內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域水循環(huán)要素特征分析——基于干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型

杜麗娟 ，劉 鈺 ，雷 波

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水利研究所，北京 100048；2.國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048）

1 研究背景

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地處我國(guó)干旱與半干旱、荒漠與草原的過渡地帶，氣候特點(diǎn)為干旱多風(fēng)，降水量少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，生態(tài)環(huán)境非常脆弱。灌區(qū)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境的維持主要靠黃河水灌溉，但是，近年來隨著黃河水量持續(xù)減少，黃河水資源供需矛盾日趨尖銳，河套灌區(qū)引黃水量指標(biāo)也相應(yīng)下降，致使該地區(qū)用水供需矛盾日益突出，對(duì)本來脆弱的生態(tài)環(huán)境易于造成嚴(yán)重的影響。

近年來灌區(qū)開展了以渠道防滲為重點(diǎn)的續(xù)建配套與節(jié)水改造，目的是提高灌溉水的利用效率和效益。但是，灌區(qū)節(jié)水改造對(duì)于當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境有何影響，灌溉水量減少后灌區(qū)土壤鹽堿化能否得到有效控制、灌區(qū)水資源能否平衡，這些問題的回答對(duì)指導(dǎo)灌區(qū)節(jié)水改造至關(guān)重要［1］。因此研究水循環(huán)要素特征、進(jìn)行定量的耗水分析對(duì)指導(dǎo)該地區(qū)科學(xué)進(jìn)行節(jié)水改造具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)解放閘灌域?yàn)槔?，用“四水轉(zhuǎn)化”模型對(duì)水循環(huán)要素進(jìn)行定量模擬，分析水循環(huán)特征，旨在為該地區(qū)節(jié)水改造工作提供參考依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

解放閘灌域位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)西部，灌域?qū)僦袦貛Ц咴?、大陸性氣候特征，氣候干燥，蒸發(fā)量大，年平均降水138.2mm，年平均蒸發(fā)量2 096.4mm，是典型的無灌溉就無農(nóng)業(yè)的地區(qū)。灌域總控制面積21.56萬hm2，其中灌溉面積14.21萬hm2，非灌溉面積7.35萬hm2。灌域有干渠3條，分干渠16條，干溝3條，分干溝12條，灌域內(nèi)各級(jí)渠道和排水溝構(gòu)成了灌排配套的渠（溝）系供排水網(wǎng)絡(luò)。

3 模型建立

3.1 模型介紹本文所應(yīng)用的干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型（“四水轉(zhuǎn)化”模型）由清華大學(xué)、西安理工大學(xué)、新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位合作研制開發(fā)。該模型是一個(gè)概念性的水文模型，以水循環(huán)和水平衡原理為基礎(chǔ)，以月為水均衡計(jì)算時(shí)段，用各種參數(shù)表示蒸發(fā)能力、土壤類型等對(duì)干旱區(qū)平原綠洲內(nèi)水分轉(zhuǎn)化的影響。模型涉及水量的遷移、轉(zhuǎn)化、消耗等過程，是一個(gè)復(fù)雜的模擬系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示［2-6］。

由于原模型是針對(duì)干旱平原區(qū)開發(fā)的，沒有考慮降雨的影響，而解放閘灌域年平均降水約140mm，降雨對(duì)研究區(qū)的補(bǔ)給作用不可忽略，因此對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，在水循環(huán)計(jì)算過程中加入了降雨因素。改進(jìn)后的計(jì)算模型水均衡方程式如下：

式中：P為降雨量，m3；QSin為區(qū)外進(jìn)入?yún)^(qū)內(nèi)的地表水入流量，m3；QGin為區(qū)外進(jìn)入?yún)^(qū)內(nèi)的地下水入流量，m3；E為區(qū)域陸面和水面蒸發(fā)的總和，m3；QSout為區(qū)內(nèi)流向區(qū)外的地表水出流量，m3；QGout為區(qū)內(nèi)流向區(qū)外的地下水出流量，m3。

由于研究區(qū)所處的河套灌區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上為一個(gè)封閉的盆地，地形平緩，水力坡度小，山前補(bǔ)給和黃河補(bǔ)給量很小，地下水無天然的水平排泄出路，地下水側(cè)向徑流十分微弱，以垂直交換為主要特征，因此計(jì)算中對(duì)地下水側(cè)向流入和流出未予考慮［7-10］。

3.2 數(shù)據(jù)輸入（1）降水量資料。采用解放閘灌域氣象站1992—2005年逐月實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)；（2）引水量資料。采用黃河引水口（總干一閘）的多年各輪次（每年7至8輪次）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)阮本清等［11］計(jì)算的各月引水比例，計(jì)算得到各月引水量；（3）潛在騰發(fā)量與作物蒸發(fā)能力。根據(jù)解放閘灌域氣象站1992—2005年逐月氣象統(tǒng)計(jì)資料計(jì)算逐月潛在騰發(fā)量。再采用都倫鮑斯和普魯伊特提出、經(jīng)豪威爾等人修改的作物系數(shù)體系（《美國(guó)灌溉工程手冊(cè)》）［12］、并結(jié)合解放閘灌域的實(shí)際情況，確定不同作物的作物系數(shù)Kc。據(jù)調(diào)查解放閘灌域春小麥、夏玉米的種植比例最大，由于缺少分年度作物種植資料，因此將研究區(qū)農(nóng)作物分為春小麥、夏玉米兩大類。按照以上確定基本作物系數(shù)Kc的辦法，得到解放閘灌域春小麥、夏玉米不同月份的基本作物系數(shù)，如圖2。根據(jù)各月的潛在騰發(fā)量和各月的作物系數(shù)，計(jì)算各月的作物蒸發(fā)能力ETc，結(jié)果如圖3；（4）參數(shù)初值設(shè)定。模型共有7個(gè)參數(shù)需要設(shè)定初始值，參照研究區(qū)已有研究成果，結(jié)合實(shí)際情況，參數(shù)初值設(shè)定見表1。

表1 參數(shù)初值設(shè)定

3.3 參數(shù)率定用1992—1996年數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行率定，將地下水平均埋深的模擬值與實(shí)測(cè)值（灌域內(nèi)56眼地下井的實(shí)測(cè)平均值）。通過相關(guān)系數(shù)（r）和決定系數(shù)（r2）對(duì)進(jìn)行回歸分析，以此來測(cè)試率定期模擬效果如何，以誤差最小為原則對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)試，最終確定參數(shù)的最優(yōu)值。率定期地下水平均埋深模擬值與實(shí)測(cè)值結(jié)果見圖4。

經(jīng)計(jì)算農(nóng)區(qū)地下水平均埋深模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)（r）為0.74，決定系數(shù)（r2）為0.55，見圖5（a）；非農(nóng)區(qū)地下水平均埋深模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)（r）為0.79，決定系數(shù)（r2）為0.62，見圖5（b）。這說明率定期模擬效果較好，參數(shù)選定了較優(yōu)值，主要參數(shù)率定值見表2。

表2 主要參數(shù)率定值

3.4 模型檢驗(yàn)用1997—2000年的數(shù)據(jù)對(duì)模型檢驗(yàn)。檢驗(yàn)期地下水平均埋深模擬值與實(shí)測(cè)值結(jié)果見圖6，經(jīng)計(jì)算農(nóng)區(qū)地下水平均埋深模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)（r）為0.79，決定系數(shù)（r2）為0.62，見圖7（a）；非農(nóng)區(qū)地下水平均埋深模擬值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)（r）為0.83，決定系數(shù)（r2）為0.69，見圖7（b）。這說明檢驗(yàn)期模擬效果較好，該模型在研究區(qū)可以應(yīng)用。

4 模型應(yīng)用與結(jié)果分析

用2001—2005年的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)用分析。

4.1 灌溉地水循環(huán)要素特征分析灌溉地補(bǔ)給水量包括到達(dá)田間水量（包括黃河引水、降水和井灌水）、潛水補(bǔ)給水量；消耗水量包括作物騰發(fā)、滲漏補(bǔ)給地下水量。灌溉地土壤水平衡模擬結(jié)果見表3。

表3 解放閘灌域2001—2005年灌溉地水平衡模擬結(jié)果 （單位：億m3）

根據(jù)模擬結(jié)果，2001—2005年研究區(qū)灌溉地補(bǔ)給水量平均為10.53億m3，主要是黃河引水，占補(bǔ)給水量的59.18%；其次是潛水補(bǔ)給水量，占總補(bǔ)給水量的28.31%；降水和井灌水量很小，二者之和占總補(bǔ)給水量的12.51%。消耗水量平均為10.54億m3，主要是作物騰發(fā)耗水，占消耗水量的80.84%，滲漏補(bǔ)給地下水量占19.16%。

用2003年的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由圖8可知，從年內(nèi)看，到達(dá)田間水量?jī)蓚€(gè)高峰分別出現(xiàn)在夏灌期（5—7月）和秋灌期（9—10月），這主要受黃河引水的影響。潛水補(bǔ)給和作物騰發(fā)耗水呈相同趨勢(shì)，最高值均出現(xiàn)在6—7月，這主要是受氣溫的影響。滲漏補(bǔ)給地下水量只出現(xiàn)在5—7月和10月，其余月份都沒有入滲，兩個(gè)高峰分別出現(xiàn)在5月和10月，這主要因?yàn)樵谙墓嗪颓锕嗥谔镩g水量增加非常大，土壤含水量超過了田間持水量，繼續(xù)向下滲漏補(bǔ)給了地下水，說明該地區(qū)在這兩個(gè)時(shí)期具有進(jìn)一步節(jié)水的潛力。

圖9表示2003年灌溉地補(bǔ)給水量、消耗水量和土壤水蓄變量的關(guān)系，在7、9—10月，補(bǔ)給水量大于消耗水量，此時(shí)土壤水蓄變量為正值，說明土壤處于蓄水狀態(tài)，而在其余月份，補(bǔ)給水量小于消耗水量，土壤水蓄變量為負(fù)值，說明土壤處于供水狀態(tài)。

4.2 地下水循環(huán)要素特征分析地下水補(bǔ)給水量包括渠道滲漏、田間滲漏和降雨入滲；消耗水量包括田間潛水蒸發(fā)、非灌溉地蒸發(fā)、地下水開采和排水。地下水平衡模擬結(jié)果見表4。

表4 解放閘灌域2001—2005年地下水平衡模擬結(jié)果 （單位：億m3）

根據(jù)模擬結(jié)果，2001—2005年研究區(qū)地下水補(bǔ)給水量平均為5.90億m3，主要是渠道滲漏水量，占補(bǔ)給水量的64.13%；其次是田間滲漏水量，占34.23%；降雨入滲水量只占1.65%。地下水總耗水量平均為6.12億m3，其中田間潛水蒸發(fā)水量（包括作物吸水蒸騰和土面蒸發(fā)）占48.64%，非灌溉地蒸發(fā)水量占22.34%，地下水開采量占13.99%，排水量占15.03%。

由圖10可知，渠道滲漏、田間滲漏補(bǔ)給地下水量年內(nèi)變化均較大，都在夏灌期（5—7月）和秋灌期（9—10月）分別出現(xiàn)兩個(gè)峰值，兩者不同的是，田間滲漏只出現(xiàn)在5—7月和10月，而渠道滲漏基本上全年都出現(xiàn)，這主要是因?yàn)榍肋^水量大，過水時(shí)間長(zhǎng)，滲漏持續(xù)時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)，而田間單位面積上的水量較小，而蒸發(fā)量卻很大，水量消耗大，只有在5—7月和10月時(shí)，大水漫灌使得滲漏超過了土壤飽和含水率才發(fā)生滲漏補(bǔ)給地下水的現(xiàn)象。降雨入滲只發(fā)生在雨季，由于比例很小，年內(nèi)變化不大。說明該地區(qū)渠道滲漏水量大，應(yīng)繼續(xù)加大渠道襯砌力度，提高渠系水利用系數(shù)，有效緩減水資源緊張局勢(shì)。

由圖11可知，地下水位上升出現(xiàn)在5—7月和10月，與渠道滲漏、田間滲漏峰值出現(xiàn)的時(shí)間相吻合，這兩個(gè)階段也是年內(nèi)補(bǔ)給水量大于消耗水量的時(shí)期，其余月份地下水位處于下降狀態(tài)。

4.3 灌域水循環(huán)要素特征分析灌域總補(bǔ)給水量包括黃河引水、降水和井灌水量；總消耗水量包括作物騰發(fā)、非灌溉地蒸發(fā)、渠道蒸發(fā)、退水、地下水排水和地下水開采。灌溉地土壤水平衡模擬結(jié)果見表5。

表5 解放閘灌域2001—2005年總水量平衡模擬結(jié)果 （單位：億m3）

根據(jù)模擬結(jié)果，2001—2005年研究區(qū)總補(bǔ)給水量平均為12.60億m3，主要是黃河引水，占總補(bǔ)給水量的82.54%，降水量占15.21%，機(jī)井抽水占2.25%。研究區(qū)總消耗水量平均為12.25億m3，主要是作物騰發(fā)，占總消耗水量的69.53%，其它消耗要素依次為：非灌溉地蒸發(fā)占11.16%，地下水排水量占7.51%，退水量占6.52%，渠道蒸發(fā)占2.97%，地下水開采水量占2.32%。

從年際來看，補(bǔ)給水量總體呈下降趨勢(shì)，這是由于近年來不斷實(shí)施灌區(qū)續(xù)建配套和節(jié)水改造工程，黃河引水量逐年下降的原因。隨著補(bǔ)給水量的減少，消耗水量也在減少，尤其是作物騰發(fā)受補(bǔ)給水量的影響很大，其它水量消耗要素受補(bǔ)給水量影響不明顯，見圖12、13。由于作物騰發(fā)的大小關(guān)系到作物生理需水和生態(tài)需水能否得到滿足，因此在進(jìn)行節(jié)水改造時(shí)要充分考慮作物生理和生態(tài)的基本需水要求。

由圖14可知，土壤水蓄變量比較平緩，受補(bǔ)給水量的影響不是很大，在2001、2002年為正值，2003年下降為負(fù)值，2004年略有回升為正值，之后2005年又下降為負(fù)值，總體上土壤由蓄水狀態(tài)變?yōu)楣┧疇顟B(tài)。地下水蓄變量起伏較大，說明其受補(bǔ)給水量變化的影響較大，總體上地下水位呈下降趨勢(shì)，見圖15。因此，節(jié)水灌溉對(duì)降低研究區(qū)地下水位、緩減土壤鹽堿化具有較明顯的作用。

5 主要結(jié)論

（1）研究區(qū)地下水補(bǔ)給主要包括渠道滲漏和田間滲漏，分別約占64%、34%。該地區(qū)渠道滲漏水量大，繼續(xù)加大渠道襯砌力度將有利于渠系水利用系數(shù)的提高，有效緩減水資源緊張局勢(shì)。

（2）隨著補(bǔ)給水量的減少，消耗水量也跟著減少。消耗水量中作物騰發(fā)受補(bǔ)給水量的影響較大，其它水量消耗要素受補(bǔ)給水量影響不明顯，在進(jìn)行節(jié)水改造時(shí)要充分考慮作物生理和生態(tài)的基本需水要求。

（3）研究區(qū)灌溉地土壤一般從11月到次年6月（秋灌后到次年夏灌）一直處于供水狀態(tài)，即消耗大于補(bǔ)給；在7—10月（夏灌至秋灌）處于蓄水狀態(tài)，即補(bǔ)給大于消耗。該地區(qū)土壤水分補(bǔ)充主要依靠灌溉，灌溉對(duì)農(nóng)業(yè)起到至關(guān)重要的作用，無灌溉就無農(nóng)業(yè)。

（4）研究區(qū)地下水位上升一般出現(xiàn)在5—7月和10月，與渠道滲漏、田間滲漏峰值出現(xiàn)的時(shí)間相吻合，這兩個(gè)階段也是年內(nèi)補(bǔ)給水量大于消耗水量的時(shí)期，也即該地區(qū)這兩個(gè)階段具有進(jìn)一步節(jié)水的潛力。

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