青铜峡灌区水土资源平衡分析的探讨

随着我国西部大开发战略的实施，水资源的合理利用与优化配置成为其可持续发展的重大问题[1～3].本文结合青铜峡灌区的节水改造规划，对干旱半干旱地区的大型灌区的水土资源平衡的有关问题进行讨论.青铜峡灌区地处宁夏银川平原，属黄河河套(前套)平原的重要组成部分.灌区总土地面积6239km2，现状灌溉面积33万hm2，灌区涉及宁夏的3个地级市及11个县(市、区)，是自治区人口集中地与工农业发展精华地区.青铜峡灌区建设发展历史悠久，但工程老化失修，渗漏严重，水资源利用率低，平均灌溉水利用系数只有0.38，水分生产率只有0.62kg/m3.青铜峡灌区现状引水量、耗水量约占宁夏引黄灌区的80%左右，也是节水潜力最大的地区，应制定灌区改造规划，积极进行灌区的节水建设，把青铜峡灌区改造成为面向二十一世纪节水高效的新型灌区.

1 青铜峡灌区四水转化特点与水土资源平衡分析

1.1 灌区四水转化与特点 水土资源平衡分析是灌区灌溉规模论证的主要依据 . 灌区的四水——地表水、土壤水、地下水、大气水 ( 降水与蒸发 ) ——的转化关系 [4,5] 是灌区水土资源平衡分析的科学基础与依据 . 青铜峡灌区四水转化模式如图 1.

本文以下将灌区作为一个整体，根据用水与耗水的性质和特点，将灌区划分为 5 个单元，即农田灌溉单元 ( 人工灌溉的耕地、林地与草地 ) 、工业用水单元、城乡用水单元、人工环境生态用水单元、自然生态耗水单元 . 青铜峡灌区的四水及其转化简要说明如下 .

图 1 青铜峡灌区四水转化与水资源供需平衡概念

①地表水是指灌区引用的黄河水、降水形成的地表径流和灌区排水 . 引用的黄河水在渠道输水过程中，通过蒸发渗漏转化为大气水、土壤水和地下水 . 降水形成的地表径流一般难以利用、直接由排水沟排出 .

②地下水来源于地表水与降水的入渗补给、灌区外的 ( 山前 ) 侧渗补给，其消耗为通过潜水蒸发补充非饱和带的土壤水、通过侧渗以地下水的形式排入黄河、通过抽水作为工农业的用水水源、通过越层入渗补给深层地下水 .

③土壤水是四水转化的中心环节，来源于地表水的入渗与地下水的潜水蒸发补给 . 土壤除少量补给地下水外、主要转化为大气水、消耗于蒸发蒸腾 .

④大气水指降水与蒸发蒸腾的水量 . 灌区的降水除少量入渗补给地下水和排水外，直接蒸发消耗掉 . 各个单元的蒸发蒸腾总量是灌区最终的水资源消耗量 .

根据自然条件与水资源利用现状，青铜峡灌区的四水转化有以下特点 .

①灌区年降水量仅 180 ～ 220mm ，而水面蒸发量达 1000 ～ 1550mm. 当地地表水资源量约为 1.25 亿 m3 ，降水与山前侧渗的地下水补给量约为 0.95 亿 m3. 降水在灌区的四水转化中的作用处于次要的地位 . 灌区的生存与发展完全依靠黄河水的引用，现状引黄河水量 60 ～ 70 亿 m3.

②灌区内四水转化复杂，特别是地表水与地下水的转化量大、转化频繁 .

③灌区土地资源丰富，分布有大片的荒地，并形成灌区内的自然生态景观 . 在灌区水资源可利用量一定的条件下，社会经济用水与生态环境用水存在着激烈的矛盾 .

④在我国依靠引用黄河水的大型灌区中，仅青铜峡灌区具有自流引水和自流排水的条件 . 目前灌区是“大引大排” ( 排水 40 亿 m3 左右 ) ，水资源利用不尽合理 .

1.2 青铜峡灌区水土资源平衡分析 根据青铜峡灌区四水转化的特点和大型灌区续建配套与节水改造规划的要求，本文提出在灌区水土资源平衡中要进行水资源的 3 个平衡分析 .

①灌区水资源供需平衡分析 . 该平衡分析是以往规划中常规进行的，平衡分析的目标是调整国民经济各用水部门与水资源的供求关系 .

②灌区引水—耗水—排水平衡分析 . 青铜峡灌区的引水量除灌区工农业用水消耗外，尚有部分水量排入黄河 . 灌区的引水—耗水—排水平衡分析的目标是调整局部 ( 灌区 ) 与整体 ( 流域 ) 的资源配置关系 .

③灌区水资源耗水平衡 . 水资源耗水平衡分析的目标是调整国民经济各部门、国民经济与自然生态的水资源配置关系 .

2 青铜峡灌区水资源供需平衡分析

为了提高水资源的利用效率而又满足社会经济发展的用水要求，必须进行水资源供需平衡分析 . 在水资源不足的情况下，按照以需定供的原则，合理确定工农业发展规模并进行结构调整 . 水资源供需平衡关系如图 1 中粗线所示 .

2.1 灌区可供水量 灌区可供水量 WS 为灌区水源工程的可供水量，是地表水的可供水量 WSS 与地下水的可供水量 WSG 之和 .

WS=WSS+WSG (1)

对青铜峡灌区，地表水的可供水量 WSS 即是灌区各干渠的渠首的引黄水量 . 地下水的可供水量即是由地下水补给量确定的地下水的可开采量 ( 井口 ). 地下水的补给量为当地的降水与山前侧渗的地下水补给量和引黄灌溉的渠系与田间入渗补给量之和，以引黄灌溉入渗补给量为主 . 引黄入渗补给量 WGR 与引黄水量有关，由下式计算：

WGR= γ (1- η渠 )WSS+(1- η田 ) η渠 WSS （ 2 ）

式中：η渠为渠系水利用系数；η田为田间水利用系数；γ为渠系入渗补给系数 . 等式右端第一项为渠系渗漏水入渗补给量；第二项为田间水入渗补给量，该项只计自流灌区 . η渠与渠道衬砌状况有关，γ与排水量有关，故现状水平年与规划水平年的γ (1- η渠 ) 取值不同 . 地下水的可开采系数取为 0.6 ，则地下水的可开采量 WSG 为：

WSG=0.6(WGR+0.95)

根据相关参数，计算不同引黄量下相应的地下水补给量与可开采量 WSG 结果如图 2.

2.2 灌区需水量

(1) 城镇生活用水与需水量 . 城镇生活用水量 WUA 按城镇人口 PA( 人 ) 与定额 MA(L/ 人· d) 计算，即 WUA=365PAMA. 城镇生活用水的水源有地表水 ( 引黄 ) 和地下水，需水量是根据用水量推算至水源工程 ( 渠首与井口 ) 处的水量 . 若地表水与地下水的供水比例分别为α s1 与α g1 、相应的水利用系数分别为η s1 与η g1 ，则其需水量 WDA 为

WDA= α s1WUA/ η s1+ α g1WUA/ η g1 （ 3 ）

上式等号右端第一项为地表水的需水量，第二项为地下水的需水量 .

图 2 青铜峡灌区地下水总补给量、可开采量与引黄量关系

(2) 农村生活用水与需水量 . 农村生活用水量 ( 含牲畜用水 ) 亦按人口 PA 与定额 MA 计算，用水量 WUB=365PBMB ，同样考虑不同水源的供水比例α s2 、α g2 及相应的水利用系数η s2 、η g2 ，其需水量 WDB 为

WDB= α s2WUB/ η s2+ α g2WUB/ η g2 （ 4 ）

(3) 工业用水 . 工业用水按产值 Y 与万元产值用水定额 MC 计用水量 MUC=YMC ，需水量 WDC 与上述计算类似

WDC= α s3WUC/ η s3+ α g3WUC/ η g3 （ 5 ）

(4) 生态环境用水 . 生态环境用水是指人工灌溉及供水的生态林建设、河湖坑塘及盐碱地改良等用水 . 根据相应的规划规模，其总需水量 ( 引黄水量 )WDD 规划为 6.5 亿 m3.

(5) 灌溉需水 . 规划水平年总灌溉面积 33.7 万 hm2 ，自流灌区灌溉面积 F1 为 29.8 万 hm2 、扬水灌区灌溉面积 F2 为 3.9 万 hm2. 为了充分利用水资源，自流灌区的用水要增加地下水的利用量 . 自流灌区的净灌溉水量 WUE1 由其面积 F1 与净灌溉定额 m1 计算， WUE1=m1F1 ，需水量 ( 毛灌溉水量 )WDE1 为

WDE1= α s51WUE1/ η s51+ α g51WUE1/ η g51 （ 6 ）

式中：η s51 与η g51 分别为相应的灌溉水利用系数，α s51 和α g51 为相应的地表水与地下水的利用比例 ( 待定 ).

由扬水灌区的净灌溉定额 m2( 规划为 4440m3/hm2) 和灌溉面积 F2 可计算净灌溉水量 WUE2=m2F2 ，其需水量 WDE2 为

WDE2= α s52WUE2/ η s52+ α g52WUE2/ η g52 （ 7 ）

综上所述，灌区的总需水量 WD 为上述各项需水量之和 . 即

WD=WDA+WDB+WDC+WDD+WDE1+WDE2 (8)

各部门的需水由地表水与地下水两个水源供给，总需水量 WD 为地表水 ( 引黄 ) 的需水量 WDS 与地下水的需水量 WDG 之和 . 地表水与地下水的需水量与各部门两种水源供给的比例有关，而地下水的可供水量 ( 可开采量 ) 又取决于地表水的可供水量 ( 引黄量 ). 因此，在多水源的情况下，灌区的供水量与需水量要通过供需平衡分析确定 .

2.3 水资源供需平衡分析 为了确定合理的引黄量需进行水资源供需平衡分析，其原则是水资源有效利用 . 引黄量过大、地下水的补给量亦大，供需平衡结果水量富余；引黄量较少时，地下水的补给量也少，供需平衡结果水量不足 . 因此，引黄量的确定，存在着一个平衡点 .

图 3 灌区可供水量、需水量与引黄量的关系

由前述分析可见，灌区的可供水量与需水量均与引黄量有关 . 根据分析计算结果，绘出可供水量、需水量与引黄量的关系如图 3.

分析结果表明，青铜峡灌区合理的引黄量为 40 亿 m3( 不含大坝与石嘴山火电站的引水 ) ，相应情况下的水资源供需平衡结果如表 1.

表 1 青铜峡灌区规划水平年 (2015) 水资源供需平衡结果

3 灌区引水、耗水、排水平衡分析

3.1 灌区引水、耗水、排水平衡与排水量分析 水资源平衡分析确定的引黄量并不是灌区可消耗的水量 . 国家分配给宁夏回族自治区的用水指标 40 亿 m3 ，由宁夏引黄用水现状与规划，青铜峡灌区可耗用的黄河水为 25.4 亿 m3.