耗水节水潜力[5]。根据耗水节水潜力的定义及已有的研究成果可知，耗水节水潜力的计算公式为：

WET=10(ET基准-ET节水)A

式中：WET为耗水节水潜力，m3；ET基准为未实施节水措施前的基准ET，mm；ET节水为实施节水措施后的ET，mm；A为研究区的面积，hm2。

(2)耗水节水潜力计算。根据试验成果，浅灌模式作物腾发量为532.7 mm；中蓄模式为526.3 mm；湿润模式为506.6 mm。将湿润模式记为ET节水，取506.6 mm；将浅灌模式和中蓄模式的平均值作为ET基准，取529.5 mm。与现有灌溉模式相比，采用湿润灌溉模式耗水节水潜力为5 790.6 万m3。

根据模拟成果，湿润模式为468.4 mm；推荐模式为423.5 mm。模拟值与观测值相比，偏小，主要原因是模型识别的水稻生育期与观测时间相比偏小10 d左右，因此模拟成果与实际成果较为吻合。根据模拟成果，与湿润模式相比，鄂北地区适宜的灌溉模式的耗水节水潜力为1.1 亿m3。

与现有灌溉模式相比，若采用适宜的灌溉模式，耗水节水潜力可达到1.68 亿m3。耗水节水潜力低于传统节水潜力，主要是由于回归水重复利用。从另一角度，采用 优化后的适宜灌溉模式，鄂北地区至少可以节约用水1.68亿m3，可见，鄂北地区节水潜力巨大。

[1] 庄德续, 司振江, 李芳花. 不同灌溉模式水稻需水规律研究[J]. 节水灌溉, 2014,(8):1-3.

[2] 崔远来, 李远华, 李新健, 等. 非充分灌溉条件下稻田优化灌溉制度的研究[J]. 水利学报, 1995,(10):333-338.

[3] 彭世彰, 俞双恩, 张汉松. 水稻节水灌溉技术[M]. 北京: 中国水利水电力出版社, 1998.

[4] 李亚龙, 崔远来, 李远华, 等. 基于ORYZA2000模型的旱稻生长模拟及氮肥管理研究[J]. 农业工程学报, 2005,21(12):141-146.

[5] 裴源生, 张金萍, 赵 勇. 宁夏灌区节水潜力的研究[J]. 水利学报, 2007,38(2):239-243.