涇惠渠灌區(qū)渠首地表水資源可利用量長期變化及其潛力研究

劉 招,李 強,李璐路,毛全年,賈志峰

(1.長安大學 水與發(fā)展研究院， 陜西 西安 710054；2.長安大學 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應教育部重點實驗室， 陜西 西安 710054；3.涇惠渠灌區(qū)管理局，陜西 三原 713800)

大中型灌區(qū)歷來是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力軍，對于保持國民經(jīng)濟發(fā)展和社會穩(wěn)定都具有十分重要的作用[1]。但受全球氣候變化和人類活動的影響，降水在時空分布上變的更加不均勻，導致洪澇及干旱等極端災害頻發(fā)，使得原本水文生態(tài)就脆弱的干旱半干旱地區(qū)的水資源問題更加突出，并引發(fā)了灌區(qū)一系列農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及發(fā)展的新問題。涇惠渠史稱鄭國渠，作為我國歷史上四大水利工程之一，是關中乃至全國知名的大型現(xiàn)代化灌區(qū)[3],轄西安、咸陽、渭南三市的涇陽、三原、高陵、臨潼、閻良、富平六個縣(區(qū))的48個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，計597個行政村，總?cè)丝?18萬人。目前，灌區(qū)擁有灌溉面積約9.7萬hm2，其中自流灌溉面積7.4萬hm2，抽水灌溉面積2.3萬hm2，是陜西省重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)區(qū)之一。

1 涇惠渠灌區(qū)及灌溉水源困境

涇惠渠灌區(qū)實行引蓄提相結(jié)合、地表水與地下水綜合利用的灌溉制度。灌區(qū)工程設施主要有渠首樞紐工程、西郊水庫、渠道工程三大部分，其中渠首設在涇河干流張家山斷面。涇河作為灌區(qū)主要地表水資源，發(fā)源于寧夏回族自治區(qū)涇源縣六盤山東麓，流經(jīng)寧夏、甘肅、陜西三省(區(qū))，流域面積45 421 km2，多年平均徑流量 14.5億m3，其中，汛期三個月徑流占總徑流的63%。由于涇河流域位于黃土高原中部，區(qū)內(nèi)地形破碎，溝壑縱橫，水土流失嚴重，汛期來水含沙量大。據(jù)張家山站測定，涇河平均含沙量約141 kg·km-2，每年有3.1億t泥沙輸入黃河，是黃河上輸沙量最大的二級支流[4]。

20世紀60年代初，因灌溉面積擴大，且受水均衡和供水不及時等因素影響，在群眾自發(fā)和地方政府的引導下有計劃的發(fā)展井灌，到20世紀80年代，機井已發(fā)展較多，渠井雙灌的結(jié)合，有效地發(fā)揮了引、蓄、提的調(diào)節(jié)作用。然而，隨著灌區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源需求的不斷增加，近年來水資源的不合理利用使水量短缺日益加劇，主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，作為灌溉水源的涇河來水量呈遞減趨勢，多年平均徑流量從20世紀60年代的17.97億m3下降到目前的10～12億m3；另一方面，地下水采補失調(diào)，過度開采問題突出，灌區(qū)平均地下水埋深由1982年的4.74 m下降為目前的20 m以下，局部降至50 m以下，并由此引發(fā)了地沉、地陷和地裂縫等一系列的生態(tài)環(huán)境問題[5]。地下水采補失調(diào)等嚴重影響到灌區(qū)水資源的高效和安全利用，為了提高灌區(qū)水資源利用效率，維護灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展，地方政府及灌區(qū)管理部門加大引導和管理力度，制定了優(yōu)先使用地表水等一系列水資源管理制度，同時強調(diào)對灌區(qū)主要水源——涇河渠首來水的規(guī)律、水資源可利用量及用水潛力做深入研究[3]。

通過對不同年代涇河張家山站徑流量和降水量分析(見表1)，從20世紀70年代以來，涇河張家山來水呈減小趨勢，實測徑流距平最小達到-29.6%，趨勢檢驗結(jié)果也表明其遞減趨勢通過了99%的置信度檢驗，由還原計算得到的天然徑流量在規(guī)律上與實測值基本一致；降水雖呈現(xiàn)出一定的減小趨勢，但近30年基本保持穩(wěn)定。為了更清晰展示涇河徑流系列，采用河川徑流五級豐枯劃分標準，分別以μ+1.17σ，μ+0.33σ，μ-0.33σ，μ-1.17σ作為閾值(μ為系列均值，σ為系列標準差)，將涇河徑流豐枯劃分為豐水、偏豐、平水、偏枯和枯水五級[6-7]。繪制涇河張家山站83年(1932年至2014年)實測長系列徑流系列豐枯變化圖(圖1)。由圖1可見，多年平均徑流量為14.52億m3，近20年來絕大多數(shù)點距落在偏枯區(qū)間，徑流量趨勢線呈較明顯下降趨勢；對涇河張家山站近20年(1995年至2014年)實測徑流系列豐枯變化作同樣分析，如圖2所示，近20年多年平均徑流量為10.79億m3，徑流量趨勢線亦呈略微下降趨勢。

作為涇惠渠灌區(qū)的主要水源，涇河來水量的銳減給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了潛在的風險，渠首可利用水量備受關注。徑流還原計算和分析結(jié)果(表1)表明，自20世紀70年代以來，涇河中上游河道水資源補排基本穩(wěn)定，天然徑流與實測徑流量之差基本穩(wěn)定。在此情況下，本文分析計算均依據(jù)河道實測徑流量進行。

表1 涇河張家山站不同時期降水量、實測及天然徑流對比

圖1 涇河張家山站實測徑流系列豐枯變化及趨勢(1932-2014)Fig.1 The observed runoff and its trend at Zhangjiashan of Jinghe River from 1932 to 2014

圖2 涇河張家山實測徑流系列豐枯變化及趨勢(1995-2014)Fig.2 The observed runoff and its trend at Zhangjiashan of Jinghe River from 1995 to 2014

2 渠首地表水資源可利用量

在汛期，根據(jù)調(diào)水調(diào)沙要求，涇河往往需要宣泄洪水以及不可利用的高泥沙水流；此外，涇河流經(jīng)地多為干旱半干旱地區(qū)，水資源緊缺。在非汛期需要優(yōu)先保證河道內(nèi)生態(tài)用水量的要求，故可用下式來估算渠首處的河道水資源可利用量[8]。

Wk=Wt-We-k·Wf

(1)

式中，Wk為河道水資源可利用量；Wt為河道實測徑流量；We為非汛期河道最小生態(tài)需水量；k為汛期徑流不可利用系數(shù)；Wf為汛期實測徑流量。汛期徑流不可利用系數(shù)與汛期實測徑流量的乘積即為汛期不可利用水量，主要包括不可利用洪水及高泥沙含量水流。當非汛期河道最小生態(tài)需水量和汛期棄水量確定后即可算出河道水資源可利用量。下面對各類水量分別加以計算：

(1)非汛期河道生態(tài)流量。生態(tài)流量狹義上講是維持河流生態(tài)與環(huán)境需要的最小流量，而廣義生態(tài)流量除了滿足自然生態(tài)系統(tǒng)基本需要的流量外，還包括下游取水、用水、航運、稀釋廢污水、景觀與旅游等方面需求[9-10]。確定非汛期河道最小生態(tài)需水量的方法較多，常用的基于水文學的方法有Tenant方法，最小月徑流法，RVA方法和Texas方法等[11-12]。為了便于對比，本文選用前兩種方法計算張家山渠首斷面河道最小生態(tài)需水。對Tenant方法，在枯水季(10月～翌年5月)最小生態(tài)流量可分別按多年平均流量的10%和15%兩個標準計算；對最小月徑流法，可分別采用長系列、短系列和典型年三種方案，計算結(jié)果如表2所示。由表2可見，不同方法的計算結(jié)果差別較大，最大者為We2，為0.734億m3；最小者為We4，僅為0.016億m3。

(2)汛期不可利用水量。汛期不可利用水量主要包括不可利用洪水及高泥沙水流，單次洪水或高泥沙水流均可依據(jù)渠首張家山水庫蓄泄資料計算得出。李勛貴等[13]的研究表明，汛期來水不可利用系數(shù)與徑流泥沙含量及泄洪水量有關，而泄洪量與泥沙含量呈一定的相關關系。事實上，高泥沙水流一般均是因上游暴雨洪水所致，因此該二因素可以合一考慮。

為了得到汛期來水不可利用系數(shù)，本文利用涇惠渠灌區(qū)渠首1960年至2001年入庫水量及輸沙率數(shù)據(jù)，以及1995年至2014年干渠引水輸沙率等數(shù)據(jù)資料，經(jīng)統(tǒng)計回歸，得到汛期來水不可利用系數(shù)y和徑流含沙量x(kg·m-3)近似符合式(2)的對數(shù)函數(shù)關系(R2=0.6012)。

y=0.0751+0.2206lnx

(2)

依據(jù)上式，可由不同泥沙含量推求汛期來水不可利用系數(shù)，再將其與對應時段內(nèi)的徑流量相乘即可求得該時段的不可利用水量。時段劃分一般可按5日、一旬或一月，時段尺度越小則誤差就相對越低，但計算量就會增大。本文以月為單位，把當年汛期各月的不可利用水量相加，即得當年汛期棄水量。

考慮到灌溉及渠道沖淤等限制，涇惠渠灌區(qū)實際灌溉引水控制含沙量不超7%，在干旱等特殊情況下可按10%的含沙量進行引水灌溉。依據(jù)長系列引水數(shù)據(jù)計算所得，當河道水資源利用沙限為10%時，涇河多年平均汛期不可利用水量占徑流量的35.55%，折合水量約3.84億m3；當沙限為7%時，河道汛期不可利用水量占徑流量的41%，折合水量約4.43億m3。

(3)地表水資源可利用量。當多年平均非汛期最小生態(tài)需水量和多年平均汛期棄水量確定后，由式(1)可計算得出涇河多年平均河道水資源可利用量。表3和表4為沙限分別取10%和7%時的涇河多年平均(1995-2014年)河道水資源可利用量。

表2 涇河張家山站多年平均非汛期河道最小生態(tài)需水量計算結(jié)果

Table 2 The minimum ecological water demand of dry season at Zhangjiashan of Jinghe River

計算方法 Method選用標準 Criteria*表示符號 Symbol非汛期河道最小生態(tài)需水量/108m3The minimum ecological water demand in dry seasonTenant 10%15%We1We20.4890.734最小月徑流法*The minimum monthly runoff長系列 Long seriesWe30.062短系列 Short seriesWe40.016典型年 Typical yearWe50.089

*注：每種方法具體計算時可選擇不同的標準，采用Tenant方法，枯水季最小生態(tài)流量可分別按多年平均流量的10%和15%兩個標準計算；采用最小月徑流法，可分別用長系列、短系列和典型年三個標準。

Note：The different criteria was adopted here for comparison in terms of each method, for example, the minimum ecological flow can be calculated with 10% and 15% of the runoff in dry season. The minimum monthly runoff can be used in three standard: Long series, short series and typical year.

表3 沙限為10%時涇河多年平均地表水資源可利用量計算結(jié)果

Table 3 The average annualusable surface water when the sand content is limited to 10%

徑流量/108m3Total runoff汛期不可用水量/108m3Unusable runoff非汛期最小生態(tài)需水量/108m3The minimum ecological waterdemand in dry season河道水資源可利用量/108m3Usable runoff河道水資源可利用率/%Usage ratio10.793.84We10.489Wk16.46159.88We20.734Wk26.21657.61We30.062Wk36.88863.84We40.016Wk46.93464.26We50.089Wk56.86163.59

由表3可見，河道水資源可利用量的多年平均值最大為6.938億m3，最小為6.216億m3，對應的河道水資源可利用率分別為64.26%和57.61%。由于非汛期最小生態(tài)需水量的計算方法之間的差別，計算出來的河道水資源可利用量差異較大。當河道水資源利用沙限為7%時，據(jù)表4計算結(jié)果，河道水資源可利用量的多年平均值最大為6.344億m3，最小為5.626億m3，對應的河道水資源可利用率分別為58.80%和52.14%。由于非汛期河道內(nèi)最小生態(tài)需水量的計算方法不同，河道水資源可利用量計算結(jié)果有一定差異。鑒于近些年來涇河張家山站下游枯水期基流不足，參照《全國水資源綜合規(guī)劃》對我國北方河流河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境蓄水量占其地表徑流量的比例建議[14]，認為用多年平均非汛期徑流量百分數(shù)法計算的成果We2較為合理，則與其對應的河道水資源可利用量為Wk2。

3 灌區(qū)可引水量及引水量潛力

灌區(qū)渠首的地表水資源可利用量與灌區(qū)工程可引水量是兩個不同的概念。由于水利工程都有一定的設計標準，尤其在變化條件下，依據(jù)原始水文系列設計的工程也相應受其影響，實際引水能力發(fā)生變化，當水量超出渠道設計標準則無法被工程加以利用。

3.1 灌區(qū)可引水量

涇惠渠灌區(qū)渠首的設計引水能力為50 m3·s-1[3]，所以并不是所有的河道水資源可利用量都可引用，只有小于引水能力的河道水量才是渠首工程的可引水量。因此，從河道水資源可利用量中扣除超出渠首引水能力的那部分水量即為灌區(qū)的工程可引水量。可引水量與可利用來水量的時間分布密切相關，年內(nèi)分布差異可能引起可引水量的較大差異，故本文依據(jù)長系列歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計求得?？梢坑嬎阋瞬扇∪諗?shù)據(jù)，計算時先求得日河道水資源可利用量，當可利用量大于渠首的引水能力50 m3·s-1時，以50 m3·s-1作為渠首日可引水量，小于時則全部作為渠首工程可引水量。具體計算方法如下：

其中

(3)

式中,Wa為年可引水量；wai為日可引水量；wi為逐日可利用水量，可參照(1)式進行計算。經(jīng)計算，當沙限為10%時，渠首工程可引水量的多年平均值為5.64億m3；沙限為7%時，渠首工程可引水量的多年平均值為5.12億m3。

3.2 引水量潛力

從20世紀50年代起，涇惠渠灌區(qū)總引水量持續(xù)升高，在70年代初達較高水平，后略有下降并趨于穩(wěn)定，目前，涇惠渠灌區(qū)多年平均渠首總引水量值為3.64億m3。從上述可引水量的計算可知，灌區(qū)引水系統(tǒng)仍有一定潛力，引水潛力即為可引水量與目前總引水量之差。涇惠渠渠首工程多年平均實際引水量、可引水量、可引水量潛力、可利用量、天然來水之間的關系如表5所示。

表4 沙限為7%時涇河多年平均地表水資源可利用量計算結(jié)果

Table 4 The average annualusable surface water when the sand content is limited to 7%

徑流量/108m3Total runoff汛期不可用水量/108m3Unusable runoff非汛期最小生態(tài)需水量/108m3The minimum ecological waterdemand in dry season河道水資源可利用量/108m3Usable runoff河道水資源可利用率/%Usage ratio10.794.43We10.489Wk15.87154.41We20.734Wk25.62652.14We30.062Wk36.29858.37We40.016Wk46.34458.80We50.089Wk56.27158.12

表5 渠首多年平均可利用水量、工程可引水量、可引水量潛力計算結(jié)果

由表5中計算成果可見，涇河天然來水量的多年平均(1995-2014年)為10.79億m3，當沙限按10%取時，河道多年平均水資源可利用量為6.21億m3(沙限取7%時，5.63億m3)；渠首工程多年平均可引水量為5.64億m3(沙限取7%時，5.12億m3)；渠首工程實際引水量的多年平均值為3.46億m3，渠首工程可引水量潛力的多年平均值為2.18億m3(沙限取7%時，1.66億m3)。沙限為7%時，渠首工程可引水量占實際來水量的52.18%；可引水量潛力占可利用量的29.5%，占渠首工程可引水量的32.4%。沙限為10%時，渠首工程可引水量占實際來水量的57.55%；可引水量潛力占可利用量的35.1%，占渠首工程可引水量的38.65%。較高的可引水量與可利用量之比表明工程引水能力較高，在徑流變化條件下，灌區(qū)渠首實際引水量已經(jīng)占到可引水量的60%以上，表明工程引水能力也已得到了較大限度的發(fā)揮，但仍有30%左右的潛力可挖。

4 結(jié) 論

在分析涇河流域水文氣象基本條件的基礎上，依據(jù)長系列水文數(shù)據(jù)，研究了涇惠渠灌區(qū)渠首涇河張家山站來水形勢、水資源可利用量、工程可引水量及引水潛力等問題，為涇河流域及涇惠渠灌區(qū)水資源合理開發(fā)利用及優(yōu)化配置等提供參考。研究表明：

(1)涇河流域張家山站實測年徑流量呈現(xiàn)出較明顯的遞減趨勢，多年平均實測徑流量從20世紀60年代的17.15億m3下降到70、80年代的13億m3左右，再由上世紀末的12.77億m3下降到近十年來的9.95億m3；

(2)理論上，灌區(qū)渠首的河道內(nèi)水資源可利用率約為50%～60%，受工程規(guī)模限制，其中約90%可引并用于灌溉，較高的工程可引水量與可利用量比值表明渠首工程引水能力較高，而多年實際引水量常常僅占可引水量的60%左右；

(3)隨著河道水資源利用沙限的提高，灌區(qū)渠首可引水量及可引水量潛力均相應有所增加，按照目前涇河來水水源形勢，灌區(qū)仍有1.66到2.10億m3左右引水潛力可以挖掘。

生態(tài)需水量及汛期不可用水量都是決定水資源可利用量的重要因素，但對生態(tài)需水內(nèi)涵和范圍的界定較為復雜，汛期不可用水量計算也尚未有成熟方法。本文通過對生態(tài)需水采用多種方法對比選擇確定，汛期不可用水量采用回歸統(tǒng)計方法確定，這些尚有討論余地，相關研究也有待進一步加強。