CN103226791B - 区域粮食生产水足迹的测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域粮食生产水足迹的测算方法，该方法包括：获取待计算区域的农作物播种面积、灌溉定额、粮食产量、灌溉用水量、耕地面积、灌溉面积、复种指数、降水量、作物生育期数据；计算待测算区域粮食作物和经济作物的综合灌溉定额，利用综合灌溉定额分摊法计算的粮食灌溉用水量和蓝水资源使用量；利用旬降水量的观测值估算待测算区域的有效降水并计算绿水资源总量；利用蓝水及绿水量及粮食产量计算区域粮食生产蓝水足迹及绿水足迹；计算待测算区域粮食生产水足迹并确定其构成。本发明能从水资源的实际投入量直接测算区域的粮食生产水足迹，其结果反映粮食生产中雨水资源与灌溉水资源的综合利用效率，为粮食生产水问题的研究提供帮助。

Description

区域粮食生产水足迹的测算方法

技术领域

本发明涉及粮食生产水资源使用与消耗测算领域，具体地，涉及区域粮食生产水足迹的测算方法。

背景技术

提高水资源的粮食生产能力是缓解区域水资源压力和保障粮食安全的根本措施，而这以合理衡量区域的粮食生产中所投入的水资源量为前提，粮食生产水足迹可作为粮食生产中雨水和灌溉水利用效率的综合评价指标，能全面且准确地反映粮食生产与水资源使用及消耗之间的定量关系。

现有技术中往往针对单一粮食作物、通过模型模拟其耗水量和产量，再依据不同种作物的产量进行加权来计算粮食生产水足迹，这样只能计算模拟状态下作物的用水状况，同时，计算结果仅能体现田间尺度的作物耗水情况，无法衡量区域尺度粮食生产中实际投入的水资源量，所得结果不能与农业生产实际中投入的水资源利用数据相匹配，不能满足农业水问题研究中对粮食生产用水量核算的需求，也难以为区域农业水资源相关管理政策的制定提供可靠的决策依据。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种区域粮食生产水足迹的测算方法。

根据本发明的一个方面，提供一种区域粮食生产水足迹的测算方法，包括如下步骤：

步骤1：根据用户的设定确定测算区域，从系统数据库中调用测算区域的属性数据，测算区域的属性数据包括：多种粮食作物播种面积多种粮食作物灌溉定额多种经济作物播种面积多种经济作物灌溉定额农作物播种面积A_I、农作物灌溉积A、粮食作物播种面积A_G、经济作物播种面积A_E、区域平均灌溉用水量I、区域平均粮食总产量Y、粮食作物的生育期、各气象站点旬降水量；

步骤2：根据多种粮食作物播种面积和粮食作物灌溉定额，获得测算区域的粮食作物综合灌溉定额

$I_0^G=\mathrm{\Σ}(I_i^G\×A_i^G)/\mathrm{\Σ}{A}_i^G---\left(1\right)$

式（1）中：为粮食作物综合灌溉定额，单位mm；为第i种粮食作物灌溉定额，单位mm；为第i种粮食作物播种面积，单位hm²；

步骤3：根据多种经济作物播种面积和经济作物灌溉定额，获得测算区域的经济作物综合灌溉定额

$I_0^E=\mathrm{\Σ}(I_i^E\×A_i^E)/\mathrm{\Σ}{A}_i^E---\left(2\right)$

式（2）中：为经济作物综合灌溉定额，单位mm；为第i种经济作物灌溉定额，单位mm；为第i种经济作物播种面积，单位hm²；

步骤4：根据测算区域的粮食作物综合灌溉定额及经济作物综合灌溉定额获得粮食作物与经济作物综合灌溉定额比例系数β：

$\mathrm{\β}=\frac{I_0^E}{I_0^G}---\left(3\right)$

式（3）中：β为粮食作物与经济作物综合灌溉定额比例系数，也是灌溉保证率相同条件下的灌水量分摊系数；

步骤5：根据测算区域的农田灌溉率估算粮食作物灌溉面积A_G,I和经济作物灌溉面积A_E,I，计算粮食作物灌溉面积A_G,I的公式为：

A_G,I=A_I×A_G/A （4）

式（4）中：A_G为粮食作物播种面积，单位hm²；A_G,I为粮食作物灌溉面积，单位hm²；A_I为农作物播种面积，单位hm²；A为农作物灌溉面积，单位hm²；

A_E,I=A_I×A_E/A （5）

式（5）中：A_E为经济作物播种面积，单位hm²；A_E,I为经济作物灌溉面积，单位hm²；A_I为农作物播种面积，单位hm²；A为农作物灌溉面积，单位hm²；

步骤6：根据灌溉用水总量守恒的事实及灌溉保证率一致的假设前提，获得粮食作物实际单位面积平均灌溉用水量I_G：

$I_G=\frac{I\×A_I}{A_{G,I}+\mathrm{\β}\×A_{E,I}}---\left(6\right)$

式（6）中：I_G为粮食作物实际单位面积平均灌溉用水量，单位mm；I为区域平均灌溉用水量，单位mm；

步骤7：根据粮食作物实际单位面积平均灌溉用水量I_G和粮食作物灌溉面积A_G,I获得粮食生产中蓝水资源的投入量，所述蓝水的投入量包含作物田间的以蒸发蒸腾形式消耗的灌溉用水量、以及灌溉输配水过程中的损失量：

BW＝I_G×A_G,I （7）

式（7）中：BW为粮食生产过程中所投入的灌溉水资源，即蓝水量，单位m³；

步骤8：计算生产单位粮食产品所需要投入的灌溉水资源量，即粮食生产蓝水足迹BWF：

BWF＝BW/Y （8）

式（8）中：BWF为粮食生产蓝水足迹，单位m³/kg；Y为区域平均粮食总产量，单位kg；

步骤9：计算粮食生育期的有效降水量，根据粮食作物的生育期计算出粮食作物的种植期，即有效降水的计算时间段，将测算区域内各气象站点旬降水量的算术平均值作为该省区的逐旬降水量值，选定粮食作物的生育期多年平均值数据的累积时间段作为有效降水的计算时间区间；再利用式（9）计算粮食生育期的有效降水量：即利用实际降水估算有效降水的计算方法，即：

P_e＝f(P) （9）

式（9）中，P为降水量，单位mm；P_e为有效降水量，单位mm；

步骤10：计算粮食生产中的绿水消耗量，绿水消耗量为有效降水P_e和粮食作物需水量的较小值ET_c：

ET_green=min(ET_c,P_e) （11）

式（11）中，ET_green为粮食生产绿水消耗量，单位mm；ET_c为粮食作物需水量，单位mm；其中，ET_c计算中，先由Penman-Menteith公式计算到主要粮食作物的需水量，再通过对各作物种植面积的加权得到ET_c；

步骤11：计算粮食生产中投入的绿水资源总量，绿水资源总量为粮食作物生长期的绿水消耗量与对应耕地面积的乘积，即：

GW＝10³ET_green×A_G/λ （12）

式（12）中：GW为绿水资源总量，单位m³；λ为区域的粮食复种指数，无量纲；A_G为粮食作物播种面积，单位m²；

步骤12：计算生产单位粮食产品所消耗的绿水资源量，即粮食生产绿水足迹：

GWF＝GW/Y （13）

式（13）中，GWF为粮食生产绿水足迹，单位m³/kg；Y为区域平均粮食总产量，单位kg；

步骤13：计算区域区域粮食生产水足迹CWF，CWF即为粮食生产蓝水足迹BWF与粮食生产绿水足迹GWF之和：

CWF＝BWF+GWF （14）

式（14）中：CWF为区域粮食生产水足迹，单位m³/kg；BWF为粮食生产蓝水足迹，单位m³/kg；GWF为粮食生产绿水足迹，单位m³/kg。

优选地，在所述步骤9中，利用式（10）进行有效降水量的计算：

$P_e=\left\{\begin{array}{cc}P(4.17-0.02P)/4.17,& P<83\\ 41.7+0.1P,& P\&GreaterEqual;83\end{array}\right.---\left(10\right).$

与现有技术相比，本发明提供了一种区域粮食生产水足迹的计算方法，从粮食产出和广义水资源实际投入的角度全面衡量区域粮食生产对水资源的真实利用，并明晰粮食生产水足迹的构成。本发明经过对原始数据的处理得到蓝水资源和绿水资源的足迹，因此可以大大提高数据处理效率和提高多因素影响条件下测算区域粮食生产水足迹的测算精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出根据本发明提供的区域粮食生产水足迹的测算方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的一个实施例中，所述区域粮食生产水足迹的计算方法，包括以下步骤：

获取待计算区域、待计算年份的各主要农作物播种面积、各主要农作物灌溉定额、粮食产量、农田亩均灌溉用水量、耕地面积、有效灌溉面积、复种指数、气象站点的旬降水量、主要粮食作物的生育期资料；

根据各主要粮食作物的播种面积比例和灌溉定额标准，进行对播种面积的加权，计算所述待计算区域的粮食作物综合灌溉定额：

$I_0^G=\mathrm{\&Sigma;}(I_i^G\&times;A_i^G)/\mathrm{\&Sigma;}{A}_i^G---\left(1\right)$

式（1）中：为粮食作物的综合灌溉定额，mm；为第i种粮食作物的灌溉定额，mm；为第i种粮食作物的播种面积，hm²。

根据各主要经济作物的播种面积比例和灌溉定额标准，进行对播种面积的加权，计算所述待计算区域的经济作物综合灌溉定额；

$I_0^E=\mathrm{\&Sigma;}(I_i^E\&times;A_i^E)/\mathrm{\&Sigma;}{A}_i^E---\left(2\right)$

式（2）中：为经济作物的综合灌溉定额，mm；为第i种经济作物的灌溉定额，mm；为第i种经济作物的播种面积，hm²。

根据区域的粮食作物综合灌溉定额及经济作物综合灌溉定额计算出粮食作物与经济作物综合灌溉定额比例系数：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{I_0^E}{I_0^G}---\left(3\right)$

式（3）中：β为粮食作物与经济作物综合灌溉定额比例系数，也是灌溉保证率相同条件下的灌溉水量分摊系数。

根据待计算区域的农田灌溉率估算粮食作物和经济作物的灌溉面积，计算粮食作物灌溉面积的公式为：

A_G,I=A_I×A_G/A （4）

式（4）中：A_G、A_G,I分别为待计算区域粮食作物播种面积和灌溉面积，hm²；A_I、A分别为待计算区域农作物播种面积和灌溉面积，hm²。

A_E,I=A_I×A_E/A （5）

式（5）中：A_E、A_E,I分别为待计算区域粮食作物播种面积和灌溉面积，hm²。

根据灌溉用水总量守恒的事实及灌溉保证率一致的假设前提，计算粮食作物实际单位面积平均灌溉用水量：

$I_G=\frac{I\&times;A_I}{A_{G,I}+\mathrm{\&beta;}\&times;A_{E,I}}---\left(6\right)$

式（6）中：I_G为粮食作物平均灌溉用水量，mm；I为区域平均灌溉用水量，mm。

根据粮食作物平均灌溉用水量和灌溉面积计算粮食生产中蓝水（灌溉水）资源的投入量，这里的蓝水量不仅包含作物田间的以蒸发蒸腾形式消耗的灌溉用水量，还应该将灌溉输配水过程中的损失量计算在内：

BW＝I_G×A_G,I （7）

式（7）中：BW为粮食生产过程中所投入到灌溉水资源，即蓝水量，m³。

计算生产单位粮食产品所需要投入的灌溉水资源量，即粮食生产蓝水足迹：

BWF＝BW/Y （8）

式（8）中：BWF为粮食生产蓝水足迹，m³/kg；Y为区域平均粮食总产量，kg。

根据主要粮食作物的生育期计算出粮食作物的种植期，即有效降水的计算时间段，将区域内各气象站点旬降水量的算术平均值作为该省区的逐旬降水量值，将谷物、豆类及薯类统一为“粮食”，在估算粮食生产中的绿水时，可选定主要粮食作物（如小麦、玉米、水稻和大豆）的生育期多年平均值数据的累积时间段作为有效降水的计算时间区间。再利用式（4）计算绿水量：绿水的计算方法基本相同，即利用实际降水估算有效降水的计算方法，即：

P_e＝f(P) （9）

式（9）中，P、P_e分别为降水量和有效降水量，mm。

不同区域、不同作物时式（9）的形式可能存在差异，一般可利用具体试验确定其具体形式。在缺少试验数据或对计算结果没有特别高要求的情况下可利用下式进行有效降水的计算：

$P_e=\left\{\begin{array}{cc}P(4.17-0.02P)/4.17,& P<83\\ 41.7+0.1P,& P\&GreaterEqual;83\end{array}\right.---\left(10\right)$

绿水消耗量为有效降水和粮食作物需水量的较小值：

ET_green=min(ET_c,P_e) （11）

式（11）中，ET_green为粮食生产绿水消耗量，单位mm；ET_c为粮食作物需水量，单位mm。其中，ET_c计算中，先由Penman-Menteith公式计算得到主要粮食作物的需水量，再通过对各作物种植面积的加权得到ET_c；

粮食生产过程中利用的绿水资源总量为粮食作物生长期的有效降水量与对应耕地面积的乘积，即：

GW＝10³ET_green×A_G/λ （12）

式（12）中：GW为绿水资源总量，单位m³；λ为区域的粮食复种指数，无量纲；A_G为区域粮食播种面积，单位m²。

计算生产单位粮食产品所消耗的绿水资源量，即粮食生产绿水足迹：

GWF＝GW/Y （13）

式（13）中的GWF为粮食生产绿水足迹，m³/kg。

用粮食生产蓝水足迹与绿水之和来衡量粮食生产水足迹，m³/kg：

CWF＝BWF+GWF （13）

式（13）中：CWF为区域粮食生产水足迹，m³/kg。

本发明的区域粮食生产水足迹的计算方法，从粮食产出和广义水资源实际投入的角度全面衡量区域粮食生产对水资源的真实利用，并明晰粮食生产水足迹的构成。本发明经过对原始数据的处理得到蓝水资源和绿水资源的足迹，因此可以大大提高数据处理效率和提高多因素影响条件下测算区域粮食生产水足迹的测算精度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (2)

1.一种区域粮食生产水足迹的测算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据用户的设定确定测算区域，从系统数据库中调用测算区域的属性数据，测算区域的属性数据包括：多种粮食作物播种面积多种粮食作物灌溉定额多种经济作物播种面积多种经济作物灌溉定额农作物播种面积A_I、农作物灌溉面积A、粮食作物播种面积A_G、经济作物播种面积A_E、区域平均灌溉用水量I、区域粮食总产量Y、粮食作物的生育期、各气象站点旬降水量；

步骤2：根据多种粮食作物播种面积和粮食作物灌溉定额，获得测算区域的粮食作物综合灌溉定额

$I_0^G=\mathrm{\&Sigma;}(I_i^G\&times;A_i^G)/{\mathrm{\&Sigma;A}}_i^G---\left(1\right)$

式(1)中：为粮食作物综合灌溉定额，单位mm；为第i种粮食作物灌溉定额，单位mm；为第i种粮食作物播种面积，单位hm²；

步骤3：根据多种经济作物播种面积和经济作物灌溉定额，获得测算区域的经济作物综合灌溉定额

$I_0^E=\mathrm{\&Sigma;}(I_i^E\&times;A_i^E)/{\mathrm{\&Sigma;A}}_i^E---\left(2\right)$

式(2)中：为经济作物综合灌溉定额，单位mm；为第i种经济作物灌溉定额，单位mm；为第i种经济作物播种面积，单位hm²；

步骤4：根据测算区域的粮食作物综合灌溉定额及经济作物综合灌溉定额获得粮食作物与经济作物综合灌溉定额比例系数β：

$\mathrm{\&beta;}=\frac{I_0^E}{I_0^G}---\left(3\right)$

式(3)中：β为粮食作物与经济作物综合灌溉定额比例系数，也是灌溉保证率相同条件下的灌溉水量分摊系数；

步骤5：根据测算区域的农田灌溉率估算粮食作物灌溉面积A_G,I和经济作物灌溉面积A_E,I，计算粮食作物灌溉面积A_G,I的公式为：

A_G,I＝A_I×A_G/A (4)

式(4)中：A_G为粮食作物播种面积，单位hm²；A_G,I为粮食作物灌溉面积，单位hm²；A_I为农作物播种面积，单位hm²；A为农作物灌溉面积，单位hm²；

A_E,I＝A_I×A_E/A (5)

式(5)中：A_E为经济作物播种面积，单位hm²；A_E,I为经济作物灌溉面积，单位hm²；A_I为农作物播种面积，单位hm²；A为农作物灌溉面积，单位hm²；

步骤6：根据灌溉用水总量守恒的事实及灌溉保证率一致的假设前提，获得粮食作物实际单位面积平均灌溉用水量I_G：

$I_G=\frac{I\&times;A_I}{A_{G,I}+\mathrm{\&beta;}\&times;A_{E,I}}---\left(6\right)$

式(6)中：I_G为粮食作物实际单位面积平均灌溉用水量，单位mm；I为区域平均灌溉用水量，单位mm；

步骤7：根据粮食作物实际单位面积平均灌溉用水量I_G和粮食作物灌溉面积A_G,I获得粮食生产中蓝水资源的投入量，所述蓝水资源的投入量包含作物田间的以蒸发蒸腾形式消耗的灌溉用水量、以及灌溉中输水过程的损失量：

BW＝I_G×A_G,I (7)

式(7)中：BW为粮食生产过程中所投入的灌溉水资源，即蓝水量，单位m³；

步骤8：计算生产单位粮食产品所需要投入的灌溉水资源量，即粮食生产蓝水足迹BWF：

BWF＝BW/Y (8)

式(8)中：BWF为粮食生产蓝水足迹，单位m³/kg；Y为区域平均粮食总产量，单位kg；

步骤9：计算粮食生育期的有效降水量，根据粮食作物的生育期计算出粮食作物的种植期，即有效降水的计算时间段，将测算区域内各气象站点旬降水量的算术平均值作为省区的逐旬降水量值，选定粮食作物的生育期多年平均值数据的累积时间段作为有效降水的计算时间区间；再利用式(9)计算粮食生育期的有效降水量：即利用实际降水估算有效降水的计算方法，即：

P_e＝f(P) (9)

式(9)中，P为降水量，单位mm；P_e为有效降水量，单位mm；

步骤10：计算粮食生产中的绿水消耗量，绿水消耗量为有效降水P_e和粮食作物需水量ET_c的较小值：

ET_green＝min(ET_c,P_e) (11)

式(11)中，ET_green为粮食生产绿水消耗量，单位mm；ET_c为粮食作物需水量，单位mm；其中，ET_c计算中，先由彭曼(Penman-Menteith)公式计算得到主要粮食作物的需水量，再通过对各作物种植面积的加权得到ET_c；

步骤11：计算粮食生产中投入的绿水资源总量，绿水资源总量为粮食作物生长期的绿水消耗量与对应耕地面积的乘积，即：

GW＝10³ET_green×A_G/λ (12)

式(12)中：GW为绿水资源总量，单位m³；λ为区域的粮食复种指数，无量纲；A_G为粮食作物播种面积，单位m²；

步骤12：计算生产单位粮食产品所消耗的绿水资源量，即粮食生产绿水足迹：

GWF＝GW/Y (13)

式(13)中，GWF为粮食生产绿水足迹，单位m³/kg；Y为区域平均粮食总产量，单位kg；

步骤13：计算区域粮食生产水足迹CWF，CWF为粮食生产蓝水足迹BWF与粮食生产绿水足迹GWF之和：

CWF＝BWF+GWF (14)

式(14)中：CWF为区域粮食生产水足迹，单位m³/kg；BWF为粮食生产蓝水足迹，单位m³/kg；GWF为粮食生产绿水足迹，单位m³/kg。

2.根据权利要求1所述的区域粮食生产水足迹的测算方法，其特征在于，在所述步骤9中，利用式(10)进行有效降水量的计算：

$P_e=\left\{\begin{array}{cc}P(4.17-0.02P)/4.17,& P<83\\ 41.7+0.1P,& P\&GreaterEqual;83\end{array}\right.---\left(10\right).$