青銅峽灌區(qū)水土資源平衡分析的探討

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摘要：本文根據青銅峽灌區(qū)四水轉化的特點和灌區(qū)規(guī)劃的要求，提出灌區(qū)節(jié)水改造規(guī)劃的水土資源平衡應進行水資源的3個平衡分析，即水資源供需平衡分析，引水、耗水與排水平衡分析，水資源耗水平衡分析。水資源的3個平衡分析的目標與內容不同，但科學基礎與依據都是灌區(qū)的四水轉化關系。

　　關鍵詞：灌區(qū)規(guī)劃 四水轉化 水資源供需平衡

　　隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，水資源的合理利用與優(yōu)化配置成為其可持續(xù)發(fā)展的重大問題[1～3].本文結合青銅峽灌區(qū)的節(jié)水改造規(guī)劃，對干旱半干旱地區(qū)的大型灌區(qū)的水土資源平衡的有關問題進行討論。青銅峽灌區(qū)地處寧夏銀川平原，屬黃河河套（前套）平原的重要組成部分。灌區(qū)總土地面積6239km2，現狀灌溉面積33萬hm²，灌區(qū)涉及寧夏的3個地級市及11個縣（市、區(qū)），是自治區(qū)人口集中地與工農業(yè)發(fā)展精華地區(qū)。青銅峽灌區(qū)建設發(fā)展歷史悠久，但工程老化失修，滲漏嚴重，水資源利用率低，平均灌溉水利用系數只有0.38，水分生產率只有0.62kg/m³.青銅峽灌區(qū)現狀引水量、耗水量約占寧夏引黃灌區(qū)的80%左右，也是節(jié)水潛力最大的地區(qū)，應制定灌區(qū)改造規(guī)劃，積極進行灌區(qū)的節(jié)水建設，把青銅峽灌區(qū)改造成為面向二十一世紀節(jié)水高效的新型灌區(qū)。

　　1 青銅峽灌區(qū)四水轉化特點與水土資源平衡分析

　　1.1 灌區(qū)四水轉化與特點

　　水土資源平衡分析是灌區(qū)灌溉規(guī)模論證的主要依據。灌區(qū)的四水——地表水、土壤水、地下水、大氣水（降水與蒸發(fā)）——的轉化關系[4，5]是灌區(qū)水土資源平衡分析的科學基礎與依據。

　　本文以下將灌區(qū)作為一個整體，根據用水與耗水的性質和特點，將灌區(qū)劃分為5個單元，即農田灌溉單元（人工灌溉的耕地、林地與草地）、工業(yè)用水單元、城鄉(xiāng)用水單元、人工環(huán)境生態(tài)用水單元、自然生態(tài)耗水單元。青銅峽灌區(qū)的四水及其轉化簡要說明如下。

　?、俚乇硭侵腹鄥^(qū)引用的黃河水、降水形成的地表徑流和灌區(qū)排水。引用的黃河水在渠道輸水過程中，通過蒸發(fā)滲漏轉化為大氣水、土壤水和地下水。降水形成的地表徑流一般難以利用、直接由排水溝排出。

　?、诘叵滤畞碓从诘乇硭c降水的入滲補給、灌區(qū)外的（山前）側滲補給，其消耗為通過潛水蒸發(fā)補充非飽和帶的土壤水、通過側滲以地下水的形式排入黃河、通過抽水作為工農業(yè)的用水水源、通過越層入滲補給深層地下水。

　　③土壤水是四水轉化的中心環(huán)節(jié)，來源于地表水的入滲與地下水的潛水蒸發(fā)補給。土壤除少量補給地下水外、主要轉化為大氣水、消耗于蒸發(fā)蒸騰。

　?、艽髿馑附邓c蒸發(fā)蒸騰的水量。灌區(qū)的降水除少量入滲補給地下水和排水外，直接蒸發(fā)消耗掉。各個單元的蒸發(fā)蒸騰總量是灌區(qū)最終的水資源消耗量。

　　根據自然條件與水資源利用現狀，青銅峽灌區(qū)的四水轉化有以下特點。

　?、俟鄥^(qū)年降水量僅180～220mm，而水面蒸發(fā)量達1000～1550mm.當地地表水資源量約為1.25億m³，降水與山前側滲的地下水補給量約為0.95億m³.降水在灌區(qū)的四水轉化中的作用處于次要的地位。灌區(qū)的生存與發(fā)展完全依靠黃河水的引用，現狀引黃河水量60～70億m³.

　?、诠鄥^(qū)內四水轉化復雜，特別是地表水與地下水的轉化量大、轉化頻繁。

　?、酃鄥^(qū)土地資源豐富，分布有大片的荒地，并形成灌區(qū)內的自然生態(tài)景觀。在灌區(qū)水資源可利用量一定的條件下，社會經濟用水與生態(tài)環(huán)境用水存在著激烈的矛盾。

　?、茉谖覈揽恳命S河水的大型灌區(qū)中，僅青銅峽灌區(qū)具有自流引水和自流排水的條件。目前灌區(qū)是“大引大排”（排水40億m³左右），水資源利用不盡合理。

　　1.2 青銅峽灌區(qū)水土資源平衡分析

　　根據青銅峽灌區(qū)四水轉化的特點和大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造規(guī)劃的要求，本文提出在灌區(qū)水土資源平衡中要進行水資源的3個平衡分析。

　?、俟鄥^(qū)水資源供需平衡分析。該平衡分析是以往規(guī)劃中常規(guī)進行的，平衡分析的目標是調整國民經濟各用水部門與水資源的供求關系。

　?、诠鄥^(qū)引水—耗水—排水平衡分析。青銅峽灌區(qū)的引水量除灌區(qū)工農業(yè)用水消耗外，尚有部分水量排入黃河。灌區(qū)的引水—耗水—排水平衡分析的目標是調整局部（灌區(qū)）與整體（流域）的資源配置關系。

　?、酃鄥^(qū)水資源耗水平衡。水資源耗水平衡分析的目標是調整國民經濟各部門、國民經濟與自然生態(tài)的水資源配置關系。

　　2 青銅峽灌區(qū)水資源供需平衡分析

　　為了提高水資源的利用效率而又滿足社會經濟發(fā)展的用水要求，必須進行水資源供需平衡分析。在水資源不足的情況下，按照以需定供的原則，合理確定工農業(yè)發(fā)展規(guī)模并進行結構調整。水資源供需平衡關系如圖1中粗線所示。

　　2.1 灌區(qū)可供水量

　　灌區(qū)可供水量WS為灌區(qū)水源工程的可供水量，是地表水的可供水量WSS與地下水的可供水量WSG之和。

　　WS=WSS+WSG （1）

　　對青銅峽灌區(qū)，地表水的可供水量WSS即是灌區(qū)各干渠的渠首的引黃水量。地下水的可供水量即是由地下水補給量確定的地下水的可開采量（井口）。地下水的補給量為當地的降水與山前側滲的地下水補給量和引黃灌溉的渠系與田間入滲補給量之和，以引黃灌溉入滲補給量為主。引黃入滲補給量WGR與引黃水量有關，由下式計算：

　　WGR=γ（1-η_渠）WSS+（1-η_田）η_渠WSS （2）

　　式中：η渠為渠系水利用系數；η田為田間水利用系數；γ為渠系入滲補給系數。等式右端第一項為渠系滲漏水入滲補給量；第二項為田間水入滲補給量，該項只計自流灌區(qū)。η渠與渠道襯砌狀況有關，γ與排水量有關，故現狀水平年與規(guī)劃水平年的γ（1-η渠）取值不同。地下水的可開采系數取為0.6，則地下水的可開采量WSG為：

　　WSG=0.6（WGR+0.95）

　　根據相關參數，計算不同引黃量下相應的地下水補給量與可開采量WSG結果如圖2.

　　2.2 灌區(qū)需水量

　?。?）城鎮(zhèn)生活用水與需水量。城鎮(zhèn)生活用水量WUA按城鎮(zhèn)人口PA（人）與定額MA（L/人·d）計算，即WUA=365PAMA.城鎮(zhèn)生活用水的水源有地表水（引黃）和地下水，需水量是根據用水量推算至水源工程（渠首與井口）處的水量。若地表水與地下水的供水比例分別為αs1與αg1、相應的水利用系數分別為ηs1與ηg1，則其需水量WDA為

　　WDA=α_s1WU_A/η_s1+α_g1WUA/η_g1 （3）

　　上式等號右端第一項為地表水的需水量，第二項為地下水的需水量。

　?。?）農村生活用水與需水量。農村生活用水量（含牲畜用水）亦按人口P_A與定額M_A計算，用水量WU_B=365P_BM_B，同樣考慮不同水源的供水比例α_s2、α_g2及相應的水利用系數η_s2、η_g2，其需水量WDB為

　　WDB=α_s2WU_B/η_s2+α_g2WU_B/η_g2 （4）

　　（3）工業(yè)用水。工業(yè)用水按產值Y與萬元產值用水定額MC計用水量MUC=YMC，需水量WDC與上述計算類似

　　WDC=α_s3WU_C/η_s3+α_g3WU_C/η_g3 （5）

　?。?）生態(tài)環(huán)境用水。生態(tài)環(huán)境用水是指人工灌溉及供水的生態(tài)林建設、河湖坑塘及鹽堿地改良等用水。根據相應的規(guī)劃規(guī)模，其總需水量（引黃水量）WDD規(guī)劃為6.5億m³.

　?。?）灌溉需水。規(guī)劃水平年總灌溉面積33.7萬hm²，自流灌區(qū)灌溉面積F1為29.8萬hm²、揚水灌區(qū)灌溉面積F2為3.9萬hm².為了充分利用水資源，自流灌區(qū)的用水要增加地下水的利用量。自流灌區(qū)的凈灌溉水量WUE1由其面積F1與凈灌溉定額m1計算，WUE1=m1F1，需水量（毛灌溉水量）WDE1為

　　WDE1=α_s51WUE₁/η_s51+α_g51WUE₁/η_g51 （6）

　　式中：ηs51與ηg51分別為相應的灌溉水利用系數，αs51和αg51為相應的地表水與地下水的利用比例（待定）。

　　由揚水灌區(qū)的凈灌溉定額m2（規(guī)劃為4440m³/hm²）和灌溉面積F2可計算凈灌溉水量WUE2=m2F2，其需水量WDE₂為

　　WDE₂=α_s52WUE₂/η_s52+α_g52WUE₂/η_g52 （7）

　　綜上所述，灌區(qū)的總需水量WD為上述各項需水量之和。即

　　WD=WDA+WDB+WDC+WDD+WDE1+WDE2 （8）

　　各部門的需水由地表水與地下水兩個水源供給，總需水量WD為地表水（引黃）的需水量WDS與地下水的需水量WDG之和。地表水與地下水的需水量與各部門兩種水源供給的比例有關，而地下水的可供水量（可開采量）又取決于地表水的可供水量（引黃量）。因此，在多水源的情況下，灌區(qū)的供水量與需水量要通過供需平衡分析確定。

　　2.3 水資源供需平衡分析

　　為了確定合理的引黃量需進行水資源供需平衡分析，其原則是水資源有效利用。引黃量過大、地下水的補給量亦大，供需平衡結果水量富余；引黃量較少時，地下水的補給量也少，供需平衡結果水量不足。因此，引黃量的確定，存在著一個平衡點。

　　由前述分析可見，灌區(qū)的可供水量與需水量均與引黃量有關。根據分析計算結果，繪出可供水量、需水量與引黃量的關系。

　　分析結果表明，青銅峽灌區(qū)合理的引黃量為40億m³（不含大壩與石嘴山火電站的引水）。

　　3 灌區(qū)引水、耗水、排水平衡分析

　　3.1 灌區(qū)引水、耗水、排水平衡與排水量分析

　　水資源平衡分析確定的引黃量并不是灌區(qū)可消耗的水量。國家分配給寧夏自治區(qū)的用水指標40億m³，由寧夏引黃用水現狀與規(guī)劃，青銅峽灌區(qū)可耗用的黃河水為25.4億m³.

　　可在四水轉化中改用粗線表示灌區(qū)引水—耗水—排水的平衡關系，此處從略。灌區(qū)的引水是指灌區(qū)的引黃水量、即WSS，灌區(qū)的排水是灌區(qū)排入黃河的水量、記為WDD，灌區(qū)的耗水在此所指的是引（引水量）排（排水量）差、記為WSD.即：

　　WSD=WSS-WDD （9）

　　青銅峽灌區(qū)規(guī)劃水平年的引排差維持現狀的25.4億m³，灌區(qū)的引黃量、耗水量（引排差）與排水量如表2.

　　3.2 排水的可能性與不確定性

　　根據1988～1999年的水文測定與統(tǒng)計資料，點繪灌區(qū)的排水量與引黃量的關系如圖4.

　　根據所給的關系，當灌區(qū)引黃量為40億m³時，相應的排水量達17.2億m³.如表2，規(guī)劃水平年要求的排水量為14.6億m³，較17.2億m³為少，達到規(guī)劃的排水量的可能性是存在的。

　　現狀的引水、排水情況。灌區(qū)排水組成十分復雜，目前尚無相關的定量關系。在規(guī)劃水平年，灌區(qū)用水管理的加強，灌區(qū)退水必然減少；

　　農田排水配套建設的完善，農田的排水量有一定程度增加?？傮w上，未來的排水量將較現狀為少。因此，未來的排水量存在著不確定性。規(guī)劃排水量的實現應通過灌區(qū)的引排調度與加強管理來解決，當排水量不足（即引排差大于規(guī)劃確定值）時，其不足水量由用水量中扣除。青銅峽灌區(qū)具有較好的自流排水條件。灌區(qū)維持一定的排水量，有利于全灌區(qū)鹽分平衡。

　　4 灌區(qū)耗水平衡

　　青銅峽灌區(qū)現狀排水量約占引黃水量的62%，因而灌區(qū)引水量或可供水量不是可消耗的水資源量。灌區(qū)的需水量也不是各用水部門實際的消耗水量。此外，自然生態(tài)的用水因不是人工引水供給，在水資源供需平衡中沒有計入。因此，前述的水資源供需平衡并不是真正意義的水資源配置。為此補充進行水資源的耗水平衡是必要的。

　　4.1 灌區(qū)可耗水量

　　灌區(qū)的可耗水量約為27.64億m³，包括可利用的黃河水量（引排差）25.4億m³，當地的地表水資源1.25億m³，當地的淺層地下水資源0.99億m³.在以下灌區(qū)耗水分析中，除降水產生的地表水及地下水外，未計入降水的直接利用。

　　4.2 灌區(qū)各項耗水估計

　　灌區(qū)的水資源的消耗按前述分為工業(yè)用水、城鄉(xiāng)生活（城鎮(zhèn)與農村）、環(huán)境用水、農業(yè)灌溉和自然生態(tài)植被共5項。

　?。?）工業(yè)、城鄉(xiāng)生活耗水量。工業(yè)、城鄉(xiāng)生活的耗水量WC與用水量的WU的比值稱為耗水率ζ，故可由用水量與耗水率來估算其耗水量，即

　　WC=ζWU （10）

　　根據全國的統(tǒng)計資料與本灌區(qū)的實際情況，工業(yè)和城鎮(zhèn)生活的耗水率取為25%，農村生活的耗水率取為90%.

　?。?）環(huán)境用水的耗水量。河湖塘庫的耗水按年均積水水面的蒸發(fā)量估計；防護林建設與鹽堿地改良耗水按面積與定額估計。

　?。?）農業(yè)灌溉耗水量。農業(yè)灌溉耗水根據灌溉面積與凈灌溉定額估算。實際上農田作物還消耗地下水（通過潛水蒸發(fā)），故還應計入地下水利用量。

　?。?）自然生態(tài)（植被）的耗水量。現狀水平年根據灌區(qū)內自然生態(tài)的面積（統(tǒng)計與遙感資料）、地下水位埋深，按潛水蒸發(fā)估計。在規(guī)劃水平年，由灌區(qū)的可耗水量扣去上述各項耗水量后、作為其可消耗于自然生態(tài)的水量，其結果用以評價灌區(qū)自然生態(tài)耗水的可能狀況。

　　綜上所述，灌區(qū)水資源耗水平衡的初步結果。

　　灌區(qū)自然生態(tài)的面積約為15萬hm²，規(guī)劃水平年可耗水量2.54億m³，相當170mm，加上降水的直接利用，耗水約300～350mm.自然生態(tài)耗水有一定的保證，但并不充分。

　　5 青銅峽灌區(qū)水土資源平衡分析結果與結論

　　（1）根據前述青銅峽灌區(qū)水資源的3個平衡分析，灌區(qū)的續(xù)建配套與節(jié)水改造的實施將有明顯的節(jié)水效果，灌區(qū)的水資源配置與利用將趨于合理。

　　①灌區(qū)的引黃量由現狀的66.4億m³減少到規(guī)劃水平年的40億m³，減少了40%，對于黃河流域的水量統(tǒng)一調度與管理是有利的；地下水的開采量由現狀的3.5億m³增加到5.9億m³，灌區(qū)的引黃與地下水的聯合運用趨于合理。嚴格控制用水指標，維持現狀的引排差25.4億m³.在采取有力的管理調度措施后，規(guī)劃的排水量是可以實現的。

　　②農田灌溉節(jié)水效果顯著。以現狀的灌溉面積33萬hm²為基準，綜合毛灌溉定額由現狀的20025m³/hm²、到規(guī)劃水平年減少到10080m³/hm²，毛灌溉水量由現狀的66.1億m³減少為34億m³，減少了32.1億m³；灌區(qū)的綜合凈灌溉定額由現狀的7365m³/hm²減少到5250m³/hm²，節(jié)約凈灌溉水量7億m³，減少的毛灌溉水量與節(jié)約的凈灌溉水量具有重要的社會經濟和生態(tài)環(huán)境效益。

　?。?）本文結合青銅峽灌區(qū)節(jié)水改造規(guī)劃，提出在灌區(qū)水土資源平衡分析中需要進行水資源的3個平衡分析。這3個平衡分析都是以灌區(qū)的四水轉化為基礎，且是相互有關聯的。水資源3個平衡分析有各自的內容和目標。根據作者多年的工作體會，在我國干旱與半干旱地區(qū)，除進行常規(guī)的水資源供需平衡分析外，補充進行耗水平衡分析對于研究水資源的配置是十分必要的。

　　由于灌區(qū)四水轉化的復雜性，加以實際監(jiān)測與試驗資料的不足，水資源平衡分析中所需要的水量轉化與消耗的參數常缺乏可靠的依據。例如本文分析中用到的地表水入滲補給地下水的參數，排水的組成及估計，各單元耗水分析的參數等。3個平衡的分析，尤其是耗水平衡的分析目前仍有其不確定性。灌區(qū)四水轉化與水土資源平衡分析是一個重要的、尚需繼續(xù)深入研究的課題。

　　參 考 文 獻：

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