泾惠渠灌区渠首地表水资源可利用量长期变化及其潜力研究

2019-01-09李璐路毛全年贾志峰

干旱地区农业研究 2018年6期

刘招,李强,李璐路,毛全年,贾志峰

(1.长安大学水与发展研究院，陕西西安 710054；2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，陕西西安 710054；3.泾惠渠灌区管理局，陕西三原 713800)

大中型灌区历来是农业生产的主力军，对于保持国民经济发展和社会稳定都具有十分重要的作用[1]。但受全球气候变化和人类活动的影响，降水在时空分布上变的更加不均匀，导致洪涝及干旱等极端灾害频发，使得原本水文生态就脆弱的干旱半干旱地区的水资源问题更加突出，并引发了灌区一系列农业生产及发展的新问题。泾惠渠史称郑国渠，作为我国历史上四大水利工程之一，是关中乃至全国知名的大型现代化灌区[3],辖西安、咸阳、渭南三市的泾阳、三原、高陵、临潼、阎良、富平六个县(区)的48个乡镇，计597个行政村，总人口118万人。目前，灌区拥有灌溉面积约9.7万hm2，其中自流灌溉面积7.4万hm2，抽水灌溉面积2.3万hm2，是陕西省重要的农产品生产区之一。

1 泾惠渠灌区及灌溉水源困境

泾惠渠灌区实行引蓄提相结合、地表水与地下水综合利用的灌溉制度。灌区工程设施主要有渠首枢纽工程、西郊水库、渠道工程三大部分，其中渠首设在泾河干流张家山断面。泾河作为灌区主要地表水资源，发源于宁夏回族自治区泾源县六盘山东麓，流经宁夏、甘肃、陕西三省(区)，流域面积45 421 km2，多年平均径流量 14.5亿m3，其中，汛期三个月径流占总径流的63%。由于泾河流域位于黄土高原中部，区内地形破碎，沟壑纵横，水土流失严重，汛期来水含沙量大。据张家山站测定，泾河平均含沙量约141 kg·km-2，每年有3.1亿t泥沙输入黄河，是黄河上输沙量最大的二级支流[4]。

20世纪60年代初，因灌溉面积扩大，且受水均衡和供水不及时等因素影响，在群众自发和地方政府的引导下有计划的发展井灌，到20世纪80年代，机井已发展较多，渠井双灌的结合，有效地发挥了引、蓄、提的调节作用。然而，随着灌区社会经济发展对水资源需求的不断增加，近年来水资源的不合理利用使水量短缺日益加剧，主要表现在两个方面：一方面，作为灌溉水源的泾河来水量呈递减趋势，多年平均径流量从20世纪60年代的17.97亿m3下降到目前的10～12亿m3；另一方面，地下水采补失调，过度开采问题突出，灌区平均地下水埋深由1982年的4.74 m下降为目前的20 m以下，局部降至50 m以下，并由此引发了地沉、地陷和地裂缝等一系列的生态环境问题[5]。地下水采补失调等严重影响到灌区水资源的高效和安全利用，为了提高灌区水资源利用效率，维护灌区可持续发展，地方政府及灌区管理部门加大引导和管理力度，制定了优先使用地表水等一系列水资源管理制度，同时强调对灌区主要水源——泾河渠首来水的规律、水资源可利用量及用水潜力做深入研究[3]。

通过对不同年代泾河张家山站径流量和降水量分析(见表1)，从20世纪70年代以来，泾河张家山来水呈减小趋势，实测径流距平最小达到-29.6%，趋势检验结果也表明其递减趋势通过了99%的置信度检验，由还原计算得到的天然径流量在规律上与实测值基本一致；降水虽呈现出一定的减小趋势，但近30年基本保持稳定。为了更清晰展示泾河径流系列，采用河川径流五级丰枯划分标准，分别以μ+1.17σ，μ+0.33σ，μ-0.33σ，μ-1.17σ作为阈值(μ为系列均值，σ为系列标准差)，将泾河径流丰枯划分为丰水、偏丰、平水、偏枯和枯水五级[6-7]。绘制泾河张家山站83年(1932年至2014年)实测长系列径流系列丰枯变化图(图1)。由图1可见，多年平均径流量为14.52亿m3，近20年来绝大多数点距落在偏枯区间，径流量趋势线呈较明显下降趋势；对泾河张家山站近20年(1995年至2014年)实测径流系列丰枯变化作同样分析，如图2所示，近20年多年平均径流量为10.79亿m3，径流量趋势线亦呈略微下降趋势。

作为泾惠渠灌区的主要水源，泾河来水量的锐减给农业生产带来了潜在的风险，渠首可利用水量备受关注。径流还原计算和分析结果(表1)表明，自20世纪70年代以来，泾河中上游河道水资源补排基本稳定，天然径流与实测径流量之差基本稳定。在此情况下，本文分析计算均依据河道实测径流量进行。

表1 泾河张家山站不同时期降水量、实测及天然径流对比

图1 泾河张家山站实测径流系列丰枯变化及趋势(1932-2014)Fig.1 The observed runoff and its trend at Zhangjiashan of Jinghe River from 1932 to 2014

图2 泾河张家山实测径流系列丰枯变化及趋势(1995-2014)Fig.2 The observed runoff and its trend at Zhangjiashan of Jinghe River from 1995 to 2014

2 渠首地表水资源可利用量

在汛期，根据调水调沙要求，泾河往往需要宣泄洪水以及不可利用的高泥沙水流；此外，泾河流经地多为干旱半干旱地区，水资源紧缺。在非汛期需要优先保证河道内生态用水量的要求，故可用下式来估算渠首处的河道水资源可利用量[8]。

Wk=Wt-We-k·Wf

(1)

式中，Wk为河道水资源可利用量；Wt为河道实测径流量；We为非汛期河道最小生态需水量；k为汛期径流不可利用系数；Wf为汛期实测径流量。汛期径流不可利用系数与汛期实测径流量的乘积即为汛期不可利用水量，主要包括不可利用洪水及高泥沙含量水流。当非汛期河道最小生态需水量和汛期弃水量确定后即可算出河道水资源可利用量。下面对各类水量分别加以计算：

(1)非汛期河道生态流量。生态流量狭义上讲是维持河流生态与环境需要的最小流量，而广义生态流量除了满足自然生态系统基本需要的流量外，还包括下游取水、用水、航运、稀释废污水、景观与旅游等方面需求[9-10]。确定非汛期河道最小生态需水量的方法较多，常用的基于水文学的方法有Tenant方法，最小月径流法，RVA方法和Texas方法等[11-12]。为了便于对比，本文选用前两种方法计算张家山渠首断面河道最小生态需水。对Tenant方法，在枯水季(10月～翌年5月)最小生态流量可分别按多年平均流量的10%和15%两个标准计算；对最小月径流法，可分别采用长系列、短系列和典型年三种方案，计算结果如表2所示。由表2可见，不同方法的计算结果差别较大，最大者为We2，为0.734亿m3；最小者为We4，仅为0.016亿m3。

(2)汛期不可利用水量。汛期不可利用水量主要包括不可利用洪水及高泥沙水流，单次洪水或高泥沙水流均可依据渠首张家山水库蓄泄资料计算得出。李勋贵等[13]的研究表明，汛期来水不可利用系数与径流泥沙含量及泄洪水量有关，而泄洪量与泥沙含量呈一定的相关关系。事实上，高泥沙水流一般均是因上游暴雨洪水所致，因此该二因素可以合一考虑。

为了得到汛期来水不可利用系数，本文利用泾惠渠灌区渠首1960年至2001年入库水量及输沙率数据，以及1995年至2014年干渠引水输沙率等数据资料，经统计回归，得到汛期来水不可利用系数y和径流含沙量x(kg·m-3)近似符合式(2)的对数函数关系(R2=0.6012)。

y=0.0751+0.2206lnx

(2)

依据上式，可由不同泥沙含量推求汛期来水不可利用系数，再将其与对应时段内的径流量相乘即可求得该时段的不可利用水量。时段划分一般可按5日、一旬或一月，时段尺度越小则误差就相对越低，但计算量就会增大。本文以月为单位，把当年汛期各月的不可利用水量相加，即得当年汛期弃水量。

考虑到灌溉及渠道冲淤等限制，泾惠渠灌区实际灌溉引水控制含沙量不超7%，在干旱等特殊情况下可按10%的含沙量进行引水灌溉。依据长系列引水数据计算所得，当河道水资源利用沙限为10%时，泾河多年平均汛期不可利用水量占径流量的35.55%，折合水量约3.84亿m3；当沙限为7%时，河道汛期不可利用水量占径流量的41%，折合水量约4.43亿m3。

(3)地表水资源可利用量。当多年平均非汛期最小生态需水量和多年平均汛期弃水量确定后，由式(1)可计算得出泾河多年平均河道水资源可利用量。表3和表4为沙限分别取10%和7%时的泾河多年平均(1995-2014年)河道水资源可利用量。

表2 泾河张家山站多年平均非汛期河道最小生态需水量计算结果

Table 2 The minimum ecological water demand of dry season at Zhangjiashan of Jinghe River

计算方法 Method选用标准 Criteria*表示符号 Symbol非汛期河道最小生态需水量/108m3The minimum ecological water demand in dry seasonTenant 10%15%We1We20.4890.734最小月径流法*The minimum monthly runoff长系列 Long seriesWe30.062短系列 Short seriesWe40.016典型年 Typical yearWe50.089

*注：每种方法具体计算时可选择不同的标准，采用Tenant方法，枯水季最小生态流量可分别按多年平均流量的10%和15%两个标准计算；采用最小月径流法，可分别用长系列、短系列和典型年三个标准。

Note：The different criteria was adopted here for comparison in terms of each method, for example, the minimum ecological flow can be calculated with 10% and 15% of the runoff in dry season. The minimum monthly runoff can be used in three standard: Long series, short series and typical year.

表3 沙限为10%时泾河多年平均地表水资源可利用量计算结果

Table 3 The average annualusable surface water when the sand content is limited to 10%

径流量/108m3Total runoff汛期不可用水量/108m3Unusable runoff非汛期最小生态需水量/108m3The minimum ecological waterdemand in dry season河道水资源可利用量/108m3Usable runoff河道水资源可利用率/%Usage ratio10.793.84We10.489Wk16.46159.88We20.734Wk26.21657.61We30.062Wk36.88863.84We40.016Wk46.93464.26We50.089Wk56.86163.59

由表3可见，河道水资源可利用量的多年平均值最大为6.938亿m3，最小为6.216亿m3，对应的河道水资源可利用率分别为64.26%和57.61%。由于非汛期最小生态需水量的计算方法之间的差别，计算出来的河道水资源可利用量差异较大。当河道水资源利用沙限为7%时，据表4计算结果，河道水资源可利用量的多年平均值最大为6.344亿m3，最小为5.626亿m3，对应的河道水资源可利用率分别为58.80%和52.14%。由于非汛期河道内最小生态需水量的计算方法不同，河道水资源可利用量计算结果有一定差异。鉴于近些年来泾河张家山站下游枯水期基流不足，参照《全国水资源综合规划》对我国北方河流河道内生态环境蓄水量占其地表径流量的比例建议[14]，认为用多年平均非汛期径流量百分数法计算的成果We2较为合理，则与其对应的河道水资源可利用量为Wk2。

3 灌区可引水量及引水量潜力

灌区渠首的地表水资源可利用量与灌区工程可引水量是两个不同的概念。由于水利工程都有一定的设计标准，尤其在变化条件下，依据原始水文系列设计的工程也相应受其影响，实际引水能力发生变化，当水量超出渠道设计标准则无法被工程加以利用。

3.1 灌区可引水量

泾惠渠灌区渠首的设计引水能力为50 m3·s-1[3]，所以并不是所有的河道水资源可利用量都可引用，只有小于引水能力的河道水量才是渠首工程的可引水量。因此，从河道水资源可利用量中扣除超出渠首引水能力的那部分水量即为灌区的工程可引水量。可引水量与可利用来水量的时间分布密切相关，年内分布差异可能引起可引水量的较大差异，故本文依据长系列历史数据进行统计求得。可引水量计算宜采取日数据，计算时先求得日河道水资源可利用量，当可利用量大于渠首的引水能力50 m3·s-1时，以50 m3·s-1作为渠首日可引水量，小于时则全部作为渠首工程可引水量。具体计算方法如下：

其中

(3)

式中,Wa为年可引水量；wai为日可引水量；wi为逐日可利用水量，可参照(1)式进行计算。经计算，当沙限为10%时，渠首工程可引水量的多年平均值为5.64亿m3；沙限为7%时，渠首工程可引水量的多年平均值为5.12亿m3。

3.2 引水量潜力

从20世纪50年代起，泾惠渠灌区总引水量持续升高，在70年代初达较高水平，后略有下降并趋于稳定，目前，泾惠渠灌区多年平均渠首总引水量值为3.64亿m3。从上述可引水量的计算可知，灌区引水系统仍有一定潜力，引水潜力即为可引水量与目前总引水量之差。泾惠渠渠首工程多年平均实际引水量、可引水量、可引水量潜力、可利用量、天然来水之间的关系如表5所示。

表4 沙限为7%时泾河多年平均地表水资源可利用量计算结果

Table 4 The average annualusable surface water when the sand content is limited to 7%

径流量/108m3Total runoff汛期不可用水量/108m3Unusable runoff非汛期最小生态需水量/108m3The minimum ecological waterdemand in dry season河道水资源可利用量/108m3Usable runoff河道水资源可利用率/%Usage ratio10.794.43We10.489Wk15.87154.41We20.734Wk25.62652.14We30.062Wk36.29858.37We40.016Wk46.34458.80We50.089Wk56.27158.12

表5 渠首多年平均可利用水量、工程可引水量、可引水量潜力计算结果

由表5中计算成果可见，泾河天然来水量的多年平均(1995-2014年)为10.79亿m3，当沙限按10%取时，河道多年平均水资源可利用量为6.21亿m3(沙限取7%时，5.63亿m3)；渠首工程多年平均可引水量为5.64亿m3(沙限取7%时，5.12亿m3)；渠首工程实际引水量的多年平均值为3.46亿m3，渠首工程可引水量潜力的多年平均值为2.18亿m3(沙限取7%时，1.66亿m3)。沙限为7%时，渠首工程可引水量占实际来水量的52.18%；可引水量潜力占可利用量的29.5%，占渠首工程可引水量的32.4%。沙限为10%时，渠首工程可引水量占实际来水量的57.55%；可引水量潜力占可利用量的35.1%，占渠首工程可引水量的38.65%。较高的可引水量与可利用量之比表明工程引水能力较高，在径流变化条件下，灌区渠首实际引水量已经占到可引水量的60%以上，表明工程引水能力也已得到了较大限度的发挥，但仍有30%左右的潜力可挖。