地下水限额控采条件下民勤红崖山灌区灌溉模式转型研究

韩万海

(武威市水利科学研究所 甘肃武威 733000)

1 问题的提出

红崖山灌区是民勤县最大的灌区,也是石羊河流域最大的灌区,几十年来过量开垦土地,大量耗用水资源,现状耗水量达到4.46亿m3,地下水超采量达3.0亿m3以上,灌溉面积最高峰时曾达到120万亩～130万亩左右,有效灌溉规模高达近100万亩,经济社会用水严重挤占生态用水,天然植被大量萎缩,土地沙化、盐碱化程度不断加剧,生态环境遭到严重破坏,使民勤绿洲正面临着十分严重的水资源危机和生存危机。

石羊河流域的生态环境问题,引起了国家领导的高度重视和社会各界的广泛关注。2007年 12月,国务院批准,启动实施了 《石羊河流域重点治理规划》,根据 《规划》确定的治理思路和目标:要抢救民勤,必须从根本上解决民勤盆地水资源的总量短缺和地下水超采问题,民勤盆地的地下水开采量由现状的5.17亿m3减少为0.89亿m3[1],实现民勤盆地的地下水采补均衡。在地下水限额控采这下约束性条件下,如何实现灌区自身和谐发展这一目标要求,民勤红崖山灌区必须在外来水量增加的基础上,彻底解决自身灌溉规模偏大、水资源利用效率低下、地下水严重超采的问题,全面实施灌区节水改造工程,提高水资源的利用效率,大力调整灌溉配水面积和种植结构,创新治水思路,转变灌溉模式,改进灌水技术,发展节水农业,以确保灌区可持续发展。

2 红崖山灌区灌溉模式现状

红崖山灌区由民勤县红崖山灌区管理局负责运行管理,管理局隶属民勤县水利局,为自收自支事业单位,经费来源主要是灌区的农业水资源费。管理局下8个职能股室,3个管理处、10个水管所、3个灌溉试验站,现有在职管理人员450名,工程师29名,助理工程师及技术人员81名。截止目前,灌区建成中型水库 (红崖山水库)一座,总库容9930万m3,兴利库容7944万m3,为年调节水库。灌区累计建成60m～100m深井近万眼,2006年灌区配套使用7636眼,单位出水量在24m3/h～80m3/h,控制灌溉面积89.558万亩。在水利工程建设方面,建成跃进总干渠一条,总长87.37km,干渠和总支渠13条,全长172.79km,支渠84条,长512.82km;支渠以上各类建筑物共有2510座,衬砌骨干渠系244.79km,尚有69.447km的骨干渠系仍为土渠输水。

灌区现状灌溉方式主要以大水漫灌、沟灌和部分小畦灌为主,灌溉制度实行多年的经验制度,受春灌时间和春播时间的制约,耕种较早的春小麦和棉花等夏禾作物全部采用冬泡,泡地灌水定额较大,一般在110m3/亩～120m3/亩,对于作物生长期的灌水,因灌区面积大,所覆盖的气温有所差异,灌水周期较长,一般在15天左右,灌水定额一般每次大致相等,没按作物生长期的需水规律作调整,总体耗水量大,农业灌溉用水有效利用率较低。灌区现状灌溉面积为94.6万亩,其中农田有效灌溉面积89.56万亩,基本生态林地灌溉面积5.05万亩。灌区内种植的主要作物有春小麦、夏玉米、棉花、油料、蔬菜及其它,实播面积分别为28.43万亩、18.1万亩、12.7万亩、5.7万亩、15.38万亩、9.25万亩,现状农田灌溉用水量 2006年为5.896亿m3,亩均用水量为658m3。粮、经、林种植结构比例为 49.2︰45.5︰5.3。

灌区存在的主要问题:一是骨干工程老化失修,水资源利用效率低,输水损失严重;二是上游分水时段不均,水库调蓄能力差;三是种植结构不合理,灌水技术落后,水资源浪费严重;四是有效灌溉面积偏大,与水资源条件不适应,水资源供需矛盾十分突出。

3 灌区供、需水预测分析

3.1 供水量预测

根据 《石羊河流域重点治理规划》,2010年规划水平年,红崖山灌区地表水由中游河道下泄水量、民调水量及西营专用输水渠水量三部分组成。各水平年的逐月总入库水量见表1。入库水量经水面蒸发、渗漏和水库调节后的可供水量,P=25%、P=50%、P=75%分别为24504.8万m3、22761.9万m3、17809.6万m3。

根据 《规划》治理目标:2010年水平年,民勤盆地的地下水开采量由现状的5.17亿m3减少到0.89亿m3。考虑不同的地表水用水水平、不同的余水配置方案均直接影响地下水的补排关系及可开量,因此不同水平年的地下水可开采量通过均衡分析法计算。

表1 2010年红崖山水库入库水量汇总表 单位:万m3

从补排分析计算结果可知:当均衡结果为0时,2010规划水平年P=25%、P=50%、P=75%地下水可开采量分别可达到 11344万m3、10343万m3、9045万 m3。考虑到用水的稳定性,地下水可供水量预测值采用统一(P=50%)计算值,即2010年红崖山灌区地下水可开采量为9110万m3。

3.2 需水量预测

根据《规划》确定的社会经济发展总体目标和现行行业用水定额,灌区社会经济各部门发展指标参照《民勤县国民经济和社会发展“十一五”规划》,结合灌区实际情况,以2003～2006年社会经济发展指标实际增长率进行预测。经计算,红崖山灌区各行业2010年预测需水量,生活净需水量为1169.4万m3～1375.6万m3,工业、生态及农业净需水量分别为945.9万m3～1330.2万m3、1709万m3～2089万m3、15865万m3～21456万m3。

4 灌溉模式转型

4.1 转型原则及指导思想

转型原则:

(1)坚持实事求是、科学合理的原则;

(2)坚持以《规划》为依据,尊重农民意愿,充分调动农民参与节水的积极性原则;

(3)温棚、经济作物大田滴灌等高效节灌模式坚持集中连片布置的原则,为形成规模效益奠定基础;

(4)坚持灌区灌溉用水实施总量控制、定额管理的原则;

(5)坚持地下水计量设施安装和灌区水权制度改革紧密结合,优先推进水权制度建设的原则。

指导思想:坚持以人为本,全面贯彻落实科学发展观。立足灌区实际,以种植结构调整为先导,以改善灌溉方式为核心,以建设节水型灌区为主线,骨干工程和田间工程相结合,以田间节水改造为主,大力推进高效节水灌溉模式,提高田间灌溉管理水平,实现节水增效目标。

4.2 灌区水资源优化配置

红崖山灌区农业灌溉由传统的“以需定供”转变为“以供定需”,这是水资源管理质的飞跃。在大量削减地下水开采量的前提下,要想以有限的水资源量来支撑灌区经济社会的持续协调发展,必须进行水资源的优化配置和科学管理。在可持续发展战略思想指导下,选择灌区社会效益、经济效益、环境效益等综合效益最佳为优化配置目标。在灌区协调发展等约束条件下,在Matlab中运用模拟退火遗传算法(简称SAGA)[2-3]对目标函数进行求解,得出规划水平年灌区水资源优化配置方案(见表2)。

表2 规划水平年灌区水资源优化配置方案 单位:m3

4.3 节水改造工程的实施

随着石羊河流域重点治理项目的实施,作为项目的主要建设内容之一,红崖山灌区节水改造工程将投资97697.63万元,通过2006～2010年五年的实施,建设渠系骨干工程和田间节水改造工程为主,共改建总干渠53.04km;干渠及总支渠157.54km;支渠293.57km;总长504.15km,改造节水灌溉面积56.26万亩,其中渠灌25.8万亩、管灌3.0万亩、大田滴灌22.46万亩、微灌5.0万亩。到2010年,红崖山灌区节水改造工程全面完成后,综合灌溉水利用系数由现状的0.58提高到0.614,其中总干渠渠道水利用系数提高到0.85,干渠渠道水利用系数0.89,支渠渠道水利用系数0.91,田间水利用系数0.92。地表灌溉水利用系数由现状的0.35提高到0.55,地下灌溉水利用系数由现状的0.63提高到0.85,实现灌区节水量30605万m3。

4.4 种植规模及种植结构调整

在预测的供水量下,灌区种植规模明显偏大,必须进行调整。2010年农田灌溉配水面积调整以尊重历史、立足现状、兼顾未来为原则,农田配水面积由2003年的89.56万亩、2006年的70.31万亩调整为2010年的56.26万亩,以2003年灌区农业人口22.904万人为基数,按人均2.5亩左右进行分配。考虑红崖山灌区地处石羊河流域风沙线,从流域生态安全出发,基本生态配水面积按农田灌溉配水面积的15%进行分配,将基本生态林地从2003年的5.05万亩增加到2010年的8.44万亩。

以市场为导向,以提高灌区经济效益为目标,保证粮食自给自足为前提,适当提高经济作物的种植比例,降低粮食作物种植面积,压缩复套种比例和高耗水作物比例,对灌区种植结构进行优化调整。经多种方案的综合评比,灌区粮、经、林的种植结构比例由现状2006年的32.6︰61.3︰6.1调整为2010年的27.5︰59.4︰13.1。具体调整方案见表3。

表3 灌区种植结构调整表

4.5 节水灌溉技术应用

针对红崖山灌区的实际情况,必须进行节水灌溉技术的推广应用,在强化农艺节水和节水管理的基础上,以工程节水为主,通过节水改造工程的实施,进行渠道防渗,提高渠系利用率;通过田间作业,推广应用小畦灌;通过管道输水,发展渠灌、管灌和微灌。由于当地蒸发量大,多风且风速大,喷灌适应性较差,运行成本高,难于管理,因此不考虑发展喷灌。根据灌区种植结构调整情况,对于温室蔬菜和棉花以推广应用覆膜滴灌为主;对于大田密植的小麦、玉米等粮食作物以渠灌为主;对于油料等其他经济作物以应用管灌为主,考虑到土地的分户承包和作物的轮耕倒茬,在全面推行渠灌的基础上,将管灌和滴灌组合配套,分作物选择灌溉方式。

4.6 地表水与地下水的联合调度

灌区在节水改造工程实施的基础上,通过种植规模和种植结构调整,高新节水灌溉技术的应用,对种植结构调整后的作物,根据灌溉试验研究成果、设计合理的节水灌溉制度,再根据各种作物的灌溉面积、各生育期的灌水定额、推算出农业和生态的逐月需水量,见表4。

表4 灌区农业、生态月净需水量计算结果表 单位:万m3

知道了各月的时段需水量,在前述水资源优化配置的水量基础上,如何做好各月的时段供水,使供、需平衡,正是本次转型研究的核心。由于红崖山灌区地表供水状况,不仅受时段来水过程的影响,并且受水库调蓄能力的制约,从灌区各时段的需水要求看,4～6月是它的需水高峰期,其需水量约占总需水量的 60%左右,而来水却只占全年来水量的7%,是来水低谷期,供需失衡较大。

8-9月是来水的高峰期,需水却较少,期间正值汛期,受汛限水位的影响,来水大于需水时,又容易造成弃水,这给地表水的年度调节带来了一定难度。本次红崖山灌区地表水年度调节计算,就是在以地表水最大限度的满足灌区需水要求前提下,以弃水量最小为原则,在计算机excel程序中多次循环计算的最佳值,作为最后的调节方案。以地表水为主,地下水为辅的联合调度结果见表4。

表5 地表水与地下水联合调度方案表 单位:万m3

从地表水与地下水的联合调度方案可以看出,丰水年份灌区地下水量比计划有所减少,但平水年份和枯水年份都有一定的超采,从一个完整的丰、平、枯周期看,地下水超采量达2350万m3,但从地下水补采均衡计算中可以得出,一个丰、平、枯周期中,地下水正均衡2840万m3,说明调度方案是合理的,可以实现地下水逐步恢复的目的,这也说明地表水与地下水联合调度是可行的,也是合理的。

5 结语

根据流域重点治理规划,在地下水限额控采条件下,通过供、需水预测分析,对灌区水资源进行优化配置,并以实施节水改造工程、种植规模和种植结构调整、节水灌溉技术应用、作物灌溉制度设计、地表水与地下水合理调度为措施,达到水资源供、需平衡,以期实现灌区灌溉模式由地下水为主、地表水为辅向地表水为主、地下水为辅的战略转型。

1 甘肃省石羊河流域重点治理规划[M]兰州,甘肃省水利厅,甘肃省发展和改革委员会,2007.

2 龚纯,王正林.精通Matlab最优化计算[J].北京,电子工业出版社,2009.

3 雷英杰,张善文.李续武等,Matlab遗传算法工具箱及应用[J].西安,西安电子科技大学出版,2006.