灌區(qū)節(jié)水改造的尺度效應(yīng)分析

灌區(qū)節(jié)水改造的尺度效應(yīng)分析

為了提高區(qū)域水資源的利用效率和效率，解決區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的必要水資源問(wèn)題，農(nóng)業(yè)節(jié)水受到了全世界的關(guān)注。黃河流域在寧蒙引黃灌區(qū)開展了工業(yè)投資農(nóng)業(yè)進(jìn)行節(jié)水改造、農(nóng)業(yè)節(jié)水轉(zhuǎn)讓工業(yè)的水權(quán)轉(zhuǎn)換工作。農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力成為決定區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展空間的主要因素。由于灌區(qū)節(jié)水改造產(chǎn)生的節(jié)水量包括可回收和不可回收2部分,節(jié)水灌溉存在尺度效應(yīng),灌區(qū)節(jié)水改造措施在田間尺度的節(jié)水潛力并不代表其灌區(qū)或流域等大尺度上的節(jié)水潛力,田間尺度的節(jié)水在較大尺度上會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。目前的節(jié)水潛力研究?jī)H限于田間尺度的,從區(qū)域或流域整體的可持續(xù)發(fā)展角度出發(fā),只有弄清不同尺度的節(jié)水潛力,才能做到區(qū)域水資源的優(yōu)化配置和流域水資源的科學(xué)合理調(diào)度管理,因此研究不同尺度的節(jié)水潛力是十分必要和迫切的。1真實(shí)節(jié)水的概念早在1982年,美國(guó)加州戴維斯大學(xué)土地、大氣和水資源系的DavidC.Davenport和RobertM.Hagan在AgriculturalWaterConservationinCalifornia,withEmphasisontheSanJoaquinValley中就對(duì)灌溉取水節(jié)水量中的可回收水與不可回收水的概念作了比較系統(tǒng)的說(shuō)明;1998年,國(guó)際灌排學(xué)院首次明確提出了關(guān)于“真實(shí)”節(jié)水問(wèn)題的一些概念;Solomon等認(rèn)為,田間尺度上的灌溉效率同灌區(qū)和流域尺度上的灌溉效率之間的關(guān)系復(fù)雜的原因是一塊農(nóng)田的出水可被另一塊農(nóng)田利用;Tuong等指出從農(nóng)田尺度的節(jié)水研究到灌區(qū)和流域尺度的節(jié)水研究是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn);Guerra等強(qiáng)調(diào)要進(jìn)行不同尺度水分生產(chǎn)率研究和了解小尺度與大尺度水分生產(chǎn)率之間的關(guān)系。在國(guó)內(nèi),中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所1979年提出了灌溉工程節(jié)水對(duì)于地下水補(bǔ)給和地表徑流都具有一定的負(fù)反饋效應(yīng)的結(jié)論,認(rèn)為將平原區(qū)地面灌溉方式改為噴灌方式不具有真實(shí)節(jié)水意義;郭相平、張展羽等指出:渠道(和田間)滲漏所產(chǎn)生的回歸水中的部分水量可能被重新利用,不能全部看作是可以節(jié)約的水量;賈紹鳳也指出提高渠系水有效利用系數(shù)能否節(jié)約水資源取決于渠系滲漏的水是否都轉(zhuǎn)化成了可被重新利用的地下水;朱發(fā)昇指出實(shí)施節(jié)水措施后除了減少部分蒸發(fā)損失外,同時(shí)減少了回歸水量,減少的回歸水量實(shí)質(zhì)是截留了下游的水資源量,在節(jié)水量計(jì)算時(shí)應(yīng)將地表回歸減少水量從總節(jié)水量中扣除;沈振榮等指出灌溉取水節(jié)水量包含可回收水量和不可回收水量2部分,其中的可回收水量,通常在農(nóng)業(yè)或其他方面可以被再利用,只有所減少的不可回收水量才屬于真實(shí)意義上的節(jié)水量;首次在國(guó)內(nèi)系統(tǒng)地提出了真實(shí)節(jié)水的概念并在理論上分析了其組成部分和計(jì)算方法;董斌等結(jié)合漳河灌區(qū)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)和灌區(qū)長(zhǎng)系列的歷史資料,定量分析了采用節(jié)水灌溉技術(shù)對(duì)不同尺度水分利用率的影響。2灌溉2.1灌溉水進(jìn)入田面灌區(qū)的灌溉水源通常包括地表水和地下水2種,根據(jù)灌區(qū)用水水源情況,灌區(qū)一般可分為渠灌區(qū)、純井灌灌區(qū)、井渠結(jié)合灌區(qū)3大類。任何尺度的農(nóng)田,其灌溉水分循環(huán)運(yùn)動(dòng)均可概化為如圖1所示的4水(大氣水、土壤水、地表水、地下水)轉(zhuǎn)化關(guān)系。農(nóng)田水分循環(huán)的首部為水源,灌溉水首先通過(guò)引、提水工程進(jìn)入渠道,然后由渠道進(jìn)入田面,供作物利用。灌溉水除被作物吸收外,在從水源輸送到田間被作物利用的過(guò)程中,一部分通過(guò)渠道或田間積水形成的水面蒸發(fā)掉;一部分通過(guò)渠道、田面滲入土壤,成為土壤水,首先補(bǔ)充土壤水分虧缺量,多余部分形成重力水,入滲補(bǔ)給地下水含水層,有時(shí)還形成灌溉排水,并流入河流或下游區(qū)域。灌溉水量越大,進(jìn)入含水層的水量以及形成的灌溉排水量也越大。進(jìn)入含水層的水量,一部分通過(guò)地下徑流流入河道和下游區(qū)含水層,另一部分成為當(dāng)?shù)乜晒┧?在地下水埋深較淺地區(qū),還有一部分通過(guò)潛水蒸發(fā)補(bǔ)充了包氣帶土壤水。排入河流和下游其他水域的水量,一部分成為本地區(qū)或下游地區(qū)的可供水量,另一部分被蒸發(fā)或流入海洋及其他無(wú)效區(qū)域。在上述水分循環(huán)過(guò)程中,被作物消耗的水量已轉(zhuǎn)化成產(chǎn)量,水面蒸發(fā)和潛水的無(wú)效蒸發(fā)水量都將轉(zhuǎn)化為大氣水(不可再利用),均不能重新作為新的供水資源被再利用。由灌溉形成的灌溉排水量和地下徑流以及當(dāng)?shù)乜砷_采地下水量,可以重新作為新供水資源加以利用。2.2節(jié)水潛力的田間尺度及其節(jié)水量的計(jì)算從水資源開發(fā)利用管理角度考慮,節(jié)水潛力的尺度應(yīng)包含空間尺度、水源尺度和時(shí)間尺度。時(shí)間尺度上一般分為近期節(jié)水潛力、中期節(jié)水潛力和遠(yuǎn)期節(jié)水潛力;空間尺度上分為田間節(jié)水潛力和灌區(qū)(流域)節(jié)水潛力;水源尺度分為地表水節(jié)水潛力和地下水節(jié)水潛力。時(shí)間尺度的節(jié)水潛力決定于不同水平年規(guī)劃的節(jié)水措施及規(guī)模,計(jì)算相對(duì)較簡(jiǎn)單,本文僅對(duì)空間尺度和水源尺度上的節(jié)水潛力進(jìn)行分析探討。根據(jù)節(jié)水潛力的定義,本文將采用節(jié)水灌溉措施后灌溉田塊所需的灌溉取水量的減少量,即人們通常所說(shuō)的節(jié)水潛力,稱為田間尺度的節(jié)水潛力,也叫灌溉取水節(jié)水潛力,簡(jiǎn)稱毛節(jié)水潛力;將區(qū)域內(nèi)減少的灌溉耗水量稱為灌區(qū)尺度的節(jié)水潛力,也叫資源型節(jié)水潛力,簡(jiǎn)稱凈節(jié)水潛力;將能減少的地表水引水量、地下水提水量的潛力分別稱為地表水節(jié)水潛力、地下水節(jié)水潛力。由于地表水節(jié)水潛力和地下水節(jié)水潛力都是指不同水源灌溉取水量的變化量,因此兩者均為灌溉取水的節(jié)水潛力,即為田間尺度上的節(jié)水潛力。由于各節(jié)水措施節(jié)水原理不同,其在不同尺度的節(jié)水效應(yīng)不近相同,如:渠系改造措施通過(guò)調(diào)整渠系布局或襯砌渠道等,減少了灌溉渠道在輸水過(guò)程中的蒸發(fā)滲漏損失,從而減少了田塊從渠道的引水量。從田間來(lái)說(shuō),其節(jié)水量表現(xiàn)為減少的灌溉取水量。但該措施實(shí)施后,由于渠道滲漏損失的減少,灌區(qū)內(nèi)通過(guò)渠道滲漏入滲補(bǔ)給地下水的回歸水量將相應(yīng)減少,因此從灌區(qū)尺度來(lái)說(shuō),該項(xiàng)措施的節(jié)水量應(yīng)為渠首少引水量扣除因該措施的實(shí)施而造成的回歸水的減少量。同樣地,田間配套、管灌等其他措施的田間節(jié)水量也為措施實(shí)施后減少的灌溉取水量,灌區(qū)尺度的節(jié)水量為渠首少引水量扣除因該措施的實(shí)施而引起的回歸水量的減少部分。從水源來(lái)說(shuō),則要分措施前后水源是否改變2種情況。在水源不變的情況下,當(dāng)其水源為地表水時(shí),采用措施后渠首少引水量即為地表水的節(jié)水量;若水源為地下水,則渠首少引水量為地下水節(jié)水量。當(dāng)措施實(shí)施后水源發(fā)生變化時(shí),一般為由引用地表水改為用地下水,該措施的地表水節(jié)水量即為因該措施實(shí)施而減少的渠灌灌溉面積的相應(yīng)灌溉取水量,而地下水節(jié)水量則為負(fù)值,為該措施控制田塊上灌溉所需的地下水量。3灌溉節(jié)水潛力由定義可知,田間尺度的節(jié)水潛力為實(shí)施節(jié)水前的灌溉需水量減去實(shí)施節(jié)水后的灌溉需水量,計(jì)算公式為:ΔW毛i=W前i-W后i(1)式中:ΔW毛i為第i種節(jié)水措施所產(chǎn)生的毛節(jié)水量;W前i、W后i分別為第i種節(jié)水措施實(shí)施前、后的灌溉需水量。而灌區(qū)節(jié)水潛力是指實(shí)施節(jié)水措施后所能減少的灌溉耗水量,其與田間節(jié)水潛力的差別主要表現(xiàn)在是否考慮可恢復(fù)再利用的地表回歸和地下水補(bǔ)給的水量的減少部分(該部分水量以下簡(jiǎn)稱回歸減少量),灌區(qū)節(jié)水潛力實(shí)質(zhì)上就是田間節(jié)水潛力與回歸減少量的差值。即:ΔW凈i=ΔW毛i-ΔW回歸i(2)式中:ΔW凈i為第i種節(jié)水措施所產(chǎn)生的灌區(qū)節(jié)水潛力;ΔWi為第i種節(jié)水措施所產(chǎn)生的田間節(jié)水潛力;ΔW回歸i為第i種節(jié)水措施所產(chǎn)生的回歸減少量。灌溉水產(chǎn)生的地表回歸和地下水補(bǔ)給水量的大小,不僅與灌溉水量大小有關(guān),還與引水渠道包氣帶耗水能力、土壤的類型、地下水位埋深等因素有關(guān)。灌溉回歸水量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式如下:W回歸=W[(1-Κ)(1-η渠)+βη渠](3)式中:W回歸為灌溉回歸水量;W為灌溉需水量;k為包氣帶耗水系數(shù),與地下水埋藏深度、氣象因素和地質(zhì)巖性有關(guān),一般通過(guò)試驗(yàn)獲取;β為灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù),與灌溉地段潛水位埋深、土層性質(zhì)以及灌水次數(shù)和灌溉水量的大小等因素有關(guān),一般通過(guò)試驗(yàn)獲取;η渠為渠系水利用系數(shù)。灌溉回歸減少量為采取節(jié)水措施前后的灌溉回歸水量的差值,即:ΔW回歸=W回歸-W′回歸(4)式中:W回歸、W′回歸分別為節(jié)水措施實(shí)施前、后的回歸水量。灌區(qū)的節(jié)水途徑主要分為工程節(jié)水、生物節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、開辟新水源、管理等幾個(gè)方面,而節(jié)水措施又可細(xì)分為許多種,目前在我國(guó)的灌區(qū)節(jié)水改造中常用的節(jié)水措施主要有田間配套、管灌、微噴灌、機(jī)電井建設(shè)、渠系改造、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等。根據(jù)不同尺度節(jié)水潛力的定義及各項(xiàng)節(jié)水措施的節(jié)水灌溉尺度效應(yīng),各項(xiàng)節(jié)水潛力的計(jì)算公式如下。3.1響應(yīng)前后地表噴覆水效果當(dāng)措施前后水源不改變時(shí),各項(xiàng)節(jié)水措施的田間節(jié)水潛力即為其水源的節(jié)水潛力,如水源為地表水,則各項(xiàng)措施的田間節(jié)水潛力即是其地表水節(jié)水潛力;水源為地下水時(shí),則各項(xiàng)措施的田間節(jié)水潛力即是其地下水節(jié)水潛力。ΔW毛噴=A噴Μη田η渠-A噴Μ噴η噴(5)ΔW毛種=(A-A噴)Μη田η渠-(A-A噴)Μ′η田η渠(6)ΔW毛田=(A-A噴)Μ′η田η渠-(A-A噴)Μ′η′田η渠(7)ΔW毛管=A管Μ′η′田η渠-A管Μ′η′田η管(8)ΔW毛渠=A渠Μ′η′田η渠-A渠Μ′η′田η渠(9)當(dāng)措施前后水源改變時(shí),這種情況一般發(fā)生在采取機(jī)電井建設(shè)(渠灌改井灌)、管灌、微噴灌等措施時(shí),水源由措施前的地表水改為措施后的地下水,此時(shí):ΔW地表水噴=A噴Μη田η渠(10)ΔW地下水噴=-A噴Μ噴η噴(11)ΔW地表水井=A井Μ′η′田η渠(12)ΔW地下水井=A井Μ′η′田η井(13)ΔW地表水管=A管Μ′η′田η渠(14)ΔW地下水管=A管Μ′η′田η管(15)3.2不同渠系水利用系數(shù)圖ΔW凈噴=A噴Μη田η渠[1-(1-Κ)(1-η渠)-βη渠]-A噴Μ噴η噴[1-βη噴](16)ΔW凈種=(A種Μη田η渠-A種Μ′η田η渠)[1-(1-Κ)(1-η渠)-βη渠](17)ΔW凈田=(A田Μ′η田η渠-A田Μ′η′田η渠)[1-(1-Κ)(1-η渠)-βη渠](18)ΔW凈井=A井Μ′η′田η渠[1-(1-Κ)(1-η渠)-βη渠]-A井Μ′η′田η井[1-(1-Κ井)(1-η井)-βη井](19)ΔW凈管=A管Μ′η′田η渠[1-(1-Κ)(1-η渠)-βη渠]-A管Μ′η′田η管[1-(1-Κ管)(1-η管)-βη管](20)ΔW凈渠=A渠Μ′η′田η渠[1-(1-Κ)(1-η渠)-βη渠]-A渠Μ′η田′η渠[1-(1-Κ′)(1-η渠′)-βη渠′](21)式中:ΔW噴、ΔW種、ΔW田、ΔW井、ΔW管、ΔW渠分別為灌區(qū)采取微噴灌、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、田間配套、機(jī)電井建設(shè)、管灌、渠系改造措施的節(jié)水量;M、M′分別為種植結(jié)構(gòu)調(diào)整前、后灌區(qū)的綜合灌溉定額;M高為微噴灌灌溉定額;A為灌區(qū)總灌溉面積,等于灌區(qū)節(jié)水改造的微噴灌灌溉面積、管灌面積和節(jié)水改造后渠灌面積之和;A噴、A種、A田、A井、A管、A渠分別為灌區(qū)采取微噴灌、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、田間配套、機(jī)電井建設(shè)、管灌、渠系改造措施的灌溉面積;η渠、η′渠分別為渠系改造前、后的渠系水利用系數(shù);η井為渠灌改井灌后的渠系水利用系數(shù);η田、η′田分別為田間配套前、后的渠系水利用系數(shù);η管為管灌管道水利用系數(shù);η高為微噴灌灌溉水利用系數(shù);K、K′、K管、K噴分別為措施前、后的包氣帶耗水系數(shù);β為灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)。4種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、田間配套和渠系改造3項(xiàng)措施的田間節(jié)水潛力本文以寧夏青銅峽引黃灌區(qū)為例,采用《寧夏回族自治區(qū)水權(quán)轉(zhuǎn)換總體規(guī)劃》成果中青銅峽灌區(qū)的節(jié)水技術(shù)及規(guī)模。灌區(qū)主要采取管灌、微噴灌、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、渠道襯砌等節(jié)水措施,且管灌、微噴灌均由引用黃河水改為提取地下水。青銅峽灌區(qū)節(jié)水改造前后相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算,青銅峽灌區(qū)田間節(jié)水潛力為27.25億m3、灌區(qū)節(jié)水潛力為9.47億m3、地表水節(jié)水潛力為28.70億m3、地下水節(jié)水潛力為-1.45億m3。各節(jié)水措施的節(jié)水潛力詳見(jiàn)表2。從表2可以看出,青銅峽灌區(qū)的田間節(jié)水潛力、灌區(qū)節(jié)水潛力、地表水節(jié)水潛力、地下水節(jié)水潛力各不相同。(1)灌區(qū)的灌區(qū)節(jié)水潛力遠(yuǎn)小于田間節(jié)水潛力。青銅峽灌區(qū)總的田間節(jié)水潛力為27.25億m3,灌區(qū)節(jié)水潛力為9.47億m3,田間節(jié)水潛力是灌區(qū)節(jié)水潛力的2.88倍,其中微噴灌和管灌2項(xiàng)措施的田間節(jié)水潛力和灌區(qū)節(jié)水潛力相差最多,田間節(jié)水潛力分別是灌區(qū)節(jié)水潛力的4.8倍、4.6倍;相差最小的種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、田間配套2項(xiàng)措施的田間節(jié)水潛力也達(dá)到了灌區(qū)節(jié)水潛力的2.6倍。分析其原因,主要是灌區(qū)采取節(jié)水措施后,減少了灌區(qū)灌溉用水過(guò)程中的蒸發(fā)、滲漏損失量,但同時(shí),由于滲漏量的減少,通過(guò)灌溉對(duì)灌區(qū)地下水的入滲補(bǔ)給量也將減少,即產(chǎn)生的回歸水量減少。如:微噴灌和管灌2項(xiàng)措施灌溉水利用系數(shù)較高,其減少滲漏損失量相對(duì)其他措施幅度更大,由渠灌改為管灌、微噴灌,在大量減少灌溉取水量的同時(shí),灌區(qū)的回歸水量也大量減少。(2)地表水節(jié)水潛力與田間節(jié)水潛力不完全相等。青銅峽灌區(qū)總的地表水節(jié)水潛力為28.70億m3,比灌區(qū)總的田間節(jié)水潛力大1.45億m3;單項(xiàng)措施中,除種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、田間配套和渠系改造3項(xiàng)節(jié)水措施的地表水節(jié)水潛力與田間節(jié)水潛力相同外,微噴灌和管灌2項(xiàng)節(jié)水措施的地表水節(jié)水潛力也大于其田間節(jié)水潛力。分析其原因,主要是因?yàn)樘镩g節(jié)水潛力指的是灌區(qū)地表水和地下水總的灌溉取水減少量,而地表水節(jié)水潛力則是從地表水水源的角度考慮其用水的減少量,當(dāng)灌區(qū)采用微噴灌、管灌等節(jié)水措施時(shí),這部分灌溉面積上的灌溉用水直接由機(jī)井提取地下水代替了地表水,對(duì)地表水來(lái)說(shuō),其減少的取水量就是這部分灌溉面積上的灌溉用水量。(3)灌區(qū)地下水節(jié)水潛力小于等于零。青銅峽灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、田間配套和渠系改造3項(xiàng)節(jié)水措施的地下水節(jié)水潛力為零,微噴灌和管灌2項(xiàng)措施的地下水節(jié)水潛力為負(fù)值。這是因?yàn)楣鄥^(qū)采用微噴灌、管灌等節(jié)水措施時(shí),灌區(qū)微噴灌和管灌灌溉面積上的灌溉用水水源由地表水改為地下水,這樣,當(dāng)?shù)氐叵滤拈_采量將會(huì)增加,從而造成了微噴灌和管灌2項(xiàng)措施的地下水節(jié)水潛力為負(fù)值。種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、田間配套和渠系改造3項(xiàng)措施不涉及灌區(qū)地下水利用的變化,故其地下水節(jié)水潛力為零。(4)灌區(qū)地表水節(jié)水潛力與地下水節(jié)水潛力之和等于灌區(qū)的田間