地下水限額控采條件下民勤紅崖山灌區灌溉模式轉型研究

韓萬海

(武威市水利科學研究所 甘肅武威 733000)

1 問題的提出

紅崖山灌區是民勤縣最大的灌區,也是石羊河流域最大的灌區,幾十年來過量開墾土地,大量耗用水資源,現狀耗水量達到4.46億m3,地下水超采量達3.0億m3以上,灌溉面積最高峰時曾達到120萬畝～130萬畝左右,有效灌溉規模高達近100萬畝,經濟社會用水嚴重擠占生態用水,天然植被大量萎縮,土地沙化、鹽堿化程度不斷加劇,生態環境遭到嚴重破壞,使民勤綠洲正面臨著十分嚴重的水資源危機和生存危機。

石羊河流域的生態環境問題,引起了國家領導的高度重視和社會各界的廣泛關注。2007年 12月,國務院批準,啟動實施了 《石羊河流域重點治理規劃》,根據 《規劃》確定的治理思路和目標:要搶救民勤,必須從根本上解決民勤盆地水資源的總量短缺和地下水超采問題,民勤盆地的地下水開采量由現狀的5.17億m3減少為0.89億m3[1],實現民勤盆地的地下水采補均衡。在地下水限額控采這下約束性條件下,如何實現灌區自身和諧發展這一目標要求,民勤紅崖山灌區必須在外來水量增加的基礎上,徹底解決自身灌溉規模偏大、水資源利用效率低下、地下水嚴重超采的問題,全面實施灌區節水改造工程,提高水資源的利用效率,大力調整灌溉配水面積和種植結構,創新治水思路,轉變灌溉模式,改進灌水技術,發展節水農業,以確保灌區可持續發展。

2 紅崖山灌區灌溉模式現狀

紅崖山灌區由民勤縣紅崖山灌區管理局負責運行管理,管理局隸屬民勤縣水利局,為自收自支事業單位,經費來源主要是灌區的農業水資源費。管理局下8個職能股室,3個管理處、10個水管所、3個灌溉試驗站,現有在職管理人員450名,工程師29名,助理工程師及技術人員81名。截止目前,灌區建成中型水庫 (紅崖山水庫)一座,總庫容9930萬m3,興利庫容7944萬m3,為年調節水庫。灌區累計建成60m～100m深井近萬眼,2006年灌區配套使用7636眼,單位出水量在24m3/h～80m3/h,控制灌溉面積89.558萬畝。在水利工程建設方面,建成躍進總干渠一條,總長87.37km,干渠和總支渠13條,全長172.79km,支渠84條,長512.82km;支渠以上各類建筑物共有2510座,襯砌骨干渠系244.79km,尚有69.447km的骨干渠系仍為土渠輸水。

灌區現狀灌溉方式主要以大水漫灌、溝灌和部分小畦灌為主,灌溉制度實行多年的經驗制度,受春灌時間和春播時間的制約,耕種較早的春小麥和棉花等夏禾作物全部采用冬泡,泡地灌水定額較大,一般在110m3/畝～120m3/畝,對于作物生長期的灌水,因灌區面積大,所覆蓋的氣溫有所差異,灌水周期較長,一般在15天左右,灌水定額一般每次大致相等,沒按作物生長期的需水規律作調整,總體耗水量大,農業灌溉用水有效利用率較低。灌區現狀灌溉面積為94.6萬畝,其中農田有效灌溉面積89.56萬畝,基本生態林地灌溉面積5.05萬畝。灌區內種植的主要作物有春小麥、夏玉米、棉花、油料、蔬菜及其它,實播面積分別為28.43萬畝、18.1萬畝、12.7萬畝、5.7萬畝、15.38萬畝、9.25萬畝,現狀農田灌溉用水量 2006年為5.896億m3,畝均用水量為658m3。糧、經、林種植結構比例為 49.2︰45.5︰5.3。

灌區存在的主要問題:一是骨干工程老化失修,水資源利用效率低,輸水損失嚴重;二是上游分水時段不均,水庫調蓄能力差;三是種植結構不合理,灌水技術落后,水資源浪費嚴重;四是有效灌溉面積偏大,與水資源條件不適應,水資源供需矛盾十分突出。

3 灌區供、需水預測分析

3.1 供水量預測

根據 《石羊河流域重點治理規劃》,2010年規劃水平年,紅崖山灌區地表水由中游河道下泄水量、民調水量及西營專用輸水渠水量三部分組成。各水平年的逐月總入庫水量見表1。入庫水量經水面蒸發、滲漏和水庫調節后的可供水量,P=25%、P=50%、P=75%分別為24504.8萬m3、22761.9萬m3、17809.6萬m3。

根據 《規劃》治理目標:2010年水平年,民勤盆地的地下水開采量由現狀的5.17億m3減少到0.89億m3。考慮不同的地表水用水水平、不同的余水配置方案均直接影響地下水的補排關系及可開量,因此不同水平年的地下水可開采量通過均衡分析法計算。

表1 2010年紅崖山水庫入庫水量匯總表 單位:萬m3

從補排分析計算結果可知:當均衡結果為0時,2010規劃水平年P=25%、P=50%、P=75%地下水可開采量分別可達到 11344萬m3、10343萬m3、9045萬 m3。考慮到用水的穩定性,地下水可供水量預測值采用統一(P=50%)計算值,即2010年紅崖山灌區地下水可開采量為9110萬m3。

3.2 需水量預測

根據《規劃》確定的社會經濟發展總體目標和現行行業用水定額,灌區社會經濟各部門發展指標參照《民勤縣國民經濟和社會發展“十一五”規劃》,結合灌區實際情況,以2003～2006年社會經濟發展指標實際增長率進行預測。經計算,紅崖山灌區各行業2010年預測需水量,生活凈需水量為1169.4萬m3～1375.6萬m3,工業、生態及農業凈需水量分別為945.9萬m3～1330.2萬m3、1709萬m3～2089萬m3、15865萬m3～21456萬m3。

4 灌溉模式轉型

4.1 轉型原則及指導思想

轉型原則:

(1)堅持實事求是、科學合理的原則;

(2)堅持以《規劃》為依據,尊重農民意愿,充分調動農民參與節水的積極性原則;

(3)溫棚、經濟作物大田滴灌等高效節灌模式堅持集中連片布置的原則,為形成規模效益奠定基礎;

(4)堅持灌區灌溉用水實施總量控制、定額管理的原則;

(5)堅持地下水計量設施安裝和灌區水權制度改革緊密結合,優先推進水權制度建設的原則。

指導思想:堅持以人為本,全面貫徹落實科學發展觀。立足灌區實際,以種植結構調整為先導,以改善灌溉方式為核心,以建設節水型灌區為主線,骨干工程和田間工程相結合,以田間節水改造為主,大力推進高效節水灌溉模式,提高田間灌溉管理水平,實現節水增效目標。

4.2 灌區水資源優化配置

紅崖山灌區農業灌溉由傳統的“以需定供”轉變為“以供定需”,這是水資源管理質的飛躍。在大量削減地下水開采量的前提下,要想以有限的水資源量來支撐灌區經濟社會的持續協調發展,必須進行水資源的優化配置和科學管理。在可持續發展戰略思想指導下,選擇灌區社會效益、經濟效益、環境效益等綜合效益最佳為優化配置目標。在灌區協調發展等約束條件下,在Matlab中運用模擬退火遺傳算法(簡稱SAGA)[2-3]對目標函數進行求解,得出規劃水平年灌區水資源優化配置方案(見表2)。

表2 規劃水平年灌區水資源優化配置方案 單位:m3

4.3 節水改造工程的實施

隨著石羊河流域重點治理項目的實施,作為項目的主要建設內容之一,紅崖山灌區節水改造工程將投資97697.63萬元,通過2006～2010年五年的實施,建設渠系骨干工程和田間節水改造工程為主,共改建總干渠53.04km;干渠及總支渠157.54km;支渠293.57km;總長504.15km,改造節水灌溉面積56.26萬畝,其中渠灌25.8萬畝、管灌3.0萬畝、大田滴灌22.46萬畝、微灌5.0萬畝。到2010年,紅崖山灌區節水改造工程全面完成后,綜合灌溉水利用系數由現狀的0.58提高到0.614,其中總干渠渠道水利用系數提高到0.85,干渠渠道水利用系數0.89,支渠渠道水利用系數0.91,田間水利用系數0.92。地表灌溉水利用系數由現狀的0.35提高到0.55,地下灌溉水利用系數由現狀的0.63提高到0.85,實現灌區節水量30605萬m3。

4.4 種植規模及種植結構調整

在預測的供水量下,灌區種植規模明顯偏大,必須進行調整。2010年農田灌溉配水面積調整以尊重歷史、立足現狀、兼顧未來為原則,農田配水面積由2003年的89.56萬畝、2006年的70.31萬畝調整為2010年的56.26萬畝,以2003年灌區農業人口22.904萬人為基數,按人均2.5畝左右進行分配。考慮紅崖山灌區地處石羊河流域風沙線,從流域生態安全出發,基本生態配水面積按農田灌溉配水面積的15%進行分配,將基本生態林地從2003年的5.05萬畝增加到2010年的8.44萬畝。

以市場為導向,以提高灌區經濟效益為目標,保證糧食自給自足為前提,適當提高經濟作物的種植比例,降低糧食作物種植面積,壓縮復套種比例和高耗水作物比例,對灌區種植結構進行優化調整。經多種方案的綜合評比,灌區糧、經、林的種植結構比例由現狀2006年的32.6︰61.3︰6.1調整為2010年的27.5︰59.4︰13.1。具體調整方案見表3。

表3 灌區種植結構調整表

4.5 節水灌溉技術應用

針對紅崖山灌區的實際情況,必須進行節水灌溉技術的推廣應用,在強化農藝節水和節水管理的基礎上,以工程節水為主,通過節水改造工程的實施,進行渠道防滲,提高渠系利用率;通過田間作業,推廣應用小畦灌;通過管道輸水,發展渠灌、管灌和微灌。由于當地蒸發量大,多風且風速大,噴灌適應性較差,運行成本高,難于管理,因此不考慮發展噴灌。根據灌區種植結構調整情況,對于溫室蔬菜和棉花以推廣應用覆膜滴灌為主;對于大田密植的小麥、玉米等糧食作物以渠灌為主;對于油料等其他經濟作物以應用管灌為主,考慮到土地的分戶承包和作物的輪耕倒茬,在全面推行渠灌的基礎上,將管灌和滴灌組合配套,分作物選擇灌溉方式。

4.6 地表水與地下水的聯合調度

灌區在節水改造工程實施的基礎上,通過種植規模和種植結構調整,高新節水灌溉技術的應用,對種植結構調整后的作物,根據灌溉試驗研究成果、設計合理的節水灌溉制度,再根據各種作物的灌溉面積、各生育期的灌水定額、推算出農業和生態的逐月需水量,見表4。

表4 灌區農業、生態月凈需水量計算結果表 單位:萬m3

知道了各月的時段需水量,在前述水資源優化配置的水量基礎上,如何做好各月的時段供水,使供、需平衡,正是本次轉型研究的核心。由于紅崖山灌區地表供水狀況,不僅受時段來水過程的影響,并且受水庫調蓄能力的制約,從灌區各時段的需水要求看,4～6月是它的需水高峰期,其需水量約占總需水量的 60%左右,而來水卻只占全年來水量的7%,是來水低谷期,供需失衡較大。

8-9月是來水的高峰期,需水卻較少,期間正值汛期,受汛限水位的影響,來水大于需水時,又容易造成棄水,這給地表水的年度調節帶來了一定難度。本次紅崖山灌區地表水年度調節計算,就是在以地表水最大限度的滿足灌區需水要求前提下,以棄水量最小為原則,在計算機excel程序中多次循環計算的最佳值,作為最后的調節方案。以地表水為主,地下水為輔的聯合調度結果見表4。

表5 地表水與地下水聯合調度方案表 單位:萬m3

從地表水與地下水的聯合調度方案可以看出,豐水年份灌區地下水量比計劃有所減少,但平水年份和枯水年份都有一定的超采,從一個完整的豐、平、枯周期看,地下水超采量達2350萬m3,但從地下水補采均衡計算中可以得出,一個豐、平、枯周期中,地下水正均衡2840萬m3,說明調度方案是合理的,可以實現地下水逐步恢復的目的,這也說明地表水與地下水聯合調度是可行的,也是合理的。

5 結語

根據流域重點治理規劃,在地下水限額控采條件下,通過供、需水預測分析,對灌區水資源進行優化配置,并以實施節水改造工程、種植規模和種植結構調整、節水灌溉技術應用、作物灌溉制度設計、地表水與地下水合理調度為措施,達到水資源供、需平衡,以期實現灌區灌溉模式由地下水為主、地表水為輔向地表水為主、地下水為輔的戰略轉型。

1 甘肅省石羊河流域重點治理規劃[M]蘭州,甘肅省水利廳,甘肅省發展和改革委員會,2007.

2 龔純,王正林.精通Matlab最優化計算[J].北京,電子工業出版社,2009.

3 雷英杰,張善文.李續武等,Matlab遺傳算法工具箱及應用[J].西安,西安電子科技大學出版,2006.