張愛輝，徐梓曜，王 冉，尚毅梓

（1.水利部綜合開發(fā)管理中心，100053，北京；2.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

我國西北旱區(qū)（包括陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆、山西6省份以及內(nèi)蒙古中西部地區(qū)）地處黃河上中游和西北內(nèi)陸河區(qū)域，降水稀少，資源型缺水嚴(yán)重，水資源節(jié)約集約利用十分重要。西北旱區(qū)的耕地灌溉面積主要分布在域內(nèi)大中型灌區(qū)，由于本底降水量少，引水成為維系區(qū)域綠洲經(jīng)濟(jì)-社會-生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要命脈。長期引水灌溉形成了適應(yīng)區(qū)域引排水條件的獨(dú)特生態(tài)格局，合理的地下水水位成為維持灌區(qū)及其周邊綠洲生態(tài)的重要保障。然而，大規(guī)模節(jié)約用水會改變灌區(qū)水循環(huán)過程和地下水補(bǔ)給規(guī)律，進(jìn)而可能對灌區(qū)及其周邊植被、湖泊濕地帶來影響。因此，在制定西北旱區(qū)大型灌區(qū)節(jié)水措施時，應(yīng)充分考慮維持灌區(qū)及其周邊綠洲生態(tài)穩(wěn)定，尋找用水效率和節(jié)水影響的平衡點(diǎn)，才能計算出維持區(qū)域健康發(fā)展的節(jié)水潛力。

本研究從灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的概念入手，識別灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，闡述林、草等植被以及農(nóng)田和湖泊對灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的重要作用，提出了植被、農(nóng)田和湖泊適宜地下水埋深的計算方法，并將地下水作為生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的綜合約束指標(biāo)，分析了灌區(qū)水循環(huán)機(jī)理，提出兼顧糧食安全和生態(tài)安全的深度節(jié)水生態(tài)發(fā)展模式。

一、大型灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水現(xiàn)狀

1.農(nóng)業(yè)節(jié)水模式的發(fā)展歷程

灌區(qū)是一個人類活動-自然資源-物質(zhì)生產(chǎn)高度集中的生態(tài)系統(tǒng)，關(guān)于灌區(qū)生態(tài)建設(shè)的概念基礎(chǔ)、研究內(nèi)容、建設(shè)理論、關(guān)鍵技術(shù)等方面的研究一直都備受關(guān)注。我國農(nóng)業(yè)節(jié)水研究開始于20世紀(jì)五六十年代。70年代，土地平整、渠道防滲、小畦灌溉等節(jié)水措施已得到大面積推廣；80年代，低壓管道輸水灌溉得到重點(diǎn)推廣，噴滴灌和微噴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)得到試點(diǎn)示范和推廣；90年代，節(jié)水灌溉技術(shù)、節(jié)水灌溉設(shè)備、節(jié)水灌溉工程在我國已有較大范圍應(yīng)用。“九五”期間（1996—2000年），全國建設(shè)了300多個節(jié)水增產(chǎn)重點(diǎn)縣，在有地下水開發(fā)利用條件的地方打井建設(shè)節(jié)水型灌區(qū)，在不到3年的時間里，全國共投入節(jié)水灌溉資金187億元，發(fā)展擴(kuò)建了節(jié)水灌溉面積428 hm2，水稻節(jié)水灌溉等非工程節(jié)水面積1733 hm2，節(jié)約水量150億m3，增加糧食年產(chǎn)量230億kg，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。此外，在全國范圍內(nèi)還建設(shè)了209個高標(biāo)準(zhǔn)節(jié)水增效示范區(qū)，對99個大型灌區(qū)、240個中型灌區(qū)進(jìn)行了以節(jié)水增效為中心的續(xù)建配套和更新改造，同時建設(shè)了一批國家級節(jié)水示范市，使我國灌區(qū)節(jié)水水平登上了新臺階。發(fā)布節(jié)水有關(guān)規(guī)范67項(xiàng)，具有中國特色的節(jié)水灌溉理論體系在此時形成。農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)及模式的發(fā)展歷程見圖1。

圖1 我國農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)及模式的發(fā)展歷程

總體來看，雖然我國農(nóng)業(yè)節(jié)水取得了一定的成就，但與我國農(nóng)業(yè)和整體經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展要求相比還存在很大的差距，開展灌區(qū)節(jié)水是支撐區(qū)域高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。由于過去缺乏對農(nóng)業(yè)節(jié)水與生態(tài)環(huán)境關(guān)系的科學(xué)認(rèn)知，也缺乏對區(qū)域（流域）水土資源生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的良性配置，造成區(qū)域水資源短缺、水環(huán)境污染、土壤次生鹽漬化、地下水水位持續(xù)下降等生態(tài)環(huán)境問題。近年，黃河流域灌區(qū)在開展現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)，大力發(fā)展農(nóng)藝節(jié)水、生物節(jié)水、工程節(jié)水、管理節(jié)水等農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的同時，也關(guān)注農(nóng)業(yè)節(jié)水的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)問題，分析方式也由單一向綜合、由微觀向宏觀、由自然向復(fù)合、由靜態(tài)向動態(tài)轉(zhuǎn)變。在自然資源特別是水資源有限的背景下以及強(qiáng)人類活動的干擾下，如何更好實(shí)現(xiàn)灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)良性發(fā)展、資源節(jié)約與排水綠色，仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)生態(tài)節(jié)水型灌區(qū)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)踐。

2.西北旱區(qū)灌區(qū)節(jié)水系統(tǒng)現(xiàn)存問題

20世紀(jì)70年代以來，節(jié)水灌溉的工程措施和非工程措施在全國迅速發(fā)展。一方面，節(jié)水灌溉措施對緩解水資源供需矛盾、擴(kuò)大灌溉面積、提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境起到了重要作用；另一方面，節(jié)水灌溉條件下的農(nóng)田生態(tài)環(huán)境勢必發(fā)生變化，原有的生態(tài)平衡被打破，從而對環(huán)境產(chǎn)生直接或間接的多種影響，甚至導(dǎo)致環(huán)境惡化。近年越來越多的研究顯示，隨著節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用和節(jié)水水平的提高，世界各地的水資源短缺反而更加嚴(yán)重，產(chǎn)生了灌溉效率悖論，即由于缺乏科學(xué)管理，節(jié)水技術(shù)的推廣應(yīng)用使得用水量或耗水量不降反升的現(xiàn)象。所以，通過灌區(qū)節(jié)水改造一味地提高灌溉水利用效率未必節(jié)水，甚至可能對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定程度的不利影響。對于已存在的不利影響，可以科學(xué)合理地分析其影響因子以及機(jī)理規(guī)律，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，進(jìn)而在后續(xù)節(jié)水過程中通過合理調(diào)度和科學(xué)設(shè)計加以克服。

西北旱區(qū)大型灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動歷史悠久，形成了人工生態(tài)系統(tǒng)和自然生態(tài)系統(tǒng)并存的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，其中以農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為主。近20年來，通過大型灌區(qū)節(jié)水改造工程、中低產(chǎn)田改造與土地整理工程、水權(quán)轉(zhuǎn)換節(jié)水改造工程、水價改革、水資源管理等措施，西北旱區(qū)大型灌區(qū)水資源利用效率和節(jié)水水平有了顯著提升，灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)、灌溉定額、灌溉水利用系數(shù)等關(guān)鍵節(jié)水要素均產(chǎn)生了顯著變化，但同時也給灌區(qū)生態(tài)環(huán)境造成了不利影響。由于灌區(qū)墾殖指數(shù)較高，大部分天然植被保留甚少，加之長期大量灌溉使得區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)極度脆弱，具體表現(xiàn)為生態(tài)類型單一、森林覆蓋率低、土地質(zhì)量差和土地鹽堿化嚴(yán)重。節(jié)水帶來的地下水水位下降問題將更加突出，灌區(qū)生態(tài)環(huán)境面臨的風(fēng)險越來越大，不容忽視。

地下水水位變化與土壤鹽堿化程度和天然植被生長密切相關(guān)，適宜的地下水水位能夠改善土壤環(huán)境，提升作物的根系活力，增加植被分布面積，生態(tài)環(huán)境將處于良好狀態(tài)；如果超出適宜范圍，將引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境負(fù)效應(yīng)。例如，不合理灌溉導(dǎo)致地下水水位持續(xù)上升，超出合理范圍，進(jìn)而出現(xiàn)土地漬水、土地鹽漬化、珍稀生物資源消失等現(xiàn)象；地下水超采、上游過度開發(fā)地表水或采礦活動，引起地下水水位持續(xù)下降，導(dǎo)致地表土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使植被退化死亡，在干旱半干旱地區(qū)和沙漠化地區(qū)加速了風(fēng)蝕和土地沙漠化進(jìn)程。

針對我國西北地區(qū)水資源緊缺、生態(tài)環(huán)境脆弱的現(xiàn)狀，以保障西北地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和生態(tài)安全為目標(biāo)，綜合深度節(jié)水控水與保護(hù)生態(tài)環(huán)境兩方面提出灌區(qū)深度節(jié)水的生態(tài)發(fā)展模式，對于緩解西北干旱區(qū)的缺水形勢十分必要。

二、灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵約束條件

1.灌區(qū)生態(tài)穩(wěn)定的概念

灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)是由人工種植作物與自然生長的附生植物為主的生物成分和非生物成分共同構(gòu)成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)。灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與灌區(qū)系統(tǒng)中物種的穩(wěn)定性相關(guān)，穩(wěn)定的灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)通常具有多樣性的物種結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)內(nèi)部有復(fù)雜密切的相關(guān)關(guān)系，各部分結(jié)構(gòu)能夠保持長期活力并維持其組織及自主性，具有在外界環(huán)境干擾下的自我恢復(fù)能力。維持灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定需要保障系統(tǒng)內(nèi)部物種的穩(wěn)定，減少外來因素對物種的脅迫，使系統(tǒng)內(nèi)部的物種在種類和數(shù)量上都維持平衡，這是灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的理想狀態(tài)。

2.地下水水位對灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的約束機(jī)理

西北旱區(qū)大型灌區(qū)千百年來形成了獨(dú)特而脆弱的綠洲型灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)。山、水、林、田、湖、草是灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的基本單元，構(gòu)成了一個完整的生命共同體。山是水的發(fā)源地，地下水在強(qiáng)大的壓力下發(fā)生垂向運(yùn)動，在山間涌出地表，形成山泉，山也是主要的產(chǎn)水區(qū)和匯流區(qū)；林地、草地是水的涵養(yǎng)區(qū)，改變水循環(huán)中地表徑流過程，在豐水期加大了地表水的入滲量，補(bǔ)給土壤水和地下水，在枯水期通過根系吸收地下水補(bǔ)給到大氣中，起到削峰補(bǔ)枯的作用；農(nóng)田是主要的耗水區(qū)，灌溉過后大量水資源下滲到地下或者蒸發(fā)補(bǔ)給到大氣；湖泊和濕地是水的積蓄地，在水循環(huán)過程中將匯集的地表水和側(cè)流的地下水蓄積?？梢?，灌區(qū)中的水通過水循環(huán)的形式扮演著生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的重要角色，水循環(huán)讓灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)具有抵抗干擾的調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力，是維持灌區(qū)生態(tài)穩(wěn)定的重要保障。由于灌區(qū)內(nèi)部山區(qū)面積極少，較少考慮山對灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響，保持灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，需要林、田、湖、草等各重要結(jié)構(gòu)要素的生態(tài)穩(wěn)定。

西北旱區(qū)全年降雨量小，水資源分布極度不均勻，自然-人為的二元水循環(huán)是灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)林、田、湖、草等要素的水資源關(guān)鍵來源。地下水水位是影響灌區(qū)林、田、湖、草生態(tài)穩(wěn)定的重要因素。灌區(qū)的林地、草地灌溉水量少，林、草等植被通過根系吸收地下水滿足自身生長需求，地下水維持了林地、草地的生態(tài)穩(wěn)定。農(nóng)田是灌區(qū)人類活動改造的主要區(qū)域，也是引水補(bǔ)給、地表水下滲的主要區(qū)域，引水滲漏和灌溉入滲的田間地表水下滲補(bǔ)給地下水，地下水在土壤毛管力作用下轉(zhuǎn)移到土壤中，作物依靠根系吸收土壤中的水分滿足生長需求；農(nóng)田糧食安全生產(chǎn)也受土壤鹽分脅迫的影響，合理的地下水水位是保障灌區(qū)土壤不發(fā)生鹽漬化的主要因素。湖泊與地下水系統(tǒng)存在著緊密的水力聯(lián)系，湖泊蓄水量和面積受地下水埋深的約束。人類活動使得灌區(qū)水循環(huán)過程中的下墊面和水源補(bǔ)給發(fā)生變化，灌區(qū)自然-人工的二元水循環(huán)過程維持了地下水的穩(wěn)定，進(jìn)而維持了灌區(qū)林、田、湖、草的生態(tài)穩(wěn)定。

當(dāng)人為大量開采地下水或大幅度減少地下水補(bǔ)給時，灌區(qū)地下水水位大幅度下降，導(dǎo)致河流湖泊水量衰減、植被退化、土地沙化以及沼澤濕地旱化；當(dāng)?shù)叵滤a(bǔ)給過量時，地下水水位上升，將導(dǎo)致土壤次生沼澤化、鹽漬化以及地下水咸化等。地下水還影響著灌區(qū)的氣候變化，如果地下水水位過低，潛水蒸發(fā)到大氣中的水蒸氣減少，導(dǎo)致大氣水補(bǔ)給量減少，進(jìn)而影響降雨等氣象因素。灌區(qū)地下水的補(bǔ)給來源主要為引、排水渠系的滲漏和田間灌溉補(bǔ)水，渠系滲漏以及田間灌溉的入滲補(bǔ)給減少后，灌區(qū)地下水水位下降，灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定會被破壞，因此灌區(qū)需要確定適宜的地下水水位，確保提高水資源利用效率的同時也能維持灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的適宜地下水埋深計算方法

以植被、農(nóng)田以及湖泊等灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵要素的適宜地下水埋深的交集，作為灌區(qū)多功能約束下生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的適宜地下水埋深。

（1）灌區(qū)林、草的適宜地下水埋深

灌區(qū)的林、草等植被幾乎不被灌溉，根系吸收的地下水成為灌區(qū)植被生存的重要甚至是唯一水源，地下水水位和淺層地下水的空間分布直接影響著植被的生長和群落的空間結(jié)構(gòu)。地下水水位的波動變化會直接控制植被對地下水水分吸收的有效性，地下水埋深過大，能夠吸收地下水的植物物種變少，導(dǎo)致灌區(qū)植被種類單一，破壞生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定；地下水埋深太淺，會改變土壤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而破壞植被生長條件，也會造成生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，需要探明灌區(qū)植被對地下水的利用情況，確定灌區(qū)適宜植被生長的地下水埋深。

根據(jù)上述規(guī)律，認(rèn)為存在一個適宜的地下水埋深最利于林、草等植被的健康生長，當(dāng)?shù)叵滤裆畹陀诨蛘吒哂谶@個最適宜值時，林、草等植被的健康將受到影響，當(dāng)?shù)叵滤裆畹竭_(dá)極高值或者極低值時，植被將不能存活。基于高斯概率密度函數(shù)（正態(tài)分布曲線）分析灌區(qū)地下水與林、草等植被的敏感關(guān)系：

式中，x為地下水埋深，f(x)為植被特征指標(biāo)，a、b、c為正態(tài)分布參數(shù)。

（2）灌區(qū)農(nóng)田的適宜地下水埋深

灌區(qū)農(nóng)田的健康程度決定了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，還影響著灌區(qū)的水環(huán)境質(zhì)量。灌區(qū)農(nóng)田健康的主要威脅因素為土壤鹽漬化和荒漠化，通過合理控制地下水埋深，能對其進(jìn)行有效控制。灌區(qū)灌溉階段，土壤鹽分被淋洗到地下水中，地下水埋深較淺時，農(nóng)田表面強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使地下水中的鹽分聚集并轉(zhuǎn)移到上一層土壤，若地下水埋深過淺，與表層土壤相鄰時，農(nóng)田耕地鹽漬化將加重，因此在農(nóng)田灌溉過程中要避免灌溉引起的地下水水位上升。在控鹽過程中，地下水仍需要給農(nóng)田中的作物提供水源，地下水水位應(yīng)在滿足控鹽需求的同時保障農(nóng)田作物生長，防止土壤荒漠化。需要進(jìn)一步研究農(nóng)田地下水埋深，尋找防止農(nóng)田鹽漬化和荒漠化的臨界地下水水位，以同時滿足灌區(qū)農(nóng)田安全生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的需求。

地下水向土壤補(bǔ)給水分的過程中借助了土壤的毛管力，在土壤毛管力的作用下，地下水從潛水面上升，形成一定厚度的濕潤層，該濕潤層厚度由毛管水最大上升高度確定。根據(jù)汪勇等人的研究，確定毛管水上升高度的理論計算公式：

式中，H為毛管水最大上升高度，m；σ為液體表面張力，N/m；ρw為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；R為毛細(xì)管當(dāng)量孔徑（有效孔徑），mm。

毛細(xì)管當(dāng)量孔徑R和液體表面張力σ的計算公式如下：

式中，n為土壤孔隙度；d為土壤有效粒徑，mm；T為土壤水溫度，℃。

①田間影響作物的臨界地下水埋深

在灌區(qū)，土壤條件一定時，地下水對田間作物的補(bǔ)給主要來源于潛水，在土壤毛管力作用下形成濕潤層，當(dāng)作物根系與潛水影響的濕潤層接觸后補(bǔ)給田間作物需水，因此田間影響作物的臨界地下水埋深計算公式如下：

式中，hi為第i種作物的臨界地下水埋深，m；Di為第i種作物正常生長的根系深度，m。

②灌區(qū)農(nóng)田鹽漬化臨界地下水埋深

灌區(qū)農(nóng)田鹽漬化的主要原因是地下水埋深太淺，地下潛水蒸發(fā)將鹽分運(yùn)移至地表，在毛管力的作用下潛水影響的濕潤層是地表水蒸發(fā)的主要來源，因此將潛水影響的濕潤層埋深直接定義為灌區(qū)農(nóng)田鹽漬化臨界地下水埋深，計算公式如下：

式中，h0為農(nóng)田鹽漬化臨界地下水埋深，m；Tmin為土壤水最低溫度，℃。

（3）灌區(qū)湖泊的適宜地下水埋深

強(qiáng)烈的人為干擾已成為灌區(qū)自然水循環(huán)的主要驅(qū)動力。在人為因素的干擾下，灌區(qū)地下水和湖泊產(chǎn)生了緊密的聯(lián)系，對地下水的人為開采和補(bǔ)給間接影響湖泊蓄水量和濕地面積，如中國第一大沙漠湖泊——紅堿淖因?yàn)閷Φ叵滤娜藶殚_采導(dǎo)致水資源側(cè)向滲漏，湖泊水資源量和水域面積減少。地下水在湖泊的水平衡中發(fā)揮著重要作用，為了避免灌區(qū)湖泊補(bǔ)水與灌溉期間生態(tài)用水和農(nóng)業(yè)用水的競爭，選擇在灌溉空閑期補(bǔ)水。在作物生育期灌溉時，灌區(qū)地下水得到補(bǔ)給，湖泊補(bǔ)水少，此時地下水向湖泊補(bǔ)給水源，支撐著湖泊強(qiáng)烈的蒸發(fā)消耗。湖泊群的存在也會影響灌區(qū)區(qū)域地下水的循環(huán)規(guī)律，減少區(qū)域地下水變化幅度，如河套灌區(qū)沈?yàn)豕嘤蚝礉竦孛娣e占比大，地下水變化幅度比河套灌區(qū)其他區(qū)域小。地下水埋深與湖泊存在復(fù)雜的水量交換關(guān)系，需因地制宜辨識湖泊與地下水的交互機(jī)理，為湖泊水量平衡和灌區(qū)水循環(huán)過程的研究提供有利幫助。

三、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的灌區(qū)節(jié)水模式

灌區(qū)節(jié)水措施主要有渠系襯砌、畦田改造、微灌、噴灌等工程措施，以及調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、優(yōu)化灌溉定額等非工程措施。實(shí)施節(jié)水措施后，灌區(qū)灌溉引水總量減少，進(jìn)入田間的灌溉補(bǔ)水水量減少，導(dǎo)致灌區(qū)地表入滲補(bǔ)給地下的水量減少，地下水水位隨之變化，當(dāng)?shù)叵滤幌陆档揭欢ǔ潭葧r灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定會受到威脅，因此需要摸清不同節(jié)水措施下灌區(qū)地下水水位的變化情況，計算在保障灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定前提下的灌區(qū)節(jié)水潛力。

1.灌區(qū)水循環(huán)機(jī)理

水循環(huán)是一種水資源在大氣、地表和地下之間相互作用的自然現(xiàn)象，水循環(huán)將大氣圈、生物圈、巖石圈以及冰凍圈等圈層緊密地聯(lián)系起來，對區(qū)域氣候、環(huán)境和生態(tài)起到至關(guān)重要的作用。灌區(qū)在人類活動的強(qiáng)烈干擾下形成了自然-人工的二元水循環(huán)系統(tǒng)，自然的大氣水、地表水、土壤水和地下水與人為的取水、輸水、耗水和排水等活動共同組成了完整的灌區(qū)水循環(huán)。灌區(qū)水循環(huán)過程包括天然的降雨、蒸發(fā)、地表徑流、入滲補(bǔ)給、潛水蒸發(fā)、河流與地下水的側(cè)向補(bǔ)給等過程，以及人為創(chuàng)造的引水灌溉、生態(tài)補(bǔ)水、灌后排水等用水過程，這也讓灌區(qū)引排水渠系的蒸發(fā)、滲漏等參與到灌區(qū)水循環(huán)中。

研究灌區(qū)水循環(huán)機(jī)理，解析灌區(qū)水循環(huán)組成的關(guān)鍵要素，需要依據(jù)灌區(qū)水循環(huán)特征構(gòu)建水循環(huán)模型，模擬灌區(qū)水循環(huán)過程。從山、水、林、田、湖、草各系統(tǒng)水量消耗過程入手，以不同類型耗水系統(tǒng)的水平衡機(jī)制和灌區(qū)尺度水循環(huán)要素標(biāo)定為突破口，考慮地表水供水平衡、土壤水平衡、地下水平衡，通過蒸發(fā)、入滲以及單元間的水量交換將各個平衡系統(tǒng)聯(lián)系起來，構(gòu)建適用于強(qiáng)人類活動地區(qū)的分布式水循環(huán)WACM（Water Allocation and Cycle Model）模型，系統(tǒng)模擬分析灌區(qū)山水林田湖草各系統(tǒng)的水分運(yùn)動過程與水循環(huán)演變規(guī)律，為灌區(qū)灌溉管理、水資源開發(fā)利用與山水林田湖草生態(tài)保護(hù)提供基礎(chǔ)支撐。

2.節(jié)水措施

節(jié)水灌溉是平衡灌區(qū)生產(chǎn)要求和來水水量不足現(xiàn)狀、維持灌區(qū)持續(xù)健康發(fā)展的重要手段。節(jié)水路徑總體可分為渠系節(jié)水和田間節(jié)水兩種。不同節(jié)水措施從這兩個路徑對灌區(qū)引用水量進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而影響整個灌區(qū)的水循環(huán)過程及其伴生的生態(tài)環(huán)境過程。

（1）渠系節(jié)水措施

渠系襯砌是灌區(qū)的主要節(jié)水措施，通過對灌區(qū)渠系的襯砌防滲，能減少河床阻力，加速渠系水運(yùn)移速率，以減少渠系的滲漏，提高灌區(qū)引水的利用效率，達(dá)到灌區(qū)節(jié)水目的。渠系節(jié)水措施是灌區(qū)制約地下水補(bǔ)給的關(guān)鍵因素，計算灌區(qū)節(jié)水潛力時應(yīng)選擇適宜的渠系襯砌比例節(jié)水方案，以維持保障灌區(qū)生態(tài)穩(wěn)定的地下水埋深。

（2）田間節(jié)水措施

田間節(jié)水有畦田改造、噴灌技術(shù)以及覆膜灌溉等措施。微噴灌技術(shù)相對落后，投資過高，主要應(yīng)用于蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物種植區(qū)，對灌區(qū)整體節(jié)水潛力貢獻(xiàn)較小。地膜覆蓋是灌區(qū)現(xiàn)階段采用最廣泛的節(jié)水措施。畦田改造是平整耕地、提高田間水資源利用效率的一種節(jié)水方式，畦田改造后的耕地避免了坑洼蓄積水量的現(xiàn)象，水資源能均勻向土壤中入滲，達(dá)到節(jié)水目的。

（3）灌溉制度優(yōu)化節(jié)水

優(yōu)化灌溉制度也是灌區(qū)節(jié)水工作中的重要措施，如通過制定適宜的灌溉定額讓田間作物產(chǎn)量最大化。優(yōu)化灌溉定額主要是優(yōu)化灌區(qū)在作物生育期的灌水量，可以通過改變灌溉頻率等方式實(shí)施。寧夏、內(nèi)蒙古等地的灌區(qū)有洗鹽需求，需要進(jìn)行秋澆，優(yōu)化秋澆定額也是田間的重要節(jié)水方式。

3.基于水循環(huán)的地下水水位控制下的灌區(qū)節(jié)水體系

根據(jù)灌區(qū)的節(jié)水現(xiàn)狀與節(jié)水效果，可以通過實(shí)施渠系襯砌、畦田改造、地膜覆蓋、優(yōu)化灌溉定額等措施節(jié)水，表現(xiàn)為減少灌區(qū)引水總量，減少田間灌溉水量，增加灌區(qū)灌溉的退水量等，最終結(jié)果是減少地表向土壤以及地下補(bǔ)給的水量。結(jié)合已開展的有關(guān)試驗(yàn)研究分析節(jié)水效果，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建節(jié)水方案。

基于灌區(qū)DEM、土地利用、土壤分布等地理遙感信息，水文氣象與水文地質(zhì)信息，灌區(qū)引水排水、灌溉制度和經(jīng)濟(jì)社會用水等信息，構(gòu)建灌區(qū)分布式水循環(huán)模型，用模型輸出的蒸散發(fā)、引排水、地下水、湖泊濕地補(bǔ)水等水循環(huán)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的時空變化序列，分析基準(zhǔn)年水循環(huán)演變特征與演變規(guī)律。

采用構(gòu)建的水循環(huán)模型模擬設(shè)定的各項(xiàng)節(jié)水措施方案，并與基準(zhǔn)年進(jìn)行對比。將節(jié)水潛力計算與灌區(qū)水循環(huán)相結(jié)合，研究不同節(jié)水方案下地表水、地下水的變化情況，確定地下水水位控制下灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的節(jié)水潛力。

計算不同節(jié)水方案下的灌區(qū)節(jié)水量，以及節(jié)水后不同地表補(bǔ)水導(dǎo)致的灌區(qū)地下水水位發(fā)生的變化，并基于構(gòu)建的灌區(qū)水循環(huán)模型模擬不同節(jié)水措施下地下水的變化情況，計算出實(shí)施不同節(jié)水方案后的地下水水位，將其和維持灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的地下水水位進(jìn)行對比，確定灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的適宜節(jié)水潛力，實(shí)施相應(yīng)的節(jié)水措施。

四、結(jié) 論

在生態(tài)穩(wěn)定的前提下開展農(nóng)業(yè)節(jié)水是目前我國水資源管理的重要舉措，尤其是在我國西北旱區(qū)的灌區(qū)，節(jié)水行動意義重大。生態(tài)脆弱是灌區(qū)的典型特征，實(shí)施節(jié)水過程中必須保障灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，以保障灌區(qū)生產(chǎn)生活的可持續(xù)性發(fā)展。厘清了地下水埋深對灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的約束原理，分析了灌區(qū)地下水埋深對生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵要素林、田、湖、草的約束條件，研究灌區(qū)林、田、湖、草健康發(fā)展的地下水埋深，進(jìn)而確定灌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的適宜地下水埋深?；诠鄥^(qū)水循環(huán)模型提出了維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的節(jié)水措施方案評估方法，為西北旱區(qū)大型灌區(qū)實(shí)施深度節(jié)水的生態(tài)發(fā)展模式提供了參考。