青銅峽灌區(qū)引水變化趨勢及影響因素解析

劉 寬，翟家齊*，趙 勇，董義陽,2，李海紅

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038； 2.清華大學(xué) 水利水電工程系,北京 100084）

0 引 言

青銅峽灌區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)北部，黃河上游下段，是我國主要的糧食生產(chǎn)基地之一，也是水資源供需矛盾突出的地區(qū)[1]。該區(qū)域地處西北干旱地區(qū)，年均降水量僅190 mm，蒸發(fā)強烈，潛在蒸散發(fā)量是降水量的6 倍左右[2]，當(dāng)?shù)厮Y源十分匱乏，灌區(qū)用水主要依靠引黃河水。1998 年以來，黃河流域開始實施嚴(yán)格的水量統(tǒng)一分配調(diào)度，沿黃各?。▍^(qū)）取水量受總量和斷面流量雙控制[3]，青銅峽灌區(qū)引黃水量也隨之遞減[4]。【研究意義】在引黃水量指標(biāo)受嚴(yán)格約束條件下，解析青銅峽灌區(qū)引水量變化及其各分灌區(qū)逐月時空分布特征，剖析驅(qū)動引水量分布格局變化的關(guān)鍵因素，為保障灌區(qū)用水安全、探討灌區(qū)節(jié)水潛力及推動智慧生態(tài)灌區(qū)建設(shè)提供基礎(chǔ)依據(jù)，同時對其他引黃灌區(qū)水資源高效利用與水資源優(yōu)化配置具有借鑒意義。

【研究進(jìn)展】青銅峽灌區(qū)引水量一直受到學(xué)者們的關(guān)注。在1999 年全國大型灌區(qū)節(jié)水改造工程開始啟動實施之前，青銅峽灌區(qū)引水總量呈顯著的增加趨勢[5-6]，之后隨著灌區(qū)的襯砌率不斷提高[7]，噴滴灌面積持續(xù)增加[8]，種植結(jié)構(gòu)和灌溉方案不斷調(diào)整[9]，青銅峽灌區(qū)引水總量年際開始呈明顯下降趨勢[4]，年內(nèi)引水呈季節(jié)性、周期性變化[10]。灌區(qū)引水量的變化對地下水和鹽堿化也帶來了顯著影響[8]。【切入點】目前的研究對青銅峽灌區(qū)引水總量的研究相對較多，但還缺乏對青銅峽灌區(qū)上中下游灌區(qū)逐月引水量長系列變化特征、單位面積灌溉水量時空演變特征的系統(tǒng)解析，對不同驅(qū)動因素與引水量之間的作用關(guān)系也缺乏深入剖析?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，基于1998—2017 年青銅峽灌區(qū)逐月引水量數(shù)據(jù)及其影響因素數(shù)據(jù)，采用線性傾向估計法分析青銅峽灌區(qū)及各分灌區(qū)引水量逐月變化與空間分布特征，采用Pearson 相關(guān)系數(shù)法系統(tǒng)地探究灌區(qū)引水量與各影響因素之間的相關(guān)關(guān)系，以解析青銅峽灌區(qū)長系列引水變化規(guī)律及其主要影響因素，為灌區(qū)灌溉規(guī)劃與管理提供一定參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青銅峽灌區(qū)位于黃河上游，南起青銅峽水利樞紐，北至石嘴山，西抵賀蘭山脈，東至鄂爾多斯臺地西緣，是我國古老的特大型灌區(qū)之一[10]，灌區(qū)涉及3 個地級市共9 個縣區(qū)（圖1），總土地面積為6 239 km2[11]，灌區(qū)渠系錯綜復(fù)雜，為灌區(qū)引水提供了保障。青銅峽灌區(qū)多年平均降水量180～220 mm，多年平均蒸發(fā)量1 000～1 550 mm，多年平均氣溫8.5 ℃，日照時間2 870～3 080 h，無霜期164 d[9]?？紤]青銅峽灌區(qū)地形為南高北低，西高東低，結(jié)合寧夏水資源公報及其他學(xué)者對青銅峽灌區(qū)的區(qū)域劃分[8,12]，本文以銀川市為界將青銅峽灌區(qū)上中下游分為銀南灌區(qū)、銀川灌區(qū)以及銀北灌區(qū)。

圖1 研究區(qū)域地理位置 Fig.1 Geographical location of the research area

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文通過寧夏水資源公報、黃河水文年鑒和國家氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)，獲取了1998—2017 年青銅峽灌區(qū)各干渠逐月引水?dāng)?shù)據(jù)、黃河年來水?dāng)?shù)據(jù)及氣象要素數(shù)據(jù)，通過寧夏統(tǒng)計年鑒獲取了2002—2017 年寧夏各市縣種植面積和種植結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。依據(jù)各市縣灌溉面積和灌溉定額等數(shù)據(jù)將引水渠逐月引水量分解得到青銅峽灌區(qū)銀北、銀川、銀南各分灌區(qū)逐月的引水系列。

1.3 研究方法

本研究采用線性傾向估計法[13]、5 a 滑動平均法[14]、M-K 趨勢檢驗法[14-17]對引水量、黃河來水、降水量等要素的變化趨勢進(jìn)行分析，采用Pearson 相關(guān)系數(shù)法[18-19]對灌區(qū)引水量與各影響因素之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 引水量年際變化特征

青銅峽灌區(qū)引水量年際變化分析結(jié)果如圖2（a）和表1 所示。1998—2017 年多年平均引水量為47億m3，1999 年引水量最大為66.6 億m3，2016 年引水量最小為34.5 億m3，引水量總體呈明顯下降趨勢，下降速率為13.3 億m3/10 a，與1991—1997 年多年平均相比，引水量減少了30.3 億m3。1998—2017 年寧夏逐步落實黃河流域統(tǒng)一水量調(diào)度方案（1998 年）、全面開展節(jié)水型社會建設(shè)（2004 年）、實施最嚴(yán)格水資源管理制度（2013 年），灌區(qū)引水量呈明顯地階段性變化。據(jù)此，本研究將灌區(qū)引水量變化過程分為1998—2002 年、2004—2012 年以及2013—2017 年3個時期，其中2003 年黃河來水量極端偏少，導(dǎo)致灌區(qū)引水量明顯異常，以下分時期研究中不予考慮。灌區(qū)各時期平均引水量（表1）分別為59.8 億、45.5 億和38.4 億m3，各時期引水量較前一時期分別減少了14.3 億和7.1億m3，青銅峽灌區(qū)引水量下降速率有減緩趨勢。

圖2 灌區(qū)引水量年際變化 Fig.2 Annual change of water diversion in irrigated areas

時期Period 銀北灌區(qū) Yinbei irrigated district 銀川灌區(qū) Yinchuan irrigated district 銀南灌區(qū) Yinnan irrigated district 青銅峽灌區(qū) Qingtongxia irrigated district 均值 引水變化量 均值 引水變化量 均值 引水變化量 均值 引水變化量 1998—2002 年 13.1 0 24.5 0 22.2 0 59.8 0 2004—2012 年 9.8-3.3 18.6-5.9 17.1-5.1 45.5-14.3 2013—2017 年 9.0-0.8 14.9-3.7 14.5-2.6 38.4-7.1 1991—1997 年 21.3 29.1 26.8 77.3 1998—2017 年 10.3 19.1 17.7 47.0

2.2 引水量年內(nèi)變化特征

青銅峽灌區(qū)多年平均年內(nèi)引水情況如圖3 所示。灌區(qū)年內(nèi)4 月開始引水，11 月結(jié)束，5—8 月為引水高峰期，多年平均引水量為34.8 億m3，占總引水量的74.1%，其中5 月引水量最大為9.6 億m3，其次是6 月為9.4億m3，分別占全年總引水量的20.4%和20%；9 月為年內(nèi)間歇期，引水量較少，多年平均引水量為0.98 億m3；10 月和11 月引水為冬灌期引水，多年平均引水量為8.1 億m3，占年內(nèi)總引水量的17.3%。各分灌區(qū)年內(nèi)引水量與灌區(qū)總水量年內(nèi)分布相似，其中銀川灌區(qū)逐月引水量均為最高。

圖3 灌區(qū)多年平均年內(nèi)引水分配 Fig.3 Distribution of diversion water in the irrigated area in an average year

進(jìn)一步分析灌區(qū)年內(nèi)各月引水變化趨勢，結(jié)果如圖4 和表2 所示。青銅峽灌區(qū)年內(nèi)各月引水量均呈顯著下降趨勢（圖4（a）），其中5—8 月引水量下降趨勢較為顯著，下降速率分別為3.4 億、2.0 億、1.9 億和2.0 億m3/10 a；10—11 月的冬灌引水量占全年總引水量的17.3%，但引水量下降速率卻為全年最低，分別為0.6 億和0.7 億m3/10 a；9 月多年平均引水量為年內(nèi)最小，但引水量減少比例最大，從1998 年最高3.6 億m3減少到2017 年的0.06 億m3，引水量減少了98.3%。圖4（b）、圖4（c）、圖4（d）所示為各分灌區(qū)月引水量變化趨勢。由圖4（b）、圖4（c）、圖4（d）可知，各分灌區(qū)月引水量同樣呈下降趨勢，但下降速率存在差異。各分灌區(qū)年內(nèi)引水量下降速率最大月份均為5 月，銀南灌區(qū)、銀川灌區(qū)與銀北灌區(qū)分別為1.4 億、1.3 億與0.6 億m3/10 a；下降速率最小月份均為10 月，且均不超過0.3 億m3/10 a；年內(nèi)9 月引水量減少比例最大，銀南灌區(qū)、銀川灌區(qū)和銀北灌區(qū)9 月引水量分別減少了98.9%、97.9%和98.9%；銀南灌區(qū)、銀川灌區(qū)和銀北灌區(qū)各分灌區(qū)11 月引水量分別占全年總引水量的15.0%、15.0%和14.7%，但下降速率卻為年內(nèi)10 月以外最低，分別為0.2 億、0.2 億和0.1 億m3/10 a。

由上述分析可知，青銅峽灌區(qū)引水量減少主要集中在5—8 月的作物生長期，而10—11 月的冬灌期引水量減少并不顯著，其原因主要是近年來灌區(qū)不斷調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，推進(jìn)節(jié)水措施的實施，使灌區(qū)生長期的用水量大幅度減少，而冬灌由于具有改善土壤水熱狀況、增加土壤墑情、緩解春旱等重要作用[20-21]，引水量減少并不顯著，而年內(nèi)間歇期（9 月）引水量大幅度減少與灌區(qū)灌溉制度的調(diào)整有一定的關(guān)系。

2.3 引水量空間演變特征

圖4 灌區(qū)年內(nèi)逐月引水量變化趨勢 Fig.4 Changing trend of water diversion month by month in irrigated areas during the year

為了消除灌溉面積逐年變化帶來的影響[22]，本研究根據(jù)年際變化特征的分析將1998—2017 年分為3個引水時期分別為1998—2002年（第1時期）、2004—2012 年（第2 時期）和2013—2017 年（第3 時期），以灌區(qū)內(nèi)各市縣為單元，通過灌溉水量與灌溉面積的比值—單位面積灌溉水量（單位：m3/hm2），解析空間上單位面積引水量變化情況。圖5 所示為不同時期全年、灌溉期（5—8 月）和冬灌期（10—11 月）單位面積灌溉水量的空間分布。由圖5 可知，不同時期單位面積灌溉水量空間上呈現(xiàn)差異明顯。

表2 灌區(qū)年內(nèi)逐月引水量線性擬合方程及R2 Table 2 Linear fitting equation and R2 of monthly water diversion within the irrigation areas

第1 時期灌區(qū)年單位面積灌溉水量空間分布特征為中部最大，南部次之，北部最??；年內(nèi)灌溉期和冬灌期單位面積灌溉水量的空間分布與全年的相似。第2 時期灌區(qū)單位面積灌溉水量呈下降趨勢，不同區(qū)域下降速率有所差異，灌區(qū)中部年單位面積灌溉水量下降速率最大，其次是灌區(qū)西南部和北部，灌區(qū)東南部下降速率最小，第2 時期東南部的年單位面積灌溉水量為全區(qū)最大；灌區(qū)灌溉期單位面積灌溉水量空間分布與全年相似，而年內(nèi)冬灌期單位面積灌溉水量空間分布與全年相比，最大區(qū)域為灌區(qū)中部及東南部。第3 時期灌區(qū)年單位面積灌溉水量持續(xù)減少，各區(qū)域下降速率與第2 時期一致，第3 時期年單位面積灌溉水量最大區(qū)域為灌區(qū)東南部，灌溉期和冬灌期單位面積灌溉水量空間分布與全年相一致。

據(jù)上述分析可知，灌區(qū)各區(qū)域單位面積灌溉水量變化速率存在差異，但均呈下降趨勢，下降的原因一方面與當(dāng)?shù)貧夂驐l件變化有關(guān)[23]，另一方面與灌區(qū)進(jìn)行大規(guī)模改造和擴(kuò)建，發(fā)展節(jié)水灌溉有關(guān)[8]，具體的影響因素及其影響程度需進(jìn)一步分析。

圖5 各時期單位面積灌溉水量空間分布 Fig.5 Spatial distribution of irrigation water per unit area in each period

2.4 灌區(qū)引水影響因素分析

灌區(qū)引水量受諸多因素影響，本文考慮青銅峽灌區(qū)引用水特征并結(jié)合其他學(xué)者對灌區(qū)引水量影響因素的研究[22-26]，明確青銅峽灌區(qū)引水變化的影響因素主要有水源條件、灌溉需求以及灌溉效率三方面。各影響因素選取不同的影響因子，水源條件選取降水量和上游黃河來水量，灌溉需求選取種植面積、種植結(jié)構(gòu)和潛在蒸散發(fā)量，其中種植結(jié)構(gòu)用糧經(jīng)比表示，糧經(jīng)比是糧食的種植面積與經(jīng)濟(jì)作物的種植面積之比，作為反映灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)的指標(biāo)[24]；灌溉效率選取單位面積灌溉水量反映。各影響因子變化趨勢如表3 所示。由表3 可知，近年來，灌區(qū)引水量不斷減少的同時，青銅峽灌區(qū)降水量及黃河來水量呈上升趨勢，潛在蒸散發(fā)量呈顯著下降趨勢，灌區(qū)的種植面積呈上升趨勢，種植結(jié)構(gòu)（糧經(jīng)比）和單位面積灌溉水量呈極顯著下降趨勢。

表3 各灌區(qū)影響因子變化趨勢 Table 3 Variation trend of influencing factors in each irrigation area

表4 為各灌區(qū)引水量與不同影響因子的Person相關(guān)性分析結(jié)果。由表4 可知，單位面積灌溉水量與灌區(qū)引水量呈顯著相關(guān)關(guān)系。青銅峽灌區(qū)引水量與單位面積灌溉水量的相關(guān)系數(shù)為0.94，呈顯著強相關(guān)關(guān)系，各分灌區(qū)銀北灌區(qū)、銀川灌區(qū)和銀南灌區(qū)引水量與單位面積灌溉水量的相關(guān)系數(shù)分別為0.92、0.89、0.83，均呈顯著強相關(guān)關(guān)系。1998 年黃河統(tǒng)一調(diào)度以來，青銅峽灌區(qū)引水受到嚴(yán)格限制，2003 年黃河來水量又大幅度減少，當(dāng)?shù)卣岢鼋ㄔO(shè)節(jié)水型社會，并逐步提高灌區(qū)渠系襯砌率和灌溉水利用系數(shù)，不斷發(fā)展高效節(jié)水灌溉面積以及優(yōu)化灌溉制度，單位面積灌溉水量大幅度下降，灌溉用水效率顯著提高，灌區(qū)引水量逐年減少。可見，灌溉用水效率的提高是灌區(qū)引水量減少的主要影響因素。

其次，灌溉需求與灌區(qū)引水量之間存在明顯的相關(guān)性，是灌區(qū)引水量減少的重要因素。其中，種植結(jié)構(gòu)與灌區(qū)引水量之間存在正相關(guān)關(guān)系，隨著灌區(qū)糧經(jīng)比的下降，灌區(qū)的引水量在不斷地減少，二者之間的相關(guān)系數(shù)為0.76，表現(xiàn)出中等相關(guān)；分灌區(qū)看，銀北灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)與引水量之間呈弱相關(guān)，銀川灌區(qū)以及銀南灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)與引水量之間分別呈中等相關(guān)和強相關(guān)；2002—2017 年灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，糧經(jīng)比不斷下降，直接驅(qū)動灌區(qū)灌溉需水量的降低[24]，從而減少灌區(qū)引水量。種植面積與灌區(qū)引水量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；青銅峽灌區(qū)總種植面積與引水量之間呈中等負(fù)相關(guān)，各分灌區(qū)存在一定差異性，銀北灌區(qū)種植面積與引水量之間無明顯相關(guān)關(guān)系，銀南和銀川灌區(qū)種植面積與引水量呈中等負(fù)相關(guān)；需要指出的是，一般情況，種植面積擴(kuò)大將直接增加引水量，一定程度上抵消了其他因素減小的引水量，說明青銅峽灌區(qū)種植面積增加不是灌區(qū)引水量減少的原因。潛在蒸散發(fā)量與引水量之間的相關(guān)關(guān)系較弱，且沒有通過顯著性檢驗，潛在蒸發(fā)量與作物需水量呈正相關(guān)關(guān)系[24,26]，灌區(qū)潛在蒸發(fā)量呈下降趨勢，降低了作物的需水量，一定程度上減少了灌區(qū)的引用水量，但并不顯著。

最后，1998—2017 年水源條件與灌區(qū)引水量之間的相關(guān)性相對較弱，不是驅(qū)動引水量變化的主要因素。1998—2017 年灌區(qū)引水量與上游黃河來水量的相關(guān)系數(shù)接近0，主要原因是1998 年以來黃河流域開始實施水量統(tǒng)一調(diào)度，灌區(qū)引水量變化主要受省區(qū)分水指標(biāo)及分水規(guī)則約束；灌區(qū)引水量與當(dāng)?shù)亟邓康南嚓P(guān)性也相對較小，除銀南灌區(qū)引水量與降水量的相關(guān)系數(shù)為-0.52，呈中等負(fù)相關(guān)，青銅峽灌區(qū)和分灌區(qū)銀川、銀北灌區(qū)的引水量與降水量均未表現(xiàn)出明顯相關(guān)性特征，這與其他學(xué)者研究灌區(qū)引水量與降水量相關(guān)關(guān)系得出的結(jié)論有所不同[22,24-26]，其核心原因是青銅峽灌區(qū)多年平均降水量200 mm 左右，占灌區(qū)水分輸入通量的比例遠(yuǎn)小于灌溉引水量占比，其降水豐枯變化量占比更小，對灌區(qū)引水量的影響也相對較小。

表4 灌區(qū)引水量與影響因素相關(guān)性結(jié)果 Table 4 Correlation between water diversion in irrigated areas and influencing factors

3 討 論

大引大排是青銅峽灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水的顯著特征，1998 年引水量64.9 億m3，排水量41.1 億m3，單位面積灌溉用水量2.1 萬m3/hm2，隨著大規(guī)模灌區(qū)節(jié)水改造工程的實施，灌溉效率快速提升，到2017 年，引水量38.4 億m3，排水量22.5 億m3，單位面積灌溉用水量1.0 萬m3/hm2，灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.5。分階段看（表1），早期引水量大，浪費水現(xiàn)象普遍，通過提高渠道襯砌、增加高效節(jié)灌面積等措施，能夠迅速減少無效引水，到第2 和第3 時期，同樣的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施產(chǎn)生的引水量變化卻逐步遞減，第3 時期引水減少量僅是第2 時期的50%，灌區(qū)引水量下降速率正逐漸變緩。從青銅峽灌區(qū)1998—2017 年引水變化及用水效率指標(biāo)變化可以看出，農(nóng)業(yè)節(jié)水增效是灌區(qū)引水量持續(xù)下降的主要原因，且農(nóng)業(yè)用水已經(jīng)擺脫低效階段，進(jìn)入中高效階段，農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的邊際效益呈顯著遞減趨勢，常規(guī)節(jié)水措施面臨節(jié)水天花板難題。

與此同時，灌溉綠洲區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉實際上還隱秘?fù)?dān)負(fù)著部分生態(tài)用水功能，高強度節(jié)水直接減少自然生態(tài)補水量，因此農(nóng)業(yè)節(jié)水還需要面臨綠洲生態(tài)健康的約束問題[27]。由于大規(guī)模節(jié)水改變了灌溉綠洲水分補排平衡關(guān)系，引水量大幅減少導(dǎo)致入滲補給地下水量和河湖自然補給量的減少，表現(xiàn)為地下水位的持續(xù)下降[28]和河湖人工生態(tài)補水量的持續(xù)增加，青銅峽灌區(qū)地下水埋深從1998 年的1.54 m 增加到2017 年的2.23 m，河湖人工生態(tài)補水量從2003 年的2 666.8 萬m3增加到2.17 億m3。高強度的節(jié)水帶來的生態(tài)環(huán)境問題不容忽視，尤其需要采取措施以免對植被生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不可恢復(fù)的負(fù)面影響[29]。因此，在青銅峽灌區(qū)這樣位于干旱區(qū)的灌溉綠洲，節(jié)水不是無限的，加強節(jié)水、提高用水效率的同時，必須以生態(tài)健康為前提，這對于促進(jìn)灌區(qū)水資源的可持續(xù)利用，保障社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境的健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義[30]。

4 結(jié) 論

1）1998—2017 年青銅峽灌區(qū)引水量呈下降趨勢，下降速率為13.3 億m3/10 a，各分灌區(qū)中銀川灌區(qū)引水量下降速率最大，銀南灌區(qū)次之，銀北灌區(qū)下降速率最??；灌區(qū)引水主要在年內(nèi)灌溉期5—8 月及冬灌期10—11 月，年內(nèi)引水量減少集中在灌溉期5—8 月，冬灌期引水量減少相對較小。

2）1998—2017 年青銅峽灌區(qū)各區(qū)域單位面積灌溉水量均呈下降趨勢，下降速率存在明顯差異，灌區(qū)單位面積灌溉水量空間分布發(fā)生顯著變化，最大單位面積灌溉水量區(qū)域從灌區(qū)中部轉(zhuǎn)移到灌區(qū)西南部。

3）灌溉效率是灌區(qū)引水量變化的主要影響因素；其次是灌溉需求，其中種植結(jié)構(gòu)是影響灌區(qū)引水量減少的主要因子；水源條件對灌區(qū)引水量變化的影響相對較小。