内蒙古河套灌区农业灌溉资源型节水潜力分析

2016-03-23朱正全冯绍元仇锦先扬州大学水利与能源动力工程学院江苏扬州225009

中国农村水利水电 2016年9期

朱正全，冯绍元，王娟，徐英，仇锦先(扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009)

0 前言

据统计，我国农业用水量约占全国总用水量的70%，而其中的90%以上是用于农业灌溉，因此农业是我国的第一用水大户。已有研究成果表明我国农业用水不仅比重相当大，而且用水效率低，具有很大的节水潜力[1]。

(1)农业节水潜力确定方法。目前，学术界对节水潜力尚未形成一个统一、公认的定义和概念。传统意义的节水潜力主要是指某单个部门、行业(或作物)、局部地区在采取一种或多种综合节水措施后，与未采取节水措施相比，所需水量(或取水量)的减少量[2]。我国学者通过对一些实验研究地区进行节水潜力分析计算，逐渐形成了一系列较为成熟的节水潜力计算方法。段爱旺将真实节水潜力分为狭义和广义两种，狭义节水潜力是在一定条件和技术下，灌溉用水的减少量，广义节水潜力是指依靠田间节水措施，减少的基础用水量的数值[3]。裴源生等提出耗水节水的概念，认为真实的节水潜力应同时包含取用水节水和耗水节水，耗水节水量体现了区域真正的节水潜力[4]。傅国斌从作物需水量出发，通过考虑多种因素，构建了一个理论节水潜力的计算公式，将某一基准年的实际灌溉用水量和灌区非充分灌溉条件下灌溉需水量的差值作为理论上的节水潜力[5]。美国加州戴维斯大学土地、大气和水资源系的Davenport和Hagan对灌溉取水与节水量中的可回收水和不可回收水的概念做了相对系统的说明，并分析了加州的灌溉节水潜力[6]。崔远来认为计算节水潜力时应考虑尺度效应，用同一方法计算不同尺度下的节水潜力会有所不同[7]。田玉清等提出灌区的节水潜力是指一定的技术条件下，通过采取一系列的节水技术措施，同样规模灌区预期的灌溉需水量与基准年相比减少的水量，定义最大可能节水量为理论节水潜力，并分别采用整体法和分项法计算黄河干流大型自流灌区的节水潜力[8]。周华[9]、周振民[10]利用灰色理论建立微分预测模型，分别对宁夏河套灌区和河南省人民渠灌区进行水资源供需分析，并计算相应节水潜力。李英能根据《全国灌溉用水定额编制》的研究方法与成果，通过对一些参数的概化，从而提出一种区域发展节水灌溉的节水潜力简易计算方法[11]。汤英采用情景分析法从输水系统及田间系统两方面计算了灌区农业节水潜力[12]。水利部[13]与海委[14]分别考虑不同的节水措施，并推出计算节水潜力的公式来估算综合节水潜力。刘小燕等采用定额比较法分析了通辽市科尔沁地区现状年和规划年的农业节水潜力[15]。

(2)资源型节水潜力研究进展。为了克服传统节水潜力计算中的局限性，沈振荣提出“真实节水”的概念，为农业节水提供了一种新的科学理念和研究方向[16]。王海龙等以渭河流域在陕西省的关中地区为例，界定了资源型节水潜力，估算了该区域主要作物种植面积不发生变化、继续扩大渠道衬砌工程建设、合理开发利用农业水资源的情况下的节水潜力[17]。尹剑等用资源型和效率型两类节水潜力，分别代表田间或灌区尺度和流域大尺度的节水潜力，并计算了25%、50%、75%和90%四种水文频率年下的渭河流域关中段九大灌区的农业节水潜力[18]。

本文采用资源型节水潜力的计算方法，分别计算得到河套灌区一干、解放闸、永济、义长和乌拉特5个灌域的主要作物灌溉需水量，从而估算出内蒙古河套灌区的农业灌溉资源型节水潜力，不仅对灌区节水灌溉规划具有科学的指导意义，而且对发展节水技术灌溉、优化作物种植结构、提高农业水资源利用率、促进区域农业生产的可持续发展等都有着十分重要的意义。

1 研究区概况

内蒙古河套灌区位于黄河上中游内蒙古段北岸的冲积平原，东临包头市，南至黄河，西接乌兰布和沙漠，北抵阴山山脉的狼山、乌拉山洪积扇。行政区划包含了巴彦淖尔市的临河县、磴口县、五原县、乌拉特前旗、杭锦后旗等旗县。

河套灌区从三盛公拦河枢纽控制引水，由180 km 的总干渠供水、220 km 的总排干沟排水，以乌梁素海作为灌区的排水承泄区，通过13条干渠、10条干沟控制整个灌区的灌溉排水，形成一个带状有灌有排的一首制灌区[19]。河套灌区总土地面积111.93万hm2，灌区的设计灌溉面积为73.33万hm2，东西长250 km，南北宽达 50 km，现灌溉面积57.40万hm2，其中农田和林草的面积分别约为2.47和4.93万hm2。按行政区划分为一干管理局、解放闸、永济、义长、乌拉特5个灌域(图1)。

图1 内蒙古河套灌区位置示意图

河套灌区蒸发强烈,降水较少,风沙较大,热量充足。全年平均气温6.3～7.6 ℃, 年平均降雨量130～215 mm, 多年平均蒸发量在2 100～2 300 mm之间,年平均无霜期160～180 d。每年的11月中下旬土壤开始冻结,冻土层厚度约1～1.3 m,直到5月中旬冻层才全部融通,土壤冻结期历时长达180 d。

河套灌区多年平均引黄河水量约49.5亿m3，多年平均地下水位埋深1.72 m。灌区地势平坦,海拔高度1 020～1 054 m,东低西高,坡降为1/6 000至1/8 000,走势为南高北低。

1999年10月内蒙古自治区确定分配给河套灌区的引黄指标将由52亿m3减至40亿m3，这对灌溉水源高度依赖黄河水的河套灌区是一个严峻的挑战，河套灌区农业灌溉和经济发展将会受到一定影响，因此，在河套灌区开展农业节水势在必行。目前，河套灌区所实施的工程节水改造、调整作物种植结构以及合理开发利用地下水资源等措施，对缓解河套灌区水资源紧张的趋势有着重要的作用。

2 河套灌区农业灌溉资源型节水潜力分析及估算

结合已有研究成果，本文针对河套灌区农业灌溉资源型节水潜力进行分析及估算。本文的研究思路是：在满足作物需水量的前提下，通过灌区工程改造(如渠道衬砌)等，进行田间基础建设工程和节水灌溉技术改造以提高灌溉水利用系数，优化作物种植结构以减少灌溉用水量，从而估算河套灌区灌溉引黄水量的减少量。因此，首先分析河套灌区主要作物需水量，扣除耗用的灌溉水以外的水量，得到净灌溉需水量，再根据灌溉水利用系数计算毛灌溉需水量，其值较现状水平年灌溉需水量的减少量即为资源型节水潜力。

2.1 作物需水量ET

作物需水量是农业灌溉与节水的核心指标，它的估算和测定，目前广泛采用世界粮农组织(FAO)的推荐的Penman-Monteith公式来计算[20]，即作物系数与参考作物需水量的乘积：

ET=kcET0

(1)

式中：kc为作物系数；ET0为参考作物腾发量。

2.2 净灌溉需水量In

净灌溉需水量是指需要用灌溉方式来满足作物正常生长的那部分水量。本文假定整个作物生育期起始阶段土壤水分条件不发生变化或只是微量变化，此时，净灌溉需水量的计算如下：

In=ET-αP-G

(2)

式中：α为降水有效利用系数；P为作物生育期内实际降水量；G为作物直接耗用地下水量。

自然降水中实际被根层土壤储存的水分才能算作是有效降水，通常用实际降水量乘以降水有效利用系数所得，在河套灌区降水稀少，根据已有研究成果，大致认为，即所有降水均为有效降水，所得结果与实际相差不大。地下水补给主要来源于灌溉水的入渗。河套灌区地下水与灌溉水的关系较为复杂，为实用起见，本文从资源型节水的角度分析河套灌区节水潜力，假定作物直接耗用的地下水量为零。

2.3 毛灌溉需水量Ig

灌溉水从水源地输送到被作物吸收利用的过程中，存在着蒸发、渗漏等不可避免的损失，因此，实际从水源处引用水量要远高于净灌溉需水量，毛灌溉需水量即为净灌溉需水量与输水过程中的损失量之和，可由净灌溉需水量除以灌溉水利用系数η水求得，即：

Ig=In/η水

(3)

灌溉水利用系数一般在数值上等于田间水利用系数与渠系水利用系数的乘积。

2.4 农业灌溉资源型节水潜力ΔW

其计算公式为：

ΔW=W0-W1

(4)

(5)

式中：W1为规划年灌溉需水量；Ai为规划年第i种作物种植面积；kci为第i种作物的作物系数；W0为现状年灌溉需水量。

2.5 河套灌区农业灌溉资源型节水潜力估算

以2010年为现状水平年，河套灌区现状年灌溉引黄水量为46.79亿m3，以2020年、2030年分别作为近期和远期规划水平年，灌区农业节水工程改造实施方案参考《内蒙古自治区巴彦淖尔市水资源综合规划报告》(武汉大学水利水电学院，2005-05)的成果。

(1)河套灌区规划年田间、渠系和灌溉水利用系数。依据《内蒙古自治区巴彦淖尔市水资源综合规划报告》的研究成果，灌区实施节水改造方案之后，其规划年田间水利用系数、渠系水利用系数以及灌溉水利用系数见表1。

表1 河套灌区规划年田间、渠系和灌溉水利用系数

(2)作物种植结构。近年来,内蒙古河套灌区主要作物的总灌溉面积有所上升，其中耗水较多的小麦近十几年来种植面积总体不断减少，而玉米、葵花的种植面积则一直在增加。设定规划年灌区作物种植结构，具体数据略。

(3)河套灌区主要农作物需水量。河套灌区主要作物需水量如表2所示。

表2 内蒙古河套灌区主要作物需水量 mm

(4)有效降水量。河套灌区多年平均降水量130～215 mm,且降水量自东向西、由南向北递减。灌区不仅年降水量少，而且年内降水量分配极为不均，有着明显的季节差异。降雨集中在夏秋两季，占全年降水量的85%以上。主要作物生育期内的有效降雨量如表3。

(5)河套灌区规划水平年灌溉需水量。根据表1-3，利用公式(5)，在不考虑扩大灌区灌溉面积的条件下，可以估算出规划年河套灌区的灌溉需水量如表3。

表3 河套灌区主要作物生育期内的有效降雨量 mm

表4 河套灌区规划年主要作物灌溉需水量亿m3

(6)规划年农业灌溉资源型节水潜力值。以2010年为河套灌区农业灌溉资源型节水潜力估算的基准年，根据河套灌区各灌域引水量资料，2010年河套灌区实际引黄水量为46.79亿m3，由式(4)可得，内蒙古河套灌区规划年2020年和2030年的作物农业灌溉资源型节水潜力值分别为6.97和9.16亿m3。

通过进一步的分析计算，比较农业灌溉节水不同环节的节水潜力，可知输水渠道衬砌的节水潜力最大，规划年2020年和2030年分别节水3.92和5.83亿m3；其次是优化种植作物结构，可节水2.85亿m3。

3 结语

通过对河套灌区系列统计资料分析和野外实际调研，并结合已有研究成果，本文对河套灌区农业灌溉资源型节水潜力进行了较为系统的分析与估算，主要结论如下。

(1)以2010年为基准年，河套灌区规划年2020年和2030年农业灌溉资源型节水潜力分别为6.97和9.16亿m3，节水潜力较大。

(2)河套灌区输水渠道衬砌的节水潜力最大，其次是优化作物种植结构。因此，河套灌区节水改造的重点在农业灌溉输水系统的改造与配套，以提高渠系水利用系数，进而提高农业水资源利用效率。

(3)由于河套灌区浅层地下水的补给来源主要是农业灌溉水的入渗。因此，在提高灌溉水利用系数的同时，减少了对地下水的补给，导致地下水位降低，并减少农作物对地下水的充分利用。河套灌区的这种农田水文过程的复杂性及其作用过程需要进一步的深入研究。

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