沟（河）水利用对宁夏惠农渠灌区水均衡影响的模拟分析

韩松俊，王少丽，陈皓锐

（1.中国水利水电科学研究院 水利研究所，北京 100048；2.国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京 100048）

沟（河）水利用对宁夏惠农渠灌区水均衡影响的模拟分析

韩松俊1，2，王少丽1，2，陈皓锐1，2

（1.中国水利水电科学研究院 水利研究所，北京 100048；2.国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京 100048）

近年来宁夏惠农渠引水量减小，灌溉缺口增大，从排水沟道和黄河提水补充灌溉成为多水源利用的重要模式，但目前对沟（河）水利用对灌区水均衡影响的认识并不清晰。本文利用平原绿洲散耗型水文模型对惠农渠灌区2007—2011年水均衡进行模拟，分析了沟（河）水利用对水均衡的影响。研究区水平衡受引黄河水、降水、沟（河）水和地下水等多种水源的影响，在以水稻为主的上游地区和引水相对困难的下游地区，沟（河）水占灌溉地总补给水量的比例超过30%。以位于上游的第二管理所和位于下游的第七管理所为例，如不利用沟（河）水灌溉，模拟得到的两个分区作物蒸散发量分别减少12.6%和7.7%，且主要发生在6—8月。对于利用50%现状沟（河）水和不利用沟（河）水两种情景，模拟得到的2011年第二管理所灌溉地平均地下水埋深分别下降0.25 m和0.54 m，而第七管理所灌溉地平均地下水埋深分别下降0.22 m和0.50 m。沟（河）水利用对于惠农渠灌区作物耗水具有重要作用，也与地下水等其它水源存在相互转化。本研究可以为惠农渠灌区的多水源综合利用和配置提供科学依据。

惠农渠灌区；散耗型水文模型；水平衡；沟水利用

1 研究背景

惠农渠灌区位于银北平原，是宁夏自治区青铜峡灌区的一部分，涉及永宁、银川、贺兰、平罗和惠农5县（市、区），总控制面积1 290 km2，设计灌溉面积为867 km2，现状灌溉面积为752 km2（惠农渠管理处2012年统计数据），作物以水稻、玉米和小麦为主。惠农渠灌区为典型的大陆性季风气候区，多年平均降水量180～220 mm，多年平均蒸发皿蒸发量（E601型）1 500～2 100 mm。由于降水稀少，蒸发强烈，农业生产高度依赖引黄灌溉。由于现状灌溉引水量和灌溉定额偏大，加之调控体系不完善，部分区域特别是渠系末梢在特定时段（特别是5—6月和夏灌高峰期）存在灌水缺口。

由于灌溉期排水沟道水量大，架设泵站从沟道或黄河提水进行补充灌溉是惠农渠灌区满足作物生长需水、进行多水源利用的重要手段［1］。大规模的沟（河）水利用必然对灌区水均衡产生影响，但目前相关认识不够清晰。本研究利用胡和平等［2］开发的平原绿洲散耗型水文模型对惠农渠灌区水均衡进行模拟，重点分析沟（河）水利用对灌区水均衡的影响，可以为惠农渠灌区的多水源综合利用和优化配置提供科学依据。

2 研究区域概况

惠农渠紧临黄河，渠系由惠农渠干渠和昌渠、滂渠、官泗渠3个支干渠系组成，渠道总长231.75 km，其中3条支干渠长92.05 km，渠道进水闸位于青铜峡叶盛镇龙门桥村，设计引水流量为135 m3/s，现最大引水流量为97 m3/s。全渠水量由惠农渠管理处按照水利厅年调度计划安排，实行统一管理、统一调配，管理处下设8个管理所与一个负责抽水灌溉的扬水所，不同管理所的土地利用和主要作物情况见表1。

近年来惠农渠引水量从约11亿m3减少到9.8亿m3（2007—2011年平均），无法满足作物适时灌溉的需求，而从沟道和黄河的提水量呈逐年增大趋势。利用沟（河）水的扬水灌溉主要有两种模式。一种是由惠农渠管理处统一管理，实行自流和扬水联合调度、调剂补灌。现扬水泵站总装机容量为2 380 kW，设计流量为17 m3/s，输水渠道长24.44 km，保灌面积为3 000 hm2，补水灌溉面积为5 600 hm2，年抽水量为0.7亿m3。另一种是由群众沿沟、河架设泵站提水补灌，并由地方运行管理。据2009年统计，惠农渠灌区有小扬水抽灌机泵131台，架临时泵86台，总装机容量为2 122 kW，流量达38.5 m3/s（临时小泵未统计），年抽水量为1.14亿m3，控制最大抽灌面积为0.78万hm2。目前并未统计从沟道和黄河的提水量，但根据惠农渠管理处针对统一管理泵站以及28处地方管理泵站的调查情况（表2）可知，统一管理泵站主要从黄河提水，从沟道与黄河提水的泵站总出水量之比约为1∶1.69，地方管理泵站主要从排水沟道提水，从沟道与黄河提水的泵站总出水量之比约为1∶0.19。

表1 惠农渠灌区不同管理所土地利用及主要作物情况

表2 惠农渠灌区泵站调查的基本情况

3 平原绿洲散耗型水文模型应用与验证

研究中应用的平原绿洲散耗型水文模型（“四水转化”模型）以灌溉地土壤水为中心，重点考虑引水灌溉对水平衡的影响，是一个复杂的水资源引用、转化、均衡和消耗的模拟系统，可以分析干旱区灌区水分的迁移、转化和消耗过程［2］，模型已应用于塔里木河流域多个绿洲灌区和内蒙古河套灌区［3-6］。模型应用时需要将研究区进行分区，每个分区内分为灌溉地、非灌溉地（又可分为洼地、自然植被或林草荒地、裸地3类）和渠系水域等水均衡单元。灌溉地水分转化关系复杂，在垂直方向将灌溉地土壤分为上土壤层和下土壤层，每层分别设定最大蓄水容量，当进入上土壤层的水量超过最大蓄水容量则下渗到下土壤层，而进入下土壤层的水量超过最大蓄水容量则下渗到地下水层。入渗到地下水的水量引起灌溉地地下水位抬升，水位的变化根据土壤给水度计算。当地下水位上升到灌溉地排水沟以上时，产生地下水基流排泄，在模型中设定排水系数并根据地下水埋深与排水沟深度之差进行计算。由于灌溉地的地下水位较高，将向非灌溉地产生地下水侧向交换，在模型中设定灌溉地-非灌溉地地下水交换系数并根据两者之间的平均地下水位差进行计算。非灌溉地土壤水变化不大，在垂直方向简化为土壤层和地下水层。在不同类型非灌溉地之间也可能发生地下水的侧向交换，但由于本研究主要关注灌溉地，且受到土地利用数据的限制，在本研究中并未考虑。考虑灌区实际情况，有部分引水没有送到田间，而是作为退水进入了排水，模型中设定退水系数，将渠系损失量的一部分作为退水计入排水量。渠系水域单元与分区内的地表水、土壤水和地下水联系紧密，但在垂直方向不加区分［2］。

本研究中收集了惠农渠灌区不同管理所2007—2011年的月引水量数据、典型地下水观测井的地下水埋深数据和相关气象数据。由于研究区域较大，根据管理所的范围将研究区划分为8个分区（表1）。模型的主要输入数据是每个分区的月引水量和综合作物蒸散发能力。利用气象数据首先计算各分区的参考作物蒸散发量，并结合惠农渠灌区的实际情况确定不同作物的作物系数，并根据不同作物不同月份的基本作物系数以及各分区的参考作物蒸散发量，计算出不同作物在不同月份的蒸散发能力，最后根据调查得到的各分区作物种植结构情况，进行加权平均，求出各分区综合作物蒸散发能力。由于研究区所处地区在地质构造上为一个封闭的盆地，地形平缓，水力坡度小，山前补给很小，同时潜水等水位线与黄河相交，几乎呈垂直状态，表明潜水与黄河水处于动态平衡状态［7］，地下水无天然的水平排泄出路，地下水侧向径流十分微弱，以垂直交换为主要特征，因此计算中对地下水侧向流入和流出未予考虑。

图1 不同分区地下水平均埋深月变化过程模拟值与实测值对比

模型共有6个参数需要率定，由于只有5年数据，无法先进行参数率定然后再进行模型验证。研究中参照雷志栋等［6］的做法，参考之前研究成果中设定参数初始值，利用2007—2011年的灌溉地平均地下水埋深数据进行参数率定，并在确定模型的可靠性之后，将模拟结果应用于分析2007—2011年的水均衡特性。图1中给出了4个分区2007—2011年实测的灌溉地平均地下水埋深与模型模拟值的对比，结果表明，模型模拟结果与实测值比较吻合。从图中可以看出，位于上游的分区1、2、3地下水埋深峰值出现于7、8月份，位于下游的分区7，地下水埋深峰值出现于7、8月份和冬灌的11月份，模型能够模拟灌区不同分区灌溉地地下水平均埋深的变化，具有较好的适应性，因此可以应用于研究区水均衡的分析。

4 研究结果

4.1研究区水均衡特征惠农渠灌区总补给水量包括黄河引水、降水和沟（河）水，总消耗水量包括作物蒸散发、非灌溉地蒸散发、水域蒸发、退排水和地下水开采。灌区上中下游不同地区2007—2011年平均的水平衡模拟结果见表4。2007—2011年研究区总补给水量为12.56亿m3，其中主要是黄河引水，而沟（河）水利用水量为总补给水量的13.9%。根据模拟结果，研究区总消耗水量为农田作物蒸散发量，其次为水域蒸发量。由于灌区上游地区主要作物为水稻，总引水量和单位灌溉面积引水量都很大，退排水量也较大，灌区下游地区总引水量和单位灌溉面积引水量都较小。上游地区沟（河）水利用水量最大，其次是下游地区，而中游地区沟（河）水利用水量较小。

表3 不同分区模型参数率定值

表4 上中下游2007—2011年平均的水平衡模拟结果 （单位：×106m3）

为了进一步分析不同地区灌溉农田的水平衡特征，表5给出了上中下游综合的灌溉地水平衡模拟结果。灌溉地补给水量最大的来源是引黄河水，其次是沟（河）水、降水和地下水潜水补给，而水量主要消耗于作物蒸散发，其次为渗漏补给。对以水稻为主的灌区上游和引水相对困难的灌区下游，沟（河）水占灌溉地总补给水量的比例都超过了30%。

表5 上中下游灌溉地水平衡模拟结果 （单位：×106m3）

4.2沟（河）水灌溉对水均衡的影响从灌区总体水均衡和灌溉地水平衡的模拟结果可以看出，沟（河）水利用对惠农渠灌区上游和下游地区水均衡具有影响。下面以位于上游地区的第二管理所和位于下游地区的第七管理所为例模拟分析沟（河）水利用对水均衡的影响。研究中分别对利用现状50%沟（河）水以及不利用沟（河）水两种情景的水均衡进行了模拟，并与现状情况进行对比。表6比较了不同情景下的灌溉地水平衡模拟结果。可以看出，减少沟（河）水利用之后作物蒸散发量相应减少，如果不利用沟（河）水灌溉，模拟得到的第二管理所和第七管理所作物蒸散发量分别减少656和650万m3（12.6%和7.7%）。图2对比了3种情景下2007—2011年作物蒸散发量的变化过程，作物蒸散发量的减小主要发生在6—8月。

根据模拟结果，减少沟（河）水利用后，渗漏补给量发生相应减少，而潜水蒸发量增大。如果不利用沟（河）水灌溉，模拟得到的第二管理所和第七管理所渗漏补给量分别减少921和1 121万m3，而潜水蒸发量分别增大176和592万m3，这将使研究区的地下水位降低。图3对比了3种情景下2007—2011年灌溉地地下水埋深的变化过程，如果减少沟（河）水利用则地下水埋深将发生显著下降。对于使用50%现状沟（河）水和不使用沟（河）水两种情景，2011年第二管理所的地下水平均埋深分别下降0.25 m和0.54 m，而第七管理所的地下水平均埋深分别下降0.22 m和0.50 m。

表6 不同沟（河）水灌溉情景下的灌溉地水平衡模拟结果比较 （单位：×104m3）

图2 3种情景2007—2011年区域作物蒸散发量月变化过程

图3 3种情景2007—2011年区域地下水埋深月变化过程

5 主要结论与讨论

本研究利用平原绿洲散耗型水文模型对惠农渠灌区水均衡进行模拟，重点分析沟（河）水利用对惠农渠灌区水均衡的影响，主要得到了以下结论：

（1）研究区水平衡受到引黄河水、沟（河）水、降水和地下水等多种水源的影响。沟（河）水是引黄河水之外的最大水源，对以水稻为主的灌区上游和引水相对困难的灌区下游，沟（河）水占灌溉地总补给水量的比例都超过了30%。

（2）以位于上游地区的第二管理所和位于下游地区的第七管理所为例模拟分析了沟（河）水灌溉对水均衡的影响。如不利用沟（河）水灌溉，模拟得到的第二管理所和第七管理所作物蒸散发量分别减少656和650万m3（12.6%和7.7%），作物蒸散发量的减小主要发生在6—8月。

（3）减少沟（河）水灌溉引起渗漏补给量相应减少，而潜水蒸发量增大，地下水埋深将发生显著下降。对于使用50%现状沟（河）水和不使用沟（河）水两种情景，2011年第二管理所的地下水平均埋深分别下降0.25 m和0.54 m，而第七管理所的地下水平均埋深分别下降0.22 m和0.50 m。

沟（河）水与地下水等其它水源之间存在相互转化关系，对惠农渠灌区水均衡具有重要影响。本研究可以为惠农渠灌区多水源综合利用和优化配置提供科学依据，但由于灌区水分转化的复杂性，以及实际监测与数据资料的不足，水平衡模拟结果可能存在一定的不确定性，需要深入研究。

［1］ 马德仁，李银才.宁夏惠农渠灌域水资源优化配置研究［J］.人民黄河，2012，34（7）：93-94.

［2］ 胡和平，汤秋鸿，雷志栋，等.干旱区平原绿洲散耗型水文模型——模型结构［J］.水科学进展，2004，15（002）：140-145.

［3］ 杜丽娟，刘钰，雷波.内蒙古河套灌区解放闸灌域水循环要素特征分析—基于干旱区平原绿洲耗散型水文模型［J］.中国水利水电科学研究院学报，2011，9（3）：168-175.

［4］ 雷志栋，胡和平，杨诗秀，等.塔里木盆地绿洲耗水分析［J］.水利学报，2006，37（12）：1470-1475.

［5］ 钟瑞森，博斯腾湖流域水盐平衡模型研究［D］.乌鲁木齐：新疆农业大学，2005.

［6］ 黄聿刚，丛振涛，雷志栋，等.新疆麦盖提绿洲水资源利用与耗水分析——绿洲耗散型水文模型的应用［J］.水利学报，2005，36（9）：1062-1066.

［7］ 谢新民，赵文骏，裴源生，等.宁夏水资源与可持续利用战略研究［M］.郑州：黄河水利出版社，2002.

Analyzing the impact of drainage water reuse on the water balance in Huinong Irrigation District in Ningxia using the runoff-evaporation hydrological model

HAN Songjun1，2，WANG Shaoli1，2，CHEN Haorui1，2
（1.Department of Irrigation and Drainage China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China；2.National Center of Efficient Irrigation Engineering and Technology Research，Bejing 100048，China）

The water balance of Huinong Irrigation District from 2007 to 2011 was simulated using the run⁃off-evaporation hydrological model，and the impacts of drainage water reuse were evaluated.The water bal⁃ance in the study area was influenced by the irrigation water withdrawal from the Yellow River，precipita⁃tion，drainage water reuse and groundwater exploitation.For the up-and down-streams，the drainage water reuse is more than 30%of the total inflow into the irrigated area.Taking the sub-regions 2 and 7 as ex⁃amples，the impact of drainage water reuse on the water balance was analyzed according to the compari⁃sons with two scenarios with decreased drainage water reuse.The simulated crop evapotranspiration was re⁃duced by 12.6%and 7.7%respectivety under the scenario with no drainage water reuse.The changes mainly happened from June to August.The simulated average groundwater table fell by 0.27 m and 0.54 m for sub-region 2，and 0.22 m and 0.50 m for sub-region 7，under the scenario with 50%of current drain⁃age water reuse and the scenario with no drainage water reuse，respectively.The study indicates that the drainage water reuse has important impact on the water balance in Huinong Irrigation District.

Huinong Irrigation District；runoff-evaporation hydrological model；water balance；drainage wa⁃ter reuse

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.20140342

11672-3031（2015）03-0171-06

（责任编辑：王学凤）

2014-11-26

水利部公益性行业科研专项项目（201201002）；国家自然科学基金（51279212、51209226）

韩松俊（1981-），男，湖北，博士，高级工程师，主要从事蒸散发规律与节水灌溉等研究。E-mail：hansj@iwhr.com