寧夏紅寺堡揚黃灌區農業灌溉供需平衡研究

杜　斌，段超宇，張紅玲，王　樂

(1.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 2100292.寧夏回族自治區水利科學研究院，銀川 750021)

0　引　言

寧夏紅寺堡揚黃灌區是全國最大的高揚程旱作扶貧移民開發區，灌區介于東經105°45′～106°30′，北緯37°10′～37°29′，灌區土地總面積8.8 hm2。地形坡度1/50～1/150，地面高程1 200～1 450 m。灌區多年平均降水量197 mm，多年平均水面蒸發量1 280 mm(E601)，多年平均氣溫8.4 ℃[1]。該灌區屬于5級揚水灌溉工程，共有揚水泵站14座、總裝機容量11.66 萬kW、總揚程306.84 m、干渠總長度為97.67km[2]。該灌區在揚黃工程建設之前是荒蕪之地。1994年9月，水利專家錢正英院士帶領國家農林水專家組來寧考察時，遂提出“揚黃引水，生態移民，從根本上解決寧夏百萬人口的貧困問題，寬松南部山區發展環境”的構想[3]。一期工程于2003年實現全線通水。國家原批準的灌區規模為5 萬hm2，2005年根據《國家發展改革委關于寧夏扶貧揚黃灌溉一期工程建設規模及初步設計概算調整的批復》(發改投資[2005]1821號)，灌區規模調整為3.67 萬hm2。隨著灌區灌溉設施的不斷配套，移民人口的不斷增加，灌區耕地面積逐年增加，據不完全統計，紅寺堡灌區截止2016年底，實際開墾耕地面積6.23 萬hm2，2016年有效灌溉面積4.89 萬hm2[4]，主要種植結構為玉米、林草，由于灌溉面積的增加，灌區在灌溉用水高峰期出現灌水調度緊張，甚至出現泵站供水、渠道輸水能力不足，上下游灌溉搶水的情況。因供需不平衡，影響灌區農民收入水平的提高。本文通過對紅寺堡灌區現狀分析，以期為灌區灌溉提供理論決策。

1　研究方法

本文針對紅寺堡實際情況，通過統計近年來各灌域作物種植結構及面積、調查不同作物灌溉制度，計算相應灌域灌水率，得出各灌域灌溉實際用水情況及渠道輸水流量，通過與渠道設計流量及泵站運行能力比較，制定保證需水下的合理的水資源調配制度，為紅寺堡灌區合理調度和各類灌溉工程建設提供理論支撐。

2　結果分析

2.1　現狀水量分配分析

圖1為近5年各灌域實際平均綜合灌溉定額(實線)和灌域灌溉面積(虛線)的變化情況，從圖中可以看出，紅一、二干輸水干渠灌溉面積為0.23 萬hm2左右，幾乎保持不變，其他各灌域近5年灌溉面積逐年增加，紅寺堡灌區整體灌溉面積增加24.66%，其中紅三干灌域增幅為9.6%，紅五干灌域為121.3%。灌區總體平均綜合灌溉定額逐年下降，2016年較2012年平均綜合灌溉定額減少795 m3/hm2，各灌域變化量不盡一致，紅一、二干渠灌域平均綜合灌溉定額呈逐年增大趨勢，紅三、四、五干灌域逐年下降，其中紅五干灌域2016年平均綜合灌溉定額為2 861 m3/hm2，較2012年5 225 m3/hm2減少了2 364 m3/hm2，總體表現為灌區上游灌水量大，灌區下游小，搶用水現象嚴重，綜合灌溉定額的減小主要與灌溉面積的持續增大有關，灌水量調配與灌溉面積的增幅嚴重失調，導致各灌域綜合灌溉定額嚴重不均衡，灌區上游灌溉水有效利用系數低，下游灌水不足，農業減產。

2.2　基于灌溉面積的灌域需水量計算

灌水率是指灌區單位面積上所需灌溉的凈流量，又稱灌水模數。灌水率計算公式：

(1)

式中：q凈為某作物某次的灌水率，m3/(s·hm2)；a為各作物種植面積與灌區總灌溉面積的比值；m為某作物某次灌水定額，m3/hm2，作物灌溉制度參考寧夏灌溉定額修編中充分灌水定額，見表1；T為某作物一次灌水延續時間，d[5]。計算結果見表2。

圖1　2011-2015年紅寺堡灌區灌溉定額和灌溉面積注：實線為綜合毛灌溉定額；虛線為灌域灌溉面積

表1　不同作物灌溉制度表　m3/hm2

表2　灌域灌水率計算表

由灌水率可推算需水流量，其公式為：

Q=q凈A

(2)

式中：A為灌域灌溉面積，萬hm2。

通過灌水流量乘以相應灌水時間即可計算灌溉需水量[6]，水量分配應考慮灌溉水利用系數，由2016年測試紅寺堡灌區灌溉水有效利用系數為0.654，干渠灌溉水利用系數為0.906，則各灌域至干渠直開口取水點有效利用系數為0.722[4]。計算各灌域不同時期灌水流量和實際需水量,結果見表3，可見紅寺堡灌區實現充分灌溉，灌溉用水量為2.830 6 億m3，按此總用水量與各干渠用水比例，紅一至紅五干渠灌域灌溉水分配比例分別為0.15%、4.44%、68.52%、5.56%、21.33%，按自治區水權指標分配，紅寺堡灌區為2 億m3，紅寺堡灌區2015年用水量為2.468 6 億m3，2016年紅一至紅五干渠灌域實際水量分配比例為0.015%、4.4%、75.88%、7.25%、12.46%。

2.3　灌區灌溉水優化配置分析

圖2為各泵站設計流量(實線)和在實現充分灌溉定額下運行流量(虛線)過程線，從圖中可以看出，在用水高峰期出現設計流量偏小，泵站運行能力不足，如果為適應灌溉需求，進行全線灌溉工程改造，顯然不合理，為達到各灌域實現充分灌溉，可通過部分泵站改造加修建蓄水調蓄池，實現用水淡季蓄水，

表3　各灌域充分灌溉各時段流量及用水量

用水高峰期配合渠道聯合調度灌溉，減少灌溉投資。

從表3可以看出在各灌域充分灌溉條件下泵站獨立運行時，紅三泵站在6月22日至7月3日、7月13-22日共有21 d超設計流量，紅五泵站全年共有82 d超設計流量，因此考慮各項建設成本，本文建議在紅三干渠灌域相應地段建設蓄水池，紅五泵站依據實際情況進行改造，依據表3計算結果，紅五干渠灌域灌溉面積在現狀情況下實現充分灌溉，灌溉綜合用水量為6 018.86 萬m3，按泵站運行173 d計算，其設計流量應為4.03 m3/s，大于紅五干渠輸水流量，改造難度較大。按上述方案，需在紅三干灌域相應地段建設調蓄池，其調蓄池凈庫容總和為511.5 萬m3。紅五泵站在進行泵站改造后，在紅五干渠灌域還需建設凈庫容為786.8 萬m3的調蓄池。

紅三干渠灌域各蓄水池均可在用水高峰期前一時段蓄水，即在6月13-21日蓄水、然后用水，在7月4-12日再次進行蓄水，但紅五干渠灌域在冬灌、春播時期需水流量均大于改造后泵站設計流量，因此需在7月23日至9月1日需持續蓄水，因此本文建議，紅五泵站按現行可運行流量3.65 m3/s改造，在有調蓄蓄水池的區域進行高效節水改造，紅五泵站改造后最大供水量為5 456 萬m3，較紅五干渠灌域充分灌溉水量6 018.86萬m3減少563 萬m3，增大高效節水灌溉面積建設，使節水量達563 萬m3。

3　結　語

紅寺堡灌區由于耕地面積不斷開發，現狀紅寺堡灌區灌溉用水不盡合理，上游灌水量大，下游灌水量小，造成上游灌溉水利用系數低，下游缺水，無法實現充分灌溉，通過計算優化，依據來水，紅一、二、三、四、五干渠灌域用水按0.15%、4.44%、68.52%、5.56%、21.33%比例分配。在實現充分灌溉情況下，紅三泵站和紅五泵站部分時段供水能力不足，通過計算，建議在紅三干渠灌域內建設蓄水池，蓄水池總凈庫容為511.5 萬m3，分兩次需水，紅五泵站進行泵站改造，改造后設計流量為3.65 m3/s，并在紅五干渠灌域建設蓄水池，蓄水池總凈庫容為786.8 萬m3，在對紅五干灌區部分適宜區域進行高效節水改造，使節水量達到563 萬m3。

參考文獻：

[1]張少春.生態脆弱移民區水資源承載力與人口-經濟匹配模式研究----以紅寺堡區為例[D].銀川:寧夏大學. 2014.

[2]邵建華,閆建忠.對紅寺堡灌區開發建設的幾點思考[J].農業科學研究,2008,(4):32-37.

[3]馬贊林.寧夏扶貧揚黃工程紅寺堡灌區農業移民開發建設思考[J].哈爾濱職業技術學院學報,2007,(6):111-112.

[4]孫學平,張紅玲.2016年寧夏自治區農田灌溉水有效利用系數測算分析成果報告[R].銀川：寧夏水利科學研究院,2017.

[5]劉丙軍,邵東國,沈新平.灌區灌溉渠系分形特征研究[J].農業工程學報,2015,(12):56-61.

[6]賈士權.淺談灌溉模數的選擇[J].中國水利,2000,(11):48-52.