黃河流域典型灌區(qū)節(jié)水潛力評(píng)估

楊翊辰，劉柏君

（1.武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072；（2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

根據(jù)“黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展”戰(zhàn)略要求及“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”新時(shí)期治水思路，進(jìn)一步挖掘流域節(jié)水潛力成為推進(jìn)流域水資源利用由粗放式向集約化轉(zhuǎn)變的主要方式之一[1，2]。黃河流域節(jié)水重點(diǎn)在農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)節(jié)水重點(diǎn)在黃河上中游地區(qū)及下游引黃灌區(qū)，特別是寧蒙引黃灌區(qū)，灌溉定額約為下游地區(qū)的2倍、中游地區(qū)的3倍、關(guān)中地區(qū)的4倍，諸多專家學(xué)者認(rèn)為，寧蒙引黃灌區(qū)灌溉定額偏高，不合理的秋澆灌溉方式造成了水資源浪費(fèi)[3，4]。如何科學(xué)系統(tǒng)地評(píng)判黃河流域典型灌區(qū)節(jié)水潛力，是流域水資源精細(xì)化管理迫切需要回答的焦點(diǎn)問題。

近些年，諸多學(xué)者針對(duì)節(jié)水潛力問題開展了相關(guān)研究。Wu等采用替代模型，探究了地表水與地下水的互饋關(guān)系，分析了節(jié)水在水資源管理中的必要性[5]。費(fèi)遠(yuǎn)航等采用首尾法對(duì)比分析了河網(wǎng)區(qū)不同尺度灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)，綜合評(píng)價(jià)了不同尺度灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)提高閾值與真實(shí)節(jié)水潛力[6]。張義敏等采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型，評(píng)價(jià)了廣東省21個(gè)市農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)生活節(jié)水潛力，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力較大[7]。王璐瑤等構(gòu)建了灌區(qū)地下水補(bǔ)給均衡模型，根據(jù)渠井結(jié)合比，計(jì)算了灌區(qū)的節(jié)水潛力[8]。王林威等通過研究寧蒙灌區(qū)合理灌溉定額，分析了青銅峽灌區(qū)在生態(tài)需水約束下的節(jié)水潛力[9]。宋國(guó)君和高文程構(gòu)建了城市節(jié)水潛力評(píng)估模型，論證了農(nóng)業(yè)節(jié)水存在的較大潛力[10]。陳東等分析了我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展過程并探究了其存在的問題，從而提出了對(duì)應(yīng)的解決措施[11]。劉凡等系統(tǒng)整理并分析了不同行業(yè)節(jié)水潛力預(yù)測(cè)方法的優(yōu)劣與發(fā)展趨勢(shì)[12]。代小平等通過計(jì)算小麥、玉米和水稻相對(duì)水分利用效率，提出了作物理論節(jié)水潛力計(jì)算方法[13]。秦長(zhǎng)海等基于自然-社會(huì)二元水循環(huán)基本規(guī)律，對(duì)京津冀地區(qū)節(jié)水潛力進(jìn)行了計(jì)算[14]。

作為我國(guó)重要的糧食基地，黃河流域農(nóng)業(yè)灌溉需求高，典型灌區(qū)節(jié)水潛力評(píng)估問題現(xiàn)階段還未開展研究。因此，研究基于生態(tài)保護(hù)要求，以農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水為核心，選取流域典型灌區(qū)為研究對(duì)象，基于多方位節(jié)水措施，利用一種凈節(jié)水潛力計(jì)算方法，全面、系統(tǒng)地評(píng)估黃河流域典型灌區(qū)的節(jié)水潛力，以期為實(shí)現(xiàn)黃河流域生態(tài)保護(hù)、水資源可持續(xù)利用及優(yōu)化構(gòu)建水資源配置格局提供有力支撐。

2 研究區(qū)概況

黃河流域面積79.5萬km2（包括內(nèi)流區(qū)4.2萬km2），干流河道全長(zhǎng)5 464 km，于東營(yíng)市注入渤海。受水土資源條件的制約，流域灌區(qū)主要分布于上游寧蒙平原、中游汾渭河盆地與下游河南、山東引黃灌溉區(qū)域，其余灌區(qū)集中在青海湟水河谷及甘肅中部地區(qū)。統(tǒng)計(jì)可知，黃河流域內(nèi)大型灌區(qū)有52個(gè)，主要分布于河南省與陜西?。恢行凸鄥^(qū)有695個(gè)，主要分布在甘肅省和陜西省[15]。黃河流域及下游引黃大中型灌區(qū)分布特征，詳見表1。

表1 黃河流域大中型灌區(qū)分布特征

黃河流域2016年農(nóng)田有效與實(shí)際灌溉面積分別為557.6萬、478.7萬hm2，流域內(nèi)和流域外引黃灌區(qū)工程節(jié)水面積分別為386.1萬、85.8萬hm2，用水量為294.8億m3[16]。在黃河流域10萬畝以上的灌區(qū)中選取有代表性的灌區(qū)作為典型，分析灌區(qū)引耗水量及用水水平、主要節(jié)水措施，評(píng)估流域典型灌區(qū)節(jié)水潛力，指明節(jié)水發(fā)展方向。本文選擇青甘地區(qū)的景電一期灌區(qū)，寧蒙地區(qū)的青銅峽灌區(qū)、河套灌區(qū)，晉陜地區(qū)的汾河灌區(qū)、尊村灌區(qū)、寶雞峽灌區(qū)和東雷一期抽黃灌區(qū)，豫魯?shù)貐^(qū)（下游引黃灌區(qū)）的人民勝利渠灌區(qū)、位山灌區(qū)9個(gè)典型灌區(qū)為研究對(duì)象，所選灌區(qū)分布如圖1所示。論文所用灌區(qū)面積、節(jié)水面積、灌溉用水量、灌溉定額、灌溉水利用系數(shù)等數(shù)據(jù)從黃河流域水資源公報(bào)及黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司收集。

圖1 黃河流域概況及主要灌區(qū)分布

3 節(jié)水潛力評(píng)估方法

現(xiàn)有方法是通過提高灌溉水利用效率計(jì)算灌區(qū)毛節(jié)水潛力（理論節(jié)水潛力），在農(nóng)業(yè)灌溉中，提高灌溉水利用效率可以減少可供水量，但會(huì)降低部分深層滲漏量和灌溉回歸水量，而深層滲漏量是灌區(qū)地下水的主要來源之一，上游灌區(qū)的灌溉回歸水量又是下游灌區(qū)可供水量的來源之一。由此，毛節(jié)水潛力沒有考慮其中因節(jié)水而減少的可重復(fù)利用地表回歸水量和地下水補(bǔ)給量的影響[17，18]。為了避免毛節(jié)水潛力存在的問題，研究采用一種凈節(jié)水潛力計(jì)算方法，即在可預(yù)知的技術(shù)水平條件下，通過采取一系列工程和非工程節(jié)水措施，同等規(guī)模下未來預(yù)期需耗水量與現(xiàn)狀年耗水量的差值即為節(jié)水潛力。該節(jié)水潛力可以直接反映區(qū)域采取節(jié)水措施后能夠減少的耗水資源量，減少的這部分耗水量可以作為區(qū)域新增水資源量被其他用水部門利用消耗，能夠體現(xiàn)區(qū)域真實(shí)可能的節(jié)水量。

挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力主要通過3個(gè)途徑：①調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，減少高耗水作物種植比例，降低平均灌溉定額；②依靠農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步，采取先進(jìn)灌水技術(shù)和科學(xué)灌溉制度，提高灌溉水利用效率；③通過工程節(jié)水措施，有效地降低灌溉定額，提高灌溉水利用系數(shù)，達(dá)到節(jié)約灌溉水量的目的[19，20]。

圖2顯示了灌區(qū)節(jié)水潛力評(píng)估原理。曲線AB和曲線CD分別代表某灌區(qū)在I凈1和I凈2耗水水平下的灌溉用水曲線。其耗水水平之間的關(guān)系為[21]：

圖2 灌溉指標(biāo)相關(guān)關(guān)系曲線

點(diǎn)A為節(jié)水前的灌溉水平（Q0，I凈1，η0），點(diǎn)C為節(jié)水后的灌溉水平（Q2，I凈2，η1），Q0和Q2分別為節(jié)水前和節(jié)水后的毛灌溉用水量。

（1）計(jì)算提高灌溉水利用系數(shù)后的可節(jié)水量ΔQB。假定凈灌溉定額I凈1不變，將灌溉水利用系數(shù)由η0提高到η1，此時(shí)的灌溉用水量變?yōu)镼1，灌溉水平變?yōu)锽（Q1，I凈1，η1）。此時(shí)，ΔQB為：

（2）計(jì)算減少田間無效蒸發(fā)、降低凈灌溉定額后的可節(jié)水量。假定灌溉水利用系數(shù)不變，考慮到I凈由曲線AB水平降低到曲線CD水平，對(duì)應(yīng)的灌溉水平為D（Q1，I凈2，η0），此時(shí)的可節(jié)水量仍為ΔQB。對(duì)于提高灌溉水利用系數(shù)，其單位面積節(jié)水量為：

對(duì)于降低凈灌溉定額，其單位面積節(jié)水量為：

因此，灌區(qū)單位面積節(jié)水量ΔQ綜可表示為：

式中：ΔQ綜為提高灌溉水利用系數(shù)和降低凈灌溉定額的單位面積節(jié)水潛力（萬m3/hm2）；I凈1和I凈2分別為提高前后的凈灌溉定額（m3/hm2）；η0和η1分別為提高前后的灌溉水利用系數(shù)。ΔQ綜與灌區(qū)面積乘積就是灌區(qū)的節(jié)水潛力。

4 節(jié)水潛力評(píng)估結(jié)果

黃河流域平均灌溉用水量為5 520 m3/hm2，小于全國(guó)和長(zhǎng)江流域的5 700、6 165 m3/hm2；灌溉水利用系數(shù)為0.54，小于全國(guó)的0.542、華北地區(qū)的0.596、東北地區(qū)的0.590與華東地區(qū)的0.570，灌溉水利用系數(shù)相對(duì)較小。

典型灌區(qū)特征指標(biāo)，詳見表2。

表2 典型灌區(qū)特征指標(biāo)

渠道防滲是降低渠道水量損失最根本和最有效的措施[22]。黃河流域2016年渠道防滲面積為205.5萬hm2，占有效灌溉面積的33.0%；管、噴、微灌等高效節(jié)水灌溉面積為180.5萬hm2，占有效灌溉面積的29.0%，仍與國(guó)際先進(jìn)水平有一定差距；由此可知，黃河流域灌區(qū)農(nóng)業(yè)還具有一定節(jié)水潛力。因此，提出相應(yīng)農(nóng)業(yè)節(jié)水措施：①在有地形條件的地表水自流灌區(qū)，實(shí)施“管代渠”輸水方案，充分利用地形條件實(shí)現(xiàn)自壓供水；②在地表水提水灌區(qū)，積極推進(jìn)管灌，在特色作物區(qū)優(yōu)先考慮輸水使用管道，田間實(shí)施微灌及噴灌；③對(duì)于地下水井灌區(qū)或井渠結(jié)合灌區(qū)，在地下水資源豐富、水質(zhì)滿足灌溉要求的地區(qū)，全面采用管道輸水方式，田間灌溉技術(shù)方面推廣管灌，有條件的地區(qū)積極發(fā)展噴灌及微灌；④在特色類、經(jīng)濟(jì)林果類等優(yōu)勢(shì)作物區(qū)，嚴(yán)重缺水及生態(tài)脆弱的大田糧食作物區(qū)，優(yōu)先發(fā)展高效節(jié)水技術(shù)，尤其是微灌和噴灌技術(shù)[23，24]。

根據(jù)《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50363-2018），達(dá)到節(jié)水灌溉面積標(biāo)準(zhǔn)的灌溉水利用系數(shù)，大型渠道防滲灌區(qū)不應(yīng)低于0.50，中型渠道防滲灌區(qū)不應(yīng)低于0.6；井灌區(qū)不應(yīng)低于0.8；噴灌區(qū)不應(yīng)低于0.8，微噴灌區(qū)不應(yīng)低于0.85，滴灌區(qū)不應(yīng)低于0.9。由此對(duì)灌區(qū)綜合灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行推算。通過節(jié)水措施，可將黃河流域（不含下游引黃灌區(qū)）節(jié)水灌溉面積增加到622.8萬hm2，節(jié)灌率、高效節(jié)灌率和灌溉水利用系數(shù)分別提高到100%、40.7%和0.61；下游引黃灌區(qū)節(jié)水灌溉面積增加到227.0萬hm2，節(jié)灌率、高效節(jié)灌率和灌溉水利用系數(shù)分別提高到100%、35.2%和0.57。黃河流域各省（區(qū)）節(jié)水灌溉面積規(guī)模與節(jié)水前后灌溉水利用系數(shù)特征，詳見表3—4。

表3 黃河流域各省（區(qū)）節(jié)水灌溉面積發(fā)展規(guī)模 萬hm2

表4 黃河流域各?。▍^(qū)）節(jié)水前后灌溉水利用系數(shù)特征

利用表3—4的成果，基于黃河流域各?。▍^(qū)）灌溉面積發(fā)展規(guī)模，分析灌溉面積調(diào)整后對(duì)應(yīng)各分區(qū)作物經(jīng)濟(jì)灌溉凈定額，結(jié)合作物經(jīng)濟(jì)灌溉凈定額與節(jié)水后灌溉水利用系數(shù)綜合推算對(duì)應(yīng)各?。▍^(qū)）滿足作物生產(chǎn)需水條件下的農(nóng)林牧經(jīng)濟(jì)灌溉凈定額。因此，通過計(jì)算，黃河流域內(nèi)典型灌區(qū)（不含下游引黃灌區(qū)）總節(jié)水潛力為16.24億m3，其中，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)節(jié)水潛力最大；下游引黃灌區(qū)總節(jié)水潛力為10.53億m3，其中，山東省位山灌區(qū)節(jié)水潛力較河南省人民勝利渠灌區(qū)多2.53億m3，結(jié)果見表5。與現(xiàn)有成果對(duì)比發(fā)現(xiàn)[1，18，25-26]，本文計(jì)算的黃河流域典型灌區(qū)節(jié)水潛力結(jié)果基本合理，說明文中所用節(jié)水潛力評(píng)估方法是合理且有效的，具有良好的可操作性。

表5 節(jié)水潛力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

（1）研究采用凈節(jié)水潛力計(jì)算方法，評(píng)估了黃河流域典型灌區(qū)節(jié)水潛力，結(jié)果顯示：黃河流域內(nèi)典型灌區(qū)節(jié)水潛力為16.24億m3，其中，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)節(jié)水潛力最大；下游引黃灌區(qū)節(jié)水潛力為10.53億m3，其中，山東省位山灌區(qū)節(jié)水潛力最大。

（2）考慮到現(xiàn)狀黃河流域灌區(qū)節(jié)水量基本上是優(yōu)先用于未滿足的農(nóng)業(yè)用水需求，剩下的節(jié)水量才轉(zhuǎn)讓給工業(yè)等行業(yè)的實(shí)際情況，且黃河西北地區(qū)干旱的自然條件和脆弱的生態(tài)環(huán)境稟賦導(dǎo)致了水權(quán)轉(zhuǎn)讓的有限性，未來黃河流域灌區(qū)節(jié)水后可進(jìn)行轉(zhuǎn)換使用的難度較大[27]。

（3）受多因素影響，黃河流域未來節(jié)水潛力有限，通過節(jié)水無法從根本上緩解流域水資源供需嚴(yán)重失衡的矛盾。加快推進(jìn)南水北調(diào)西線工程建設(shè)，配合龍羊峽、劉家峽、小浪底等水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)[16]，是解決黃河流域缺水最為有效的措施之一。