青銅峽灌區(qū)水土資源平衡分析的探討

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摘要：本文根據(jù)青銅峽灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)和灌區(qū)規(guī)劃的要求，提出灌區(qū)節(jié)水改造規(guī)劃的水土資源平衡應(yīng)進(jìn)行水資源的3個(gè)平衡分析，即水資源供需平衡分析，引水、耗水與排水平衡分析，水資源耗水平衡分析。水資源的3個(gè)平衡分析的目標(biāo)與內(nèi)容不同，但科學(xué)基礎(chǔ)與依據(jù)都是灌區(qū)的四水轉(zhuǎn)化關(guān)系。

　　關(guān)鍵詞：灌區(qū)規(guī)劃 四水轉(zhuǎn)化 水資源供需平衡

　　隨著我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，水資源的合理利用與優(yōu)化配置成為其可持續(xù)發(fā)展的重大問題[1～3].本文結(jié)合青銅峽灌區(qū)的節(jié)水改造規(guī)劃，對(duì)干旱半干旱地區(qū)的大型灌區(qū)的水土資源平衡的有關(guān)問題進(jìn)行討論。青銅峽灌區(qū)地處寧夏銀川平原，屬黃河河套（前套）平原的重要組成部分。灌區(qū)總土地面積6239km2，現(xiàn)狀灌溉面積33萬hm²，灌區(qū)涉及寧夏的3個(gè)地級(jí)市及11個(gè)縣（市、區(qū)），是自治區(qū)人口集中地與工農(nóng)業(yè)發(fā)展精華地區(qū)。青銅峽灌區(qū)建設(shè)發(fā)展歷史悠久，但工程老化失修，滲漏嚴(yán)重，水資源利用率低，平均灌溉水利用系數(shù)只有0.38，水分生產(chǎn)率只有0.62kg/m³.青銅峽灌區(qū)現(xiàn)狀引水量、耗水量約占寧夏引黃灌區(qū)的80%左右，也是節(jié)水潛力最大的地區(qū)，應(yīng)制定灌區(qū)改造規(guī)劃，積極進(jìn)行灌區(qū)的節(jié)水建設(shè)，把青銅峽灌區(qū)改造成為面向二十一世紀(jì)節(jié)水高效的新型灌區(qū)。

　　1 青銅峽灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化特點(diǎn)與水土資源平衡分析

　　1.1 灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化與特點(diǎn)

　　水土資源平衡分析是灌區(qū)灌溉規(guī)模論證的主要依據(jù)。灌區(qū)的四水——地表水、土壤水、地下水、大氣水（降水與蒸發(fā)）——的轉(zhuǎn)化關(guān)系[4，5]是灌區(qū)水土資源平衡分析的科學(xué)基礎(chǔ)與依據(jù)。

　　本文以下將灌區(qū)作為一個(gè)整體，根據(jù)用水與耗水的性質(zhì)和特點(diǎn)，將灌區(qū)劃分為5個(gè)單元，即農(nóng)田灌溉單元（人工灌溉的耕地、林地與草地）、工業(yè)用水單元、城鄉(xiāng)用水單元、人工環(huán)境生態(tài)用水單元、自然生態(tài)耗水單元。青銅峽灌區(qū)的四水及其轉(zhuǎn)化簡(jiǎn)要說明如下。

　?、俚乇硭侵腹鄥^(qū)引用的黃河水、降水形成的地表徑流和灌區(qū)排水。引用的黃河水在渠道輸水過程中，通過蒸發(fā)滲漏轉(zhuǎn)化為大氣水、土壤水和地下水。降水形成的地表徑流一般難以利用、直接由排水溝排出。

　?、诘叵滤畞碓从诘乇硭c降水的入滲補(bǔ)給、灌區(qū)外的（山前）側(cè)滲補(bǔ)給，其消耗為通過潛水蒸發(fā)補(bǔ)充非飽和帶的土壤水、通過側(cè)滲以地下水的形式排入黃河、通過抽水作為工農(nóng)業(yè)的用水水源、通過越層入滲補(bǔ)給深層地下水。

　?、弁寥浪撬乃D(zhuǎn)化的中心環(huán)節(jié)，來源于地表水的入滲與地下水的潛水蒸發(fā)補(bǔ)給。土壤除少量補(bǔ)給地下水外、主要轉(zhuǎn)化為大氣水、消耗于蒸發(fā)蒸騰。

　?、艽髿馑附邓c蒸發(fā)蒸騰的水量。灌區(qū)的降水除少量入滲補(bǔ)給地下水和排水外，直接蒸發(fā)消耗掉。各個(gè)單元的蒸發(fā)蒸騰總量是灌區(qū)最終的水資源消耗量。

　　根據(jù)自然條件與水資源利用現(xiàn)狀，青銅峽灌區(qū)的四水轉(zhuǎn)化有以下特點(diǎn)。

　?、俟鄥^(qū)年降水量?jī)H180～220mm，而水面蒸發(fā)量達(dá)1000～1550mm.當(dāng)?shù)氐乇硭Y源量約為1.25億m³，降水與山前側(cè)滲的地下水補(bǔ)給量約為0.95億m³.降水在灌區(qū)的四水轉(zhuǎn)化中的作用處于次要的地位。灌區(qū)的生存與發(fā)展完全依靠黃河水的引用，現(xiàn)狀引黃河水量60～70億m³.

　?、诠鄥^(qū)內(nèi)四水轉(zhuǎn)化復(fù)雜，特別是地表水與地下水的轉(zhuǎn)化量大、轉(zhuǎn)化頻繁。

　　③灌區(qū)土地資源豐富，分布有大片的荒地，并形成灌區(qū)內(nèi)的自然生態(tài)景觀。在灌區(qū)水資源可利用量一定的條件下，社會(huì)經(jīng)濟(jì)用水與生態(tài)環(huán)境用水存在著激烈的矛盾。

　?、茉谖覈?guó)依靠引用黃河水的大型灌區(qū)中，僅青銅峽灌區(qū)具有自流引水和自流排水的條件。目前灌區(qū)是“大引大排”（排水40億m³左右），水資源利用不盡合理。

　　1.2 青銅峽灌區(qū)水土資源平衡分析

　　根據(jù)青銅峽灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)和大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃的要求，本文提出在灌區(qū)水土資源平衡中要進(jìn)行水資源的3個(gè)平衡分析。

　?、俟鄥^(qū)水資源供需平衡分析。該平衡分析是以往規(guī)劃中常規(guī)進(jìn)行的，平衡分析的目標(biāo)是調(diào)整國(guó)民經(jīng)濟(jì)各用水部門與水資源的供求關(guān)系。

　?、诠鄥^(qū)引水—耗水—排水平衡分析。青銅峽灌區(qū)的引水量除灌區(qū)工農(nóng)業(yè)用水消耗外，尚有部分水量排入黃河。灌區(qū)的引水—耗水—排水平衡分析的目標(biāo)是調(diào)整局部（灌區(qū)）與整體（流域）的資源配置關(guān)系。

　　③灌區(qū)水資源耗水平衡。水資源耗水平衡分析的目標(biāo)是調(diào)整國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門、國(guó)民經(jīng)濟(jì)與自然生態(tài)的水資源配置關(guān)系。

　　2 青銅峽灌區(qū)水資源供需平衡分析

　　為了提高水資源的利用效率而又滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用水要求，必須進(jìn)行水資源供需平衡分析。在水資源不足的情況下，按照以需定供的原則，合理確定工農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模并進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。水資源供需平衡關(guān)系如圖1中粗線所示。

　　2.1 灌區(qū)可供水量

　　灌區(qū)可供水量WS為灌區(qū)水源工程的可供水量，是地表水的可供水量WSS與地下水的可供水量WSG之和。

　　WS=WSS+WSG （1）

　　對(duì)青銅峽灌區(qū)，地表水的可供水量WSS即是灌區(qū)各干渠的渠首的引黃水量。地下水的可供水量即是由地下水補(bǔ)給量確定的地下水的可開采量（井口）。地下水的補(bǔ)給量為當(dāng)?shù)氐慕邓c山前側(cè)滲的地下水補(bǔ)給量和引黃灌溉的渠系與田間入滲補(bǔ)給量之和，以引黃灌溉入滲補(bǔ)給量為主。引黃入滲補(bǔ)給量WGR與引黃水量有關(guān)，由下式計(jì)算：

　　WGR=γ（1-η_渠）WSS+（1-η_田）η_渠WSS （2）

　　式中：η渠為渠系水利用系數(shù)；η田為田間水利用系數(shù)；γ為渠系入滲補(bǔ)給系數(shù)。等式右端第一項(xiàng)為渠系滲漏水入滲補(bǔ)給量；第二項(xiàng)為田間水入滲補(bǔ)給量，該項(xiàng)只計(jì)自流灌區(qū)。η渠與渠道襯砌狀況有關(guān)，γ與排水量有關(guān)，故現(xiàn)狀水平年與規(guī)劃水平年的γ（1-η渠）取值不同。地下水的可開采系數(shù)取為0.6，則地下水的可開采量WSG為：

　　WSG=0.6（WGR+0.95）

　　根據(jù)相關(guān)參數(shù)，計(jì)算不同引黃量下相應(yīng)的地下水補(bǔ)給量與可開采量WSG結(jié)果如圖2.

　　2.2 灌區(qū)需水量

　?。?）城鎮(zhèn)生活用水與需水量。城鎮(zhèn)生活用水量WUA按城鎮(zhèn)人口PA（人）與定額MA（L/人·d）計(jì)算，即WUA=365PAMA.城鎮(zhèn)生活用水的水源有地表水（引黃）和地下水，需水量是根據(jù)用水量推算至水源工程（渠首與井口）處的水量。若地表水與地下水的供水比例分別為αs1與αg1、相應(yīng)的水利用系數(shù)分別為ηs1與ηg1，則其需水量WDA為

　　WDA=α_s1WU_A/η_s1+α_g1WUA/η_g1 （3）

　　上式等號(hào)右端第一項(xiàng)為地表水的需水量，第二項(xiàng)為地下水的需水量。

　　（2）農(nóng)村生活用水與需水量。農(nóng)村生活用水量（含牲畜用水）亦按人口P_A與定額M_A計(jì)算，用水量WU_B=365P_BM_B，同樣考慮不同水源的供水比例α_s2、α_g2及相應(yīng)的水利用系數(shù)η_s2、η_g2，其需水量WDB為

　　WDB=α_s2WU_B/η_s2+α_g2WU_B/η_g2 （4）

　?。?）工業(yè)用水。工業(yè)用水按產(chǎn)值Y與萬元產(chǎn)值用水定額MC計(jì)用水量MUC=YMC，需水量WDC與上述計(jì)算類似

　　WDC=α_s3WU_C/η_s3+α_g3WU_C/η_g3 （5）

　?。?）生態(tài)環(huán)境用水。生態(tài)環(huán)境用水是指人工灌溉及供水的生態(tài)林建設(shè)、河湖坑塘及鹽堿地改良等用水。根據(jù)相應(yīng)的規(guī)劃規(guī)模，其總需水量（引黃水量）WDD規(guī)劃為6.5億m³.

　　（5）灌溉需水。規(guī)劃水平年總灌溉面積33.7萬hm²，自流灌區(qū)灌溉面積F1為29.8萬hm²、揚(yáng)水灌區(qū)灌溉面積F2為3.9萬hm².為了充分利用水資源，自流灌區(qū)的用水要增加地下水的利用量。自流灌區(qū)的凈灌溉水量WUE1由其面積F1與凈灌溉定額m1計(jì)算，WUE1=m1F1，需水量（毛灌溉水量）WDE1為

　　WDE1=α_s51WUE₁/η_s51+α_g51WUE₁/η_g51 （6）

　　式中：ηs51與ηg51分別為相應(yīng)的灌溉水利用系數(shù)，αs51和αg51為相應(yīng)的地表水與地下水的利用比例（待定）。

　　由揚(yáng)水灌區(qū)的凈灌溉定額m2（規(guī)劃為4440m³/hm²）和灌溉面積F2可計(jì)算凈灌溉水量WUE2=m2F2，其需水量WDE₂為

　　WDE₂=α_s52WUE₂/η_s52+α_g52WUE₂/η_g52 （7）

　　綜上所述，灌區(qū)的總需水量WD為上述各項(xiàng)需水量之和。即

　　WD=WDA+WDB+WDC+WDD+WDE1+WDE2 （8）

　　各部門的需水由地表水與地下水兩個(gè)水源供給，總需水量WD為地表水（引黃）的需水量WDS與地下水的需水量WDG之和。地表水與地下水的需水量與各部門兩種水源供給的比例有關(guān)，而地下水的可供水量（可開采量）又取決于地表水的可供水量（引黃量）。因此，在多水源的情況下，灌區(qū)的供水量與需水量要通過供需平衡分析確定。

　　2.3 水資源供需平衡分析

　　為了確定合理的引黃量需進(jìn)行水資源供需平衡分析，其原則是水資源有效利用。引黃量過大、地下水的補(bǔ)給量亦大，供需平衡結(jié)果水量富余；引黃量較少時(shí)，地下水的補(bǔ)給量也少，供需平衡結(jié)果水量不足。因此，引黃量的確定，存在著一個(gè)平衡點(diǎn)。

　　由前述分析可見，灌區(qū)的可供水量與需水量均與引黃量有關(guān)。根據(jù)分析計(jì)算結(jié)果，繪出可供水量、需水量與引黃量的關(guān)系。

　　分析結(jié)果表明，青銅峽灌區(qū)合理的引黃量為40億m³（不含大壩與石嘴山火電站的引水）。

　　3 灌區(qū)引水、耗水、排水平衡分析

　　3.1 灌區(qū)引水、耗水、排水平衡與排水量分析

　　水資源平衡分析確定的引黃量并不是灌區(qū)可消耗的水量。國(guó)家分配給寧夏自治區(qū)的用水指標(biāo)40億m³，由寧夏引黃用水現(xiàn)狀與規(guī)劃，青銅峽灌區(qū)可耗用的黃河水為25.4億m³.

　　可在四水轉(zhuǎn)化中改用粗線表示灌區(qū)引水—耗水—排水的平衡關(guān)系，此處從略。灌區(qū)的引水是指灌區(qū)的引黃水量、即WSS，灌區(qū)的排水是灌區(qū)排入黃河的水量、記為WDD，灌區(qū)的耗水在此所指的是引（引水量）排（排水量）差、記為WSD.即：

　　WSD=WSS-WDD （9）

　　青銅峽灌區(qū)規(guī)劃水平年的引排差維持現(xiàn)狀的25.4億m³，灌區(qū)的引黃量、耗水量（引排差）與排水量如表2.

　　3.2 排水的可能性與不確定性

　　根據(jù)1988～1999年的水文測(cè)定與統(tǒng)計(jì)資料，點(diǎn)繪灌區(qū)的排水量與引黃量的關(guān)系如圖4.

　　根據(jù)所給的關(guān)系，當(dāng)灌區(qū)引黃量為40億m³時(shí)，相應(yīng)的排水量達(dá)17.2億m³.如表2，規(guī)劃水平年要求的排水量為14.6億m³，較17.2億m³為少，達(dá)到規(guī)劃的排水量的可能性是存在的。

　　現(xiàn)狀的引水、排水情況。灌區(qū)排水組成十分復(fù)雜，目前尚無相關(guān)的定量關(guān)系。在規(guī)劃水平年，灌區(qū)用水管理的加強(qiáng)，灌區(qū)退水必然減少；

　　農(nóng)田排水配套建設(shè)的完善，農(nóng)田的排水量有一定程度增加?？傮w上，未來的排水量將較現(xiàn)狀為少。因此，未來的排水量存在著不確定性。規(guī)劃排水量的實(shí)現(xiàn)應(yīng)通過灌區(qū)的引排調(diào)度與加強(qiáng)管理來解決，當(dāng)排水量不足（即引排差大于規(guī)劃確定值）時(shí)，其不足水量由用水量中扣除。青銅峽灌區(qū)具有較好的自流排水條件。灌區(qū)維持一定的排水量，有利于全灌區(qū)鹽分平衡。

　　4 灌區(qū)耗水平衡

　　青銅峽灌區(qū)現(xiàn)狀排水量約占引黃水量的62%，因而灌區(qū)引水量或可供水量不是可消耗的水資源量。灌區(qū)的需水量也不是各用水部門實(shí)際的消耗水量。此外，自然生態(tài)的用水因不是人工引水供給，在水資源供需平衡中沒有計(jì)入。因此，前述的水資源供需平衡并不是真正意義的水資源配置。為此補(bǔ)充進(jìn)行水資源的耗水平衡是必要的。

　　4.1 灌區(qū)可耗水量

　　灌區(qū)的可耗水量約為27.64億m³，包括可利用的黃河水量（引排差）25.4億m³，當(dāng)?shù)氐牡乇硭Y源1.25億m³，當(dāng)?shù)氐臏\層地下水資源0.99億m³.在以下灌區(qū)耗水分析中，除降水產(chǎn)生的地表水及地下水外，未計(jì)入降水的直接利用。

　　4.2 灌區(qū)各項(xiàng)耗水估計(jì)

　　灌區(qū)的水資源的消耗按前述分為工業(yè)用水、城鄉(xiāng)生活（城鎮(zhèn)與農(nóng)村）、環(huán)境用水、農(nóng)業(yè)灌溉和自然生態(tài)植被共5項(xiàng)。

　?。?）工業(yè)、城鄉(xiāng)生活耗水量。工業(yè)、城鄉(xiāng)生活的耗水量WC與用水量的WU的比值稱為耗水率ζ，故可由用水量與耗水率來估算其耗水量，即

　　WC=ζWU （10）

　　根據(jù)全國(guó)的統(tǒng)計(jì)資料與本灌區(qū)的實(shí)際情況，工業(yè)和城鎮(zhèn)生活的耗水率取為25%，農(nóng)村生活的耗水率取為90%.

　?。?）環(huán)境用水的耗水量。河湖塘庫的耗水按年均積水水面的蒸發(fā)量估計(jì)；防護(hù)林建設(shè)與鹽堿地改良耗水按面積與定額估計(jì)。

　?。?）農(nóng)業(yè)灌溉耗水量。農(nóng)業(yè)灌溉耗水根據(jù)灌溉面積與凈灌溉定額估算。實(shí)際上農(nóng)田作物還消耗地下水（通過潛水蒸發(fā)），故還應(yīng)計(jì)入地下水利用量。

　?。?）自然生態(tài)（植被）的耗水量。現(xiàn)狀水平年根據(jù)灌區(qū)內(nèi)自然生態(tài)的面積（統(tǒng)計(jì)與遙感資料）、地下水位埋深，按潛水蒸發(fā)估計(jì)。在規(guī)劃水平年，由灌區(qū)的可耗水量扣去上述各項(xiàng)耗水量后、作為其可消耗于自然生態(tài)的水量，其結(jié)果用以評(píng)價(jià)灌區(qū)自然生態(tài)耗水的可能狀況。

　　綜上所述，灌區(qū)水資源耗水平衡的初步結(jié)果。

　　灌區(qū)自然生態(tài)的面積約為15萬hm²，規(guī)劃水平年可耗水量2.54億m³，相當(dāng)170mm，加上降水的直接利用，耗水約300～350mm.自然生態(tài)耗水有一定的保證，但并不充分。

　　5 青銅峽灌區(qū)水土資源平衡分析結(jié)果與結(jié)論

　?。?）根據(jù)前述青銅峽灌區(qū)水資源的3個(gè)平衡分析，灌區(qū)的續(xù)建配套與節(jié)水改造的實(shí)施將有明顯的節(jié)水效果，灌區(qū)的水資源配置與利用將趨于合理。

　?、俟鄥^(qū)的引黃量由現(xiàn)狀的66.4億m³減少到規(guī)劃水平年的40億m³，減少了40%，對(duì)于黃河流域的水量統(tǒng)一調(diào)度與管理是有利的；地下水的開采量由現(xiàn)狀的3.5億m³增加到5.9億m³，灌區(qū)的引黃與地下水的聯(lián)合運(yùn)用趨于合理。嚴(yán)格控制用水指標(biāo)，維持現(xiàn)狀的引排差25.4億m³.在采取有力的管理調(diào)度措施后，規(guī)劃的排水量是可以實(shí)現(xiàn)的。

　?、谵r(nóng)田灌溉節(jié)水效果顯著。以現(xiàn)狀的灌溉面積33萬hm²為基準(zhǔn)，綜合毛灌溉定額由現(xiàn)狀的20025m³/hm²、到規(guī)劃水平年減少到10080m³/hm²，毛灌溉水量由現(xiàn)狀的66.1億m³減少為34億m³，減少了32.1億m³；灌區(qū)的綜合凈灌溉定額由現(xiàn)狀的7365m³/hm²減少到5250m³/hm²，節(jié)約凈灌溉水量7億m³，減少的毛灌溉水量與節(jié)約的凈灌溉水量具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益。

　　（2）本文結(jié)合青銅峽灌區(qū)節(jié)水改造規(guī)劃，提出在灌區(qū)水土資源平衡分析中需要進(jìn)行水資源的3個(gè)平衡分析。這3個(gè)平衡分析都是以灌區(qū)的四水轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)，且是相互有關(guān)聯(lián)的。水資源3個(gè)平衡分析有各自的內(nèi)容和目標(biāo)。根據(jù)作者多年的工作體會(huì)，在我國(guó)干旱與半干旱地區(qū)，除進(jìn)行常規(guī)的水資源供需平衡分析外，補(bǔ)充進(jìn)行耗水平衡分析對(duì)于研究水資源的配置是十分必要的。

　　由于灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性，加以實(shí)際監(jiān)測(cè)與試驗(yàn)資料的不足，水資源平衡分析中所需要的水量轉(zhuǎn)化與消耗的參數(shù)常缺乏可靠的依據(jù)。例如本文分析中用到的地表水入滲補(bǔ)給地下水的參數(shù)，排水的組成及估計(jì)，各單元耗水分析的參數(shù)等。3個(gè)平衡的分析，尤其是耗水平衡的分析目前仍有其不確定性。灌區(qū)四水轉(zhuǎn)化與水土資源平衡分析是一個(gè)重要的、尚需繼續(xù)深入研究的課題。

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