闭合型灌区的节水原理

五、闭合型灌区的节水原理

1.灌区的密集性及灌区规模

灌区绿洲的空间分布形态，不完全由人们的主观意志为转移。但绿洲的密集化问题，随着认识和科学用水管理水平的提高就显得突出了。河西地区灌溉绿洲中武威、张掖属密集型绿洲；民勤、金塔、玉门、双塔等灌区则属于非密集型绿洲，比较二者有以下差异：①灌区集中连片与否；②灌区形状特征，形状系数(长宽比或面积、长度比)大小；③灌区面积系数(灌溉面积与绿洲面积之比)大小；④灌区规模即总面积应达到一定的规模，否则不能形成有效的气候效应。(见前述)

2.灌区水源距及其闭合程度

灌区重心与水源(出山口)的距离直接影响渠系水的利用率，渠道修得很长，无疑增加了水的损失量。解决问题的办法是用大型管道输水。这样等于缩短了水源距。再一个问题是灌区的闭合程度。如果有的渠道下游排水路线及该地段地下水排水途径就地汇潴或有他途，而不能集中排向统一出口，势必减少了“总排水量”而使灌区单耗增加，达不到节水的目的，因此要求“众口归一”。

3.水的重复利用问题

当前河西水资源的开发模式上，基本是多年形成的所谓“重复利用模式”。这种模式是因应走廊区特有的水文地质条件，河流水量沿程多次转化即“地表水一地下水一地表水”的客观条件而形成的。在现状水利工程设施及灌水技术(以地面灌溉为主)条件下，充分利用这种转化关系，增加重复引提的次数及总引水量，是提高水资源利用率的重要而有效途径。

水的转化关系以下式表达：

式中W0为进入灌区总水量，为第t次转化水量，i为水的利用次数，i=1,2,3……当i=1时，t= 0，Wt=Wo，β、r反映水量转化衰减的系数及指数。当t=l，即第一次转化，β=In(Wt/Wo)，一般为－0.6～－0.8；当r＞1.0时，衰减率大，r＜1.0时，衰减率小。

重复引水率：

式中W为累计总引水量，Pt=f(Gt、It、N……)，为单次利用引水效率，取决于各单元水文地质条件Gt，提引水能力It，水质N等条件，显然Pt＜l，而且当水质恶化，矿化度N＞3g/L时，Pt=0

若以实现灌溉面积最大为水资源农业利用的优化条件，则可写成：

式中M为总灌溉面积，m_t为不同水的利用单元的灌溉定额。随上、下游灌区的气候、土壤及地层结构，作物种类，灌水技术等而变化，通常上游定额小，下游定额大。

综合以上分析，影响水资源利用率的因素主要有β、r、Pt、m_t，等。从公式(5)可知，前三项即i=l、2、3最为重要，其水量的总和占各次累积量的绝大部分。通常Pt随i增加而减少，特别是扇形灌区，回归水更难以集中利用，潜蒸及渗漏损失很大。

张、临、高灌区所以能创造单耗最低，水的利用率最高的原因，在于从上游到下游多次重复利用的结果。黑河从莺落峡出山以后即进入张掖城南的大面积的山水灌区，城北有大量泉水涌出，而形成泉水灌区；在张掖城南北又发展了井灌，在此下段形成乌江泉水灌区。进入临泽，黑河干流河槽陆续又有大量泉水涌出，相继有临泽、高台二县引灌，此区间井灌大量发展。最后灌区所有的地下水回归水量全部汇流至正义峡水文站断面，从正义峡排出的水又可为下游的利用创造了条件。

4.闭合灌区的灌溉技术

当前张掖、武威灌区的水利建设状况：武威各河流除杂木河外均在山区建库，渠系全部高标准衬砌，泉水灌区及井灌区大部实现管道化，因此渠系利用系数均在0.60～0.65左右。张掖灌区梨园河已建水库，黑河干流只有一个库容很小的电站。渠系已全部建成高标准的渠道。

在灌溉技术方面：灌溉地块多数为1亩左右的大畦，个别还有较大的地块，灌溉方法为地面灌溉，也可叫小水漫灌。过去曾有串灌的情况，现在基本没有了。串灌在有些地方还适用，如无库调节的山水灌区，地面坡度又大，当出现洪水时为了抢灌，放大口子从上块地串向下一块地，甚至有连串几块的。这种灌地方法也有它的好处，首先是放大口子抢洪水，否则，平时河水小，许多地轮不上水而受旱；其次是适应地形坡度大，渠系和地块不配套，不串灌有的地块就浇不上水；第三串灌并不额外增加用水量，据与水管人员座谈了解，串灌还能节水。原因是，因上块地多余的水全放入下一块地。当然串灌还有一个坏处，就是上块地里的肥料流到了下块。至于大水漫灌与串灌的性质有点相似，它就像美国的涌流灌溉一样，地块很大，进口流量也很大，速度很快，不一定就浪费水。美国涌流灌溉技术是一种节水技术。

在灌溉制度方面，春小麦一般浇3～4次水，复种地浇6～7次水，次净定额为60m³/亩～70m³/亩。此外有泡地水，伏泡水(收割小麦以后)80m³/亩，冬泡水(10～11月)100m³/亩～120m³/亩。这样年灌溉定额约为350m³/亩～400m³/亩，有的也可以达450m³/亩，少的(遇干旱年)有300m³/亩也可以。以上是净定额，如果折算成毛定额则为450m³/亩～550m³/亩。

在一个闭合的灌区内，山水灌区土层较薄，渠系及田间回归系数很大。据作者推算，见《黑河流域灌区各种损失量及回归系数分析》，莺落峡至高崖段总回归系数为0.53。就是说山水灌区中多数的灌水又补入地下水。因此在闭合的灌区中，我们可以不过于强求灌区硬(基本设施)软(灌溉技术及制度)件的高标准，以减少不必要投资。

还有一个问题很值得提出来讨论。像在这种闭合型灌区中要不要花巨大的投入搞所谓的现代化的科学灌溉呢?这些灌溉技术主要是喷灌，滴灌，微喷灌等。这些灌溉方法是很节水的，据了解亩灌溉定额(净定额)一般为200多方。如果张、临、高盆地普遍采用这种先进灌水技术，也就是说灌区净耗水量只200m³/亩，折合300mm水深。加上约100～120mm降水量，则张掖地区只有400多毫米的水分条件，势将变成半干旱区，此其一。由于灌溉水量不再补给地下水(灌溉回归水为0)，地下水位势必节节下降，一旦大面积的地下水位埋深降至3.0m以下(最优埋深2.5m)，有的地区则为3～5m以上，则绿洲中树木有的要枯梢，甚至有的要成片死亡。这就像在民勤所看到的景象。那么张掖的密集绿洲景象将不复存在，它将逐渐地演化为次级绿洲。

5.储水于山的问题

河西诸河流径流量的年内分配，虽然水热同季，基本可以适应农作物生长季节的需要，但来水过程不能完全与农季适应。如春季四五月份正是苗水及安耕水的时节，但此时往往河流来水偏小，形成春旱。而夏秋季河流洪水大，又不能完全利用。因而大大地降低了灌区的保灌水平，如遇全年为枯水年，则影响就更大了。我们经常看到一个灌区的有效灌溉面积数字很大，但保灌面积数字却很小，原因就在这里。因此，要提高灌区的保灌水平，就必须修建调蓄水库，一般采用年调节库容，水库调节系数0.2～0.3，水库最好建在山区。

为什么要蓄水于山呢，原因是山区一般有良好的建库条件，二来山区高程高，蒸发损失量小。据我们水文站的蒸发观测资料分析：

山区水库库水面蒸发量与陆地水面蒸发量的对比：

　　E_水1/E_陆1=0.74　　(8)

平原水库库水面蒸发量与陆地水面蒸发量的对比：

　　E_水2/E_陆2=1.37　　(9)

若采用山区陆上蒸发量为1000毫米，走廊区为1500毫米(下游沙漠戈壁地带为2000毫米)，则

说明平原水库蒸发量是山区水库的2.78倍。若走廊水库建在沙漠边缘地带，则为3.76倍。这充分说明了储水于山区的重要意义。

6.张、临、高闭合盆地耗水量的稳定性

最近看到“九五攻关项目河西走廊地区水资源的研究报告”中引用了莺落峡与正义峡水文站1988～1995年的实测径流资料，列如下表。

表7　1988—1995年的实测径流资料

从表中看出莺落峡与正义峡水量的差值非常稳定，八年资料中其差值在7.1～7.87间变动(这个资料只反映1988—1995年的情况)。说明张掖盆地每年净耗水量的稳定程度。也说明一个闭合的密集的绿洲，只要它的基本结构没有大的变化，（指绿洲面积，灌耕地面积等)它的耗水量水平就不会有大的变化。

作者在《对我国年径流地区分布规律的认识》一文中指出：我国东部地区降水量随纬度的变化明显，陆地蒸发量也呈明显的随降水增加而增加的趋势。纬度带反映热量变化，所以山丘区纬度与陆地蒸发量有相应的关系。列如下表8。

表8　纬度与陆地蒸发量相应关系

我们知道陆地蒸发量反映自然生态环境的基本特征，它与某一纬度下的植被带直接相关。比如华北地区年降水量500毫米，因此，它的小麦由于春季缺水，需要适当补水，一般浇2个水，即100多毫米。这样使平原地区的水分收入总体达到600多毫米，于是就有了华北大平原的生态环境。张掖绿洲生态环境现在同样可以达到华北平原的水平，这就是我们需要的优化的、节水的绿洲生态环境。

一个稳定的植物群落，必然与一个相对稳定的水热环境相适应。温度条件一定时(决定于纬度、高程)，植物群落的生理需水量也是稳定的。在密集的绿洲中有特定的生物群落，它由防护林体系，农区防风林带，作物等构成了这样一幅生物景象，它的生理需水总量也必然是稳定的。在这样一个体系中，供水始终较有保证，因为它有山水和地下水(地下巨型水库)，所以它基本没有大起大落的丰歉年的差别。不会像旱作农业地区，受降雨的年、季,丰、枯之影响，有的年份风调雨顺，有的年份则会连旱致灾，甚至出现所谓“赤地千里”的景象。

因此，在西北的大的气候背景下，在生态如此恶劣的条件下，建设这样一个生态环境既优越(优美)、单位耗水水平很低的稳定绿洲，应该成为西部地区水资源合理开发和可持续利用的最优选择。

7.平原区水库及湿地问题

在武威及张、临、高灌区中，都有一些平原水库，平原水库一般地处洼地，最深处辟为水库，在其外围，往往就是湿地。这些湿地包括一些小海子，沼泽草地及盐碱地(地下水位埋深较浅)，在上世纪八十年代以前，都长期存在着，因为是公社时期，所以也就没有人开垦耕种。武威地区因人多地少，八十年代这些湿地陆续都开垦了，我们在89年调查时，原来有名的湖滩都开成了好地，五十年代修建的乌牛坝水库(平原水库)已种上庄稼。所以武威绿洲中再没有这些湿地了。

张、临、高灌区中仍保留有大量的平原水库、湖面及湿地(截至1990年)，高台县水库面积26370亩，临泽县5227亩，张掖市1440亩，合计33037亩，相当于22km²，这里还不包括湿地。初步统计绿洲内部下湿地，轻盐渍地约为60万亩，可见其数量巨大。仅就临泽而言，黑河干流以南的中部地区，较易开发的低湿地或盐碱地就达22万亩。据说这些土地现已基本开垦。

根据省水电设计院河西二总队《小屯排灌工程报告》称：排灌区的土地基本为沼泽和荒草地，经水均衡计算结果，年单位面积净消耗水量425m³/亩(地下水埋深有的小于1.0m)。此数大于大田的耗水量。因此，得出的结论是：合理开发水资源，首先应尽快开发绿洲内部这些地方，在基本不增加新水资源的情况下，扩大有效耕地面积。

过去为什么保留有许多平原水库?而且这些水库历史上就有，原因在于春季特别是5、6月份主要灌水季节，黑河干流水小，甚至断流，因此利用沿河低凹地蓄冬水保春灌，起着很大作用。现在井灌发展很快(村村通电)，逐渐以井灌代替湖灌，平原水库就失去应有的作用。平原水库均为浅平开阔式水库，水深小，水面蒸发量很大，因此成为巨大的耗水户，这对于节约水资源是十分不利的。近些年来，张、临、高盆地开荒不少，我估计九十年代以来约在70万亩左右。新开荒地的用水量中，既剥夺了一部分无效潜蒸量，当然也增加了一部分新水量，但绿洲的耗水水平不会有大的变化。“湿地是地球的肾”，人们都这么说，那么西部地区的绿洲可以说它既是“肾”又是“肺”。西部有西部的省情，水资源短缺，土地资源却比较多，经济不发达，农民比较贫穷。现在要解决“三农”问题，首先要使农民致富。对于西部来说，扩大耕地，就是使农民富裕起来的基本途径之一。因此，合理开发水资源的重要途径就是有条件地扩大耕地。

扩大耕地的重要原则：首先开垦绿洲内部的荒地，使绿洲尽量达到密集化。第二发展绿洲外围有条件的荒地、湿地，其主要考虑的是与绿洲有水力联系，即有地下径流关系，这样可以剥夺原有的潜蒸量，以减少新增水资源的耗水量。第三改造盐碱地，特别是绿洲下游段的荒地。土地的扩大要与固有的水资源数量相联系，量水开地。同时也要考虑绿洲内部及外围的生态用水量，使绿洲达到即密集又规模化。