王林威，武 見，賈正茂，肖素君(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003)

寧蒙地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有悠久的歷史，是典型的大陸性氣候，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，干燥度大，是干旱地區(qū)建設(shè)“綠洲農(nóng)業(yè)”的成功典型。寧蒙地區(qū)干旱的自然條件決定了灌區(qū)與周邊天然植被有十分緊密的聯(lián)系，灌區(qū)越大其生態(tài)系統(tǒng)越復(fù)雜，引水灌溉不僅要保證農(nóng)作物生長(zhǎng)需要，還要滿足周邊生態(tài)綠洲的用水需求。因此，寧蒙引黃灌區(qū)節(jié)水潛力有別于傳統(tǒng)節(jié)水潛力的概念，在計(jì)算其節(jié)水潛力時(shí)需要充分考慮灌區(qū)及周邊的生態(tài)約束。研究寧蒙引黃灌區(qū)節(jié)水潛力，不僅有利于促進(jìn)該區(qū)水資源的高效利用，保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展，而且對(duì)西北地區(qū)的水資源合理配置和節(jié)水具有重要借鑒意義。

1 節(jié)水潛力的概念和內(nèi)涵辨析

1.1 傳統(tǒng)節(jié)水潛力概念

傳統(tǒng)的節(jié)水潛力分為毛節(jié)水潛力和凈節(jié)水潛力。毛節(jié)水潛力構(gòu)成主要包括三部分，一是減少滲漏損失量，二是減少無效流失量，三是減少無效消耗量。凈節(jié)水潛力是減少的無效消耗量與減少的無效流失量之和，這部分節(jié)水量可以作為新的水源加入到區(qū)域水量循環(huán)之中。滲漏損失量包括兩部分：①可利用的地表水回歸量；②可利用的地下水回歸量?；貧w水量可以在其他尺度被重新利用[1-4]。

W凈=W毛-W回

(1)

式中：W凈為凈節(jié)水潛力，m3；W毛為毛節(jié)水潛力，m3；W回為回用水量，m3。

1.2 寧蒙引黃灌區(qū)節(jié)水潛力辨析

對(duì)于寧蒙引黃灌區(qū)而言灌溉水可引起蒸騰、蒸發(fā)、鹽分淋洗、深層滲漏及地表徑流，如果減少灌溉水量，那么這五種用水量必然有一種會(huì)降低，減少用于蒸騰和鹽分淋洗的水量通常會(huì)造成減產(chǎn)減收，這顯然是不可取的。因此，灌區(qū)應(yīng)通過節(jié)水措施，減少產(chǎn)生的蒸發(fā)、深層滲漏及地表徑流。寧蒙引黃灌區(qū)主要是通過引水設(shè)施直接從河道中引水灌溉，蒸發(fā)量減少的幅度很小，且難以控制。因此，減少滲漏和地表徑流是灌區(qū)主要節(jié)水措施，灌區(qū)凈節(jié)水潛力非常有限?，F(xiàn)狀寧蒙引黃灌區(qū)主要以節(jié)水效果較為明顯的渠系襯砌為主，通過渠系襯砌，減少滲漏量，增加灌區(qū)毛節(jié)水量。

寧蒙引黃灌區(qū)長(zhǎng)期引黃灌溉形成了適應(yīng)區(qū)域引排水條件的獨(dú)特綠洲生態(tài)格局，灌溉不僅補(bǔ)充了作物生育期用水，而且對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤幸欢ㄑa(bǔ)給作用，合理的地下水位成為維持灌區(qū)及其周邊綠洲的重要保障[5,6]。大規(guī)模高強(qiáng)度的節(jié)水必然會(huì)減少灌區(qū)地下水回歸水量，進(jìn)而改變灌區(qū)水循環(huán)過程和地下水補(bǔ)給規(guī)律，對(duì)灌區(qū)及其周邊植被、湖泊濕地帶來影響。同時(shí)寧蒙引黃灌區(qū)引水條件便利，部分地區(qū)灌溉表現(xiàn)出大水漫灌的現(xiàn)象，一直被外界詬病。因此，本次從生態(tài)約束和作物經(jīng)濟(jì)灌溉定額兩方面對(duì)寧蒙引黃灌區(qū)節(jié)水潛力進(jìn)行分析，尋找用水效率和節(jié)水影響的平衡點(diǎn)。

2 灌區(qū)生態(tài)約束條件

2.1 灌區(qū)合理地下水位分析

寧蒙灌區(qū)地下水在維系植被、泉、河流、湖泊、濕地的生態(tài)平衡中至關(guān)重要，而植被是地下水位變化良好的“指示劑”。因此，本次通過確定灌區(qū)優(yōu)勢(shì)植被所需的地下水位來確定河套灌區(qū)生態(tài)安全地下水位。

2.1.1 灌區(qū)優(yōu)勢(shì)植被選取

區(qū)域優(yōu)勢(shì)天然植被是指在灌區(qū)及周邊綠洲，對(duì)整個(gè)區(qū)域有主導(dǎo)性影響，可代表區(qū)域植被特征和環(huán)境需求的植被類型。優(yōu)勢(shì)度的計(jì)算采用日本學(xué)者詔田真(1979年)提出的優(yōu)勢(shì)度計(jì)算公式，在結(jié)合研究區(qū)的植被特點(diǎn)和數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上，對(duì)相對(duì)多度、相對(duì)高度、相對(duì)蓋度和相對(duì)頻度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

優(yōu)勢(shì)度=(相對(duì)多度+相對(duì)蓋度+相對(duì)高度+相對(duì)頻度)×(1/400)

(2)

相對(duì)多度=(某個(gè)種的多度/所有種多度之和)×100

(3)

相對(duì)蓋度=(某個(gè)種的蓋度/所有種蓋度之和)×100

(4)

相對(duì)高度=(某個(gè)種的平均高度/所有種平均高度之和)×100

(5)

相對(duì)頻度=(某個(gè)種的頻度/所有種頻度之和)×100

(6)

通過對(duì)各種植被的優(yōu)勢(shì)度進(jìn)行計(jì)算，確定優(yōu)勢(shì)天然植被有楊樹、蘆葦、檉柳、白刺、芨芨草、拂子茅等。

2.1.2 優(yōu)勢(shì)植被所需地下水位

本次應(yīng)用基于數(shù)量生態(tài)學(xué)的高斯模型對(duì)植被和水位埋深關(guān)系進(jìn)行回歸分析，得到森林、灌叢、草甸和沼澤這4種植被對(duì)應(yīng)的適宜地下水位分別為5.0、4.0、2.5和2.0 m?？紤]到楊樹、柳樹等森林旱生植被與地下水關(guān)系較小，本次選取拂子茅、蘆葦草甸、芨芨草等寧蒙灌區(qū)內(nèi)分布較廣、所占比重較大的代表性優(yōu)勢(shì)植被，進(jìn)行植被生長(zhǎng)指標(biāo)與地下水位埋深關(guān)系野外調(diào)查。結(jié)合調(diào)查資料對(duì)模型模擬結(jié)果進(jìn)行校正，確定研究區(qū)影響植被的地下水位，見表1。

表1 優(yōu)勢(shì)植被類型、根系深度及其所需的地下水位 m

2.1.3 地下水位變化與灌溉引水關(guān)系分析

本次以青銅峽灌區(qū)和河套灌區(qū)為例，對(duì)其灌溉引水量與地下水埋深變化關(guān)系進(jìn)行分析，見圖1和圖2。從圖1和圖2可以看出灌區(qū)地下水位與灌溉引水量成正相關(guān)，灌溉引水量直接影響決定了灌區(qū)地下水位變化。近10年來兩個(gè)灌區(qū)地下水埋深在1～2.7 m區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，基本可以滿足優(yōu)勢(shì)植被所需的維持地下水位，同時(shí)可滿足部分優(yōu)勢(shì)植被所需的最佳水位。若灌區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)水措施，地下水位進(jìn)一步下降，達(dá)到3 m左右，大部分優(yōu)勢(shì)植被將達(dá)到所需的紅線水位，從而引發(fā)生態(tài)退化。

圖1 青銅峽灌區(qū)灌溉引水量與地下水埋深變化關(guān)系

圖2 河套灌區(qū)灌溉引水量與地下水埋深變化關(guān)系

2.2 青銅峽灌區(qū)生態(tài)需水量計(jì)算

青銅峽灌區(qū)生態(tài)用水主要包括灌區(qū)及周邊生態(tài)植被需水和湖泊沼澤濕地補(bǔ)水兩方面。本次借助于2010年寧夏遙感資料，獲取青銅峽灌區(qū)及其周邊的土地覆蓋信息，農(nóng)田防護(hù)林及固沙植被、湖泊沼澤濕地等分布及面積[7](見表2)。

表2 青銅峽灌區(qū)生態(tài)需水量表 萬(wàn)m3

生態(tài)植被需水是指灌區(qū)周邊的農(nóng)田防護(hù)林及固沙植被等除利用降水性水資源外所消耗的灌溉水量。根據(jù)定額法計(jì)算生態(tài)植被需水量為1.54 億m3。胡泊沼澤濕地補(bǔ)水是指利用灌溉水由田間、渠道排出或滲入地下并匯集到湖泊沼澤濕地的水量。分別計(jì)算湖泊濕地蒸發(fā)損失、草本沼澤蒸散發(fā)量等消耗項(xiàng)，減去降雨補(bǔ)給量，得到湖泊沼澤濕地需補(bǔ)水量1.6 億m3。

綜上所述，青銅峽灌區(qū)及周邊生態(tài)系統(tǒng)總需水量為3.15 億m3，占灌區(qū)多年平均耗水量(引黃量-退黃量)的12.7%，占現(xiàn)狀年耗水量的18.5%。

3 典型作物經(jīng)濟(jì)灌溉定額分析

本次選擇青銅峽灌區(qū)和河套灌區(qū)作為試點(diǎn)分析作物灌溉水量與產(chǎn)量之間的關(guān)系，確定典型作物經(jīng)濟(jì)灌溉定額，分析現(xiàn)狀實(shí)灌凈定額是否合理?？紤]到寧夏引黃灌區(qū)排水量較大，本次實(shí)灌凈定額均為實(shí)灌耗水凈定額。

3.1 青銅峽灌區(qū)春小麥試驗(yàn)成果

青銅峽灌區(qū)采用漢延渠管理處紅星試驗(yàn)站2013年的實(shí)驗(yàn)成果進(jìn)行分析。采用田間對(duì)比試驗(yàn)的方法，以灌水次數(shù)和灌水定額兩個(gè)因素，形成不同灌水次數(shù)、不同灌水定額的試驗(yàn)處理，得到春小麥不同灌水量和產(chǎn)量的關(guān)系，見圖3。

圖3 2013年青銅峽灌區(qū)春玉米產(chǎn)量—農(nóng)田補(bǔ)充水量的函數(shù)關(guān)系

由圖3可以看出，起初作物產(chǎn)量隨著灌溉水量的增加快速上升，呈現(xiàn)出一種線性關(guān)系，當(dāng)小麥全生育期灌溉定額超過一定值時(shí)灌水量已不是影響作物產(chǎn)量的敏感因素，甚至?xí)斐僧a(chǎn)量下降。因此，可在灌溉水生產(chǎn)率和實(shí)際產(chǎn)量中尋找最優(yōu)區(qū)間，力求灌溉水生產(chǎn)率保持較高水平，選擇作物全生育期的合理灌溉定額。

3.2 河套灌區(qū)春小麥套種向日葵試驗(yàn)成果

采用臨河區(qū)治豐試驗(yàn)站2014年的試驗(yàn)研究資料，結(jié)合灌區(qū)實(shí)際情況，分析了研究區(qū)域當(dāng)前比較典型的灌溉制度條件下，春小麥套種向日葵作物灌溉水量與總產(chǎn)量的關(guān)系。產(chǎn)量與灌水量的關(guān)系與青銅峽灌區(qū)類似，見圖4。

圖4 2014年河套灌區(qū)春小麥套種向日葵產(chǎn)量—農(nóng)田補(bǔ)充水量的函數(shù)關(guān)系

3.3 經(jīng)濟(jì)灌溉定額計(jì)算

綜上所述，青銅峽灌區(qū)和河套灌區(qū)水分生產(chǎn)函數(shù)滿足由線性到非線性的變化規(guī)律，符合《黃河流域水資源經(jīng)濟(jì)模型研究成果》提出的全生育期作物產(chǎn)量與耗水量函數(shù)關(guān)系式。見公式(7)和(8)。本論證擬采用該函數(shù)關(guān)系式結(jié)合有效降雨量和地下水可利用量推求50%降雨頻率主要作物灌溉凈定額的合理區(qū)間。結(jié)果見表3。從表3可見現(xiàn)狀河套灌區(qū)和青銅峽灌區(qū)春小麥和春玉米實(shí)灌凈定額處于灌溉定額的合理區(qū)間，因此，考慮壓減凈定額謀求節(jié)水是并不可取的，從灌溉凈定額來看灌區(qū)節(jié)水潛力有限。

y=aETc+b

(7)

y=aET2c+bETc+c

(8)

式中：ETc為作物經(jīng)濟(jì)耗水量；a、b、c為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，它們隨地區(qū)氣候條件、土壤類型與肥力水平等條件的不同，變化較大。本次計(jì)算系數(shù)根據(jù)試驗(yàn)站各種灌水處理水平下的實(shí)測(cè)資料得到。

表3 50%降雨頻率經(jīng)濟(jì)灌溉定額計(jì)算結(jié)果表 m3/hm2

4 考慮生態(tài)約束的節(jié)水潛力分析

根據(jù)前述分析，寧蒙引黃灌區(qū)典型作物春小麥和春玉米實(shí)際灌溉凈定額均在經(jīng)濟(jì)灌溉定額范圍內(nèi)，不存在水資源大量浪費(fèi)的問題，引水后部分水量隨著多級(jí)復(fù)雜渠系回補(bǔ)地下水和湖泊濕地。多年的引黃灌溉，寧蒙引黃灌區(qū)已形成復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。本次選取青銅峽灌區(qū)為例，充分考慮維持灌區(qū)及其周邊綠洲生態(tài)穩(wěn)定對(duì)節(jié)水程度的約束，尋找用水效率和節(jié)水影響的平衡點(diǎn)，分析合理的節(jié)水潛力。

本次重點(diǎn)針對(duì)青銅峽灌區(qū)最主要的也是節(jié)水效果最明顯的渠系節(jié)水措施，根據(jù)《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》(GBT50363-2006)以及相關(guān)規(guī)劃對(duì)渠道防滲工程作出的具體要求，設(shè)定一般節(jié)水、強(qiáng)化節(jié)水和極限節(jié)水3種節(jié)水方案，并分別制定各方案干支斗農(nóng)渠系襯砌比例，根據(jù)理論公式計(jì)算推求青銅峽灌區(qū)干、分干、支、斗、農(nóng)級(jí)渠道采取防滲措施后的滲漏損失量，進(jìn)而求得各級(jí)渠道采取防滲措施后的渠系水利用系數(shù)[8-13]。最終選定0.6、0.65和0.69這3個(gè)不同渠系水利用系數(shù)的節(jié)水措施方案。分別確定不同方案的灌溉水利用系數(shù)，利用現(xiàn)狀實(shí)際灌溉凈定額與不同方案的灌溉水利用系數(shù)，分析對(duì)應(yīng)現(xiàn)狀實(shí)灌面積的需水量，將現(xiàn)狀灌溉用水量與設(shè)定方案需水對(duì)比，確定灌區(qū)毛節(jié)水潛力。

由于渠系襯砌后節(jié)水主要來自滲漏損失減少值，而這部分水量主要是回補(bǔ)地下水、湖泊濕地等。這部分節(jié)水將對(duì)灌區(qū)及周邊生態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響。本次將節(jié)水量與灌區(qū)生態(tài)用水量進(jìn)行比較，分析灌區(qū)基于生態(tài)約束下的節(jié)水潛力(見表4)。從表4可以看出灌區(qū)通過渠系襯砌后節(jié)水量與灌區(qū)生態(tài)需水量相差 不大?？紤]生態(tài)約束后，青銅峽灌區(qū)節(jié)水潛力非常有限，節(jié)水難度較大，極限節(jié)水方案，灌區(qū)毛節(jié)水量?jī)H較灌區(qū)生態(tài)需水大1.71億m3。

表4 青銅峽灌區(qū)節(jié)水潛力計(jì)算表 億m3

注：現(xiàn)狀年青銅峽灌區(qū)耗水量為17 億m3。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文從灌區(qū)合理地下水位和典型作物經(jīng)濟(jì)灌溉定額兩方面定性分析了寧蒙引黃灌區(qū)節(jié)水潛力相對(duì)有限，若灌區(qū)進(jìn)一步加強(qiáng)節(jié)水措施，地下水位進(jìn)一步下降，有可能引發(fā)地區(qū)生態(tài)退化。

(2)以青銅峽灌區(qū)為例，定量計(jì)算了生態(tài)約束條件下灌區(qū)的節(jié)水潛力，極限節(jié)水方案下青銅峽灌區(qū)節(jié)水潛力也并不大。

(3)寧蒙引黃灌區(qū)節(jié)水潛力不可用傳統(tǒng)的毛節(jié)水和凈節(jié)水來衡量，而應(yīng)充分考慮維持灌區(qū)及周邊綠洲生態(tài)穩(wěn)定對(duì)節(jié)水的約束，尋找節(jié)水與生態(tài)的平衡點(diǎn)，才是真正的節(jié)水潛力。但并不是說節(jié)水是毫無意義的，在實(shí)際的農(nóng)業(yè)灌溉中，卻往往由于灌溉工程不到位而致使灌區(qū)內(nèi)位于灌溉系統(tǒng)末端的農(nóng)田缺水，并且提高灌溉水利用系數(shù)確實(shí)能夠在不增加灌溉總水量的前提下實(shí)現(xiàn)灌溉面積的增加。因此，無論從學(xué)術(shù)研究角度還是灌溉工程節(jié)水改造規(guī)劃等方面，毛節(jié)水量和凈節(jié)水量的估算都十分有必要。本文僅從渠系節(jié)水角度分析青銅峽灌區(qū)節(jié)水潛力，寧蒙引黃灌區(qū)渠系復(fù)雜，生態(tài)脆弱，節(jié)水對(duì)地下水位、鹽分平衡、湖泊濕地等均產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，待進(jìn)一步深入研究。

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