扬黄灌溉对宁夏清水河流域下游水资源影响分析

张 华，陈玉春，汪文浩

（宁夏回族自治区水文水资源勘测局，750001，银川）

大量开采地下水、灌溉等人类活动对宁夏水资源影响日益显著，农业、工业、生活和生态用水矛盾突出，宁夏水资源安全面临着严峻挑战。鉴于此，研究人类活动对宁夏水资源的影响，分析原因并提出适应对策已十分迫切和必要。本文应用水文模型对清水河流域下游1960年以来近50年实测径流进行模拟，分析人类活动对径流影响程度和原因，提出适应对策。

一、清水河流域介绍

宁夏清水河流域为黄河一级支流，流域面积14 481 km2，全长320 km，河道平均比降1.49‰。左岸有东至河、中河、苋麻河、西河、金鸡儿沟、长沙河，右岸有双井子沟、折死沟等流域面积大于500 km2的支流。清水河流域地势基本走向为南高北低、西高东低，河源海拔高程2 480 m，地貌以黄土丘陵为主，中上游为洪积—冲积平原区，中游西侧为黄土丘陵、盆、埫区，中游东侧为黄土丘陵山区，中下游为河谷平原。

清水河流域由上而下设有固原、韩府湾、泉眼山三处水文站，清水河下游指韩府湾至泉眼山之间范围，韩府湾至泉眼山站之间流域面积为9 546 km2，区内流域面积 8 769 km2，区间距离为149.8km。

二、灌溉情况调查

影响宁夏清水河流域下游径流的人类活动主要有固海提水灌区灌溉，固海提水灌区分固海老灌区和固海扩灌区，灌溉水源是黄河水。固海老灌区设计灌溉面积63.77万亩（15亩=1 hm2，下同），设计取水流量 28.5 m3/s，1983年建成灌水，渠道均砌护。随着灌溉面积的不断增加，扬黄水量也逐年增加，经统计，扬黄水量从1983年0.33亿m3增加到2012年3.18亿m3，灌溉面积从1983年5.4万亩增加至2012年58.5万亩。灌区扬水量和农田灌溉面积见表1。

固海扩灌区设计灌溉面积25万亩，设计取水流量 12.7 m3/s，于 2002年一至六干渠冬灌试水，上水量0.055亿m3，灌溉面积1.87万亩。2003年固海扩灌区农田建成面积12万亩，实际灌溉面积2.06万亩，灌溉范围为六至十二干渠灌域内灌溉设施已配套的农田。2004年固海扩灌区总的上水量0.263亿m3，农田建成面积18万亩，灌溉面积6.71万亩，截至2012年实际灌溉面积22.7万亩，扬水量 1.229亿 m3，见表 1。

三、清水河下游降雨径流变化

清水河下游降水量采用泉眼山和韩府湾两个水文站降水量平均值，区间径流量为泉眼山站实测径流量减去韩府湾站实测径流量，1—4月基流量为泉眼山站实测月均流量减去韩府湾站月均流量。

清水河下游1959—1982年平均年降水量262.3mm，平均年径流量2 162万 m3，1—4 月基流量 0.223 m3/s，径流系数0.009 4，此阶段主要反映天然状态下降水径流情况，无人工灌溉，人类活动对径流影响较弱，划分为天然径流阶段。

1983—1997年平均年降水量281.5 mm，平均年径流量5 643万m3，1—4月基流量0.766 m3/s，径流系数0.022 9，人工灌溉水量逐年迅速增加，年均灌溉水量12738万m3，灌溉水量年均增加1899万m3，此阶段灌溉引起清水河河谷平原地下水水位显著上升，地下水侧向排入清水河的水量明显增加，也就是基流量明显增加，比天然径流阶段增加2.43倍，划分为固海老灌区快速发展阶段。

1998—2002年平均年降水量272.1 mm，平均年径流量9 996万m3，1—4月基流量 1.76 m3/s，径流系数0.041 9，人工灌溉水量基本稳定，年均灌溉水量30714万m3，此阶段灌溉引起清水河河谷平原地下水水位缓慢上升，地下水侧向排入清水河的水量明显增加，基流量比天然径流阶段增加6.89倍，比上一阶段增加1.30倍，划分为老灌区稳定阶段。

2003—2008年平均年降水量239.5 mm，平均年径流量8 084万m3，1—4月基流量1.983 m3/s，径流系数0.0385，此阶段人工灌溉水量随固海扩灌区发展显著增加，年均灌溉水量38 798万m3，此阶段清水河河谷平原地下水水位持续上升，地下水侧向排入清水河的水量缓慢增加，基流量比天然径流阶段增加7.89倍，比上一阶段增加12.7%。

表1 固海提水灌区开发情况统计表

2009—2012年平均年降水量250.4 mm，平均年径流量8 018万m3，1—4月基流量1.991 m3/s，径流系数0.0365，此阶段人工灌溉水量基本稳定，年均灌溉水量43 392万m3，清水河河谷平原地下水水位缓慢上升，地下水侧向排入清水河的水量缓慢增加，基流量比天然径流阶段增加7.93倍，比上一阶段增加0.4%。

四、用MIKE 11降雨径流模型分析径流影响因素

1.模型简介

主要用MIKE 11 RR中NAM模型模拟流域内的降雨产流过程。该降雨径流模块可以计算一个或多个产流区，产生的径流作为旁侧入流进入MIKE 11水动力（HD）模型的河网中。采用这种方法，可以在同一模型框架内处理单个或众多汇流区和复杂河网的大型流域。降雨径流模型所需的输入数据包括气象数据和流量数据（用于模型率定和验证）、流域参数和初始条件。NAM通过连续计算4个不同且相互影响的储水层的含水量来模拟产汇流过程，这几个储水层代表了流域内不同的物理单元。这些储水层是：积雪储水层、地表储水层、土壤或植物根区储水层、地下水储水层。另外，NAM还允许模拟人工干预措施，如灌溉和抽取地下水。

2.模型建立与校核

采用清水河韩府湾水文站与泉眼山水文站 1982—2000年实测流量、降水、蒸发逐日资料，该资料严格按照水文资料整编规范要求进行整编，并参加黄河流域水文资料汇编，编印水文资料年鉴，资料系列完整可靠。固海灌区有32眼地下水监测井，1985年开始监测至今。灌区灌溉水源是黄河水，水量数据经过整编来源可靠。按NAM模型要求梳理1982—2000年逐日实测流量、降水、蒸发资料，设置地下水埋深和灌溉模块，率定模型参数。再用2001—2009年实测流量、降水、蒸发逐日资料及灌溉水量、地下水埋深等对模型进行验证，模拟径流量与实测径流量过程线形状吻合，模拟与实测流量的峰值吻合；低流量平水期吻合较好，模拟与实测径流量误差8.7%，模型能够反映流域径流变化。

3.径流影响因素分析

1983—1997年降水量比 1959—1982年偏多7.3%，径流量偏多161%；2003—2008年降水量比1959—1982年偏少8.7%，而径流量偏多274%；自灌溉后径流量随着灌溉面积和灌溉水量增加呈逐年上升趋势，降水增加或减少对径流量影响不明显，因此降水不是引起径流增加的主要原因。

通过模拟分析灌溉入渗引起固海灌区地下水水位上升，初期地下水水位上升迅速，入渗补给地下水水量大部分形成地下水存储量，小部分以侧向径流方式排入清水河，增加清水河基流量。1998—2002年老灌区基本稳定，灌溉入渗水量小部分形成地下水存储量，大部分以侧向径流方式排入清水河，此时区域地下水水位缓慢上升，基流量达到较高水平。2003—2008年随着固海扩灌区发展，总灌溉水量再次迅速增加，但区域地下水水位上升缓慢，灌溉入渗补给地下水水量大多以侧向径流方式排入清水河。

区域地下水水位上升幅度远大于清水河河道水位升幅，使基流极限埋深GWLbfo增加，地下水埋深GWL减小，产生基流时间常数CKBF减小，造成基流大幅度增加。据模拟结果分析，1983—1997年清水河下游径流量增加3 481万m3，其中基流增加引起径流量增加占增加总量的49.2%；1998—2002年清水河下游径流量增加7 834万m3，其中基流增加占比61.9%；2003—2008年清水河下游径流量增加5922万m3，其中基流增加占比93.7%；2009—2012年清水河下游径流量增加5856万m3，其中基流增加占比95.2%。见表2。

表2 清水河下游径流量、基流量分析表

五、结 论

清水河河谷平原下游第四系松散沉积物厚度较大，上部厚度约50～180m，岩性主要为砂砾石夹砂黏土薄层，表层覆盖黄土厚度1～5 m，孔隙中储存了丰富的地下水，但两侧汇入水质矿化度高，一般3～10g/L。平原宽度1.5～11.2 km，平均 5～6 km，清水河从平原中间穿过，切割较深。天然状态下两侧地下水汇入清水河，灌溉引起平原区地下水水位持续上升，灌溉入渗水量一部分转化为地下水储量，一部分以地下水径流流入清水河。比如1983—1997年比天然阶段增加3 481万m3，1998—2002年比天然阶段增加7 834万 m3，2003—2008 年比天然阶段增加 5 922万 m3，2009—2012年比天然阶段增加5856万m3，而同期降水在多年平均降水10%以内上下波动，灌溉水量入渗增加径流量比重逐步增加，2003年以后占径流增加量的90%以上。

清水河两侧山丘区受人为影响程度很小，产汇流下垫面条件基本不变，模型分析清水河两侧沟道汇入清水河水量与天然阶段相比基本相同。而平原区地下水水位持续上升，流入清水河基流量显著增加，2003年后基流量比天然阶段增加约8倍。因此扬黄灌溉是清水河径流量增加的主要因素。

本模型主要是从概念和水量上分析了灌溉对径流的影响，没有从径流产生机制进行深入分析。今后可采用地下水模型和地表径流模型耦合，分析灌溉如何引起区域地下水水位上升和清水河水量增加，降水和灌溉对径流量增加贡献分别是多少，进一步阐述径流增加的主要因素。

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