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1、使 西 南 五 省 636.87 万 hm 耕 地 受 旱 ， 作 物 受 旱 501.07 万 hm ， 有 2 019.9 万 人 发 生 饮 水 困 难 。 重 灾 本研究选择云南省作为研究对象 。 当地的多年平均降水量 1 258.7 mm ， 水资源总量居全国第三 年 共 214 年 ， 占 统 计 年 份 的 31 % ； 而 19501993 年 的 44 年 中 ， 有 16 年 发 生 大 旱 ， 25 年 发 生 小 旱 ， 大 小 旱 年 合 计 41 年 。 进 入 21 世 纪 以 来 ， 2002、 2003、 2005、 2006、 2007、 2009、 201
2、0 年 均 发生较严重干旱 。云南的农业用水占到用水总量的 7 成以上，这启发本研究从农业用水入手，研究 SHUILI XUEBAO 7 9 水 利 学 报 2014 年 8 月 第 45 卷 第 8 期 文章编号 ： 0559-9350（ 2014） 08-0991-06 基于供需比和蓄水系数的云南农业干旱分析 傅 豪，杨小柳 （北 京大学 城市与环境学院 ， 北京 100871） 摘要 ： 定义区域农业用水供需比 RA 和区域水库农业蓄水系数 C， 分析 20062010 年云南农业用水供需与干旱情 况。 4 月云南各地农业用水普遍供不应求，其他月份供水充足；除临沧外，合理调度可保障旱季主
3、要农作物需 水 ； 全 年 降 水 不 足 情 况 下 全 省 整 体 供 水 不 足 ， 全 省 16 州 市 中 ， 有 10 州 市 缺 水 情 况 比 较 严 重 ， 受 灾 风 险 较 大 ； 2006 年与 2010 年旱情看似相近 ， 但 2010 年多数地区的干旱威胁程度比 2006 年严重 。 区域农业用水供需比和区域 水库农业蓄水系数可用于指导区域水利和农业规划。 关键词： 干旱；区域农业用水供需比；区域水库农业蓄水系数；云南 中图分类号 ： S423 文献标识码： A doi： 10.13243/ki.slxb.2014.08.013 1 研究背景 干旱是一种可能对社会经
4、济与自然环境产生巨大危害的自然现象 1。 2010 年 以 来 ， 云 、 贵 、 川 、 渝 、 桂 等 西 南 地 区 连 年 报 道 发 生 重 大 干 旱 ， 引 起 社 会 各 界 的 广 泛 关 注 。 20092010 年 的 干 旱 ， 2 2 2 区云南的农业直接损失超过 100 亿元 3-4。国家和地方投入数十亿抗旱资金，采取拉水送水以保障饮 用水 ， 以旱前备耕 、 人工增雨等来保障生产 ， 用加 快 “五小水利 ”建 设等方式提高抗旱能力 5-6。然而 此后年份接连有西南干旱报道，要求对西南干旱不仅治标更要治本。 关于西南干旱的成因众说纷纭。水利发展滞后说认为，水利设施
5、老化或缺乏导致抗旱能力不 足，使当地易生旱灾 4， 。气候变化说认为，厄尔尼诺现象致使西南地区水气供应不足，加之当地气 温高、蒸发大，从而造成旱灾 6， 。水资源利用不合理说将原因归结为：当地经济发展使需水量超出 当地水资源承载力，水资源利用效率低下和水污染严重 7-8， 10。各种讨论定性分析居多，少数的定量 评价集中于气候成因。本文尝试结合社会经济因素，探讨我国西南地区旱灾形成的原因。 8 位 12。 降水多源于西南季风 ， 约 85 % 集中于 510 月 ， 呈较强的季节性 。 若单从降雨和水资源条件 看 ， 云南似乎不缺水 ， 但在历史上 ， 云南却是旱灾的频发区 ： 在 13001
6、993 年的 693 年中 ， 大小旱 11 11 8 其干旱。 收稿日期 ： 2014-01-15； 网络出版日期 ： 2014-05-12 网络出版地址 ： http： / 基金项目 ： 长江科学院开放研究基金资助项 目（ CKWV2012317/KY）； 国家 自然科学基金资助项 目（ 41171405） 作者简介 ： 傅 豪（ 1991-）， 男 ， 河北唐山人 ， 博士生 ， 主要从事生态水文研究 。 E-mail： 通讯作者 ： 杨小 柳（ 1958-）， 男 ， 北京人 ， 教授 ， 主要从事流域综合管理研究 。 E-mail： 991 R A = AD AS ； AD =
7、Di Ai ； AS = SP + C SR ； SR = V - SL - SI （ 1） SR （ 2） 2.2 研究区简介 云 南 全 省 面 积 39.4 万 km 。 西 北 部 2 指标与数据 衡量干旱的指标颇多。有根据某一特征指标表征干旱的，如降水量指标或土壤含水量指标；也 有根据生理、形态特征判断作物是否缺水的作物旱情指标；综合指标则用大气、土壤、作物的整体 状态来判断干旱 13-14。本文关注区域农业的整体干旱情况，应从其整体的水量供需入手，构建反映区 域农业干旱的指标。 农业用水来源为天然降水和河道引水；地下水归根结底来自降水，且云南多山地形与喀斯特地 貌使地下水利用困难。
8、降水补给土壤水分或产生地表径流；农业直接利用的只有落在农田上的降 水，其余则汇入河湖，需通过水库等工程蓄积后，经引水和灌溉设施而被利用 15。当地的生活用水 和工业用水亦由水库供给，当遇干旱，会优先予以保障，而生态和环境等用水，至今尚未列为水库 的日常保障目标。 基于如上认识，本文的分析将基于 4 点假设： 农业用水有两个来源，一是农田直接接受的降 水，二是来自水库蓄水的灌溉补给； 水库供水仅考虑生活、工业和农业； 水库蓄水优先用于生 活和工业，农业次之； 分析中忽略水面蒸发等耗水因素。 2.1 指标定义与计算 定义区域水库农业蓄水系数 C， 表征水库蓄水中实际可供灌溉量占最大可供灌 溉量的比
9、例 ； 定义区域农业用水供需比 RA， 反映农业需水与农业供水之间的关系 。 其计算方式如下 ： n i= 1 式中 ： AD 为农业需水 ； AS 为农业供水 ； Di 为农作物 i 单位面积需水量 ； Ai 为作物 i 的种植面积 ； SP 为 耕地内 的降水补给量 ； SR 为水库蓄水的最大剩余可供灌溉量 ； V 为水库库容 ； SL 为生活用水供给量 ； SI 为工业用水供给量 。 当 SR0 时 ， 水库可调节农业用水的季节分配，调节区域水库农业蓄水系数 C 可考察不同情境下农业用水与供水 能力的关系 。 当 RA1 时则表示农业需水超过当 地供水能力，有发生旱灾的可能。 假设农业需
10、水恰好得到满足 ， 即假设 RA=1， 则有 ： C= AD - SP 此时区域水库农业蓄水系数表示农业灌溉需水占水库剩余蓄水量的比例 。 当 C1 时 ， 表示水库蓄水 能 力 足 以 满 足 农 业 用 水 ； 当 C1 时 ， 则 现 有 水 库 蓄 水 能力不能满足农业灌溉的要求。 2 横断山脉是青藏高原边缘，全省多南北向山脉，地势 西北高东南低；境内大部分属于云贵高原，以喀斯特 地貌为主要特征；高山与深谷相间分布，怒江、澜沧 江等为著名的跨国河流。 以地级行政区为单元，考虑区域农业用水。云南 共 16 个 地 级 行 政 区 ， 其 中 有 8 个 地 级 市 ， 8 个 自 治 州
11、 （图 1）。 农 业 生 产 对 各 州 市 的 重 要 性 不 同（表 1）。 曲 靖、昭通、德宏的农用地比例远高于全省平均，农业 的地位突出。西双版纳、怒江、迪庆的农用地面积远 低于全省平均水平，农业在这三地重要性较弱；且怒 江、迪庆两州地处横断山区，是怒江、澜沧江、金沙 992 图 1 云南行政区划图 种植制度及主要农作物各月需水量如表 3 所示。云南大多数地区为一年两熟制 。 麦 -稻一年二 熟 、 油 -稻一年二熟制 、 夏烟 -小麦 -玉米 -油菜二年四熟 19 等轮作方式混杂，使主要农作物种植时节有 （ 表 1 2010 年云南各州市农用地比例 地区 全省合计 昆明 曲靖 玉溪
12、 保山 昭通 丽江 普洱 临沧 楚雄 红河 文山 西双版纳 大理 德宏 怒江 迪庆 总播种面积 /hm2 6 118 500 421 000 990 305 245 858 376 704 692 661 164 179 426 357 429 588 355 723 555 132 626 038 123 636 385 886 242 192 95 895 57 353 土地面积 /km2 394 139 21 582 29 855 15 285 19 637 23 021 21 219 45 385 24 469 29 258 32 931 32 239 19 124 29 459 11
13、 528 14 703 23 870 农用地比例 /% 15.5 19.5 33.2 16.1 19.2 30.1 7.7 9.4 17.6 12.2 16.9 19.4 6.5 13.1 21.0 6.5 2.4 江的上游，自然环境相对省内其他地方较特殊，供用水方式也与其他地区差异较大。本研究着重考 虑除怒江、迪庆外，云南省的其它地区。 2.3 数据收集与初步分析 不同时段、不同地区的旱情有所不同，本研究选取云南各州市逐月数据 进 行 分 析 。 20062010 年 间 ， 云 南 遭 遇 了 20062007、 20092010 年 两 次 大 旱 和 20072009 年 相 对正常的
14、年份过程 ， 是研究云南干旱的合适时段 。 降水资料来自于中国气象科学数据共享 网（ http： / 水库蓄水量 、 生活用水 、 工业用水以及各种农作物种植面积数 据来 自云 南统计年 鉴 20072011）； 各种农作物在不同时段需水通过查阅文献得到 。 选 取 云 南 省 内 的 有 连 续 记 录 的 31 个 基 本 基 准 站 20062010 年 的 逐 月 降 水 量 。 用 ArcGIS 进 行 Kriging 插值 ， 计算得到各州市各月的平均降水量 。 统计年鉴可直接得到各州市的水库蓄水量、生活用水、工业用水等数据；用年内各月平均值代 表各月的生活用水和工业用水。 20
15、10 年云南有效灌溉面积仅占总播种面积的 26 %， 统计年鉴的农业用水量将与农业需水有较大 出入，因此用各种农作物种植面积与其需水量计算农业需水。适当概化农业种植结构和种植制度： 农作物种类仅考虑种植面积大、需水量大、具有代表性的种类，例如水稻、小麦、玉米是主要的粮 食作物 ， 烤烟 、 茶叶是云南特色经济作物 ； 5 种主要农作物种植面积接近全省总播种面积的 60 %（见 表 2）， 具有较好代表性 。 16-19 17 表 2 20062010 年云南 5 种主要农作物面积占总播种面积的比例 （单 位 ： %） 年份 2006 2007 2008 2009 2010 合计 54.7 58
16、.1 58.6 59.1 59.7 稻谷 17.0 17.1 17.1 17.2 16.7 小麦 8.4 7.4 7.1 7.2 7.0 玉米 19.3 22.1 22.3 22.4 23.2 烤烟 6.0 6.3 6.5 6.4 6.9 茶叶 4.0 5.2 5.6 5.9 6.0 993 冬小麦种植期为 10 月中旬 次年 5 月中旬 ，春玉米种植期为 5 月中旬 9 月中旬 21， 23-25，烤烟种植期 为 5 月中旬 9 月中旬 19， 21，茶树为多年生植物种植期为全年 。 水稻需水量按种植期每日需水 10mm 计 供需 比（ 20062010 年） 图3较大差异 。 为便于分析
17、， 以多数地区的种植制度为代表 ， 即 ： 中稻种植期为 4 月中旬 9 月中旬 17， 20-21 ， 16-17， 22 26-27 算 17， 20，小麦、玉米、烤烟、茶叶的日需水量根据不同生长期的平均需求确定。 表 3 云南主要农作物逐月平均需水量 （单 位 ： mm） 作物 全年 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 中稻 小麦 1 600 500 60 60 85 200 90 300 50 300 300 300 200 40 65 50 玉米 435 55 100 125 105 50 烟草 545 50 150
18、150 140 55 茶叶 1 120 40 40 80 85 100 115 180 215 110 65 50 40 3 20062010 年云南干旱情况及分析 3.1 逐月区域农业用水供需比与农业缺水 以月为单元 ， 计算 20062010 年云南各州市的区域农业 用水供需比。为反映水库在旱季和雨季的蓄水特点，采用区域水库农业蓄水系数 C 来表示不同月份 水库农业可供水量的差别 。 考虑水文丰枯条件和农业用水规律 ， 在雨季的 610 月 ， 降水丰沛 ， 水库 能够充分满足农业用水需求 ， 则 C=1； 云南于 1112 月结束汛期 ， 水库蓄水仍有部分通过流域汇水 补 给 ， C 缓
19、 慢 衰 减 ， 故 C 在 11 月 和 12 月 分 别 为 0.9 和 0.8； 而 自 次 年 1 月 开 始 ， 水 库 得 不 到 降 水 补 给，又要兼顾农业用水，故 C 加速衰减。 5 月从旱季向雨季过渡，降雨条件尚不稳定，农业需要灌 溉 ， 水库需要补水 ， 设 C 为 0.5。 详见表 4。 表 4 各月区域水库农业蓄水系数 月份 C 1 月 0.7 2 月 0.5 3 月 0.3 4 月 0.1 5 月 0.5 6 月 1.0 7 月 1.0 8 月 1.0 9 月 1.0 10 月 1.0 11 月 0.9 12 月 0.8 用 表 4 给 出 的 各 月 区 域 水
20、库 农 业 蓄 水 系 数 计 算 20062010 年 云 南 各 州 市 各 月 区 域 农 业 用 水 供 需 比 ， 汇总结果如图 2 所示 。 35 月农业用水量较大 ， 对应月份供需比较高 ； 峰值集中出现在 4 月 ， 几 乎 全 部 超 过 1， 需 水 大 于 供 水 ， 意 味 着 云 南 农 业 面 临 缺 水 ， 发 生 旱 灾 的 风 险 大 。 除 4 月 外 的 其 它 月 份，仅个别地区存在缺水的状况。 图 2 云南各州市各月区域农业用水 为保障 4 月份农业用水需求的区域水库农业 蓄水系 数（ 20062010 年） 4 月的缺水，是春耕需水量大、旱季末期水库
21、蓄水不足、雨季尚未到来等多种因素共同作用的结 果。一旦此时供水不足，将影响春耕，对农业生产造成极大危害。基于水库保障农业用水的考虑，应 给 4 月春耕配给足量蓄水 。 为此 ， 令 4 月 RA=1， 计算该月区域水库农业蓄水系 数（如 图 3）。 计算表明 ， 除怒江 、 迪庆外 ， 各州市 4 月农业需水均在当地供水能力承受范围 内（ C0.2， 考 虑到 4 月仍属旱季，加之当地中小水库无多年调节能力，较难满足这一要求。 3.2 水利设施对旱季农业用水的保障能力 仅考虑单月农业用水必将损害其他月份的用水需求。对 994 于雨季与旱季分明的云南，重点在于保障整个旱季的农业用水。应统筹考虑旱
22、季用水，合理分配旱 季各月用水。为此考察云南现有水利设施是否足以保障旱季农业用水。 令旱 季（每 年 11 月至次年 4 月）各 月 RA=1， 在保障旱季工业和生活用水的前提下 ， 计算旱季各月 C 值并求和 ， 可得当地各水库对旱季农业用水的保障情 况（如 图 4）。 结果临沧在研究期的四个旱季均 出现 C 值之和大于 1 的情况，表明这些地区的水库在保障旱季农业用水上存在困难。其他出现困难 的 地 区 有 ： 昭 通（ 20092010 年）、 普 洱（ 20072008 年）、 红 河（ 20062007 年）、 文 山（ 20072008 年）。 临沧市旱季 C 值远大于 1， 表明
23、当地水库的蓄水能力严重不足 。 考虑到本研究选取的主要农作 物种植面积约占全省总播种面积的 60 %， 保山 、 昭通 、 普洱 、 临沧 、 文山 、 德宏等 6 州市历年旱季 C 值 超 过 0.5， 很 难 保 障 旱 季 的 农 业 用 水 需 求 ， 遭 受 旱 灾 的 风 险 较 大 ； 相 对 而 言 ， 旱 季 C 值 低 于 0.5 的州市，则风险较小。 （怒 江水库蓄水能力不足以满足旱季工业和生活用水 ， 旱季 C 值按 0 计） 图 4 云南各地水库对旱季农业用水的保障能力 （ 20062010 年） （不 足以满足全年工业 、 生活用水的 ， C 按 0 计） 图 5
24、云南各地水库对全年农业用水的保障能力 （ 20062010 年） 3.3 水利设施对全年农业用水的保障能力 在全年降水不足的情况下，水库承担更多保障农业用水 的责任 ， 即保障当地全年的农业用水 。 因此需要分析云南各地的年总 C 值 ， 即令 RA=1， 在保障全年 工业和生活用水的条件下 ， 求得同一年份内各月的 C 值并求和 ， 结果如图 5。 由 图 5 可 见 ， 全 省 的 年 总 C 值 仅 2007 年 低 于 1， 其 余 均 在 1 以 上 ； 其 中 年 总 C 值 最 高 的 是 2006 年 ， 其次为 2010 年 ， 再次为 2009 年 ， 这 3 年的年总 C
25、 值均大于 1.3， 这表明全省从整体上无法保证全 年的农业用水 ， 农业干旱很严重 ； 而 2008 年的年总 C 值未超过 1.1， 表明农业供水量不足 ， 出现较轻 程度的干旱。 除怒江 、 迪庆以外的 14 州市中 ， 20062010 年各年年总 C 值超过 1 的州市数分别为 9、 7、 6、 9 和 9。 换言之 ， 若当年水库无有效补充 ， 则农业必遭旱灾 。 保山 、 昭通 、 临沧 、 红河 、 文山 、 德宏 5 年的年总 C 值均高于 1， 普洱 4 年 ， 大理 3 年 ， 西双版纳有 2 年 ， 丽江 、 楚雄有 1 年 ， 而昆明 、 曲靖 、 玉溪没有高于 1
26、的年份。据此认为，保山、昭通、临沧、红河、文山、德宏、普洱、大理的水库蓄水 难以保障全年的农业需水，遭遇旱灾的风险较大；其它州市可以通过合理调度水库蓄水避免或减缓 旱灾。 2006 年 与 2010 年 同 为 大 旱 年 ， 全 省 范 围 的 年 总 C 值 ， 2006 年 高 于 2010 年 ， 表 明 总 体 旱 情 以 2006 年为严重 。 但具体到各地市 ， 曲靖 、 玉溪 、 保山 、 昭通 、 丽江 、 普洱 、 临沧 、 文山 2010 年的 C 值高于 2006 年 ， 表明此 8 州市的旱情以 2010 年为严重 ； 而昆明 、 楚雄 、 红河 、 西双版纳 、 大
27、理 、 德 宏 2006 年旱情更严重 。 4 结论 （ 1）云 南各地农业用水缺口集中出现在 4 月 ， 原因是春耕需水量大 、 水库蓄水不足 、 降水少 ； 其 余月份仅个别地区可能出现用水缺口。就旱季而言，除临沧外，如能合理调度和运用水库，则足以 保障主要农作物的用水；但临沧旱季农业供水能力严重不能满足需水。全年降水不足条件下，全省 整体将面临供水不足，其中保山、昭通、普洱、临沧、红河、文山、大理、德宏等 8 州市缺水情况较 严重 ， 受灾风险大 。 2006 年与 2010 年旱情严重 ， 昆明 、 楚雄等地 2006 年旱情较重 ， 而曲靖 、 玉溪等 995 . / 地 2010
28、年旱情更重 ， 全省整体而言 2006 年比 2010 年旱情稍重 。 （ 2）区 域农业用水供需比能够反映区域农业干旱状况 。 区域水库农业蓄水系数能够反映水库蓄水 量和调蓄能力对农业需水的保障作用。两者共同的优点是意义明确、计算简单，可用于省、市和县 等不同尺度的分析。综合采用这两个指标，可揭示区域农业用水在季节、月份等特定时段内的供需 矛盾，有助于澄清干旱原因和制订区域水利发展规划。 致谢： 云南省普洱市水务局马相明先生和普洱市防汛抗旱办公室阳佳先生陪同长途驱车考察并提供水文数据；北 京大学城市与环境学院赵昕奕副教授提供降水数据；长江水利委员会规划局吴志广先生和长江科学院陈进先生提供宝
29、贵建议，并鼓励将成果整理发表。在此深表谢忱 ! 参 考 文 献： 1 张翔 ，夏 军 ，贾 绍凤 . 干旱期水安全及其风险评价研 究 J . 水利学报 ， 2005， 36（ 9）： 1138-1142 . 2 刘建刚 ，谭 徐明 ，万 金红 ，等 . 2010 年西南 特大干旱及典型场次旱灾对比分 析 J . 中国水利 ， 2011（ 9）： 17-19 . 3 陈金 . 2010 年云南春季干旱原因分析及对策建 议 J . 科协论坛 ：下 半月 ， 2010（ 8）： 137 . 4 王树鹏 ，张 云峰 ，方 迪 . 云南省旱灾成因及抗旱对策探 析 J 中国农村水利水电 ， 2011（ 9
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36、， Xian 710054， China） Abstract： The instantaneous profile method is generally applied to determine the unsaturated permeability function. In this paper， a laboratory model of the instantaneous profile is used to determine the permeabili ty function of unsaturated loess. The loess sample was collecte
37、d from the typical Malan loess in southern bank of the Jinghe River， near Jingyang County， Shaanxi Province. The grinded loess powder was sieved in to a 2 meter high glass cylinder， and then it was consolidated with a certain load on the top till stable. A 10cm layer of fine sand was covered on the
38、top of the column to avoid the hardening of loess. As start to do the test， to fill a certain amount of water on the top， the water will penetrate into the loess through sand bed. Water content profiles of the loess column were obtained in certain time by measuring water con tent at intervals of 5cm
39、 along the depth. The sample in the same density with model test was made to mea sure the soil-water characteristic curve by TEN-15 tensionmeter. Then the soil-water characteristic curve and water content profiles at different time were applied to calculate the water flow rate， the hydraulic head gr
40、adient and the unsaturated coefficient. At last， the permeability equation was fitted with exponent function which can apply for seepage analysis of loess. Key words： unsaturated loess； the instantaneous profile method； permeability function； water content； mat ric suction； soil-water characteristic
41、 curve （责 任编辑 ： 李 琳） （上 接第 996 页） Analysis of agricultural droughts in Yunnan using water demand and supply ratio and storage coefficient FU Hao， YANG Xiao-liu （ College of Urban and Environmental Sciences， Peking University， Beijing 100871， China） Abstract： A regional agricultural water demand and
42、supply ratio （ RA） and a reservoir storage coefficient （ C） were defined for analyzing the droughts in Yunnan province during 20062010. It is identified that unbalance between water supply and demand more often occurs in April than in other months. Rational res ervoir regulation can ensure the water
43、 demanded by main crops during dry season. While annual rainfall is insufficient， 10 cities among 16 in the province are in danger of drought. The drought in 2006 seems the same as that in 2010， but the latter is more dangerous than the former. RA and C can be used to analyze drought and guide regional water resources planning. Key words： drought； water demand and supply ratio for regional agriculture； reservoir storage coefficient for regional agriculture； Yunnan （责 任编辑 ： 王学 凤） 1003