基于采補平衡的河套灌區井渠結合模式及節水潛力

王璐瑤，彭培藝，郝培靜，于 健，楊金忠，朱 焱

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.內蒙古水利科學研究院，呼和浩特，010020)

0 緒 論

內蒙古河套灌區位于干旱-半干旱地區，年蒸發量遠大于降雨量，灌區灌溉用水主要來自于黃河引水。隨著引黃水量的減小，灌區面臨節水和控鹽的雙重壓力，井渠結合成為綜合開發當地水資源、保障農業可持續發展的有效措施。因此，確定合理的井渠結合渠灌與井灌面積的比例以保證采補平衡，并評估其節水潛力和效益，是發展井渠結合灌溉的重點和難點。

井渠結合灌溉是利用井渠結合區地下水補給量中的可開采部分作為井渠結合井灌區的灌溉用水，達到節水的目的[1]。但不合理的開采則會造成區域地下水位的持續下降，及由于水動力條件的改變引起的水質惡化，因此，發展可持續的井渠結合灌溉要保證井渠結合區的地下水采補平衡。國內外學者從節水、控鹽、工程和生態等角度，對井渠結合的類型、實施條件、渠井用水比例等進行了大量研究。盧國榮[2]從井渠結合的類型、井渠工程的布局等對井渠結合灌區水資源優化配置進行了探討。沈榮開[3]研究了實施井渠結合的條件，提出實施井渠結合要同時滿足地下水質和水量要求，并考慮當地水文地質條件的影響。杜偉[4]則基于高效安全用水的角度分析了井渠結合灌區調控模式。針對灌區渠井用水比例問題，周維博[5]通過多元非線性相關分析法建立了灌區地下水動態預報的數學模型，并計算陜西涇惠渠井結合灌區的渠井用水比例。李建承[6]等基于地下水均衡模型，分析了陜西涇惠渠灌區的地下水均衡狀況，得到不同頻率典型年的渠井用水比例范圍。目前的研究多是針對灌區渠井用水比例，對于井渠結合區內渠灌面積和井灌面積比例(渠井結合比)的研究很少。針對河套灌區渠井結合比問題，李郝[7]根據地下水的補排平衡關系建立了井渠結合區水均衡模型，計算了內蒙古河套灌區井渠結合區內渠灌和井灌的合理面積比范圍，該研究對灌區水資源的可持續利用具有重要的指導意義。但是，該研究有幾處考慮不夠全面：僅考慮將地下水礦化度小于2.5 g/L的區域作為井渠結合區，而實際上根據作物灌溉水質要求，小于3.0 g/L的微咸水配以適當的淋洗也可以用作灌溉用水[8,9]；僅計算了作物生育期一種均衡期情況，沒有將秋澆期考慮在內；分析渠道輸水對地下水的補給時，沒有考慮到從總干渠到農渠各級渠道輸水補給地下水的有效性。

進一步改進和發展了河套灌區井渠結合區地下水補排平衡的水均衡模型，考慮各級渠道輸水對地下水補給的有效性，忽略不同級數的渠道輸水對地下水的補給，避免由于某級渠道由于距離灌區(域)過遠或者由于消耗于途中的蒸發、流失而不能有效補給地下水帶來的誤差；根據不同標準選取井渠結合區分布，分別將地下水礦化度小于2.0、2.5、3.0 g/L的區域作為井渠結合區；根據河套灌區秋澆灌水壓鹽的實際情況選取兩種均衡期，分別為生育期和生育期加秋澆期。將不同井渠結合區分布與均衡期進行組合，計算了不同模式下的渠井結合比，得到了井渠結合區渠井結合比的合理范圍。同時，根據得到的渠井結合比和灌區實施井渠結合的面積，本文計算了實施井渠結合后灌區的節水潛力。

1 渠井結合比的計算方法分析

1.1 井渠結合區的確定與分區

河套灌區分為烏布蘭和、解放閘、永濟、義長、烏拉特五個灌域，控制面積約為107.3萬hm2，其中灌溉面積57.4萬hm2，約占控制面積的54%，主要包括農田、林地和牧草地等。灌溉區和非灌溉區在灌區內插花分布，建立模型時對灌區進行概化分區，將灌溉面積和非灌溉面積視為均勻分布。

在河套灌區實施井渠結合，首先要確定井渠結合區分布。井渠結合區內的地下水應滿足灌溉用水的水質要求。灌區內水文地質條件復雜，含水層巖性和厚度差別很大，地下水礦化度的水平向和垂向分布特征較為復雜。因此，需要根據地質、水文地質和土壤條件綜合考慮。結合灌區內5個灌域的水質分布情況，分別考慮將地下水礦化度小于2.0、2.5、3.0 g/L的適宜抽水灌溉的區域作為井渠結合區，相應將灌區內地下水礦化度大于2.0、2.5、3.0 g/L的引黃灌溉區域作為渠灌區，其分布見圖1。井渠結合區內又分為引黃河水進行渠灌的井渠結合渠灌區和抽取地下水進行井灌的井渠結合井灌區，井渠結合渠灌區面積與井渠結合井灌區面積之比稱為渠井結合比。

1.2 均衡期方案的確定

河套灌區全年可以分為作物生長期、秋澆期和凍融期，因此均衡時段的選取也有多種選擇。其中，凍融期整個灌區停灌不予考慮?？紤]兩種均衡期，分別為生育期作為均衡期，生育期和秋澆期作為均衡期，其中，第二種均衡期根據井灌區秋澆用水來源分為兩種情況。因此，均衡期方案共有3種情況，分別是均衡期為生育期，井灌區秋澆引黃河水灌溉，稱為方案一；均衡期為生育期和秋澆期，井灌區秋澆抽取地下水灌溉，稱為方案二；均衡期為生育期和秋澆期，井灌區秋澆引黃河水灌溉，稱為方案三。方案一地下水的補排平衡只在生育期內進行考慮，而井渠結合區引用黃河水進行秋澆又會產生額外的一部分地下水補給。因此，方案一是一種較為保守的方案。

1.3 地下水的補給與消耗分析

井渠結合區內地下水的可開采量通過地下水的補給和消耗確定。灌區內地下水的垂向補給分為渠系輸水補給、田間灌溉補給和降雨補給三部分。黃河側滲補給量、山前側滲補給量相較于地下水的總補給量很少，予以忽略不計[10]。灌區內各級渠道縱橫交錯，遍布整個灌區，因此本文將渠系輸水補給視為面源補給，平均分配到整個灌區上?？偢汕Φ叵滤难a給區域主要分布于總干渠的附近，且在灌區的最南側，易消耗于蒸發蒸騰，不易補給到各個灌域，因此不考慮總干渠對灌區地下水的補給。渠系輸水補給發生在控制面積上，引黃灌溉區域的渠系輸水補給由干渠、分干渠、支渠、斗渠、農渠提供，井灌區域的渠系輸水補給由干渠、分干渠、支渠提供?？偢汕韵赂骷壡涝谳斔^程中，也存在由于離灌域距離遠、消耗于沿途蒸發等原因而不能有效補給地下水的問題。因此，分析渠道輸水補給時，分四種情況考慮，分別是忽略總干渠輸水補給；忽略總干渠、干渠輸水補給；忽略總干渠、干渠、分干渠輸水補給；忽略支渠以上渠道輸水補給。田間灌溉除了滿足作物對水的需求外，也有部分水量補給到地下水中，用田間灌溉地下水補給系數來反映。渠灌區、井渠結合渠灌區、井渠結合井灌區的灌溉面積上均存在田間灌溉補給。降雨過程中存在蒸發、截留、滲漏等損失，損失水量中會有部分補給到地下水，用降雨補給系數來反映。渠灌區、井渠結合渠灌區、井渠結合井灌區的控制面積上均存在降雨補給。

圖1 灌區地下水礦化度分區圖

地下水消耗分為三部分，分別為地下水排水、潛水蒸發和地下水開采。灌區地下水排水量較少，本文忽略不計。潛水蒸發量用地下水可開采系數與地下水總補給量間接計算。地下水的可開采量等于井渠結合區地下水的總補給量乘以地下水可開采系數，作為井渠結合井灌區的灌溉用水。

1.4 渠井結合比的計算方法

本文根據井渠結合區地下水補排平衡，建立地下水均衡模型。井渠結合區各地下水水均衡項如圖2所示。

圖2 灌區地下水均衡概化模型

井渠結合區內地下水補給量來源于控制面積上的渠系輸水補給、降雨補給和灌溉面積上的田間灌溉補給，等于井渠結合井灌區的灌溉用水量。據此建立地下水平衡方程：

(Cs12+Is11+Ps12+Cs22+Is21+Ps22)ρ2=I21

(1)

Cs12=C12α1

(2)

Is11=I11β1

(3)

Ps12=P12γ1

(4)

Cs22=C22α2

(5)

Is21=I21β2

(6)

Ps22=P22γ2

(7)

式中：下標數字代表區域，1表示井渠結合渠灌區，下標11表示井渠結合渠灌區灌溉面積區域，下標12表示井渠結合渠灌區控制面積區域；下標2表示井渠結合井灌區，下標21表示井渠結合井灌區灌溉面積區域，下標22表示井渠結合井灌區控制面積區域；C12和Cs12分別為井渠結合渠灌區控制面積上渠系輸水損失的水量和其補給地下水的水量；I11和Is11表示井渠結合渠灌區灌溉面積上田間灌溉水量和其補給地下水的水量；P12和Ps12表示井渠結合渠灌區控制面積上降雨量和降雨補給地下水量；C22和Cs22分別表示井渠結合井灌區控制面積上渠系輸水損失的水量和其補給地下水的水量；I21和Is21表示井渠結合井灌區灌溉面積上田間灌溉水量和其補給地下水的水量；P22和Ps22表示井渠結合井灌區控制面積上的降雨量和降雨補給地下水水量；ρ2為井渠結合井灌區地下水可開采系數；α1、β1、γ1分別為井渠結合渠灌區渠系輸水補給地下水系數、田間灌溉水補給地下水系數、降雨補給地下水系數；α2、β2、γ2分別為井渠結合井灌區渠系輸水補給地下水系數、田間灌溉補給地下水系數、降雨補給地下水系數。

將式(2)～(7)代入式(1)，可得到自變量為井渠結合渠灌區灌溉面積的一元三次方程。用單變量求解法[11]求解，得到井渠結合渠灌區灌溉面積與井渠結合井灌區灌溉面積，最終求得井渠結合區井渠面積比。

1.5 主要參數取值

灌區(域)的灌溉面積數據來源于《內蒙古自治區巴彥淖爾市水資源綜合規劃報告》[12]，灌區(域)的控制面積、不同地下水礦化度下井渠結合區控制面積數據運用ArcGIS分析獲得，土地利用系數為灌溉面積占控制面積的比例，各項數值見表1。

灌區降雨量數據來源于河套灌區各旗、縣、區2006-2013年降雨資料，以5-10月的降雨量多年平均值作為作物生育期內的降雨量，11月降雨量多年平均值作為秋澆期的降雨量，見圖3。

表1 河套灌區不同類型面積取值 萬hm2

圖3 河套灌區各灌域生育期和秋澆期降雨量

渠灌區、井渠結合渠灌區生育期和秋澆期的凈灌溉定額根據灌區2000-2013年巴彥淖爾市的水利統計資料中的引水量、輸水損失量和灌溉面積推求，井渠結合井灌區生育期和秋澆期的凈灌溉定額來源于《內蒙古自治區巴彥淖爾市水資源綜合規劃報告》[12]，見表2。

表2 凈灌溉定額 m3/hm2

井渠結合井灌區進行井灌時采用膜下滴灌的方式，灌溉水利用系數較高，可達0.9[12]。灌區(域)的地下水可開采系數參考《內蒙古河套灌區地下水合理開采系數分析》[13]和《內蒙古河套灌區地下水合理利用的方案分析》[14]，取值為0.60。

渠系輸水補給系數、田間灌溉補給系數和降雨補給系數根據本地區的實驗資料或經驗數據來取值。3個方案(見1.2節)井渠結合渠灌區的渠系輸水補給系數(0.5)、降雨補給系數取值(0.1)相同；田間灌溉補給地下水系數取值不同，方案一的田間灌溉補給地下水系數取0.15，方案二、三在此基礎上對生育期和秋澆期的灌溉定額進行加權平均(秋澆期灌溉補給地下水系數為0.3)，得到3種方案下的井渠結合渠灌區和井灌區的田間灌溉補給系數(見表3)。井渠結合井灌區比井渠結合渠灌區地下水埋深大0.5～0.8 m，土壤虧缺量更大，因而其渠系輸水、田間灌溉和降雨的補給量和補給系數均較小,降雨入滲補給地下水機理探討)。因此，計算時取井渠結合井灌區比井渠結合渠灌區渠系輸水補給地下水系數小0.05，田間灌溉補給地下水系數小0.02，降雨補給地下水系數小0.02。

表3 灌區(域)田間灌溉補給地下水系數取值

2 渠井結合比計算結果與分析

2.1 渠井結合比

將參數代入到地下水平衡方程中，求解后得到井渠結合渠灌區和井渠結合井灌區的灌溉面積和渠井結合比。如1.1節所述，本文對井渠結合區的選取按照不同標準共考慮了3種情況，每種情況又由于均衡期選取和井灌區秋澆形式的不同分為3種方案，每種方案下依據考慮的渠道輸水補給地下水級數的不同又分為4種情況。因此，共有36種組合情況，得到36種結果。分別取地下水礦化度小于2.0、2.5、3.0 g/L的區域作為井渠結合區時，得到渠井結合比結果如表4-6。比較分析后可以得出結論，井渠結合區地下水礦化度上限取值分別為2.0、2.5、3.0 g/L時，不同方案灌區(域)渠井結合比計算結果近似相等。

表4 井渠結合區地下水礦化度小于2.0 g/L時渠井結合比

表5 井渠結合區地下水礦化度小于2.5 g/L時渠井結合比

表6 井渠結合區地下水礦化度小于3.0 g/L時渠井結合比

2.2 敏感性分析

本文建立的井渠結合區地下水平衡模型涉及大量的參數，包括：土地利用系數、渠道輸水補給地下水系數、田間灌溉補給地下水系數和降雨補給地下水系數等，參數的取值將對結果產生一定影響。因此，需要對參數進行敏感性分析。不同地下水礦化度條件、不同方案、考慮不同級數的渠道輸水補給地下水時，參數敏感性大小會有差別，但是不同參數的相對數值和趨勢是一致的。本文以灌溉水質標準為2.5g/L時方案三中忽略總干渠、干渠補給情況為基礎進行參數敏感性分析。

敏感性分析中，常用敏感度系數[15]來評價計算結果對不確定因素的敏感程度，其計算公式如下：

(8)

式中：SAF為評價指標A對于不確定因素 的敏感度系數；ΔF/F為不確定因素F的變化率；ΔA/A為不確定因素F變化ΔF時，評價指標A的變化率。

SAF>0，表示評價指標A與不確定因素F成正相關；SAF<0，表示評價指標A與不確定因素F成負相關。|SAF|越大，表示評價指標A對于不確定因素F越敏感。

井渠結合渠灌區的土地利用系數(灌溉面積占控制面積的比例)Δ、渠道輸水補給地下水系數α1、田間灌溉補給地下水系數β1、降雨補給地下水系數γ1，井灌區的地下水可開采系數ρ2對面積比有顯著影響，計算得到的各參數敏感度系數如圖4所示。

圖4 各參數敏感度系數

由式(8)和圖4可知，渠井結合比與土地利用系數成正相關，與渠道輸水補給地下水系數、田間灌溉補給地下水系數、降雨補給地下水系數、地下水可開采系數成負相關。分析其原因，土地利用系數一定時，井渠結合區的灌溉面積是一定的，渠道輸水補給地下水系數、田間灌溉補給地下水系數、降雨補給地下水系數、地下水可開采系數越大，地下水可開采量越大，可以灌溉的井渠結合井灌區的灌溉面積越大，相應的井渠結合渠灌區的灌溉面積越小，渠井結合比越??；土地利用系數越大，井渠結合區灌溉面積越大，地下水補給量越大，井渠結合井灌區的灌溉面積越大，井渠結合井灌區灌溉面積的增長速度不及井渠結合渠灌區，因而渠井結合比越大。敏感性由高到低依次為地下水可開采系數、土地利用系數、渠道輸水補給地下水系數、田間灌溉補給地下水系數、降雨補給地下水系數。

選擇參數上下波動20%，計算相應的渠井結合比的變化率，計算結果如圖5(a)和(b)所示。結果表明，除井渠結合井灌區地下水可開采系數外，其他參數變化20%，渠井結合比變化率均在20%以內。但當地下水可開采系數變化20%時，渠井結合比變化均超過20%，說明渠井結合比對井渠結合井灌區的地下水可開采系數較為敏感，因此對該參數取值要慎重。

圖5 參數變化-20%和+20%時渠井結合比變化率

3 節水潛力計算結果與分析

本文以井渠結合實施后，減少從黃河引進的水量作為灌區的節水潛力。井渠結合膜下滴灌實施前，整個灌區全部引黃河水進行渠灌，引水量為作物生長期和秋澆期的引水量之和。井渠結合膜下滴灌實施后，根據3種方案分別計算其引水量。方案一和方案三的引水量為渠灌區、井渠結合渠灌區生育期和秋澆期，井渠結合井灌區秋澆期的引水量之和；方案二的引水量為渠灌區、井渠結合渠灌區生育期和秋澆期的引水量之和。

井渠結合前引水量：

(9)

實施方案一后引水量：

(10)

實施方案二后引水量：

(11)

實施方案三后引水量：

(12)

節水潛力為實施井渠結合后減少的引黃水量，其計算公式為：

Qs=Qb-Qai(i=1,2,3)

(13)

式中：m0、m0q、m2q分別為渠灌區生育期凈灌溉定額、渠灌區秋澆期凈灌溉定額、井渠結合井灌區秋澆期凈灌溉定額,m3/hm2；A01、A11、A21分別為渠灌區灌溉面積、井渠結合渠灌區灌溉面積、井渠結合井灌區灌溉面積，萬hm2；η為渠灌區的灌溉水利用系數；Qb、Qa1、Qa2、Qa3、Qs分別為實施井渠結合前的引黃水量、實施井渠結合后方案一的引黃水量、實施井渠結合后方案二的引黃水量、實施井渠結合后方案三的引黃水量、節水潛力，萬m3。

由式(9)～(13)，得到全灌區不同礦化度情況的3種方案下考慮不同級數的渠道輸水補給地下水時的節水潛力，見表7。

表7 總灌區節水潛力 億m3

由表7可知，方案一的結果最為保守；方案二井灌區全年井灌，求得的節水潛力最大；方案三井灌區只有生育期井灌，節水潛力介于兩者之間。比較分析后發現,方案三一方面在均衡期中考慮了秋澆期較之方案一更符合實際情況不至于計算結果過于保守，另一方面引黃河水對井灌區進行秋澆，較之方案二可以更好得控制土壤鹽堿化。對于渠系輸水補給地下水的考慮，忽略總干渠、干渠的情況和忽略總干渠、干渠、分干渠渠道輸水補給的情況相較之下既不過于保守也不至于使計算的節水潛力結果過小。綜合考慮，方案三忽略總干渠、干渠渠道輸水補給和忽略總干渠、干渠、分干渠渠道輸水補給的情況更具代表性。灌溉水礦化度要求小于2.0、2.5、3.0 g/L時，渠井結合比為2.3～3.4，全灌區節水潛力范圍分別為2.6～3.5、3.4～4.6、4.7～6.3億m3?？梢姽喔人V化度上限越高，渠井結合區面積越大，節水潛力越大。

4 結 語

通過研究區的地下水補給與排泄的分析，以井渠結合區的地下水補給量與井灌區的地下水開采量平衡為限制條件，建立井渠結合區地下水均衡模型。采用灌區的長期觀測數據，求解水均衡方程，得到灌區實施井渠結合的渠井結合比例和節水潛力。主要結論如下。

(1)灌溉用地下水礦化度要求上限分別取2.0、2.5、3.0 g/L時，渠井結合比結果近似相等。渠井結合比在2.3～3.4為宜，過大將導致地下水過度開采帶來生態環境問題，過小無法充分利用地下水。

(2) 渠井結合比與土地利用系數成正相關，與渠道輸水補給地下水系數、田間灌溉補給地下水系數、降雨補給地下水系數、地下水可開采系數成負相關，對參數的敏感性由高到低依次為地下水可開采系數、土地利用系數、渠道輸水補給地下水系數、田間灌溉補給地下水系數、降雨補給地下水系數。其中，渠井結合比對地下水可開采系數尤其敏感，因此該參數的取值要慎重。

(3)通過井渠結合可以有效減少引黃水量，灌溉用地下水礦化度要求上限分別取2.0、2.5、3.0 g/L時，節水潛力分別為2.6～3.5、3.4～4.6、4.7～6.3億m3。

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致謝：在資料收集過程中得到內蒙古農業大學屈忠義教授的協助。

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