青铜峡灌区水土资源平衡分析的探讨

随着我国西部大开发战略的实施，水资源的合理利用与优化配置成为其可持续发展的重大问题[1～3].本文结合青铜峡灌区的节水改造规划，对干旱半干旱地区的大型灌区的水土资源平衡的有关问题进行讨论.青铜峡灌区地处宁夏银川平原，属黄河河套(前套)平原的重要组成部分.灌区总土地面积6239km2，现状灌溉面积33万hm2，灌区涉及宁夏的3个地级市及11个县(市、区)，是自治区人口集中地与工农业发展精华地区.青铜峡灌区建设发展历史悠久，但工程老化失修，渗漏严重，水资源利用率低，平均灌溉水利用系数只有0.38，水分生产率只有0.62kg/m3.青铜峡灌区现状引水量、耗水量约占宁夏引黄灌区的80%左右，也是节水潜力最大的地区，应制定灌区改造规划，积极进行灌区的节水建设，把青铜峡灌区改造成为面向二十一世纪节水高效的新型灌区.





1 青铜峡灌区四水转化特点与水土资源平衡分析





1.1 灌区四水转化与特点 水土资源平衡分析是灌区灌溉规模论证的主要依据.灌区的四水——地表水、土壤水、地下水、大气水(降水与蒸发)——的转化关系[4,5]是灌区水土资源平衡分析的科学基础与依据.青铜峡灌区四水转化模式如图1.





本文以下将灌区作为一个整体，根据用水与耗水的性质和特点，将灌区划分为5个单元，即农田灌溉单元(人工灌溉的耕地、林地与草地)、工业用水单元、城乡用水单元、人工环境生态用水单元、自然生态耗水单元.青铜峡灌区的四水及其转化简要说明如下.








图1 青铜峡灌区四水转化与水资源供需平衡概念





①地表水是指灌区引用的黄河水、降水形成的地表径流和灌区排水.引用的黄河水在渠道输水过程中，通过蒸发渗漏转化为大气水、土壤水和地下水.降水形成的地表径流一般难以利用、直接由排水沟排出.





②地下水来源于地表水与降水的入渗补给、灌区外的(山前)侧渗补给，其消耗为通过潜水蒸发补充非饱和带的土壤水、通过侧渗以地下水的形式排入黄河、通过抽水作为工农业的用水水源、通过越层入渗补给深层地下水.





③土壤水是四水转化的中心环节，来源于地表水的入渗与地下水的潜水蒸发补给.土壤除少量补给地下水外、主要转化为大气水、消耗于蒸发蒸腾.





④大气水指降水与蒸发蒸腾的水量.灌区的降水除少量入渗补给地下水和排水外，直接蒸发消耗掉.各个单元的蒸发蒸腾总量是灌区最终的水资源消耗量.





根据自然条件与水资源利用现状，青铜峡灌区的四水转化有以下特点.





①灌区年降水量仅180～220mm，而水面蒸发量达1000～1550mm.当地地表水资源量约为1.25亿m3，降水与山前侧渗的地下水补给量约为0.95亿m3.降水在灌区的四水转化中的作用处于次要的地位.灌区的生存与发展完全依靠黄河水的引用，现状引黄河水量60～70亿m3.





②灌区内四水转化复杂，特别是地表水与地下水的转化量大、转化频繁.





③灌区土地资源丰富，分布有大片的荒地，并形成灌区内的自然生态景观.在灌区水资源可利用量一定的条件下，社会经济用水与生态环境用水存在着激烈的矛盾.





④在我国依靠引用黄河水的大型灌区中，仅青铜峡灌区具有自流引水和自流排水的条件.目前灌区是“大引大排”(排水40亿m3左右)，水资源利用不尽合理.





1.2 青铜峡灌区水土资源平衡分析 根据青铜峡灌区四水转化的特点和大型灌区续建配套与节水改造规划的要求，本文提出在灌区水土资源平衡中要进行水资源的3个平衡分析.





①灌区水资源供需平衡分析.该平衡分析是以往规划中常规进行的，平衡分析的目标是调整国民经济各用水部门与水资源的供求关系.





②灌区引水—耗水—排水平衡分析.青铜峡灌区的引水量除灌区工农业用水消耗外，尚有部分水量排入黄河.灌区的引水—耗水—排水平衡分析的目标是调整局部(灌区)与整体(流域)的资源配置关系.





③灌区水资源耗水平衡.水资源耗水平衡分析的目标是调整国民经济各部门、国民经济与自然生态的水资源配置关系.





2 青铜峡灌区水资源供需平衡分析





为了提高水资源的利用效率而又满足社会经济发展的用水要求，必须进行水资源供需平衡分析.在水资源不足的情况下，按照以需定供的原则，合理确定工农业发展规模并进行结构调整.水资源供需平衡关系如图1中粗线所示.





2.1 灌区可供水量 灌区可供水量WS为灌区水源工程的可供水量，是地表水的可供水量WSS与地下水的可供水量WSG之和.





WS=WSS+WSG (1)





对青铜峡灌区，地表水的可供水量WSS即是灌区各干渠的渠首的引黄水量.地下水的可供水量即是由地下水补给量确定的地下水的可开采量(井口).地下水的补给量为当地的降水与山前侧渗的地下水补给量和引黄灌溉的渠系与田间入渗补给量之和，以引黄灌溉入渗补给量为主.引黄入渗补给量WGR与引黄水量有关，由下式计算：





WGR=γ(1-η渠)WSS+(1-η田)η渠WSS （2）





式中：η渠为渠系水利用系数；η田为田间水利用系数；γ为渠系入渗补给系数.等式右端第一项为渠系渗漏水入渗补给量；第二项为田间水入渗补给量，该项只计自流灌区.η渠与渠道衬砌状况有关，γ与排水量有关，故现状水平年与规划水平年的γ(1-η渠)取值不同.地下水的可开采系数取为0.6，则地下水的可开采量WSG为：





WSG=0.6(WGR+0.95)





根据相关参数，计算不同引黄量下相应的地下水补给量与可开采量WSG结果如图2.





2.2 灌区需水量





(1)城镇生活用水与需水量.城镇生活用水量WUA按城镇人口PA(人)与定额MA(L/人·d)计算，即WUA=365PAMA.城镇生活用水的水源有地表水(引黄)和地下水，需水量是根据用水量推算至水源工程(渠首与井口)处的水量.若地表水与地下水的供水比例分别为αs1与αg1、相应的水利用系数分别为ηs1与ηg1，则其需水量WDA为





WDA=αs1WUA/ηs1+αg1WUA/ηg1 （3）





上式等号右端第一项为地表水的需水量，第二项为地下水的需水量.









图2 青铜峡灌区地下水总补给量、可开采量与引黄量关系





(2)农村生活用水与需水量.农村生活用水量(含牲畜用水)亦按人口PA与定额MA计算，用水量WUB=365PBMB，同样考虑不同水源的供水比例αs2、αg2及相应的水利用系数ηs2、ηg2，其需水量WDB为





WDB=αs2WUB/ηs2+αg2WUB/ηg2 （4）





(3)工业用水.工业用水按产值Y与万元产值用水定额MC计用水量MUC=YMC，需水量WDC与上述计算类似





WDC=αs3WUC/ηs3+αg3WUC/ηg3 （5）





(4)生态环境用水.生态环境用水是指人工灌溉及供水的生态林建设、河湖坑塘及盐碱地改良等用水.根据相应的规划规模，其总需水量(引黄水量)WDD规划为6.5亿m3.





(5)灌溉需水.规划水平年总灌溉面积33.7万hm2，自流灌区灌溉面积F1为29.8万hm2、扬水灌区灌溉面积F2为3.9万hm2.为了充分利用水资源，自流灌区的用水要增加地下水的利用量.自流灌区的净灌溉水量WUE1由其面积F1与净灌溉定额m1计算，WUE1=m1F1，需水量(毛灌溉水量)WDE1为





WDE1=αs51WUE1/ηs51+αg51WUE1/ηg51 （6）





式中：ηs51与ηg51分别为相应的灌溉水利用系数，αs51和αg51为相应的地表水与地下水的利用比例(待定).





由扬水灌区的净灌溉定额m2(规划为4440m3/hm2)和灌溉面积F2可计算净灌溉水量WUE2=m2F2，其需水量WDE2为





WDE2=αs52WUE2/ηs52+αg52WUE2/ηg52 （7）





综上所述，灌区的总需水量WD为上述各项需水量之和.即





WD=WDA+WDB+WDC+WDD+WDE1+WDE2 (





各部门的需水由地表水与地下水两个水源供给，总需水量WD为地表水(引黄)的需水量WDS与地下水的需水量WDG之和.地表水与地下水的需水量与各部门两种水源供给的比例有关，而地下水的可供水量(可开采量)又取决于地表水的可供水量(引黄量).因此，在多水源的情况下，灌区的供水量与需水量要通过供需平衡分析确定.





2.3 水资源供需平衡分析 为了确定合理的引黄量需进行水资源供需平衡分析，其原则是水资源有效利用.引黄量过大、地下水的补给量亦大，供需平衡结果水量富余；引黄量较少时，地下水的补给量也少，供需平衡结果水量不足.因此，引黄量的确定，存在着一个平衡点.









图3 灌区可供水量、需水量与引黄量的关系





由前述分析可见，灌区的可供水量与需水量均与引黄量有关.根据分析计算结果，绘出可供水量、需水量与引黄量的关系如图3.





分析结果表明，青铜峡灌区合理的引黄量为40亿m3(不含大坝与石嘴山火电站的引水)，相应情况下的水资源供需平衡结果如表1.









表1 青铜峡灌区规划水平年(2015)水资源供需平衡结果





3 灌区引水、耗水、排水平衡分析





3.1 灌区引水、耗水、排水平衡与排水量分析 水资源平衡分析确定的引黄量并不是灌区可消耗的水量.国家分配给宁夏自治区的用水指标40亿m3，由宁夏引黄用水现状与规划，青铜峡灌区可耗用的黄河水为25.4亿m3.





可在图1所示的四水转化中改用粗线表示灌区引水—耗水—排水的平衡关系，此处从略.灌区的引水是指灌区的引黄水量、即WSS，灌区的排水是灌区排入黄河的水量、记为WDD，灌区的耗水在此所指的是引(引水量)排(排水量)差、记为WSD.即：





WSD=WSS-WDD (9)







表2 青铜峡灌区规划水平年(2015)引黄水量与排水量(亿m3)





如上述，青铜峡灌区规划水平年的引排差维持现状的25.4亿m3，灌区的引黄量、耗水量(引排差)与排水量如表2.





3.2 排水的可能性与不确定性 根据1988～1999年的水文测定与统计资料，点绘灌区的排水量与引黄量的关系如图4.





根据图4所示的关系，当灌区引黄量为40亿m3时，相应的排水量达17.2亿m3.如表2，规划水平年要求的排水量为14.6亿m3，较17.2亿m3为少，达到规划的排水量的可能性是存在的.





图4所示是现状的引水、排水情况.灌区排水组成十分复杂，目前尚无相关的定量关系.在规划水平年，灌区用水管理的加强，灌区退水必然减少；









图4 灌区排水量与引黄量关系(1988～1999)





农田排水配套建设的完善，农田的排水量有一定程度增加.总体上，未来的排水量将较现状为少.因此，未来的排水量存在着不确定性.规划排水量的实现应通过灌区的引排调度与加强管理来解决，当排水量不足(即引排差大于规划确定值)时，其不足水量由用水量中扣除.青铜峡灌区具有较好的自流排水条件.灌区维持一定的排水量，有利于全灌区盐分平衡.





4 灌区耗水平衡





青铜峡灌区现状排水量约占引黄水量的62%，因而灌区引水量或可供水量不是可消耗的水资源量.灌区的需水量也不是各用水部门实际的消耗水量.此外，自然生态的用水因不是人工引水供给，在水资源供需平衡中没有计入.因此，前述的水资源供需平衡并不是真正意义的水资源配置.为此补充进行水资源的耗水平衡是必要的.





4.1 灌区可耗水量 灌区的可耗水量约为27.64亿m3，包括可利用的黄河水量(引排差)25.4亿m3，当地的地表水资源1.25亿m3，当地的浅层地下水资源0.99亿m3.在以下灌区耗水分析中，除降水产生的地表水及地下水外，未计入降水的直接利用.





4.2 灌区各项耗水估计 灌区的水资源的消耗按前述分为工业用水、城乡生活(城镇与农村)、环境用水、农业灌溉和自然生态植被共5项.





(1)工业、城乡生活耗水量.工业、城乡生活的耗水量WC与用水量的WU的比值称为耗水率ζ，故可由用水量与耗水率来估算其耗水量，即





WC=ζWU (10)





根据全国的统计资料与本灌区的实际情况，工业和城镇生活的耗水率取为25%，农村生活的耗水率取为90%.





(2)环境用水的耗水量.河湖塘库的耗水按年均积水水面的蒸发量估计；防护林建设与盐碱地改良耗水按面积与定额估计.





(3)农业灌溉耗水量.农业灌溉耗水根据灌溉面积与净灌溉定额估算.实际上农田作物还消耗地下水(通过潜水蒸发)，故还应计入地下水利用量.





(4)自然生态(植被)的耗水量.现状水平年根据灌区内自然生态的面积(统计与遥感资料)、地下水位埋深，按潜水蒸发估计.在规划水平年，由灌区的可耗水量扣去上述各项耗水量后、作为其可消耗于自然生态的水量，其结果用以评价灌区自然生态耗水的可能状况.





综上所述，灌区水资源耗水平衡的初步结果如表3.









表3 灌区水资源消耗平衡(亿m3)





灌区自然生态的面积约为15万hm2，规划水平年可耗水量2.54亿m3，相当170mm，加上降水的直接利用，耗水约300～350mm.自然生态耗水有一定的保证，但并不充分.





5 青铜峡灌区水土资源平衡分析结果与结论





(1)根据前述青铜峡灌区水资源的3个平衡分析，灌区的续建配套与节水改造的实施将有明显的节水效果，灌区的水资源配置与利用将趋于合理.





①灌区的引黄量由现状的66.4亿m3减少到规划水平年的40亿m3，减少了40%，对于黄河流域的水量统一调度与管理是有利的；地下水的开采量由现状的3.5亿m3增加到5.9亿m3，灌区的引黄与地下水的联合运用趋于合理.严格控制用水指标，维持现状的引排差25.4亿m3.在采取有力的管理调度措施后，规划的排水量是可以实现的。





②农田灌溉节水效果显著.以现状的灌溉面积33万hm2为基准，综合毛灌溉定额由现状的20025m3/hm2、到规划水平年减少到10080m3/hm2，毛灌溉水量由现状的66.1亿m3减少为34亿m3，减少了32.1亿m3；灌区的综合净灌溉定额由现状的7365m3/hm2减少到5250m3/hm2，节约净灌溉水量7亿m3，减少的毛灌溉水量与节约的净灌溉水量具有重要的社会经济和生态环境效益。





(2)本文结合青铜峡灌区节水改造规划，提出在灌区水土资源平衡分析中需要进行水资源的3个平衡分析.这3个平衡分析都是以灌区的四水转化为基础，且是相互有关联的.水资源3个平衡分析有各自的内容和目标.根据作者多年的工作体会，在我国干旱与半干旱地区，除进行常规的水资源供需平衡分析外，补充进行耗水平衡分析对于研究水资源的配置是十分必要的。





由于灌区四水转化的复杂性，加以实际监测与试验资料的不足，水资源平衡分析中所需要的水量转化与消耗的参数常缺乏可靠的依据.例如本文分析中用到的地表水入渗补给地下水的参数，排水的组成及估计，各单元耗水分析的参数等.3个平衡的分析，尤其是耗水平衡的分析目前仍有其不确定性.灌区四水转化与水土资源平衡分析是一个重要的、尚需继续深入研究的课题。





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