基于CROPWAT的滇中南部水稻灌溉制度研究

段琪彩，王樹鵬，張 雷，羅應培，戚 娜

(云南省水利水電科學研究院，云南 昆明 650228)

云南地處低緯高原，農業氣候資源特征鮮明，造就了立體農業和高原特色農業豐富多彩、復雜多樣的優勢特點。滇中是云南底緯高原的重要組成部分，光熱資源條件好，但水資源較為緊缺[1-2]。為緩解滇中的缺水問題，充分發揮獨特的自然優勢，2018年3月水利部正式對滇中引水工程初步設計報告準予行政許可，目前工程已全面開工。然而，云南作為以山地為主的邊疆省份，灌溉試驗站網建設發展緩慢[3]，灌溉制度研究較中東部地區差距較大，水肥不合理利用不僅制約著經濟發展，同時也造成了局部地區面源污染[4]，對貫徹落實“綠水青山就是金山銀山”的發展思想和實施鄉村振興戰略產生一定影響。CROPWAT[5]是聯合國糧農組織(FAO)開發的計算機程序，目前該模型在全球不同地區作物需水量計算和灌溉制度制定中應用較廣，Narmilan A等[6]對斯里蘭卡Batticaloa水稻需水量進行了研究，Verma Ramesh等[7]應用模型對印度Uttarakhand Dehradun地區水稻需水量進行了研究，王中波等[8]應用模型計算了松嫩平原南部地區水稻各生育期需水量、有效降雨和灌溉需水量。眾多研究表明，對作物、土壤等參數進行校準后，該模型應用取得了較好效果[9-14]，但針對滇中南部地區水稻泡田水量和本田期灌水量系列進行模擬，據此制定灌溉制度的研究成果尚不多見。本文應用CROPWAT模型模擬水稻的泡田水量和本田期灌水量系列并制定灌溉制度，旨在為水資源優化配置、高效利用以及灌區規劃設計提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 模型簡介

CROPWAT是聯合國糧食及農業組織土地和水開發司基于土壤、氣候和作物數據計算作物需水量和灌溉需水量的計算機程序，并評估作物在雨養和灌溉條件下的效益。模型基礎數據包括氣候、作物、土壤3類，還可根據實際需要對灌溉管理條件進行交互式動態設置，界面友好，應用靈活方便。

CROPWAT 8.0中使用的所有計算程序均基于聯合國糧食及農業組織的兩份灌溉和排水系列出版物，即第56號《作物蒸散發-計算作物需水量指南》和第33號《對水的產量響應》。CROPWAT 8.0軟件包中預設了標準作物和土壤數據，當無法獲得本地數據時可通過作物類型和土壤特性選擇合適的數據，應用該模型進行所需計算。當本地數據可用時，可以輕松地修改這些數據文件或創建新的數據文件，以達到更好的計算效果。同樣，如果沒有當地的氣候數據，可以從相關的氣候數據庫CLIMWAT獲得全世界5 000多個監測站的氣候數據。CROPWAT 8.0灌溉計劃的制定是以日為時間尺度的土壤-水平衡原理，根據氣候、土壤、作物數據和各種用戶定義的供水、灌溉管理條件，計算給定作物的灌水量，制定灌溉計劃(制度)。

1.2 氣象數據

建水氣象站數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(https://data.cma.cn/)，收集了該站的經度、緯度、海拔高程和1958—2013年逐日降水量、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均相對濕度、日照時數和日平均風速。

1.3 模型參數

應用CROPWA模擬灌水量所涉及的參數包括土壤、作物兩類，同時需設定灌溉管理方案。作物參數包括播種時間、作物系數、各階段生長時間、根系層深度、株高和水稻泡田土層深度共6個參數；土壤參數包括土壤總有效水量、最大入滲速率、耕作層深度、初始有效土壤水分耗損率共4個綜合參數，另外還包括泡田時排水孔隙度、臨界消耗率和泡田完成時水層深度、最大水層深度4個附加參數。文中田間管理方式為本地區常用的淹水灌溉模式，其中泡田時間為5月25日，插秧時間為5月28日，收割時間為9月25日；總有效水量(TAW)按式(1)計算[5]；其余參數根據建水試驗點2016—2018稻季試驗結果分析確定[14]。泡田時排水孔隙度(n)不僅與土壤特性有關，還受前期降水量影響，年際間變化較大，本文根據試驗結果率定的回歸方程式(2)計算。各參數取值見表1、2。

TAW=1000(θfc-θwp)

(1)

式中 TAW——總有效水量，mm/m；θfc——田間持水率，根據試驗結果取0.42；θwp——凋萎點含水率，根據土壤類型(粉砂黏土)取0.27。

n=39.4-0.1948P

(2)

式中n——泡田時排水孔隙度，%；P——泡田之前20 d累積降水量，mm。

表1 建水試驗點水稻種植作物參數

表2 建水試驗點水稻種植土壤及稻田參數

1.4 灌溉制度擬定方法

灌溉制度采用理論計算法擬定，具體步驟為：①依據建水試驗點2016—2018稻季試驗數據，對CROPWAT模型參數進行設置；②依據建水氣象站1958—2013年數據，應用模型分別模擬歷年水稻泡田水量和本田期灌水量；③由水稻全生育期灌水量組成樣本系列，采用矩法計算不同保證率(P=50%、P=75%、P=90%)的灌水量，以相應保證率(P=50%、P=75%、P=90%)灌水量對應年份為典型，得到不同保證率灌溉制度。

2 結果與分析

2.1 水稻灌溉制度

建水水稻灌溉制度見表3。由表3可見，滇中南部建水水稻P=50%、P=75%、P=90%的灌溉定額分別為510.1、591.1、651.2 mm，其中泡田定額分別為185.3、209.2、213.9 mm，本田期灌溉定額分別為324.8、381.9、437.3 mm，泡田定額占總定額的35%左右。建水水稻5月28日插秧，本田期灌水次數分別為9、10、11次，灌水定額在20.3～46.7 mm；一般6月灌水4次，7月灌水2～3次；8—9月不同保證率的灌水次數差異較大，P=50%和P=75%年景共灌水3次，P=90%年景8月共灌水5次。由表3還可看出，6月中旬以前的灌水定額較小在20.3～26.2 mm，返青期之后灌水定額較接近在40.2～46.7 mm；不同保證率(P=50%、P=75%、P=90%)灌水定額無明顯差異，P=90%年景較P=50%年景泡田定額增加13.4%、本田期增加25.7%?？傮w來看，不同保證率的灌水定額無明顯差異，灌水次數和灌溉定額則隨保證率提高而增多(大)，灌水量年際間差異前期6—7月較小、后期8—9月較大。

2.2 灌水量模擬結果分析

建水1958—2013稻季灌水量特征值統計見表4。從表4可以看出，泡田水量最大值為1963季的241.7 mm，當年前期非常干旱，5月1—25日降水量僅13.5 mm，泡田時土壤較為干燥，從而導致當季的泡田水量最大；雨季來臨后，本田期降水量雖然偏少但分配相對均勻，本田期的灌水量為418.7 mm較多年平均值331.0 mm略偏大。泡田水量最小值為2001季的63.4 mm，當年雨季來得早，自4月23日起開始連續降雨，至5月25日累積降水量288.7 mm，泡田時的土壤含水量大，致使當季的泡田水量最??；當季降水量接近平均情況，本田期灌水量263.9 mm。泡田水量出現極值的年份，本田期灌水量并不一定相應出現極端情況。本田期最大灌水量為2010季的570.4 mm、最小灌水量為1971季的159.6 mm，全生育期最大灌水量為2010季的753.0 mm、最小灌水量為2001季的327.3 mm。全生育期灌水量最大值與本田期出現年景一致為2010季，最小值與泡田水量出現年景一致為2001季，即全生育期灌水量同時受泡田水量和本田期灌水量影響，隨機性較大。

表3 建水水稻灌溉制度

表4 1958—2013年稻季建水水稻灌水量統計

按泡田水量與本田期灌水量疊加為全生育期灌水量再排頻和按泡田水量、本田期灌水量分別排頻后疊加得全生育期的灌水量2種情況，分別統計P=50%、P=75%、P=90%的灌水量，結果見表5。從表5可見，先排頻后疊加與先疊加后排頻所得灌溉定額存在一定差異，其中泡田水量偏差在±5.9%以內，本田期灌水量偏差在+9.0%，全生育期灌水量偏在+8.0%以內，本田期灌溉定額先排頻成果偏大。

表5 建水水稻灌水量排頻結果

另據1958—2013年稻季灌水量統計分析，全生育期灌水量接近的年景泡田水量和本田期的灌水量存在較大差異，例如1981季(P=73.7%)和1982季(P=77.2%)全生育期灌水量頻率接近P=75%，這兩季的泡田水量分別為109.9、219.4 mm，本田期灌水量分別為466.7、372.4 mm，兩季的灌水量相差較大。

可見，泡田水量和本田期灌水量極值、不同保證率值出現年景并不一定相應。從較小空間尺度來看，水稻灌水量主要受氣象因素影響，在降水、氣溫、風速、濕度等眾多氣象因子中，又以降水過程分配的影響最為明顯。降水量一般為隨機過程，在水稻不同生育期為隨機組合，從而導致水稻泡田水量與本田期的灌水量并不一定同頻，因此制定灌溉制度時應同時考慮泡田水量和本田期灌水量，將兩者疊加后再進行排頻得到的灌溉制度更切合本地區實際。

2.3 灌溉制度合理性分析

用水定額有設計定額、統計定額、管理定額之分[16]，不同定額所關注的側重點不同，其結果也存在一定差異。目前，云南省實施的DB 53/T 168—2019《云南省地方標準用水定額》中，建水農業灌溉用水分區屬滇中Ⅰ-3區，水稻泡田定額在240.0～255.0 mm，本田期P=50%、P=75%、P=90%的灌溉定額分別在427.5～435.0、487.5～502.5、540.0～562.5 mm，可見現行的灌溉定額較本次研究成果略偏大，其中泡田定額偏大12.2%～37.6%，本田期灌溉定額偏大23.5%～33.9%。滇中屬高原季風氣候，降水量年際變化大，年內分布不均勻，水資源緊缺，供需矛盾突出，現行水稻灌溉定額略偏大，從節約用水、減少農業灌溉退水、保護水資源的角度考慮，本文擬定的水稻灌溉制度符合本地區實際。

3 結論

在對CROPWAT模型中相關參數進行校準的基礎上，依據1958—2013年建水氣象觀測數據，模擬了建水水稻的灌水量過程，并經排頻擬定了水稻灌溉制度，得到以下結論。

a)滇中南部建水水稻P=50%、P=75%、P=90%的灌溉定額分別為510.1、591.1、651.2 mm，其中泡田定額分別為185.3、209.2、213.9 mm，本田期灌溉定額分別為324.8、381.9、437.3 mm，泡田定額占總定額的35 %左右。本田期灌水次數分別為9、10、11次，灌水定額在20.3～46.7 mm。

b)不同保證率灌水定額無明顯差異，灌水次數則隨著保證率提高而增多，灌溉定額也隨之增大，泡田定額P=90%較P=50%增加13.4%，本田期灌溉定額P=90%較P=50%增加25.7%；不同保證率的灌水量年際間差異前期6—7月較小、后期8—9月較大。

c)滇中南部建水現行的水稻灌溉定額標準基本合理，但從節約用水、保護水資源的角度考慮，水稻灌溉仍有20 %以上的節水潛力。