溝（河）水利用對(duì)寧夏惠農(nóng)渠灌區(qū)水均衡影響的模擬分析

韓松俊，王少麗，陳皓銳

（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）

溝（河）水利用對(duì)寧夏惠農(nóng)渠灌區(qū)水均衡影響的模擬分析

韓松俊1，2，王少麗1，2，陳皓銳1，2

（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）

近年來(lái)寧夏惠農(nóng)渠引水量減小，灌溉缺口增大，從排水溝道和黃河提水補(bǔ)充灌溉成為多水源利用的重要模式，但目前對(duì)溝（河）水利用對(duì)灌區(qū)水均衡影響的認(rèn)識(shí)并不清晰。本文利用平原綠洲散耗型水文模型對(duì)惠農(nóng)渠灌區(qū)2007—2011年水均衡進(jìn)行模擬，分析了溝（河）水利用對(duì)水均衡的影響。研究區(qū)水平衡受引黃河水、降水、溝（河）水和地下水等多種水源的影響，在以水稻為主的上游地區(qū)和引水相對(duì)困難的下游地區(qū)，溝（河）水占灌溉地總補(bǔ)給水量的比例超過(guò)30%。以位于上游的第二管理所和位于下游的第七管理所為例，如不利用溝（河）水灌溉，模擬得到的兩個(gè)分區(qū)作物蒸散發(fā)量分別減少12.6%和7.7%，且主要發(fā)生在6—8月。對(duì)于利用50%現(xiàn)狀溝（河）水和不利用溝（河）水兩種情景，模擬得到的2011年第二管理所灌溉地平均地下水埋深分別下降0.25 m和0.54 m，而第七管理所灌溉地平均地下水埋深分別下降0.22 m和0.50 m。溝（河）水利用對(duì)于惠農(nóng)渠灌區(qū)作物耗水具有重要作用，也與地下水等其它水源存在相互轉(zhuǎn)化。本研究可以為惠農(nóng)渠灌區(qū)的多水源綜合利用和配置提供科學(xué)依據(jù)。

惠農(nóng)渠灌區(qū)；散耗型水文模型；水平衡；溝水利用

1 研究背景

惠農(nóng)渠灌區(qū)位于銀北平原，是寧夏自治區(qū)青銅峽灌區(qū)的一部分，涉及永寧、銀川、賀蘭、平羅和惠農(nóng)5縣（市、區(qū)），總控制面積1 290 km2，設(shè)計(jì)灌溉面積為867 km2，現(xiàn)狀灌溉面積為752 km2（惠農(nóng)渠管理處2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)），作物以水稻、玉米和小麥為主?；蒉r(nóng)渠灌區(qū)為典型的大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量180～220 mm，多年平均蒸發(fā)皿蒸發(fā)量（E601型）1 500～2 100 mm。由于降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度依賴引黃灌溉。由于現(xiàn)狀灌溉引水量和灌溉定額偏大，加之調(diào)控體系不完善，部分區(qū)域特別是渠系末梢在特定時(shí)段（特別是5—6月和夏灌高峰期）存在灌水缺口。

由于灌溉期排水溝道水量大，架設(shè)泵站從溝道或黃河提水進(jìn)行補(bǔ)充灌溉是惠農(nóng)渠灌區(qū)滿足作物生長(zhǎng)需水、進(jìn)行多水源利用的重要手段［1］。大規(guī)模的溝（河）水利用必然對(duì)灌區(qū)水均衡產(chǎn)生影響，但目前相關(guān)認(rèn)識(shí)不夠清晰。本研究利用胡和平等［2］開(kāi)發(fā)的平原綠洲散耗型水文模型對(duì)惠農(nóng)渠灌區(qū)水均衡進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析溝（河）水利用對(duì)灌區(qū)水均衡的影響，可以為惠農(nóng)渠灌區(qū)的多水源綜合利用和優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)域概況

惠農(nóng)渠緊臨黃河，渠系由惠農(nóng)渠干渠和昌渠、滂渠、官泗渠3個(gè)支干渠系組成，渠道總長(zhǎng)231.75 km，其中3條支干渠長(zhǎng)92.05 km，渠道進(jìn)水閘位于青銅峽葉盛鎮(zhèn)龍門橋村，設(shè)計(jì)引水流量為135 m3/s，現(xiàn)最大引水流量為97 m3/s。全渠水量由惠農(nóng)渠管理處按照水利廳年調(diào)度計(jì)劃安排，實(shí)行統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)配，管理處下設(shè)8個(gè)管理所與一個(gè)負(fù)責(zé)抽水灌溉的揚(yáng)水所，不同管理所的土地利用和主要作物情況見(jiàn)表1。

近年來(lái)惠農(nóng)渠引水量從約11億m3減少到9.8億m3（2007—2011年平均），無(wú)法滿足作物適時(shí)灌溉的需求，而從溝道和黃河的提水量呈逐年增大趨勢(shì)。利用溝（河）水的揚(yáng)水灌溉主要有兩種模式。一種是由惠農(nóng)渠管理處統(tǒng)一管理，實(shí)行自流和揚(yáng)水聯(lián)合調(diào)度、調(diào)劑補(bǔ)灌?，F(xiàn)揚(yáng)水泵站總裝機(jī)容量為2 380 kW，設(shè)計(jì)流量為17 m3/s，輸水渠道長(zhǎng)24.44 km，保灌面積為3 000 hm2，補(bǔ)水灌溉面積為5 600 hm2，年抽水量為0.7億m3。另一種是由群眾沿溝、河架設(shè)泵站提水補(bǔ)灌，并由地方運(yùn)行管理。據(jù)2009年統(tǒng)計(jì)，惠農(nóng)渠灌區(qū)有小揚(yáng)水抽灌機(jī)泵131臺(tái)，架臨時(shí)泵86臺(tái)，總裝機(jī)容量為2 122 kW，流量達(dá)38.5 m3/s（臨時(shí)小泵未統(tǒng)計(jì)），年抽水量為1.14億m3，控制最大抽灌面積為0.78萬(wàn)hm2。目前并未統(tǒng)計(jì)從溝道和黃河的提水量，但根據(jù)惠農(nóng)渠管理處針對(duì)統(tǒng)一管理泵站以及28處地方管理泵站的調(diào)查情況（表2）可知，統(tǒng)一管理泵站主要從黃河提水，從溝道與黃河提水的泵站總出水量之比約為1∶1.69，地方管理泵站主要從排水溝道提水，從溝道與黃河提水的泵站總出水量之比約為1∶0.19。

表1 惠農(nóng)渠灌區(qū)不同管理所土地利用及主要作物情況

表2 惠農(nóng)渠灌區(qū)泵站調(diào)查的基本情況

3 平原綠洲散耗型水文模型應(yīng)用與驗(yàn)證

研究中應(yīng)用的平原綠洲散耗型水文模型（“四水轉(zhuǎn)化”模型）以灌溉地土壤水為中心，重點(diǎn)考慮引水灌溉對(duì)水平衡的影響，是一個(gè)復(fù)雜的水資源引用、轉(zhuǎn)化、均衡和消耗的模擬系統(tǒng)，可以分析干旱區(qū)灌區(qū)水分的遷移、轉(zhuǎn)化和消耗過(guò)程［2］，模型已應(yīng)用于塔里木河流域多個(gè)綠洲灌區(qū)和內(nèi)蒙古河套灌區(qū)［3-6］。模型應(yīng)用時(shí)需要將研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)分區(qū)內(nèi)分為灌溉地、非灌溉地（又可分為洼地、自然植被或林草荒地、裸地3類）和渠系水域等水均衡單元。灌溉地水分轉(zhuǎn)化關(guān)系復(fù)雜，在垂直方向?qū)⒐喔鹊赝寥婪譃樯贤寥缹雍拖峦寥缹樱繉臃謩e設(shè)定最大蓄水容量，當(dāng)進(jìn)入上土壤層的水量超過(guò)最大蓄水容量則下滲到下土壤層，而進(jìn)入下土壤層的水量超過(guò)最大蓄水容量則下滲到地下水層。入滲到地下水的水量引起灌溉地地下水位抬升，水位的變化根據(jù)土壤給水度計(jì)算。當(dāng)?shù)叵滤簧仙焦喔鹊嘏潘疁弦陨蠒r(shí)，產(chǎn)生地下水基流排泄，在模型中設(shè)定排水系數(shù)并根據(jù)地下水埋深與排水溝深度之差進(jìn)行計(jì)算。由于灌溉地的地下水位較高，將向非灌溉地產(chǎn)生地下水側(cè)向交換，在模型中設(shè)定灌溉地-非灌溉地地下水交換系數(shù)并根據(jù)兩者之間的平均地下水位差進(jìn)行計(jì)算。非灌溉地土壤水變化不大，在垂直方向簡(jiǎn)化為土壤層和地下水層。在不同類型非灌溉地之間也可能發(fā)生地下水的側(cè)向交換，但由于本研究主要關(guān)注灌溉地，且受到土地利用數(shù)據(jù)的限制，在本研究中并未考慮?？紤]灌區(qū)實(shí)際情況，有部分引水沒(méi)有送到田間，而是作為退水進(jìn)入了排水，模型中設(shè)定退水系數(shù)，將渠系損失量的一部分作為退水計(jì)入排水量。渠系水域單元與分區(qū)內(nèi)的地表水、土壤水和地下水聯(lián)系緊密，但在垂直方向不加區(qū)分［2］。

本研究中收集了惠農(nóng)渠灌區(qū)不同管理所2007—2011年的月引水量數(shù)據(jù)、典型地下水觀測(cè)井的地下水埋深數(shù)據(jù)和相關(guān)氣象數(shù)據(jù)。由于研究區(qū)域較大，根據(jù)管理所的范圍將研究區(qū)劃分為8個(gè)分區(qū)（表1）。模型的主要輸入數(shù)據(jù)是每個(gè)分區(qū)的月引水量和綜合作物蒸散發(fā)能力。利用氣象數(shù)據(jù)首先計(jì)算各分區(qū)的參考作物蒸散發(fā)量，并結(jié)合惠農(nóng)渠灌區(qū)的實(shí)際情況確定不同作物的作物系數(shù)，并根據(jù)不同作物不同月份的基本作物系數(shù)以及各分區(qū)的參考作物蒸散發(fā)量，計(jì)算出不同作物在不同月份的蒸散發(fā)能力，最后根據(jù)調(diào)查得到的各分區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)情況，進(jìn)行加權(quán)平均，求出各分區(qū)綜合作物蒸散發(fā)能力。由于研究區(qū)所處地區(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)給很小，同時(shí)潛水等水位線與黃河相交，幾乎呈垂直狀態(tài)，表明潛水與黃河水處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)［7］，地下水無(wú)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。

圖1 不同分區(qū)地下水平均埋深月變化過(guò)程模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

模型共有6個(gè)參數(shù)需要率定，由于只有5年數(shù)據(jù)，無(wú)法先進(jìn)行參數(shù)率定然后再進(jìn)行模型驗(yàn)證。研究中參照雷志棟等［6］的做法，參考之前研究成果中設(shè)定參數(shù)初始值，利用2007—2011年的灌溉地平均地下水埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定，并在確定模型的可靠性之后，將模擬結(jié)果應(yīng)用于分析2007—2011年的水均衡特性。圖1中給出了4個(gè)分區(qū)2007—2011年實(shí)測(cè)的灌溉地平均地下水埋深與模型模擬值的對(duì)比，結(jié)果表明，模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較吻合。從圖中可以看出，位于上游的分區(qū)1、2、3地下水埋深峰值出現(xiàn)于7、8月份，位于下游的分區(qū)7，地下水埋深峰值出現(xiàn)于7、8月份和冬灌的11月份，模型能夠模擬灌區(qū)不同分區(qū)灌溉地地下水平均埋深的變化，具有較好的適應(yīng)性，因此可以應(yīng)用于研究區(qū)水均衡的分析。

4 研究結(jié)果

4.1研究區(qū)水均衡特征惠農(nóng)渠灌區(qū)總補(bǔ)給水量包括黃河引水、降水和溝（河）水，總消耗水量包括作物蒸散發(fā)、非灌溉地蒸散發(fā)、水域蒸發(fā)、退排水和地下水開(kāi)采。灌區(qū)上中下游不同地區(qū)2007—2011年平均的水平衡模擬結(jié)果見(jiàn)表4。2007—2011年研究區(qū)總補(bǔ)給水量為12.56億m3，其中主要是黃河引水，而溝（河）水利用水量為總補(bǔ)給水量的13.9%。根據(jù)模擬結(jié)果，研究區(qū)總消耗水量為農(nóng)田作物蒸散發(fā)量，其次為水域蒸發(fā)量。由于灌區(qū)上游地區(qū)主要作物為水稻，總引水量和單位灌溉面積引水量都很大，退排水量也較大，灌區(qū)下游地區(qū)總引水量和單位灌溉面積引水量都較小。上游地區(qū)溝（河）水利用水量最大，其次是下游地區(qū)，而中游地區(qū)溝（河）水利用水量較小。

表3 不同分區(qū)模型參數(shù)率定值

表4 上中下游2007—2011年平均的水平衡模擬結(jié)果 （單位：×106m3）

為了進(jìn)一步分析不同地區(qū)灌溉農(nóng)田的水平衡特征，表5給出了上中下游綜合的灌溉地水平衡模擬結(jié)果。灌溉地補(bǔ)給水量最大的來(lái)源是引黃河水，其次是溝（河）水、降水和地下水潛水補(bǔ)給，而水量主要消耗于作物蒸散發(fā)，其次為滲漏補(bǔ)給。對(duì)以水稻為主的灌區(qū)上游和引水相對(duì)困難的灌區(qū)下游，溝（河）水占灌溉地總補(bǔ)給水量的比例都超過(guò)了30%。

表5 上中下游灌溉地水平衡模擬結(jié)果 （單位：×106m3）

4.2溝（河）水灌溉對(duì)水均衡的影響從灌區(qū)總體水均衡和灌溉地水平衡的模擬結(jié)果可以看出，溝（河）水利用對(duì)惠農(nóng)渠灌區(qū)上游和下游地區(qū)水均衡具有影響。下面以位于上游地區(qū)的第二管理所和位于下游地區(qū)的第七管理所為例模擬分析溝（河）水利用對(duì)水均衡的影響。研究中分別對(duì)利用現(xiàn)狀50%溝（河）水以及不利用溝（河）水兩種情景的水均衡進(jìn)行了模擬，并與現(xiàn)狀情況進(jìn)行對(duì)比。表6比較了不同情景下的灌溉地水平衡模擬結(jié)果?？梢钥闯?，減少溝（河）水利用之后作物蒸散發(fā)量相應(yīng)減少，如果不利用溝（河）水灌溉，模擬得到的第二管理所和第七管理所作物蒸散發(fā)量分別減少656和650萬(wàn)m3（12.6%和7.7%）。圖2對(duì)比了3種情景下2007—2011年作物蒸散發(fā)量的變化過(guò)程，作物蒸散發(fā)量的減小主要發(fā)生在6—8月。

根據(jù)模擬結(jié)果，減少溝（河）水利用后，滲漏補(bǔ)給量發(fā)生相應(yīng)減少，而潛水蒸發(fā)量增大。如果不利用溝（河）水灌溉，模擬得到的第二管理所和第七管理所滲漏補(bǔ)給量分別減少921和1 121萬(wàn)m3，而潛水蒸發(fā)量分別增大176和592萬(wàn)m3，這將使研究區(qū)的地下水位降低。圖3對(duì)比了3種情景下2007—2011年灌溉地地下水埋深的變化過(guò)程，如果減少溝（河）水利用則地下水埋深將發(fā)生顯著下降。對(duì)于使用50%現(xiàn)狀溝（河）水和不使用溝（河）水兩種情景，2011年第二管理所的地下水平均埋深分別下降0.25 m和0.54 m，而第七管理所的地下水平均埋深分別下降0.22 m和0.50 m。

表6 不同溝（河）水灌溉情景下的灌溉地水平衡模擬結(jié)果比較 （單位：×104m3）

圖2 3種情景2007—2011年區(qū)域作物蒸散發(fā)量月變化過(guò)程

圖3 3種情景2007—2011年區(qū)域地下水埋深月變化過(guò)程

5 主要結(jié)論與討論

本研究利用平原綠洲散耗型水文模型對(duì)惠農(nóng)渠灌區(qū)水均衡進(jìn)行模擬，重點(diǎn)分析溝（河）水利用對(duì)惠農(nóng)渠灌區(qū)水均衡的影響，主要得到了以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)水平衡受到引黃河水、溝（河）水、降水和地下水等多種水源的影響。溝（河）水是引黃河水之外的最大水源，對(duì)以水稻為主的灌區(qū)上游和引水相對(duì)困難的灌區(qū)下游，溝（河）水占灌溉地總補(bǔ)給水量的比例都超過(guò)了30%。

（2）以位于上游地區(qū)的第二管理所和位于下游地區(qū)的第七管理所為例模擬分析了溝（河）水灌溉對(duì)水均衡的影響。如不利用溝（河）水灌溉，模擬得到的第二管理所和第七管理所作物蒸散發(fā)量分別減少656和650萬(wàn)m3（12.6%和7.7%），作物蒸散發(fā)量的減小主要發(fā)生在6—8月。

（3）減少溝（河）水灌溉引起滲漏補(bǔ)給量相應(yīng)減少，而潛水蒸發(fā)量增大，地下水埋深將發(fā)生顯著下降。對(duì)于使用50%現(xiàn)狀溝（河）水和不使用溝（河）水兩種情景，2011年第二管理所的地下水平均埋深分別下降0.25 m和0.54 m，而第七管理所的地下水平均埋深分別下降0.22 m和0.50 m。

溝（河）水與地下水等其它水源之間存在相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，對(duì)惠農(nóng)渠灌區(qū)水均衡具有重要影響。本研究可以為惠農(nóng)渠灌區(qū)多水源綜合利用和優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)，但由于灌區(qū)水分轉(zhuǎn)化的復(fù)雜性，以及實(shí)際監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)資料的不足，水平衡模擬結(jié)果可能存在一定的不確定性，需要深入研究。

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Analyzing the impact of drainage water reuse on the water balance in Huinong Irrigation District in Ningxia using the runoff-evaporation hydrological model

HAN Songjun1，2，WANG Shaoli1，2，CHEN Haorui1，2
（1.Department of Irrigation and Drainage China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China；2.National Center of Efficient Irrigation Engineering and Technology Research，Bejing 100048，China）

The water balance of Huinong Irrigation District from 2007 to 2011 was simulated using the run?off-evaporation hydrological model，and the impacts of drainage water reuse were evaluated.The water bal?ance in the study area was influenced by the irrigation water withdrawal from the Yellow River，precipita?tion，drainage water reuse and groundwater exploitation.For the up-and down-streams，the drainage water reuse is more than 30%of the total inflow into the irrigated area.Taking the sub-regions 2 and 7 as ex?amples，the impact of drainage water reuse on the water balance was analyzed according to the compari?sons with two scenarios with decreased drainage water reuse.The simulated crop evapotranspiration was re?duced by 12.6%and 7.7%respectivety under the scenario with no drainage water reuse.The changes mainly happened from June to August.The simulated average groundwater table fell by 0.27 m and 0.54 m for sub-region 2，and 0.22 m and 0.50 m for sub-region 7，under the scenario with 50%of current drain?age water reuse and the scenario with no drainage water reuse，respectively.The study indicates that the drainage water reuse has important impact on the water balance in Huinong Irrigation District.

Huinong Irrigation District；runoff-evaporation hydrological model；water balance；drainage wa?ter reuse

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.20140342

11672-3031（2015）03-0171-06

（責(zé)任編輯：王學(xué)鳳）

2014-11-26

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201201002）；國(guó)家自然科學(xué)基金（51279212、51209226）

韓松俊（1981-），男，湖北，博士，高級(jí)工程師，主要從事蒸散發(fā)規(guī)律與節(jié)水灌溉等研究。E-mail：hansj@iwhr.com