內蒙古河套灌區農業灌溉資源型節水潛力分析

朱正全，馮紹元，王 娟，徐 英，仇錦先(揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

0 前 言

據統計，我國農業用水量約占全國總用水量的70%，而其中的90%以上是用于農業灌溉，因此農業是我國的第一用水大戶。已有研究成果表明我國農業用水不僅比重相當大，而且用水效率低，具有很大的節水潛力[1]。

(1)農業節水潛力確定方法。目前，學術界對節水潛力尚未形成一個統一、公認的定義和概念。傳統意義的節水潛力主要是指某單個部門、行業(或作物)、局部地區在采取一種或多種綜合節水措施后，與未采取節水措施相比，所需水量(或取水量)的減少量[2]。我國學者通過對一些實驗研究地區進行節水潛力分析計算，逐漸形成了一系列較為成熟的節水潛力計算方法。段愛旺將真實節水潛力分為狹義和廣義兩種，狹義節水潛力是在一定條件和技術下，灌溉用水的減少量，廣義節水潛力是指依靠田間節水措施，減少的基礎用水量的數值[3]。裴源生等提出耗水節水的概念，認為真實的節水潛力應同時包含取用水節水和耗水節水，耗水節水量體現了區域真正的節水潛力[4]。傅國斌從作物需水量出發，通過考慮多種因素，構建了一個理論節水潛力的計算公式，將某一基準年的實際灌溉用水量和灌區非充分灌溉條件下灌溉需水量的差值作為理論上的節水潛力[5]。美國加州戴維斯大學土地、大氣和水資源系的Davenport和Hagan對灌溉取水與節水量中的可回收水和不可回收水的概念做了相對系統的說明，并分析了加州的灌溉節水潛力[6]。崔遠來認為計算節水潛力時應考慮尺度效應，用同一方法計算不同尺度下的節水潛力會有所不同[7]。田玉清等提出灌區的節水潛力是指一定的技術條件下，通過采取一系列的節水技術措施，同樣規模灌區預期的灌溉需水量與基準年相比減少的水量，定義最大可能節水量為理論節水潛力，并分別采用整體法和分項法計算黃河干流大型自流灌區的節水潛力[8]。周華[9]、周振民[10]利用灰色理論建立微分預測模型，分別對寧夏河套灌區和河南省人民渠灌區進行水資源供需分析，并計算相應節水潛力。李英能根據《全國灌溉用水定額編制》的研究方法與成果，通過對一些參數的概化，從而提出一種區域發展節水灌溉的節水潛力簡易計算方法[11]。湯英采用情景分析法從輸水系統及田間系統兩方面計算了灌區農業節水潛力[12]。水利部[13]與海委[14]分別考慮不同的節水措施，并推出計算節水潛力的公式來估算綜合節水潛力。劉小燕等采用定額比較法分析了通遼市科爾沁地區現狀年和規劃年的農業節水潛力[15]。

(2)資源型節水潛力研究進展。為了克服傳統節水潛力計算中的局限性，沈振榮提出“真實節水”的概念，為農業節水提供了一種新的科學理念和研究方向[16]。王海龍等以渭河流域在陜西省的關中地區為例，界定了資源型節水潛力，估算了該區域主要作物種植面積不發生變化、繼續擴大渠道襯砌工程建設、合理開發利用農業水資源的情況下的節水潛力[17]。尹劍等用資源型和效率型兩類節水潛力，分別代表田間或灌區尺度和流域大尺度的節水潛力，并計算了25%、50%、75%和90%四種水文頻率年下的渭河流域關中段九大灌區的農業節水潛力[18]。

本文采用資源型節水潛力的計算方法，分別計算得到河套灌區一干、解放閘、永濟、義長和烏拉特5個灌域的主要作物灌溉需水量，從而估算出內蒙古河套灌區的農業灌溉資源型節水潛力，不僅對灌區節水灌溉規劃具有科學的指導意義，而且對發展節水技術灌溉、優化作物種植結構、提高農業水資源利用率、促進區域農業生產的可持續發展等都有著十分重要的意義。

1 研究區概況

內蒙古河套灌區位于黃河上中游內蒙古段北岸的沖積平原，東臨包頭市，南至黃河，西接烏蘭布和沙漠，北抵陰山山脈的狼山、烏拉山洪積扇。行政區劃包含了巴彥淖爾市的臨河縣、磴口縣、五原縣、烏拉特前旗、杭錦后旗等旗縣。

河套灌區從三盛公攔河樞紐控制引水，由180 km 的總干渠供水、220 km 的總排干溝排水，以烏梁素海作為灌區的排水承泄區，通過13條干渠、10條干溝控制整個灌區的灌溉排水，形成一個帶狀有灌有排的一首制灌區[19]。河套灌區總土地面積111.93萬hm2，灌區的設計灌溉面積為73.33萬hm2，東西長250 km，南北寬達 50 km，現灌溉面積57.40萬hm2，其中農田和林草的面積分別約為2.47和4.93萬hm2。按行政區劃分為一干管理局、解放閘、永濟、義長、烏拉特5個灌域(圖1)。

圖1 內蒙古河套灌區位置示意圖

河套灌區蒸發強烈,降水較少,風沙較大,熱量充足。全年平均氣溫6.3～7.6 ℃, 年平均降雨量130～215 mm, 多年平均蒸發量在2 100～2 300 mm之間,年平均無霜期160～180 d。每年的11月中下旬土壤開始凍結,凍土層厚度約1～1.3 m,直到5月中旬凍層才全部融通,土壤凍結期歷時長達180 d。

河套灌區多年平均引黃河水量約49.5億m3，多年平均地下水位埋深1.72 m。灌區地勢平坦,海拔高度1 020～1 054 m,東低西高,坡降為1/6 000至1/8 000,走勢為南高北低。

1999年10月內蒙古自治區確定分配給河套灌區的引黃指標將由52億m3減至40億m3，這對灌溉水源高度依賴黃河水的河套灌區是一個嚴峻的挑戰，河套灌區農業灌溉和經濟發展將會受到一定影響，因此，在河套灌區開展農業節水勢在必行。目前，河套灌區所實施的工程節水改造、調整作物種植結構以及合理開發利用地下水資源等措施，對緩解河套灌區水資源緊張的趨勢有著重要的作用。

2 河套灌區農業灌溉資源型節水潛力分析及估算

結合已有研究成果，本文針對河套灌區農業灌溉資源型節水潛力進行分析及估算。本文的研究思路是：在滿足作物需水量的前提下，通過灌區工程改造(如渠道襯砌)等，進行田間基礎建設工程和節水灌溉技術改造以提高灌溉水利用系數，優化作物種植結構以減少灌溉用水量，從而估算河套灌區灌溉引黃水量的減少量。因此，首先分析河套灌區主要作物需水量，扣除耗用的灌溉水以外的水量，得到凈灌溉需水量，再根據灌溉水利用系數計算毛灌溉需水量，其值較現狀水平年灌溉需水量的減少量即為資源型節水潛力。

2.1 作物需水量ET

作物需水量是農業灌溉與節水的核心指標，它的估算和測定，目前廣泛采用世界糧農組織(FAO)的推薦的Penman-Monteith公式來計算[20]，即作物系數與參考作物需水量的乘積：

ET=kcET0

(1)

式中：kc為作物系數；ET0為參考作物騰發量。

2.2 凈灌溉需水量In

凈灌溉需水量是指需要用灌溉方式來滿足作物正常生長的那部分水量。本文假定整個作物生育期起始階段土壤水分條件不發生變化或只是微量變化，此時，凈灌溉需水量的計算如下：

In=ET-αP-G

(2)

式中：α為降水有效利用系數；P為作物生育期內實際降水量；G為作物直接耗用地下水量。

自然降水中實際被根層土壤儲存的水分才能算作是有效降水，通常用實際降水量乘以降水有效利用系數所得，在河套灌區降水稀少，根據已有研究成果，大致認為 ，即所有降水均為有效降水，所得結果與實際相差不大。地下水補給主要來源于灌溉水的入滲。河套灌區地下水與灌溉水的關系較為復雜，為實用起見，本文從資源型節水的角度分析河套灌區節水潛力，假定作物直接耗用的地下水量為零。

2.3 毛灌溉需水量Ig

灌溉水從水源地輸送到被作物吸收利用的過程中，存在著蒸發、滲漏等不可避免的損失，因此，實際從水源處引用水量要遠高于凈灌溉需水量，毛灌溉需水量即為凈灌溉需水量與輸水過程中的損失量之和，可由凈灌溉需水量除以灌溉水利用系數η水求得，即：

Ig=In/η水

(3)

灌溉水利用系數一般在數值上等于田間水利用系數與渠系水利用系數的乘積。

2.4 農業灌溉資源型節水潛力ΔW

其計算公式為：

ΔW=W0-W1

(4)

(5)

式中：W1為規劃年灌溉需水量；Ai為規劃年第i種作物種植面積；kci為第i種作物的作物系數；W0為現狀年灌溉需水量。

2.5 河套灌區農業灌溉資源型節水潛力估算

以2010年為現狀水平年，河套灌區現狀年灌溉引黃水量為46.79億m3，以2020年、2030年分別作為近期和遠期規劃水平年，灌區農業節水工程改造實施方案參考《內蒙古自治區巴彥淖爾市水資源綜合規劃報告》(武漢大學水利水電學院，2005-05)的成果。

(1)河套灌區規劃年田間、渠系和灌溉水利用系數。依據《內蒙古自治區巴彥淖爾市水資源綜合規劃報告》的研究成果，灌區實施節水改造方案之后，其規劃年田間水利用系數、渠系水利用系數以及灌溉水利用系數見表1。

表1 河套灌區規劃年田間、渠系和灌溉水利用系數

(2)作物種植結構。近年來,內蒙古河套灌區主要作物的總灌溉面積有所上升，其中耗水較多的小麥近十幾年來種植面積總體不斷減少，而玉米、葵花的種植面積則一直在增加。設定規劃年灌區作物種植結構，具體數據略。

(3)河套灌區主要農作物需水量。河套灌區主要作物需水量如表2所示。

表2 內蒙古河套灌區主要作物需水量 mm

(4)有效降水量。河套灌區多年平均降水量130～215 mm,且降水量自東向西、由南向北遞減。灌區不僅年降水量少，而且年內降水量分配極為不均，有著明顯的季節差異。降雨集中在夏秋兩季，占全年降水量的85%以上。主要作物生育期內的有效降雨量如表3。

(5)河套灌區規劃水平年灌溉需水量。根據表1-3，利用公式(5)，在不考慮擴大灌區灌溉面積的條件下，可以估算出規劃年河套灌區的灌溉需水量如表3。

表3 河套灌區主要作物生育期內的有效降雨量 mm

表4 河套灌區規劃年主要作物灌溉需水量 億m3

(6)規劃年農業灌溉資源型節水潛力值。以2010年為河套灌區農業灌溉資源型節水潛力估算的基準年，根據河套灌區各灌域引水量資料，2010年河套灌區實際引黃水量為46.79億m3，由式(4)可得，內蒙古河套灌區規劃年2020年和2030年的作物農業灌溉資源型節水潛力值分別為6.97和9.16億m3。

通過進一步的分析計算，比較農業灌溉節水不同環節的節水潛力，可知輸水渠道襯砌的節水潛力最大，規劃年2020年和2030年分別節水3.92和5.83億m3；其次是優化種植作物結構，可節水2.85億m3。

3 結 語

通過對河套灌區系列統計資料分析和野外實際調研，并結合已有研究成果，本文對河套灌區農業灌溉資源型節水潛力進行了較為系統的分析與估算，主要結論如下。

(1)以2010年為基準年，河套灌區規劃年2020年和2030年農業灌溉資源型節水潛力分別為6.97和9.16億m3，節水潛力較大。

(2)河套灌區輸水渠道襯砌的節水潛力最大，其次是優化作物種植結構。因此，河套灌區節水改造的重點在農業灌溉輸水系統的改造與配套，以提高渠系水利用系數，進而提高農業水資源利用效率。

(3)由于河套灌區淺層地下水的補給來源主要是農業灌溉水的入滲。因此，在提高灌溉水利用系數的同時，減少了對地下水的補給，導致地下水位降低，并減少農作物對地下水的充分利用。河套灌區的這種農田水文過程的復雜性及其作用過程需要進一步的深入研究。

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