基于地下水安全的井渠结合灌区节水潜力分析——以永定河流域张家口段为例

李晓倩， 彭致功， 张宝忠， 徐海洋， 魏 征

(1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室， 北京100038； 2.国家节水灌溉北京工程技术研究中心， 北京 100048； 3.永定河流域投资有限公司， 北京 100193)

1 研究背景

永定河是海河北系最大的河流，为京津冀地区的重要水源涵养区、生态屏障和生态廊道[1]。近年来，该流域存在水资源短缺、河道断流以及生态系统退化等诸多问题[2,3]，已经严重制约了京津冀地区的经济社会发展[4]，推进永定河等“六河五湖”生态治理与修复成为《京津冀协同发展规划纲要》的关键任务之一。根据《永定河综合治理与生态修复总体方案》，永定河流域上游段 (三家店以上) 年均总用水量达20.15×108m3，其中农业用水占比高达69%。因此，要解决永定河流域的水资源问题，势必要大力挖掘农业节水潜力。

张家口市位于永定河流域上游，根据2019年水利部印发的《永定河流域农业节水工程实施推进方案》，永定河流域张家口段农业节水任务量占永定河上游段的91%，且张家口市作为第24届冬奥会主办城市之一，恢复“流动的永定河”对维护中国美好形象也至关重要，因此张家口段成为永定河生态治理和京津冀协同发展的关键[5]。目前对于永定河流域张家口段的水资源相关研究大多集中在水生态与水环境[6-7]、水资源承载力评价[8-10]、资源量分析[11]等方面，如刘一江等[12]通过将多层次综合模糊评价法与熵权法相结合对张家口市水资源承载力进行了分析，结果表明张家口市水资源承载力较低；王立明等[13]指出永定河山区生态水量亏缺，并提出了对应的生态水量保障措施，如要继续深挖农业节水潜力等。然而，有关张家口市的农业节水潜力研究鲜有报道。

目前有关农业节水潜力研究的方法较多。雷波等[14]提出了基于灌区尺度的农业节水潜力估算方法，并在徒骇马颊河流域进行了运用与分析；尹剑等[15]将农业节水潜力分为资源型和效率型，对不同水文频率下关中灌区的农业节水潜力进行了研究；丁志宏等[16]将农业节水潜力分为工程型、效率型和结构型，并以海河流域为例进行了评估；贺天明等[17]以完全成本水价为基础，分析了该灌区农民灌溉水价承受力及实施完全成本水价和承受力水价后的节水效益；彭致功等[18]利用遥感技术，在提出作物ET(evapotranspiration)估算模型的基础上，对大兴区的主要作物进行了节水潜力计算。综上所述，以往节水潜力研究多从减少耗水量或减少取水量角度推求资源型节水或工程型节水潜力的大小[19-21]。但是，对于地下水是否安全等问题均未涉及，特别是对于井渠结合灌区，因过度节水而造成的地下水超采势必会威胁到灌区地下水安全，也不利于灌区水资源的持续有效利用。

因此，本文以永定河流域张家口段各大中型灌区为研究对象，分析灌区灌溉用水现状，提出管理节水潜力和工程节水潜力的计算方法，通过引入地下水安全性检验对节水潜力进行再分析，建立了基于地下水安全的井渠结合灌区节水潜力分析方法，为井渠结合灌区的节水潜力科学评价、灌溉工程规划和建设等提供了理论与技术支撑。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

永定河流域张家口段属于永定河山区流域，面积为17 662 km2，约占张家口市辖区内国土面积的49%，包含洋河以及桑干河两大支流，多年平均径流深为35.6 mm。根据2001-2017年地下水水位埋深资料，张宣盆地平均地下水水位埋深在9～18 m之间，地下水水位逐年下降；蔚阳盆地平均地下水水位埋深在7～8 m之间，呈稳定状态；涿怀盆地平均地下水水位埋深在21～25 m之间，其中在2001-2012年呈下降趋势，2013年后呈上升趋势。

近年来永定河流域张家口段进行地表水灌溉的大中型灌区有17个，如图1所示。本文选择该17个大中型灌区约2.48×104hm2的地表水灌溉面积作为节水潜力计算范围。除常峪口灌区外，在研究区范围内由于地表水来水不及时，均存在机井补灌情况。研究区属于温带大陆性季风气候，一年四季分明，冬季长而寒冷干燥，夏季短且炎热湿润，多年平均降水量为413.66 mm。全年降雨主要集中在6-9月，约占全年降水量的70%～80%[22]。研究区范围内以种植玉米为主，同时种植有少量谷类、薯类、果树及蔬菜等，各大中型灌区农作物种植结构如图2所示。

图2 永定河流域张家口段各大中型灌区农作物种植结构

2.2 数据来源

采用永定河流域大中型灌区2017-2019年相关数据进行节水潜力分析。其中，各个灌区灌溉水有效利用系数来自于《永定河流域张家口段退灌还水项目总体实施方案及试点方案》以及水利部印发的《永定河流域农业节水工程实施推进方案》；各个灌区2017-2019年的取水量来自于实地调研成果资料；作物净灌溉定额源自《河北省行业用水定额》(DB13/T 1161—2016)，采用75%水平年下的作物净灌溉定额，以较大程度满足农作物需水，确保研究区域粮食安全。

2.3 研究方法

2.3.1 节水潜力计算方法 在假定现状种植结构与现状地表水灌溉面积保持不变的基础上，本文采用的农业节水潜力计算方法如图3所示。

图3 农业节水潜力计算方法示意图

当现状田间灌溉用水定额I0大于理论综合净定额I净时，则规划作物灌溉综合净定额I规划以理论综合净定额I净为准。由图3(a)可以看出，在充分灌溉条件下，保持现状灌溉水有效利用系数η0不变，通过调整I0到I净，即从A点到B点，减少的灌溉水量(Q0-Q1)即为管理节水量ΔQ管理；再保持I规划不变，通过提高灌溉水有效利用系数η0到η1，即从B点到C点，减少的沿程输水渗漏损失量(Q1-Q2)即为工程节水量ΔQ工程。因此，在充分灌溉的条件下，管理节水量与工程节水量计算公式如下：

ΔQ管理=Q0-Q1

(1)

ΔQ工程=Q1-Q2

(2)

(3)

(4)

式中：ΔQ管理、ΔQ工程分别为管理节水量、工程节水量，m3；Q0为现状灌溉用水量，m3；Q1为保持现状灌溉水有效利用系数条件下的规划灌溉用水量，m3；Q2为提升灌溉水有效利用系数后的规划灌溉用水量，m3；I规划为规划作物灌溉综合净定额，m3/hm2；A为地表水实灌面积，hm2；η0、η1分别为灌区现状与系数提高后的灌溉水有效利用系数。

当现状田间灌溉用水定额I0小于理论综合净定额I净时，说明现状灌溉为亏缺灌溉，在亏缺灌溉条件下规划作物灌溉综合净定额I规划以现状田间灌溉用水定额I0为准。由图3(b)可以看出，在亏缺灌溉的条件下，田间用水定额已经没有进一步压缩的空间，所以管理节水潜力ΔQ管理为0；保持I0不变，通过提高灌溉水有效利用系数η0到η1，即从D点到E点，减少的沿程渗漏损失量 (Q0-Q3) 即为ΔQ工程。在亏缺灌溉的条件下，工程节水量计算公式如下：

ΔQ工程=Q0-Q3

(5)

(6)

式中：Q3为提升灌溉水有效利用系数后规划的灌溉用水量，m3。

2.3.2 地下水安全性检验 为了保证地下水安全，需要进一步复核灌区实现节水潜力后是否存在地下水超采风险。当地表水灌溉对地下水补给量Q补小于取用地下水灌溉的净消耗量Q耗时，可能存在地下水超采风险。在上述条件出现后，对地表水灌溉量与地下水灌溉量进行调整，使灌区灌溉对地下水净补给量 (Q补-Q耗) 为非负值。由于在上述条件下并未考虑降水量及河道侧渗等对地下水的补给量，同时考虑到永定河灌区张家口段地表水灌溉面积萎缩严重，灌区配水时间较以往大幅缩短，所以在配水过程中水面蒸发损失可忽略。因此，地表水灌溉对地下水补给量Q补与取用地下水灌溉的净消耗量Q耗的计算方法可简化如下：

Q补=Q地表水·(1-η地表水)

(7)

Q耗=Q地下水·η井灌

(8)

式中：Q补为地表水灌溉对地下水补给量，m3；Q地表水为地表水灌溉量，m3；η地表水为地表水灌溉水有效利用系数；Q耗为取用地下水灌溉的净消耗量，m3；Q地下水为地下水灌溉量，m3；η井灌为机井灌溉水有效利用系数。

当地表水灌溉对地下水补给量Q补不小于取用地下水灌溉的净消耗量Q耗时，不存在区域地下水超采风险，接受公式 (1)～(6) 估算的节水潜力，否则，需适度增大地表水灌溉水量，减少地下水灌溉水量，确保灌区灌溉对地下水净补给量 (Q补-Q耗) 为非负值，以保证井渠结合灌区的地下水安全。

3 结果分析

3.1 灌区用水现状分析

图4为永定河流域张家口段大中型灌区灌溉面积与用水量现状图，以2017-2019年的平均值为现状年情况。

图4 永定河流域张家口段大中型灌区灌溉面积与用水量现状

由图4(a)可知，永定河流域张家口段17个灌区的设计总灌溉面积为9.20×104hm2，2017-2019年年均地表水实际灌溉面积为2.48×104hm2，仅占灌区总设计灌溉面积的27%，表明研究区地表水实灌面积严重萎缩。2017-2019年，洋河二灌区的平均实际灌溉面积最大，为5 466.67 hm2；海儿洼灌区的平均实际灌溉面积最小，仅为333.33 hm2。地表水实际灌溉面积较大的灌区有洪塘河灌区、水沟口灌区、惠民北灌区、七一灌区、洋河二灌区及桑二灌区，均在1 400 hm2以上。

由图4(b)可知，永定河流域张家口段大中型灌区地表水灌溉范围内，现状灌溉用水总量为1.62×108m3，其中地表水用水量为1.45×108m3，占总用水量的89%；地下水用水量为0.17×108m3，占总用水量的11%。洋河二灌区的现状总用水量最大，达5 113.95×104m3；海儿洼灌区的现状总用水量最小，仅为178.53×104m3。

3.2 灌区节水潜力分析

图5为永定河流域张家口段大中型灌区现状与规划的田间净定额及地表水灌溉水有效利用系数。由图5(a)可知，水沟口灌区的现状田间灌溉用水定额与规划净定额值差别最大，达2 521.85 m3/hm2。洋河灌区、小洋河灌区和侯家庙灌区的现状田间灌溉用水定额小于理论值，表明现状农业灌溉已处于非充分灌溉状态，因而规划净定额值直接采用现状值。根据永定河流域张家口段灌区续建配套与节水改造目标，各大中型灌区的地表水灌溉水有效利用系数可提高0.050～0.245 (图5(b))。

永定河流域张家口段大中型灌区地表水节水潜力见图6。图6表明，在未进行地下水安全性校验时，永定河流域张家口段各大中型灌区地表水节水潜力总量为8 058.69×104m3，其中，管理节水潜力为6 104.56×104m3，占比75.8%，工程节水潜力为1 954.13×104m3，占比24.2%。

图5 永定河流域张家口段大中型灌区现状用水定额与规划净定额及地表水灌溉水有效利用系数

图6 永定河流域张家口段大中型灌区地表水节水潜力

3.3 考虑地下水安全的灌区节水潜力再分析

在加大挖掘农业节水潜力的同时，为避免井渠结合灌区出现地下水超采风险，将上述各灌区灌溉对地下水的净补给量进行复核，以确保灌溉对地下水净补给量(Q补-Q耗) 为非负值。图7显示了“可能存在地下水超采风险”的灌区及其对地下水的净补给量。由图7可看出，洪塘河灌区、小洋河灌区、惠民北灌区、洋河南灌区及龙洋河灌区等5个灌区灌溉对地下水的净补给量为负值，存在地下水超采风险。因此，为确保上述5个灌区地下水安全，需调整地表水与地下水灌溉水量分配，从而对节水潜力进行再分析。

图8为基于地下水安全性检验的灌区地表水灌溉用水量调整前后对比。如图8所示，洪塘河灌区地表水灌溉水量由549.70×104m3调增到590.32×104m3；小洋河灌区地表水灌溉水量由210.91×104m3调增到215.66×104m3；惠民北灌区地表水灌溉水量由293.09×104m3调增到334.88×104m3；洋河南灌区地表水灌溉水量由185.87×104m3调增到186.67×104m3；龙洋河灌区地表水灌溉水量由188.99×104m3调增到205.33×104m3。通过调整，使得上述5个灌区灌溉对地下水净补给量满足非负值要求。由此表明，挖掘井渠结合灌区的节水潜力时，应合理控制地下水开采规模，否则可能造成地下水超采风险，进而影响区域水资源安全。

表1为考虑地下水安全的永定河流域张家口段大中型灌区地表水节水潜力。由表1可以看出，考虑地下水安全的永定河流域张家口段灌区的管理节水潜力为6 104.56×104m3，占节水潜力总量的76.7%，表明抓好管理节水是挖掘永定河流域张家口段大中型灌区节水潜力的关键。其中，水沟口灌区、惠民北灌区、七一灌区、桑南灌区、洋河南灌区、龙洋河灌区和洋河二灌区的管理节水潜力均大于200×104m3，总计达到5 548.56×104m3，占永定河流域张家口段大中型灌区管理节水潜力总量的90.9%。考虑地下水安全的永定河流域张家口段灌区的工程节水潜力为1 849.83×104m3，占节水潜力总量的23.3%。洋河灌区、洪塘河灌区、民生渠灌区、七一灌区、常峪口灌区、顾家营灌区、洋河二灌区及桑二灌区的工程节水潜力均大于100×104m3，总计为1 448.18×104m3，占永定河流域张家口段大中型灌区工程节水潜力总量的78.3%。

图7 可能存在地下水超采风险的灌区灌溉对地下水的净补给量

图8 基于地下水安全性检验的灌区地表水灌溉用水量调整前后对比

表1 考虑地下水安全的永定河流域张家口段大中型灌区地表水节水潜力 104 m3

4 讨 论

水资源制约着城市的经济与发展，张家口市作为京津冀的重要组成部分，水资源量却在持续减少，地下水超采的问题也时有发生。本研究在兼顾地下水安全的条件下计算永定河流域张家口段大中型灌区地表水的节水潜力约为0.80×108m3。通过地下水安全性检验与调整，永定河流域张家口段灌区总节水量变幅不大，较未考虑地下水安全性检验条件下的节水潜力总量仅减少了104.29×104m3，占比为1.29%，但却避免了张家口段大中型灌区地下水超采风险。因此，在计算节水潜力时有必要通过考虑地下水安全对常规方法估算的节水潜力结果进行修正，以保证灌区地下水安全。

考虑地下水安全的永定河流域张家口段大中型灌区的管理节水潜力为6 104.56×104m3，工程节水潜力为1 849.83×104m3，分别占节水潜力总量的76.7%、23.3%。由此可见，为挖掘张家口段大中型灌区的节水潜力，抓好管理节水是重中之重。对此，可重点针对管理潜力较大的灌区采取一系列措施，如制定合理科学的灌溉制度、引入现代化技术进行水量的实时监控与精准配置以及优化种植结构等；同时针对工程节水潜力较大的灌区可通过实施渠系建设维护、平整田间土地等工程节水措施提高灌区输配水效率。

5 结 论

通过利用永定河流域张家口段大中型灌区2017-2019年灌溉用水数据，对张家口段大中型灌区进行农业节水潜力分析，得出以下主要结论：

(1)永定河流域张家口段大中型灌区地表水实际灌溉面积严重萎缩，2017-2019年地表水实际灌溉面积均值仅占灌区设计灌溉面积的27%，地表水实际灌溉范围内的灌溉用水总量为1.62×108m3。

(2)在维持现状地表水灌溉面积不变的基础上，各灌区的地表水节水潜力为8 058.69×104m3，通过引入地下水安全性检验，对计算的节水潜力进行再分析，则地表水节水潜力调整为7 954.40×104m3。

(3)在满足地下水安全的基础上，永定河流域张家口段大中型灌区的管理节水潜力为6 104.56×104m3，占节水潜力总量的76.7%，工程节水潜力为1 849.83×104m3，占节水潜力总量的23.3%。