基于采补平衡的河套灌区井渠结合模式及节水潜力

2016-03-26王璐瑶彭培艺郝培静杨金忠

中国农村水利水电 2016年8期

王璐瑶，彭培艺，郝培静，于健，杨金忠，朱焱

(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.内蒙古水利科学研究院，呼和浩特，010020)

0 绪论

内蒙古河套灌区位于干旱-半干旱地区，年蒸发量远大于降雨量，灌区灌溉用水主要来自于黄河引水。随着引黄水量的减小，灌区面临节水和控盐的双重压力，井渠结合成为综合开发当地水资源、保障农业可持续发展的有效措施。因此，确定合理的井渠结合渠灌与井灌面积的比例以保证采补平衡，并评估其节水潜力和效益，是发展井渠结合灌溉的重点和难点。

井渠结合灌溉是利用井渠结合区地下水补给量中的可开采部分作为井渠结合井灌区的灌溉用水，达到节水的目的[1]。但不合理的开采则会造成区域地下水位的持续下降，及由于水动力条件的改变引起的水质恶化，因此，发展可持续的井渠结合灌溉要保证井渠结合区的地下水采补平衡。国内外学者从节水、控盐、工程和生态等角度，对井渠结合的类型、实施条件、渠井用水比例等进行了大量研究。卢国荣[2]从井渠结合的类型、井渠工程的布局等对井渠结合灌区水资源优化配置进行了探讨。沈荣开[3]研究了实施井渠结合的条件，提出实施井渠结合要同时满足地下水质和水量要求，并考虑当地水文地质条件的影响。杜伟[4]则基于高效安全用水的角度分析了井渠结合灌区调控模式。针对灌区渠井用水比例问题，周维博[5]通过多元非线性相关分析法建立了灌区地下水动态预报的数学模型，并计算陕西泾惠渠井结合灌区的渠井用水比例。李建承[6]等基于地下水均衡模型，分析了陕西泾惠渠灌区的地下水均衡状况，得到不同频率典型年的渠井用水比例范围。目前的研究多是针对灌区渠井用水比例，对于井渠结合区内渠灌面积和井灌面积比例(渠井结合比)的研究很少。针对河套灌区渠井结合比问题，李郝[7]根据地下水的补排平衡关系建立了井渠结合区水均衡模型，计算了内蒙古河套灌区井渠结合区内渠灌和井灌的合理面积比范围，该研究对灌区水资源的可持续利用具有重要的指导意义。但是，该研究有几处考虑不够全面：仅考虑将地下水矿化度小于2.5 g/L的区域作为井渠结合区，而实际上根据作物灌溉水质要求，小于3.0 g/L的微咸水配以适当的淋洗也可以用作灌溉用水[8,9]；仅计算了作物生育期一种均衡期情况，没有将秋浇期考虑在内；分析渠道输水对地下水的补给时，没有考虑到从总干渠到农渠各级渠道输水补给地下水的有效性。

进一步改进和发展了河套灌区井渠结合区地下水补排平衡的水均衡模型，考虑各级渠道输水对地下水补给的有效性，忽略不同级数的渠道输水对地下水的补给，避免由于某级渠道由于距离灌区(域)过远或者由于消耗于途中的蒸发、流失而不能有效补给地下水带来的误差；根据不同标准选取井渠结合区分布，分别将地下水矿化度小于2.0、2.5、3.0 g/L的区域作为井渠结合区；根据河套灌区秋浇灌水压盐的实际情况选取两种均衡期，分别为生育期和生育期加秋浇期。将不同井渠结合区分布与均衡期进行组合，计算了不同模式下的渠井结合比，得到了井渠结合区渠井结合比的合理范围。同时，根据得到的渠井结合比和灌区实施井渠结合的面积，本文计算了实施井渠结合后灌区的节水潜力。

1 渠井结合比的计算方法分析

1.1 井渠结合区的确定与分区

河套灌区分为乌布兰和、解放闸、永济、义长、乌拉特五个灌域，控制面积约为107.3万hm2，其中灌溉面积57.4万hm2，约占控制面积的54%，主要包括农田、林地和牧草地等。灌溉区和非灌溉区在灌区内插花分布，建立模型时对灌区进行概化分区，将灌溉面积和非灌溉面积视为均匀分布。

在河套灌区实施井渠结合，首先要确定井渠结合区分布。井渠结合区内的地下水应满足灌溉用水的水质要求。灌区内水文地质条件复杂，含水层岩性和厚度差别很大，地下水矿化度的水平向和垂向分布特征较为复杂。因此，需要根据地质、水文地质和土壤条件综合考虑。结合灌区内5个灌域的水质分布情况，分别考虑将地下水矿化度小于2.0、2.5、3.0 g/L的适宜抽水灌溉的区域作为井渠结合区，相应将灌区内地下水矿化度大于2.0、2.5、3.0 g/L的引黄灌溉区域作为渠灌区，其分布见图1。井渠结合区内又分为引黄河水进行渠灌的井渠结合渠灌区和抽取地下水进行井灌的井渠结合井灌区，井渠结合渠灌区面积与井渠结合井灌区面积之比称为渠井结合比。

1.2 均衡期方案的确定

河套灌区全年可以分为作物生长期、秋浇期和冻融期，因此均衡时段的选取也有多种选择。其中，冻融期整个灌区停灌不予考虑。考虑两种均衡期，分别为生育期作为均衡期，生育期和秋浇期作为均衡期，其中，第二种均衡期根据井灌区秋浇用水来源分为两种情况。因此，均衡期方案共有3种情况，分别是均衡期为生育期，井灌区秋浇引黄河水灌溉，称为方案一；均衡期为生育期和秋浇期，井灌区秋浇抽取地下水灌溉，称为方案二；均衡期为生育期和秋浇期，井灌区秋浇引黄河水灌溉，称为方案三。方案一地下水的补排平衡只在生育期内进行考虑，而井渠结合区引用黄河水进行秋浇又会产生额外的一部分地下水补给。因此，方案一是一种较为保守的方案。

1.3 地下水的补给与消耗分析

井渠结合区内地下水的可开采量通过地下水的补给和消耗确定。灌区内地下水的垂向补给分为渠系输水补给、田间灌溉补给和降雨补给三部分。黄河侧渗补给量、山前侧渗补给量相较于地下水的总补给量很少，予以忽略不计[10]。灌区内各级渠道纵横交错，遍布整个灌区，因此本文将渠系输水补给视为面源补给，平均分配到整个灌区上。总干渠对地下水的补给区域主要分布于总干渠的附近，且在灌区的最南侧，易消耗于蒸发蒸腾，不易补给到各个灌域，因此不考虑总干渠对灌区地下水的补给。渠系输水补给发生在控制面积上，引黄灌溉区域的渠系输水补给由干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠提供，井灌区域的渠系输水补给由干渠、分干渠、支渠提供。总干渠以下各级渠道在输水过程中，也存在由于离灌域距离远、消耗于沿途蒸发等原因而不能有效补给地下水的问题。因此，分析渠道输水补给时，分四种情况考虑，分别是忽略总干渠输水补给；忽略总干渠、干渠输水补给；忽略总干渠、干渠、分干渠输水补给；忽略支渠以上渠道输水补给。田间灌溉除了满足作物对水的需求外，也有部分水量补给到地下水中，用田间灌溉地下水补给系数来反映。渠灌区、井渠结合渠灌区、井渠结合井灌区的灌溉面积上均存在田间灌溉补给。降雨过程中存在蒸发、截留、渗漏等损失，损失水量中会有部分补给到地下水，用降雨补给系数来反映。渠灌区、井渠结合渠灌区、井渠结合井灌区的控制面积上均存在降雨补给。

图1 灌区地下水矿化度分区图

地下水消耗分为三部分，分别为地下水排水、潜水蒸发和地下水开采。灌区地下水排水量较少，本文忽略不计。潜水蒸发量用地下水可开采系数与地下水总补给量间接计算。地下水的可开采量等于井渠结合区地下水的总补给量乘以地下水可开采系数，作为井渠结合井灌区的灌溉用水。

1.4 渠井结合比的计算方法

本文根据井渠结合区地下水补排平衡，建立地下水均衡模型。井渠结合区各地下水水均衡项如图2所示。

图2 灌区地下水均衡概化模型

井渠结合区内地下水补给量来源于控制面积上的渠系输水补给、降雨补给和灌溉面积上的田间灌溉补给，等于井渠结合井灌区的灌溉用水量。据此建立地下水平衡方程：

(Cs12+Is11+Ps12+Cs22+Is21+Ps22)ρ2=I21

(1)

Cs12=C12α1

(2)

Is11=I11β1

(3)

Ps12=P12γ1

(4)

Cs22=C22α2

(5)

Is21=I21β2

(6)

Ps22=P22γ2

(7)

式中：下标数字代表区域，1表示井渠结合渠灌区，下标11表示井渠结合渠灌区灌溉面积区域，下标12表示井渠结合渠灌区控制面积区域；下标2表示井渠结合井灌区，下标21表示井渠结合井灌区灌溉面积区域，下标22表示井渠结合井灌区控制面积区域；C12和Cs12分别为井渠结合渠灌区控制面积上渠系输水损失的水量和其补给地下水的水量；I11和Is11表示井渠结合渠灌区灌溉面积上田间灌溉水量和其补给地下水的水量；P12和Ps12表示井渠结合渠灌区控制面积上降雨量和降雨补给地下水量；C22和Cs22分别表示井渠结合井灌区控制面积上渠系输水损失的水量和其补给地下水的水量；I21和Is21表示井渠结合井灌区灌溉面积上田间灌溉水量和其补给地下水的水量；P22和Ps22表示井渠结合井灌区控制面积上的降雨量和降雨补给地下水水量；ρ2为井渠结合井灌区地下水可开采系数；α1、β1、γ1分别为井渠结合渠灌区渠系输水补给地下水系数、田间灌溉水补给地下水系数、降雨补给地下水系数；α2、β2、γ2分别为井渠结合井灌区渠系输水补给地下水系数、田间灌溉补给地下水系数、降雨补给地下水系数。

将式(2)～(7)代入式(1)，可得到自变量为井渠结合渠灌区灌溉面积的一元三次方程。用单变量求解法[11]求解，得到井渠结合渠灌区灌溉面积与井渠结合井灌区灌溉面积，最终求得井渠结合区井渠面积比。

1.5 主要参数取值

灌区(域)的灌溉面积数据来源于《内蒙古自治区巴彦淖尔市水资源综合规划报告》[12]，灌区(域)的控制面积、不同地下水矿化度下井渠结合区控制面积数据运用ArcGIS分析获得，土地利用系数为灌溉面积占控制面积的比例，各项数值见表1。

灌区降雨量数据来源于河套灌区各旗、县、区2006-2013年降雨资料，以5-10月的降雨量多年平均值作为作物生育期内的降雨量，11月降雨量多年平均值作为秋浇期的降雨量，见图3。

表1 河套灌区不同类型面积取值万hm2

图3 河套灌区各灌域生育期和秋浇期降雨量

渠灌区、井渠结合渠灌区生育期和秋浇期的净灌溉定额根据灌区2000-2013年巴彦淖尔市的水利统计资料中的引水量、输水损失量和灌溉面积推求，井渠结合井灌区生育期和秋浇期的净灌溉定额来源于《内蒙古自治区巴彦淖尔市水资源综合规划报告》[12]，见表2。

表2 净灌溉定额 m3/hm2

井渠结合井灌区进行井灌时采用膜下滴灌的方式，灌溉水利用系数较高，可达0.9[12]。灌区(域)的地下水可开采系数参考《内蒙古河套灌区地下水合理开采系数分析》[13]和《内蒙古河套灌区地下水合理利用的方案分析》[14]，取值为0.60。

渠系输水补给系数、田间灌溉补给系数和降雨补给系数根据本地区的实验资料或经验数据来取值。3个方案(见1.2节)井渠结合渠灌区的渠系输水补给系数(0.5)、降雨补给系数取值(0.1)相同；田间灌溉补给地下水系数取值不同，方案一的田间灌溉补给地下水系数取0.15，方案二、三在此基础上对生育期和秋浇期的灌溉定额进行加权平均(秋浇期灌溉补给地下水系数为0.3)，得到3种方案下的井渠结合渠灌区和井灌区的田间灌溉补给系数(见表3)。井渠结合井灌区比井渠结合渠灌区地下水埋深大0.5～0.8 m，土壤亏缺量更大，因而其渠系输水、田间灌溉和降雨的补给量和补给系数均较小,降雨入渗补给地下水机理探讨)。因此，计算时取井渠结合井灌区比井渠结合渠灌区渠系输水补给地下水系数小0.05，田间灌溉补给地下水系数小0.02，降雨补给地下水系数小0.02。

表3 灌区(域)田间灌溉补给地下水系数取值

2 渠井结合比计算结果与分析

2.1 渠井结合比

将参数代入到地下水平衡方程中，求解后得到井渠结合渠灌区和井渠结合井灌区的灌溉面积和渠井结合比。如1.1节所述，本文对井渠结合区的选取按照不同标准共考虑了3种情况，每种情况又由于均衡期选取和井灌区秋浇形式的不同分为3种方案，每种方案下依据考虑的渠道输水补给地下水级数的不同又分为4种情况。因此，共有36种组合情况，得到36种结果。分别取地下水矿化度小于2.0、2.5、3.0 g/L的区域作为井渠结合区时，得到渠井结合比结果如表4-6。比较分析后可以得出结论，井渠结合区地下水矿化度上限取值分别为2.0、2.5、3.0 g/L时，不同方案灌区(域)渠井结合比计算结果近似相等。

表4 井渠结合区地下水矿化度小于2.0 g/L时渠井结合比

表5 井渠结合区地下水矿化度小于2.5 g/L时渠井结合比

表6 井渠结合区地下水矿化度小于3.0 g/L时渠井结合比

2.2 敏感性分析

本文建立的井渠结合区地下水平衡模型涉及大量的参数，包括：土地利用系数、渠道输水补给地下水系数、田间灌溉补给地下水系数和降雨补给地下水系数等，参数的取值将对结果产生一定影响。因此，需要对参数进行敏感性分析。不同地下水矿化度条件、不同方案、考虑不同级数的渠道输水补给地下水时，参数敏感性大小会有差别，但是不同参数的相对数值和趋势是一致的。本文以灌溉水质标准为2.5g/L时方案三中忽略总干渠、干渠补给情况为基础进行参数敏感性分析。

敏感性分析中，常用敏感度系数[15]来评价计算结果对不确定因素的敏感程度，其计算公式如下：

(8)

式中：SAF为评价指标A对于不确定因素的敏感度系数；ΔF/F为不确定因素F的变化率；ΔA/A为不确定因素F变化ΔF时，评价指标A的变化率。

SAF>0，表示评价指标A与不确定因素F成正相关；SAF<0，表示评价指标A与不确定因素F成负相关。|SAF|越大，表示评价指标A对于不确定因素F越敏感。

井渠结合渠灌区的土地利用系数(灌溉面积占控制面积的比例)Δ、渠道输水补给地下水系数α1、田间灌溉补给地下水系数β1、降雨补给地下水系数γ1，井灌区的地下水可开采系数ρ2对面积比有显著影响，计算得到的各参数敏感度系数如图4所示。

图4 各参数敏感度系数

由式(8)和图4可知，渠井结合比与土地利用系数成正相关，与渠道输水补给地下水系数、田间灌溉补给地下水系数、降雨补给地下水系数、地下水可开采系数成负相关。分析其原因，土地利用系数一定时，井渠结合区的灌溉面积是一定的，渠道输水补给地下水系数、田间灌溉补给地下水系数、降雨补给地下水系数、地下水可开采系数越大，地下水可开采量越大，可以灌溉的井渠结合井灌区的灌溉面积越大，相应的井渠结合渠灌区的灌溉面积越小，渠井结合比越小；土地利用系数越大，井渠结合区灌溉面积越大，地下水补给量越大，井渠结合井灌区的灌溉面积越大，井渠结合井灌区灌溉面积的增长速度不及井渠结合渠灌区，因而渠井结合比越大。敏感性由高到低依次为地下水可开采系数、土地利用系数、渠道输水补给地下水系数、田间灌溉补给地下水系数、降雨补给地下水系数。

选择参数上下波动20%，计算相应的渠井结合比的变化率，计算结果如图5(a)和(b)所示。结果表明，除井渠结合井灌区地下水可开采系数外，其他参数变化20%，渠井结合比变化率均在20%以内。但当地下水可开采系数变化20%时，渠井结合比变化均超过20%，说明渠井结合比对井渠结合井灌区的地下水可开采系数较为敏感，因此对该参数取值要慎重。

图5 参数变化-20%和+20%时渠井结合比变化率

3 节水潜力计算结果与分析

本文以井渠结合实施后，减少从黄河引进的水量作为灌区的节水潜力。井渠结合膜下滴灌实施前，整个灌区全部引黄河水进行渠灌，引水量为作物生长期和秋浇期的引水量之和。井渠结合膜下滴灌实施后，根据3种方案分别计算其引水量。方案一和方案三的引水量为渠灌区、井渠结合渠灌区生育期和秋浇期，井渠结合井灌区秋浇期的引水量之和；方案二的引水量为渠灌区、井渠结合渠灌区生育期和秋浇期的引水量之和。

井渠结合前引水量：

(9)

实施方案一后引水量：

(10)

实施方案二后引水量：

(11)

实施方案三后引水量：

(12)

节水潜力为实施井渠结合后减少的引黄水量，其计算公式为：

Qs=Qb-Qai(i=1,2,3)

(13)

式中：m0、m0q、m2q分别为渠灌区生育期净灌溉定额、渠灌区秋浇期净灌溉定额、井渠结合井灌区秋浇期净灌溉定额,m3/hm2；A01、A11、A21分别为渠灌区灌溉面积、井渠结合渠灌区灌溉面积、井渠结合井灌区灌溉面积，万hm2；η为渠灌区的灌溉水利用系数；Qb、Qa1、Qa2、Qa3、Qs分别为实施井渠结合前的引黄水量、实施井渠结合后方案一的引黄水量、实施井渠结合后方案二的引黄水量、实施井渠结合后方案三的引黄水量、节水潜力，万m3。

由式(9)～(13)，得到全灌区不同矿化度情况的3种方案下考虑不同级数的渠道输水补给地下水时的节水潜力，见表7。

表7 总灌区节水潜力亿m3

由表7可知，方案一的结果最为保守；方案二井灌区全年井灌，求得的节水潜力最大；方案三井灌区只有生育期井灌，节水潜力介于两者之间。比较分析后发现,方案三一方面在均衡期中考虑了秋浇期较之方案一更符合实际情况不至于计算结果过于保守，另一方面引黄河水对井灌区进行秋浇，较之方案二可以更好得控制土壤盐碱化。对于渠系输水补给地下水的考虑，忽略总干渠、干渠的情况和忽略总干渠、干渠、分干渠渠道输水补给的情况相较之下既不过于保守也不至于使计算的节水潜力结果过小。综合考虑，方案三忽略总干渠、干渠渠道输水补给和忽略总干渠、干渠、分干渠渠道输水补给的情况更具代表性。灌溉水矿化度要求小于2.0、2.5、3.0 g/L时，渠井结合比为2.3～3.4，全灌区节水潜力范围分别为2.6～3.5、3.4～4.6、4.7～6.3亿m3。可见灌溉水矿化度上限越高，渠井结合区面积越大，节水潜力越大。

4 结语

通过研究区的地下水补给与排泄的分析，以井渠结合区的地下水补给量与井灌区的地下水开采量平衡为限制条件，建立井渠结合区地下水均衡模型。采用灌区的长期观测数据，求解水均衡方程，得到灌区实施井渠结合的渠井结合比例和节水潜力。主要结论如下。

(1)灌溉用地下水矿化度要求上限分别取2.0、2.5、3.0 g/L时，渠井结合比结果近似相等。渠井结合比在2.3～3.4为宜，过大将导致地下水过度开采带来生态环境问题，过小无法充分利用地下水。

(2) 渠井结合比与土地利用系数成正相关，与渠道输水补给地下水系数、田间灌溉补给地下水系数、降雨补给地下水系数、地下水可开采系数成负相关，对参数的敏感性由高到低依次为地下水可开采系数、土地利用系数、渠道输水补给地下水系数、田间灌溉补给地下水系数、降雨补给地下水系数。其中，渠井结合比对地下水可开采系数尤其敏感，因此该参数的取值要慎重。

(3)通过井渠结合可以有效减少引黄水量，灌溉用地下水矿化度要求上限分别取2.0、2.5、3.0 g/L时，节水潜力分别为2.6～3.5、3.4～4.6、4.7～6.3亿m3。

□

致谢：在资料收集过程中得到内蒙古农业大学屈忠义教授的协助。

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