生态视域下宁蒙引黄灌区节水潜力分析

王林威，武 见，贾正茂，肖素君(黄河勘测规划设计有限公司，郑州 450003)

宁蒙地区农业生产具有悠久的历史，是典型的大陆性气候，降水稀少，蒸发强烈，干燥度大，是干旱地区建设“绿洲农业”的成功典型。宁蒙地区干旱的自然条件决定了灌区与周边天然植被有十分紧密的联系，灌区越大其生态系统越复杂，引水灌溉不仅要保证农作物生长需要，还要满足周边生态绿洲的用水需求。因此，宁蒙引黄灌区节水潜力有别于传统节水潜力的概念，在计算其节水潜力时需要充分考虑灌区及周边的生态约束。研究宁蒙引黄灌区节水潜力，不仅有利于促进该区水资源的高效利用，保证社会经济的健康发展，而且对西北地区的水资源合理配置和节水具有重要借鉴意义。

1 节水潜力的概念和内涵辨析

1.1 传统节水潜力概念

传统的节水潜力分为毛节水潜力和净节水潜力。毛节水潜力构成主要包括三部分，一是减少渗漏损失量，二是减少无效流失量，三是减少无效消耗量。净节水潜力是减少的无效消耗量与减少的无效流失量之和，这部分节水量可以作为新的水源加入到区域水量循环之中。渗漏损失量包括两部分：①可利用的地表水回归量；②可利用的地下水回归量。回归水量可以在其他尺度被重新利用[1-4]。

W净=W毛-W回

(1)

式中：W净为净节水潜力，m3；W毛为毛节水潜力，m3；W回为回用水量，m3。

1.2 宁蒙引黄灌区节水潜力辨析

对于宁蒙引黄灌区而言灌溉水可引起蒸腾、蒸发、盐分淋洗、深层渗漏及地表径流，如果减少灌溉水量，那么这五种用水量必然有一种会降低，减少用于蒸腾和盐分淋洗的水量通常会造成减产减收，这显然是不可取的。因此，灌区应通过节水措施，减少产生的蒸发、深层渗漏及地表径流。宁蒙引黄灌区主要是通过引水设施直接从河道中引水灌溉，蒸发量减少的幅度很小，且难以控制。因此，减少渗漏和地表径流是灌区主要节水措施，灌区净节水潜力非常有限。现状宁蒙引黄灌区主要以节水效果较为明显的渠系衬砌为主，通过渠系衬砌，减少渗漏量，增加灌区毛节水量。

宁蒙引黄灌区长期引黄灌溉形成了适应区域引排水条件的独特绿洲生态格局，灌溉不仅补充了作物生育期用水，而且对当地地下水有一定补给作用，合理的地下水位成为维持灌区及其周边绿洲的重要保障[5,6]。大规模高强度的节水必然会减少灌区地下水回归水量，进而改变灌区水循环过程和地下水补给规律，对灌区及其周边植被、湖泊湿地带来影响。同时宁蒙引黄灌区引水条件便利，部分地区灌溉表现出大水漫灌的现象，一直被外界诟病。因此，本次从生态约束和作物经济灌溉定额两方面对宁蒙引黄灌区节水潜力进行分析，寻找用水效率和节水影响的平衡点。

2 灌区生态约束条件

2.1 灌区合理地下水位分析

宁蒙灌区地下水在维系植被、泉、河流、湖泊、湿地的生态平衡中至关重要，而植被是地下水位变化良好的“指示剂”。因此，本次通过确定灌区优势植被所需的地下水位来确定河套灌区生态安全地下水位。

2.1.1 灌区优势植被选取

区域优势天然植被是指在灌区及周边绿洲，对整个区域有主导性影响，可代表区域植被特征和环境需求的植被类型。优势度的计算采用日本学者诏田真(1979年)提出的优势度计算公式，在结合研究区的植被特点和数据资料基础上，对相对多度、相对高度、相对盖度和相对频度进行计算，计算公式如下：

优势度=(相对多度+相对盖度+相对高度+相对频度)×(1/400)

(2)

相对多度=(某个种的多度/所有种多度之和)×100

(3)

相对盖度=(某个种的盖度/所有种盖度之和)×100

(4)

相对高度=(某个种的平均高度/所有种平均高度之和)×100

(5)

相对频度=(某个种的频度/所有种频度之和)×100

(6)

通过对各种植被的优势度进行计算，确定优势天然植被有杨树、芦苇、柽柳、白刺、芨芨草、拂子茅等。

2.1.2 优势植被所需地下水位

本次应用基于数量生态学的高斯模型对植被和水位埋深关系进行回归分析，得到森林、灌丛、草甸和沼泽这4种植被对应的适宜地下水位分别为5.0、4.0、2.5和2.0 m。考虑到杨树、柳树等森林旱生植被与地下水关系较小，本次选取拂子茅、芦苇草甸、芨芨草等宁蒙灌区内分布较广、所占比重较大的代表性优势植被，进行植被生长指标与地下水位埋深关系野外调查。结合调查资料对模型模拟结果进行校正，确定研究区影响植被的地下水位，见表1。

表1 优势植被类型、根系深度及其所需的地下水位 m

2.1.3 地下水位变化与灌溉引水关系分析

本次以青铜峡灌区和河套灌区为例，对其灌溉引水量与地下水埋深变化关系进行分析，见图1和图2。从图1和图2可以看出灌区地下水位与灌溉引水量成正相关，灌溉引水量直接影响决定了灌区地下水位变化。近10年来两个灌区地下水埋深在1～2.7 m区间内波动，基本可以满足优势植被所需的维持地下水位，同时可满足部分优势植被所需的最佳水位。若灌区进一步加强节水措施，地下水位进一步下降，达到3 m左右，大部分优势植被将达到所需的红线水位，从而引发生态退化。

图1 青铜峡灌区灌溉引水量与地下水埋深变化关系

图2 河套灌区灌溉引水量与地下水埋深变化关系

2.2 青铜峡灌区生态需水量计算

青铜峡灌区生态用水主要包括灌区及周边生态植被需水和湖泊沼泽湿地补水两方面。本次借助于2010年宁夏遥感资料，获取青铜峡灌区及其周边的土地覆盖信息，农田防护林及固沙植被、湖泊沼泽湿地等分布及面积[7](见表2)。

表2 青铜峡灌区生态需水量表 万m3

生态植被需水是指灌区周边的农田防护林及固沙植被等除利用降水性水资源外所消耗的灌溉水量。根据定额法计算生态植被需水量为1.54 亿m3。胡泊沼泽湿地补水是指利用灌溉水由田间、渠道排出或渗入地下并汇集到湖泊沼泽湿地的水量。分别计算湖泊湿地蒸发损失、草本沼泽蒸散发量等消耗项，减去降雨补给量，得到湖泊沼泽湿地需补水量1.6 亿m3。

综上所述，青铜峡灌区及周边生态系统总需水量为3.15 亿m3，占灌区多年平均耗水量(引黄量-退黄量)的12.7%，占现状年耗水量的18.5%。

3 典型作物经济灌溉定额分析

本次选择青铜峡灌区和河套灌区作为试点分析作物灌溉水量与产量之间的关系，确定典型作物经济灌溉定额，分析现状实灌净定额是否合理。考虑到宁夏引黄灌区排水量较大，本次实灌净定额均为实灌耗水净定额。

3.1 青铜峡灌区春小麦试验成果

青铜峡灌区采用汉延渠管理处红星试验站2013年的实验成果进行分析。采用田间对比试验的方法，以灌水次数和灌水定额两个因素，形成不同灌水次数、不同灌水定额的试验处理，得到春小麦不同灌水量和产量的关系，见图3。

图3 2013年青铜峡灌区春玉米产量—农田补充水量的函数关系

由图3可以看出，起初作物产量随着灌溉水量的增加快速上升，呈现出一种线性关系，当小麦全生育期灌溉定额超过一定值时灌水量已不是影响作物产量的敏感因素，甚至会造成产量下降。因此，可在灌溉水生产率和实际产量中寻找最优区间，力求灌溉水生产率保持较高水平，选择作物全生育期的合理灌溉定额。

3.2 河套灌区春小麦套种向日葵试验成果

采用临河区治丰试验站2014年的试验研究资料，结合灌区实际情况，分析了研究区域当前比较典型的灌溉制度条件下，春小麦套种向日葵作物灌溉水量与总产量的关系。产量与灌水量的关系与青铜峡灌区类似，见图4。

图4 2014年河套灌区春小麦套种向日葵产量—农田补充水量的函数关系

3.3 经济灌溉定额计算

综上所述，青铜峡灌区和河套灌区水分生产函数满足由线性到非线性的变化规律，符合《黄河流域水资源经济模型研究成果》提出的全生育期作物产量与耗水量函数关系式。见公式(7)和(8)。本论证拟采用该函数关系式结合有效降雨量和地下水可利用量推求50%降雨频率主要作物灌溉净定额的合理区间。结果见表3。从表3可见现状河套灌区和青铜峡灌区春小麦和春玉米实灌净定额处于灌溉定额的合理区间，因此，考虑压减净定额谋求节水是并不可取的，从灌溉净定额来看灌区节水潜力有限。

y=aETc+b

(7)

y=aET2c+bETc+c

(8)

式中：ETc为作物经济耗水量；a、b、c为经验系数，它们随地区气候条件、土壤类型与肥力水平等条件的不同，变化较大。本次计算系数根据试验站各种灌水处理水平下的实测资料得到。

表3 50%降雨频率经济灌溉定额计算结果表 m3/hm2

4 考虑生态约束的节水潜力分析

根据前述分析，宁蒙引黄灌区典型作物春小麦和春玉米实际灌溉净定额均在经济灌溉定额范围内，不存在水资源大量浪费的问题，引水后部分水量随着多级复杂渠系回补地下水和湖泊湿地。多年的引黄灌溉，宁蒙引黄灌区已形成复杂的生态系统。本次选取青铜峡灌区为例，充分考虑维持灌区及其周边绿洲生态稳定对节水程度的约束，寻找用水效率和节水影响的平衡点，分析合理的节水潜力。

本次重点针对青铜峡灌区最主要的也是节水效果最明显的渠系节水措施，根据《节水灌溉工程技术规范》(GBT50363-2006)以及相关规划对渠道防渗工程作出的具体要求，设定一般节水、强化节水和极限节水3种节水方案，并分别制定各方案干支斗农渠系衬砌比例，根据理论公式计算推求青铜峡灌区干、分干、支、斗、农级渠道采取防渗措施后的渗漏损失量，进而求得各级渠道采取防渗措施后的渠系水利用系数[8-13]。最终选定0.6、0.65和0.69这3个不同渠系水利用系数的节水措施方案。分别确定不同方案的灌溉水利用系数，利用现状实际灌溉净定额与不同方案的灌溉水利用系数，分析对应现状实灌面积的需水量，将现状灌溉用水量与设定方案需水对比，确定灌区毛节水潜力。

由于渠系衬砌后节水主要来自渗漏损失减少值，而这部分水量主要是回补地下水、湖泊湿地等。这部分节水将对灌区及周边生态产生负面影响。本次将节水量与灌区生态用水量进行比较，分析灌区基于生态约束下的节水潜力(见表4)。从表4可以看出灌区通过渠系衬砌后节水量与灌区生态需水量相差 不大。考虑生态约束后，青铜峡灌区节水潜力非常有限，节水难度较大，极限节水方案，灌区毛节水量仅较灌区生态需水大1.71亿m3。

表4 青铜峡灌区节水潜力计算表 亿m3

注：现状年青铜峡灌区耗水量为17 亿m3。

5 结 语

(1)本文从灌区合理地下水位和典型作物经济灌溉定额两方面定性分析了宁蒙引黄灌区节水潜力相对有限，若灌区进一步加强节水措施，地下水位进一步下降，有可能引发地区生态退化。

(2)以青铜峡灌区为例，定量计算了生态约束条件下灌区的节水潜力，极限节水方案下青铜峡灌区节水潜力也并不大。

(3)宁蒙引黄灌区节水潜力不可用传统的毛节水和净节水来衡量，而应充分考虑维持灌区及周边绿洲生态稳定对节水的约束，寻找节水与生态的平衡点，才是真正的节水潜力。但并不是说节水是毫无意义的，在实际的农业灌溉中，却往往由于灌溉工程不到位而致使灌区内位于灌溉系统末端的农田缺水，并且提高灌溉水利用系数确实能够在不增加灌溉总水量的前提下实现灌溉面积的增加。因此，无论从学术研究角度还是灌溉工程节水改造规划等方面，毛节水量和净节水量的估算都十分有必要。本文仅从渠系节水角度分析青铜峡灌区节水潜力，宁蒙引黄灌区渠系复杂，生态脆弱，节水对地下水位、盐分平衡、湖泊湿地等均产生深远影响，待进一步深入研究。

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