湟水流域灌區(qū)水循環(huán)規(guī)律研究

呂文星， 張學(xué)成， 周鴻文， 李 東， 王永峰， 劉東旭

(1.黃河水利委員會水文局，河南鄭州 450004； 2.青海省水文水資源勘測局，青海西寧 810008)

水資源作為基礎(chǔ)性自然資源與戰(zhàn)略性經(jīng)濟資源，擔(dān)負著支撐人類社會經(jīng)濟發(fā)展、維系生態(tài)環(huán)境安全的重任。青海省農(nóng)耕地空間分布極不均衡，黃河河灘、谷地以及湟水河流域耕地約占全省總耕地面積的64%，是全省農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要基地，也是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐和保障。青海省黃河流域耕地總灌溉面積121.9萬hm2，占全省灌溉面積的81.8%，其中湟水流域耕地灌溉面積81.7萬hm2，占青海省黃河流域灌溉面積的67.0%。根據(jù)《青海省水資源綜合規(guī)劃》，2010年青海省黃河流域地表水資源開發(fā)利用率僅為7.5%，需水量22.5億m3，可供水量18.8億m3，缺水率達16.1%。按照社會經(jīng)濟發(fā)展、需水、供水預(yù)測及平衡分析進行了水資源配置，湟水規(guī)劃到2020年和2030年，地表水耗水分別達12.2億、14.5億m3。由此可見，當前水資源的制約作用已經(jīng)凸顯，且隨著社會經(jīng)濟的進一步發(fā)展，青海省黃河流域耗水量持續(xù)增加，預(yù)計到2020年，地表水耗水量將超過2015年“三條紅線”取水許可總量控制指標5.2億m3；到2030年，僅湟水流域地表水耗水量將超過當前確定的全省黃河流域取水許可總量控制指標，水資源供需矛盾將成為區(qū)域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素。

在此背景下，對青海湟水流域大峽灌區(qū)典型地塊采用引排差法開展耗水系數(shù)研究，加強區(qū)域水資源管理，進而完善灌區(qū)取水、需水和配水計劃，制定合理的灌溉制度，為進一步完善流域管理與行政區(qū)管理相結(jié)合的水資源管理體制提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗布設(shè)在青海省黃河支流湟水河流域大峽灌區(qū)，地處102°15′～102°24′E、36°13′～36°30′N，海拔1 650～4 400 m。大峽灌區(qū)位于河谷平原川水區(qū)，該區(qū)沿湟水干流及其一級支流呈帶狀分布，由河灘和1～5級階地坡洪積扇組成，土體構(gòu)型較好，質(zhì)地松，是青海省海東市樂都縣的主要產(chǎn)糧區(qū)。

灌區(qū)屬半干旱的高原大陸性氣候類型，寒冷和干旱是區(qū)內(nèi)主要氣候特點。年平均氣溫4.5～7.5 ℃，無霜期130～150 d，區(qū)域地形復(fù)雜，海拔高差大，各地降水量不盡一致，山區(qū)一般大于川區(qū)，腦山大于淺山，川水地區(qū)年降水量為320～340 mm，蒸發(fā)量川區(qū)大于山區(qū)，川區(qū)年蒸發(fā)量達843 mm。最大凍土深度為86 cm。大峽灌區(qū)土壤主要包括灰鈣土和栗鈣土2種，成土母質(zhì)有沖積物、洪積物和次生黃土等，土質(zhì)松散，質(zhì)地均一，耕性好，結(jié)構(gòu)呈團粒狀或粒狀。

在大峽灌區(qū)引退水條件較好處設(shè)置典型地塊進行試驗觀測(圖1)，典型地塊地處36°29′16.4″N、102°13′34.8″E，海拔1 950 m，平均坡度3°，種植作物為大蒜，土壤類型為灰鈣土[1]。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 引退水監(jiān)測斷面布設(shè) 在大峽灌區(qū)典型地塊開展引退水量監(jiān)測，典型地塊灌溉面積19.33 hm2，進水口斷面2個，退水口斷面6個(編號為dx-ts1～dx-ts6)，引、退水口設(shè)置見圖1和表1。

1.2.2 引退水量監(jiān)測 大峽渠灌區(qū)典型地塊春灌期監(jiān)測時間為21013年3月10—25日，共16 d。3月19—20日對水尺零高進行測量。春灌期每日測流2次，21日通過調(diào)節(jié)閘門增加測次，完成了斗渠水位流量關(guān)系率定，用水位流量關(guān)系曲線法推求引水量，用實測流量對水位流量關(guān)系曲線進行校核。

表1 大峽灌區(qū)典型地塊引、退水監(jiān)測斷面

2013年4月12—26日為苗灌期，共監(jiān)測15 d，用水位流量關(guān)系曲線推求引水量。4月24日，在斗渠①和斗渠②各測流1次，校核水位流量關(guān)系曲線。每天09：00、14：00、19：00監(jiān)測典型地塊退水量3次。間斷灌溉期，采用駐點觀測，及時監(jiān)測灌溉退水量及退水時間。

2013年8月20日至9月3日為秋灌期，共監(jiān)測13 d。

退水口①～⑥流量采用巡測方式監(jiān)測，有退水時隨時監(jiān)測，退水口斷面流量較小時測流方式為直角三角型量水堰測流。根據(jù)SL 537—2011《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》[2]，對于自由流直角三角堰，流量計算公式為

Q=1.343H2.24。

(1)

該式堰上水頭H適用范圍為0.06～0.65 m。薄壁堰厚度 1.5 mm，堰頂高0.5 m，頂寬0.5 mm。

大峽渠灌區(qū)典型地塊進水口流量監(jiān)測情況見表2，典型地塊退水口流量監(jiān)測情況見表3。

表2 大峽渠灌區(qū)典型地塊進水口流量監(jiān)測情況

表3 大峽渠灌區(qū)典型地塊退水口流量監(jiān)測情況

1.2.3 地下水監(jiān)測井布設(shè) 在大峽渠灌區(qū)建設(shè)5眼地下水觀測井，開展農(nóng)田灌溉水下滲及對地下水動態(tài)影響試驗研究。地下水位觀測井位置如圖2所示，在地塊南部，湟水左岸邊設(shè)立直立式水尺1組，共2支。在觀測井附近分別埋設(shè)水準點2處，工作中每月對各水準點進行互校，同時校測河道水尺高程及地下水井口高程。每次灌溉前1 d觀測5眼地下水井水位，灌溉后期每日09：00、14：00、19：00各觀測1次，地下水水位穩(wěn)定后停止觀測。每次觀測地下水位時，同步觀測河道水位。

地下水位觀測采用PD-26型便攜式激光測距儀結(jié)合懸垂式電子感應(yīng)器人工觀測，激光測距儀技術(shù)參數(shù)為測量精度±2 mm， 測量范圍0.2～60 m，激光等級2級，波長635 mm，為使地下水位及河道水位在同一個高程系統(tǒng)內(nèi)反映灌溉用水下滲及河道水位的變化情況，大峽渠灌區(qū)典型地塊設(shè)有2個水準點，分別為基1、基2水準點，埋深為1.5 m。2個水準點相距約124 m，3月18日通過復(fù)測判定高程未變。大峽渠灌區(qū)典型地塊水準點位置見表5。

工作溫度-10～50 ℃。依照《地下水監(jiān)測規(guī)范》[3]要求，每次監(jiān)測地下水位應(yīng)測量2次，間隔時間不應(yīng)少于1 min，當2次測量數(shù)值之差小于0.02 m時，取2次水位的平均值；當2次測量偏差超過0.02 m時，應(yīng)重復(fù)測量。在實際觀測中，2次測量偏差在0.005 m以內(nèi)時，采用2次平均值，高于規(guī)范要求的標準。測量成果當場核查，及時點繪各地下水井的水位過程線，發(fā)現(xiàn)反常及時補測，保證監(jiān)測資料真實、準確、完整、可靠。大峽渠灌區(qū)典型地塊地下水監(jiān)測實施方案見表4。

表4 大峽渠灌區(qū)典型地塊地下水監(jiān)測方案

注：監(jiān)測頻次：灌溉期每日09：00、14：00、19：00各觀測1次，水位穩(wěn)定后每日09：00觀測1次；測量用具：激光測距儀配合懸垂式電子感應(yīng)器。

表5 大峽渠灌區(qū)典型地塊水準點位置

1.2.4 土壤含水量監(jiān)測點布設(shè) 大峽渠灌區(qū)設(shè)有2個土壤含水量監(jiān)測點，一個布設(shè)于3號監(jiān)測井周圍，距支渠40 m，種植大蒜，監(jiān)測土層均為黏土；另一監(jiān)測點布設(shè)在監(jiān)測井東北300 m，種植玉米，監(jiān)測土層上部40 cm為黏土層，以下為沙黏土。土壤含水量監(jiān)測點見表6。

1.3 引排差法

本次研究基于典型地塊尺度上的灌溉試驗及相關(guān)參數(shù)等有關(guān)資料分析，間接推求耗水量來計算農(nóng)田灌溉耗水系數(shù)[4]。

表6 大峽渠灌區(qū)典型地塊土壤含水量監(jiān)測點統(tǒng)計

(2)

式中：K為耗水系數(shù)；Mz為總引水量，m3；Wz為總退水量，m3。

其中退水量Wz計算公式如下：

Wz=Wp+Wd。

(3)

式中：Wp為地表退水量，m3；Wd為地下退水量，m3。

其中地表退水量Wp計算公式如下：

(4)

式中：Wpmj為斗農(nóng)渠退水口退水量，m3。

地下退水量Wd計算公式如下：

(5)

式中：Wdi為地下退水量，m3；Wdqi為渠床滲漏損失，m3；Wddj為地塊滲漏損失，m3。本項計算應(yīng)減去降水入滲影響。

耗水系數(shù)計算公式如下：

(6)

(7)

式中：Kd為典型地塊耗水系數(shù)；Msti為典型地塊引水量，m3。

1.4 地下水蓄水變化量計算

根據(jù)灌區(qū)地下水賦存特征，在灌區(qū)典型地塊鑿井進行地下水動態(tài)觀測，采用觀測井平均地下水位變化、分布面積和變幅帶給水度乘積計算蓄水變化量[5]。

Wdd=F×μ×Δh。

(8)

式中：F為面積，hm2；μ為給水度；Δh為水位變化幅度，mm。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進行數(shù)據(jù)整理和分析，采用CAD作圖。

2 結(jié)果與分析

大峽渠灌區(qū)3月15日通水，15—16日為沖渠期，3月17日至11月23日為灌溉期。經(jīng)監(jiān)測，干渠渠首平均引水流量 2.41 m3/s，大峽渠灌區(qū)干渠總引水量4 976萬m3。

大峽渠灌區(qū)干渠退水口門17座，經(jīng)調(diào)查監(jiān)測，干渠僅高廟河灘寨村退水口因突發(fā)事故和渠道維修，退水10 d，總退水量包括渠首退水口退水量和干渠蓄水量，合計252.3萬m3。干渠退水占總引水量的3.76%。

2.1 引退水量統(tǒng)計分析

大峽渠灌區(qū)典型地塊春灌期引水量4.916 2萬m3，退水量2.116 5萬m3；苗灌期引水量4.164 5萬m3，退水量 3.222 9萬m3；秋灌期引水量1.355 8萬m3，退水量 0.847 0萬m3。監(jiān)測期總引水量10.436 5萬m3，總退水量6.186 4萬m3。大峽渠灌區(qū)典型地塊各時期引、退水量統(tǒng)計表見表7。

表7 大峽渠灌區(qū)典型地塊引退水量統(tǒng)計 萬m3

大峽渠灌區(qū)典型地塊春灌期、苗灌期、秋灌期逐日引退水量分別見圖3、圖4、圖5。

春灌期、苗灌期和秋灌期1號斗門因管理不善或維修不及時，閘門關(guān)閉不嚴，夜間持續(xù)漏水，滲漏水量直接排入湟水。經(jīng)計算，春灌期、苗灌期和秋灌期1號斗門漏水量分別為 0.41萬、1.11萬、0.45萬m3。

據(jù)巡測和調(diào)查，除因突發(fā)事故和渠道維修退水外，灌溉期間大峽渠灌區(qū)干渠無退水。

2.2 土壤含水量變化及灌溉水下滲水量分析

大峽渠灌區(qū)監(jiān)測點土壤含水量變化過程見圖6、圖7。大峽渠灌區(qū)由于受土壤性質(zhì)的影響，土壤含水量變化過程較為復(fù)雜，灌溉前期主要受淺層的黏土影響，變化相對一致，后期由于深層土壤為沙壤土，滲透性強，土壤含水量變化較快，因此變化過程與其他含水層不一致。

根據(jù)典型灌區(qū)土壤含水量監(jiān)測成果，逐層計算土壤含水率與田間持水率的差值，積分計算得到灌溉水下滲水量。可以看出，每次灌溉結(jié)束后，土壤含水量隨深度具有先增大后減小的趨勢，大峽渠灌區(qū)灌溉入滲深度計算結(jié)果見表8。根據(jù)典型地塊面積為19.33 hm2，春灌期和苗灌期折算成下滲水量分別為307.93、463.12 m3。

表8 大峽渠灌區(qū)灌溉水入滲監(jiān)測情況

2.3 地下水動態(tài)變化及退水量分析

2.3.1 地下水動態(tài)變化 大峽渠灌區(qū)典型地塊觀測井于2013年3月11日開始觀測，同步監(jiān)測河道水位。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，灌溉后各觀測井地下水位開始上升，19日達到最高，之后緩慢下降，趨于平穩(wěn)。

3月11日19：00，1號、4號井周圍發(fā)生輕微沉陷，灌溉水沿管壁下滲，導(dǎo)致井水位異常抬升，其中，1號井19：00地下水位95.77 m，4號井19：00地下水位95.29 m。14日由于電站放水沖沙，同日12：00河道水位偏高。

4月12—26日為苗灌期，5眼井地下水位變化過程相似，4月12日河水位有較小的漲幅，地下水位相應(yīng)增高，由于15日灌溉時，2號井周圍輕微塌陷，造成地下水位異常上升。17日開始河水位穩(wěn)定不變，地下水位緩慢上升。

8月20日至9月3日為秋灌期，為期14 d，河水位變化較大，最高95.99 m，最低95.03 m，變幅0.96 m，部分時段河水位高于地下水位，5號井靠近河邊地下水位最大，變幅 0.62 m。

大峽渠灌區(qū)典型地塊春灌、苗灌期和秋灌期地下水位及河道水位過程線見圖8、圖9。

從圖8可以看出，苗灌期4月12—26日觀測井水位呈緩慢上升趨勢，階段性變化規(guī)律與水文地質(zhì)普查報告一致。通過地下水位過程線分析，1號、2號井距河道最遠，4號、5號井距河道最近，1號、2號井水位最高，水位相近，3號井水位居中，4號、5號井水位較低。秋灌期地下水觀測井及河水位變化過程表明，期間該典型地塊灌溉水滲漏與河水關(guān)系密切，地下水觀測井水位上升受到河水位變化、降水及灌溉水滲漏的多因素影響，因此，本研究僅對春灌期和苗灌期灌溉水滲漏進行分析。

2.3.2 地下退水量分析 本試驗地下水水位變幅為灌溉前地下水位與灌溉后地下水最高水位之差，計算中剔除水位異常變化影響。春灌期和苗灌期1號井至5號井水位變幅見表9。春灌期地下水位平均變幅為0.26 m，苗灌期地下水位平均變幅為0.14 m。

表9 觀測井水位埋深變化統(tǒng)計

本次試驗地下水水位變幅為灌溉前地下水位與灌溉后地下水位上升至最高水位之差，計算中剔除水位異常變化影響。春灌期和苗灌期1號井至5號井水位平均變幅Δh分別為 0.26、0.14 m。典型地塊土壤質(zhì)地為沙壤土，因此給水度μ參考中細沙下限值，取0.085；典型地塊面積為19.33 hm2。經(jīng)計算得到典型地塊春灌期和苗灌期灌溉后地下退水量分別為4 272.67、2 300.67 m3。

2.4 引排差法計算耗水系數(shù)

綜合考慮地表和地下退水量、田間灌溉水下滲量等因素后，根據(jù)公式(8)采用引排差法可計算得到大峽灌區(qū)春灌期和苗灌期典型地塊耗水系數(shù)為0.51。

3 結(jié)論

大峽灌區(qū)典型地塊監(jiān)測期總引水量10.436 5萬m3，總退水量6.186 4萬m3；典型地塊春灌期和苗灌期灌溉后地下退水量分別為4 272.67、2 300.67 m3；春灌期和苗灌期折算成下滲水量分別為307.93、463.12 m3。綜合考慮地表和地下退水量、田間灌溉水下滲量等因素后，采用引排差法計算得到大峽灌區(qū)典型地塊春灌期和苗灌期耗水系數(shù)為0.51。