黄河流域典型灌区节水潜力评估

杨翊辰，刘柏君

（1.武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072；（2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

1 研究背景

根据“黄河流域生态保护与高质量发展”战略要求及“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”新时期治水思路，进一步挖掘流域节水潜力成为推进流域水资源利用由粗放式向集约化转变的主要方式之一[1，2]。黄河流域节水重点在农业，农业节水重点在黄河上中游地区及下游引黄灌区，特别是宁蒙引黄灌区，灌溉定额约为下游地区的2倍、中游地区的3倍、关中地区的4倍，诸多专家学者认为，宁蒙引黄灌区灌溉定额偏高，不合理的秋浇灌溉方式造成了水资源浪费[3，4]。如何科学系统地评判黄河流域典型灌区节水潜力，是流域水资源精细化管理迫切需要回答的焦点问题。

近些年，诸多学者针对节水潜力问题开展了相关研究。Wu等采用替代模型，探究了地表水与地下水的互馈关系，分析了节水在水资源管理中的必要性[5]。费远航等采用首尾法对比分析了河网区不同尺度灌区灌溉水利用系数，综合评价了不同尺度灌区灌溉水利用系数提高阈值与真实节水潜力[6]。张义敏等采用数据包络分析模型，评价了广东省21个市农业、工业、城镇生活节水潜力，发现农业节水潜力较大[7]。王璐瑶等构建了灌区地下水补给均衡模型，根据渠井结合比，计算了灌区的节水潜力[8]。王林威等通过研究宁蒙灌区合理灌溉定额，分析了青铜峡灌区在生态需水约束下的节水潜力[9]。宋国君和高文程构建了城市节水潜力评估模型，论证了农业节水存在的较大潜力[10]。陈东等分析了我国农业节水灌溉技术的发展过程并探究了其存在的问题，从而提出了对应的解决措施[11]。刘凡等系统整理并分析了不同行业节水潜力预测方法的优劣与发展趋势[12]。代小平等通过计算小麦、玉米和水稻相对水分利用效率，提出了作物理论节水潜力计算方法[13]。秦长海等基于自然-社会二元水循环基本规律，对京津冀地区节水潜力进行了计算[14]。

作为我国重要的粮食基地，黄河流域农业灌溉需求高，典型灌区节水潜力评估问题现阶段还未开展研究。因此，研究基于生态保护要求，以农业灌溉节水为核心，选取流域典型灌区为研究对象，基于多方位节水措施，利用一种净节水潜力计算方法，全面、系统地评估黄河流域典型灌区的节水潜力，以期为实现黄河流域生态保护、水资源可持续利用及优化构建水资源配置格局提供有力支撑。

2 研究区概况

黄河流域面积79.5万km2（包括内流区4.2万km2），干流河道全长5 464 km，于东营市注入渤海。受水土资源条件的制约，流域灌区主要分布于上游宁蒙平原、中游汾渭河盆地与下游河南、山东引黄灌溉区域，其余灌区集中在青海湟水河谷及甘肃中部地区。统计可知，黄河流域内大型灌区有52个，主要分布于河南省与陕西省；中型灌区有695个，主要分布在甘肃省和陕西省[15]。黄河流域及下游引黄大中型灌区分布特征，详见表1。

表1 黄河流域大中型灌区分布特征

黄河流域2016年农田有效与实际灌溉面积分别为557.6万、478.7万hm2，流域内和流域外引黄灌区工程节水面积分别为386.1万、85.8万hm2，用水量为294.8亿m³[16]。在黄河流域10万亩以上的灌区中选取有代表性的灌区作为典型，分析灌区引耗水量及用水水平、主要节水措施，评估流域典型灌区节水潜力，指明节水发展方向。本文选择青甘地区的景电一期灌区，宁蒙地区的青铜峡灌区、河套灌区，晋陕地区的汾河灌区、尊村灌区、宝鸡峡灌区和东雷一期抽黄灌区，豫鲁地区（下游引黄灌区）的人民胜利渠灌区、位山灌区9个典型灌区为研究对象，所选灌区分布如图1所示。论文所用灌区面积、节水面积、灌溉用水量、灌溉定额、灌溉水利用系数等数据从黄河流域水资源公报及黄河勘测规划设计研究院有限公司收集。

图1 黄河流域概况及主要灌区分布

3 节水潜力评估方法

现有方法是通过提高灌溉水利用效率计算灌区毛节水潜力（理论节水潜力），在农业灌溉中，提高灌溉水利用效率可以减少可供水量，但会降低部分深层渗漏量和灌溉回归水量，而深层渗漏量是灌区地下水的主要来源之一，上游灌区的灌溉回归水量又是下游灌区可供水量的来源之一。由此，毛节水潜力没有考虑其中因节水而减少的可重复利用地表回归水量和地下水补给量的影响[17，18]。为了避免毛节水潜力存在的问题，研究采用一种净节水潜力计算方法，即在可预知的技术水平条件下，通过采取一系列工程和非工程节水措施，同等规模下未来预期需耗水量与现状年耗水量的差值即为节水潜力。该节水潜力可以直接反映区域采取节水措施后能够减少的耗水资源量，减少的这部分耗水量可以作为区域新增水资源量被其他用水部门利用消耗，能够体现区域真实可能的节水量。

挖掘农业节水潜力主要通过3个途径：①调整农业种植结构，减少高耗水作物种植比例，降低平均灌溉定额；②依靠农业技术进步，采取先进灌水技术和科学灌溉制度，提高灌溉水利用效率；③通过工程节水措施，有效地降低灌溉定额，提高灌溉水利用系数，达到节约灌溉水量的目的[19，20]。

图2显示了灌区节水潜力评估原理。曲线AB和曲线CD分别代表某灌区在I净1和I净2耗水水平下的灌溉用水曲线。其耗水水平之间的关系为[21]：

图2 灌溉指标相关关系曲线

点A为节水前的灌溉水平（Q0，I净1，η0），点C为节水后的灌溉水平（Q2，I净2，η1），Q0和Q2分别为节水前和节水后的毛灌溉用水量。

（1）计算提高灌溉水利用系数后的可节水量ΔQB。假定净灌溉定额I净1不变，将灌溉水利用系数由η0提高到η1，此时的灌溉用水量变为Q1，灌溉水平变为B（Q1，I净1，η1）。此时，ΔQB为：

（2）计算减少田间无效蒸发、降低净灌溉定额后的可节水量。假定灌溉水利用系数不变，考虑到I净由曲线AB水平降低到曲线CD水平，对应的灌溉水平为D（Q1，I净2，η0），此时的可节水量仍为ΔQB。对于提高灌溉水利用系数，其单位面积节水量为：

对于降低净灌溉定额，其单位面积节水量为：

因此，灌区单位面积节水量ΔQ综可表示为：

式中：ΔQ综为提高灌溉水利用系数和降低净灌溉定额的单位面积节水潜力（万m³/hm2）；I净1和I净2分别为提高前后的净灌溉定额（m³/hm2）；η0和η1分别为提高前后的灌溉水利用系数。ΔQ综与灌区面积乘积就是灌区的节水潜力。

4 节水潜力评估结果

黄河流域平均灌溉用水量为5 520 m³/hm2，小于全国和长江流域的5 700、6 165 m³/hm2；灌溉水利用系数为0.54，小于全国的0.542、华北地区的0.596、东北地区的0.590与华东地区的0.570，灌溉水利用系数相对较小。

典型灌区特征指标，详见表2。

表2 典型灌区特征指标

渠道防渗是降低渠道水量损失最根本和最有效的措施[22]。黄河流域2016年渠道防渗面积为205.5万hm2，占有效灌溉面积的33.0%；管、喷、微灌等高效节水灌溉面积为180.5万hm2，占有效灌溉面积的29.0%，仍与国际先进水平有一定差距；由此可知，黄河流域灌区农业还具有一定节水潜力。因此，提出相应农业节水措施：①在有地形条件的地表水自流灌区，实施“管代渠”输水方案，充分利用地形条件实现自压供水；②在地表水提水灌区，积极推进管灌，在特色作物区优先考虑输水使用管道，田间实施微灌及喷灌；③对于地下水井灌区或井渠结合灌区，在地下水资源丰富、水质满足灌溉要求的地区，全面采用管道输水方式，田间灌溉技术方面推广管灌，有条件的地区积极发展喷灌及微灌；④在特色类、经济林果类等优势作物区，严重缺水及生态脆弱的大田粮食作物区，优先发展高效节水技术，尤其是微灌和喷灌技术[23，24]。

根据《节水灌溉工程技术规范》（GB/T50363-2018），达到节水灌溉面积标准的灌溉水利用系数，大型渠道防渗灌区不应低于0.50，中型渠道防渗灌区不应低于0.6；井灌区不应低于0.8；喷灌区不应低于0.8，微喷灌区不应低于0.85，滴灌区不应低于0.9。由此对灌区综合灌溉水利用系数进行推算。通过节水措施，可将黄河流域（不含下游引黄灌区）节水灌溉面积增加到622.8万hm2，节灌率、高效节灌率和灌溉水利用系数分别提高到100%、40.7%和0.61；下游引黄灌区节水灌溉面积增加到227.0万hm2，节灌率、高效节灌率和灌溉水利用系数分别提高到100%、35.2%和0.57。黄河流域各省（区）节水灌溉面积规模与节水前后灌溉水利用系数特征，详见表3—4。

表3 黄河流域各省（区）节水灌溉面积发展规模 万hm2

表4 黄河流域各省（区）节水前后灌溉水利用系数特征

利用表3—4的成果，基于黄河流域各省（区）灌溉面积发展规模，分析灌溉面积调整后对应各分区作物经济灌溉净定额，结合作物经济灌溉净定额与节水后灌溉水利用系数综合推算对应各省（区）满足作物生产需水条件下的农林牧经济灌溉净定额。因此，通过计算，黄河流域内典型灌区（不含下游引黄灌区）总节水潜力为16.24亿m³，其中，内蒙古河套灌区节水潜力最大；下游引黄灌区总节水潜力为10.53亿m³，其中，山东省位山灌区节水潜力较河南省人民胜利渠灌区多2.53亿m³，结果见表5。与现有成果对比发现[1，18，25-26]，本文计算的黄河流域典型灌区节水潜力结果基本合理，说明文中所用节水潜力评估方法是合理且有效的，具有良好的可操作性。

表5 节水潜力计算结果

5 结语

（1）研究采用净节水潜力计算方法，评估了黄河流域典型灌区节水潜力，结果显示：黄河流域内典型灌区节水潜力为16.24亿m³，其中，内蒙古河套灌区节水潜力最大；下游引黄灌区节水潜力为10.53亿m³，其中，山东省位山灌区节水潜力最大。

（2）考虑到现状黄河流域灌区节水量基本上是优先用于未满足的农业用水需求，剩下的节水量才转让给工业等行业的实际情况，且黄河西北地区干旱的自然条件和脆弱的生态环境禀赋导致了水权转让的有限性，未来黄河流域灌区节水后可进行转换使用的难度较大[27]。

（3）受多因素影响，黄河流域未来节水潜力有限，通过节水无法从根本上缓解流域水资源供需严重失衡的矛盾。加快推进南水北调西线工程建设，配合龙羊峡、刘家峡、小浪底等水库联合调节[16]，是解决黄河流域缺水最为有效的措施之一。