李曉倩， 彭致功， 張寶忠， 徐海洋， 魏 征

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100038； 2.國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心， 北京 100048； 3.永定河流域投資有限公司， 北京 100193)

1 研究背景

永定河是海河北系最大的河流，為京津冀地區(qū)的重要水源涵養(yǎng)區(qū)、生態(tài)屏障和生態(tài)廊道[1]。近年來，該流域存在水資源短缺、河道斷流以及生態(tài)系統(tǒng)退化等諸多問題[2,3]，已經(jīng)嚴(yán)重制約了京津冀地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[4]，推進(jìn)永定河等“六河五湖”生態(tài)治理與修復(fù)成為《京津冀協(xié)同發(fā)展規(guī)劃綱要》的關(guān)鍵任務(wù)之一。根據(jù)《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》，永定河流域上游段 (三家店以上) 年均總用水量達(dá)20.15×108m3，其中農(nóng)業(yè)用水占比高達(dá)69%。因此，要解決永定河流域的水資源問題，勢(shì)必要大力挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力。

張家口市位于永定河流域上游，根據(jù)2019年水利部印發(fā)的《永定河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水工程實(shí)施推進(jìn)方案》，永定河流域張家口段農(nóng)業(yè)節(jié)水任務(wù)量占永定河上游段的91%，且張家口市作為第24屆冬奧會(huì)主辦城市之一，恢復(fù)“流動(dòng)的永定河”對(duì)維護(hù)中國(guó)美好形象也至關(guān)重要，因此張家口段成為永定河生態(tài)治理和京津冀協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵[5]。目前對(duì)于永定河流域張家口段的水資源相關(guān)研究大多集中在水生態(tài)與水環(huán)境[6-7]、水資源承載力評(píng)價(jià)[8-10]、資源量分析[11]等方面，如劉一江等[12]通過將多層次綜合模糊評(píng)價(jià)法與熵權(quán)法相結(jié)合對(duì)張家口市水資源承載力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明張家口市水資源承載力較低；王立明等[13]指出永定河山區(qū)生態(tài)水量虧缺，并提出了對(duì)應(yīng)的生態(tài)水量保障措施，如要繼續(xù)深挖農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力等。然而，有關(guān)張家口市的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力研究鮮有報(bào)道。

目前有關(guān)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力研究的方法較多。雷波等[14]提出了基于灌區(qū)尺度的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力估算方法，并在徒駭馬頰河流域進(jìn)行了運(yùn)用與分析；尹劍等[15]將農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力分為資源型和效率型，對(duì)不同水文頻率下關(guān)中灌區(qū)的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力進(jìn)行了研究；丁志宏等[16]將農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力分為工程型、效率型和結(jié)構(gòu)型，并以海河流域?yàn)槔M(jìn)行了評(píng)估；賀天明等[17]以完全成本水價(jià)為基礎(chǔ)，分析了該灌區(qū)農(nóng)民灌溉水價(jià)承受力及實(shí)施完全成本水價(jià)和承受力水價(jià)后的節(jié)水效益；彭致功等[18]利用遙感技術(shù)，在提出作物ET(evapotranspiration)估算模型的基礎(chǔ)上，對(duì)大興區(qū)的主要作物進(jìn)行了節(jié)水潛力計(jì)算。綜上所述，以往節(jié)水潛力研究多從減少耗水量或減少取水量角度推求資源型節(jié)水或工程型節(jié)水潛力的大小[19-21]。但是，對(duì)于地下水是否安全等問題均未涉及，特別是對(duì)于井渠結(jié)合灌區(qū)，因過度節(jié)水而造成的地下水超采勢(shì)必會(huì)威脅到灌區(qū)地下水安全，也不利于灌區(qū)水資源的持續(xù)有效利用。

因此，本文以永定河流域張家口段各大中型灌區(qū)為研究對(duì)象，分析灌區(qū)灌溉用水現(xiàn)狀，提出管理節(jié)水潛力和工程節(jié)水潛力的計(jì)算方法，通過引入地下水安全性檢驗(yàn)對(duì)節(jié)水潛力進(jìn)行再分析，建立了基于地下水安全的井渠結(jié)合灌區(qū)節(jié)水潛力分析方法，為井渠結(jié)合灌區(qū)的節(jié)水潛力科學(xué)評(píng)價(jià)、灌溉工程規(guī)劃和建設(shè)等提供了理論與技術(shù)支撐。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

永定河流域張家口段屬于永定河山區(qū)流域，面積為17 662 km2，約占張家口市轄區(qū)內(nèi)國(guó)土面積的49%，包含洋河以及桑干河兩大支流，多年平均徑流深為35.6 mm。根據(jù)2001-2017年地下水水位埋深資料，張宣盆地平均地下水水位埋深在9～18 m之間，地下水水位逐年下降；蔚陽盆地平均地下水水位埋深在7～8 m之間，呈穩(wěn)定狀態(tài)；涿懷盆地平均地下水水位埋深在21～25 m之間，其中在2001-2012年呈下降趨勢(shì)，2013年后呈上升趨勢(shì)。

近年來永定河流域張家口段進(jìn)行地表水灌溉的大中型灌區(qū)有17個(gè)，如圖1所示。本文選擇該17個(gè)大中型灌區(qū)約2.48×104hm2的地表水灌溉面積作為節(jié)水潛力計(jì)算范圍。除常峪口灌區(qū)外，在研究區(qū)范圍內(nèi)由于地表水來水不及時(shí)，均存在機(jī)井補(bǔ)灌情況。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，一年四季分明，冬季長(zhǎng)而寒冷干燥，夏季短且炎熱濕潤(rùn)，多年平均降水量為413.66 mm。全年降雨主要集中在6-9月，約占全年降水量的70%～80%[22]。研究區(qū)范圍內(nèi)以種植玉米為主，同時(shí)種植有少量谷類、薯類、果樹及蔬菜等，各大中型灌區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 永定河流域張家口段各大中型灌區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)來源

采用永定河流域大中型灌區(qū)2017-2019年相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行節(jié)水潛力分析。其中，各個(gè)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)來自于《永定河流域張家口段退灌還水項(xiàng)目總體實(shí)施方案及試點(diǎn)方案》以及水利部印發(fā)的《永定河流域農(nóng)業(yè)節(jié)水工程實(shí)施推進(jìn)方案》；各個(gè)灌區(qū)2017-2019年的取水量來自于實(shí)地調(diào)研成果資料；作物凈灌溉定額源自《河北省行業(yè)用水定額》(DB13/T 1161—2016)，采用75%水平年下的作物凈灌溉定額，以較大程度滿足農(nóng)作物需水，確保研究區(qū)域糧食安全。

2.3 研究方法

2.3.1 節(jié)水潛力計(jì)算方法 在假定現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)與現(xiàn)狀地表水灌溉面積保持不變的基礎(chǔ)上，本文采用的農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算方法如圖3所示。

圖3 農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力計(jì)算方法示意圖

當(dāng)現(xiàn)狀田間灌溉用水定額I0大于理論綜合凈定額I凈時(shí)，則規(guī)劃作物灌溉綜合凈定額I規(guī)劃以理論綜合凈定額I凈為準(zhǔn)。由圖3(a)可以看出，在充分灌溉條件下，保持現(xiàn)狀灌溉水有效利用系數(shù)η0不變，通過調(diào)整I0到I凈，即從A點(diǎn)到B點(diǎn)，減少的灌溉水量(Q0-Q1)即為管理節(jié)水量ΔQ管理；再保持I規(guī)劃不變，通過提高灌溉水有效利用系數(shù)η0到η1，即從B點(diǎn)到C點(diǎn)，減少的沿程輸水滲漏損失量(Q1-Q2)即為工程節(jié)水量ΔQ工程。因此，在充分灌溉的條件下，管理節(jié)水量與工程節(jié)水量計(jì)算公式如下：

ΔQ管理=Q0-Q1

(1)

ΔQ工程=Q1-Q2

(2)

(3)

(4)

式中：ΔQ管理、ΔQ工程分別為管理節(jié)水量、工程節(jié)水量，m3；Q0為現(xiàn)狀灌溉用水量，m3；Q1為保持現(xiàn)狀灌溉水有效利用系數(shù)條件下的規(guī)劃灌溉用水量，m3；Q2為提升灌溉水有效利用系數(shù)后的規(guī)劃灌溉用水量，m3；I規(guī)劃為規(guī)劃作物灌溉綜合凈定額，m3/hm2；A為地表水實(shí)灌面積，hm2；η0、η1分別為灌區(qū)現(xiàn)狀與系數(shù)提高后的灌溉水有效利用系數(shù)。

當(dāng)現(xiàn)狀田間灌溉用水定額I0小于理論綜合凈定額I凈時(shí)，說明現(xiàn)狀灌溉為虧缺灌溉，在虧缺灌溉條件下規(guī)劃作物灌溉綜合凈定額I規(guī)劃以現(xiàn)狀田間灌溉用水定額I0為準(zhǔn)。由圖3(b)可以看出，在虧缺灌溉的條件下，田間用水定額已經(jīng)沒有進(jìn)一步壓縮的空間，所以管理節(jié)水潛力ΔQ管理為0；保持I0不變，通過提高灌溉水有效利用系數(shù)η0到η1，即從D點(diǎn)到E點(diǎn)，減少的沿程滲漏損失量 (Q0-Q3) 即為ΔQ工程。在虧缺灌溉的條件下，工程節(jié)水量計(jì)算公式如下：

ΔQ工程=Q0-Q3

(5)

(6)

式中：Q3為提升灌溉水有效利用系數(shù)后規(guī)劃的灌溉用水量，m3。

2.3.2 地下水安全性檢驗(yàn) 為了保證地下水安全，需要進(jìn)一步復(fù)核灌區(qū)實(shí)現(xiàn)節(jié)水潛力后是否存在地下水超采風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)?shù)乇硭喔葘?duì)地下水補(bǔ)給量Q補(bǔ)小于取用地下水灌溉的凈消耗量Q耗時(shí)，可能存在地下水超采風(fēng)險(xiǎn)。在上述條件出現(xiàn)后，對(duì)地表水灌溉量與地下水灌溉量進(jìn)行調(diào)整，使灌區(qū)灌溉對(duì)地下水凈補(bǔ)給量 (Q補(bǔ)-Q耗) 為非負(fù)值。由于在上述條件下并未考慮降水量及河道側(cè)滲等對(duì)地下水的補(bǔ)給量，同時(shí)考慮到永定河灌區(qū)張家口段地表水灌溉面積萎縮嚴(yán)重，灌區(qū)配水時(shí)間較以往大幅縮短，所以在配水過程中水面蒸發(fā)損失可忽略。因此，地表水灌溉對(duì)地下水補(bǔ)給量Q補(bǔ)與取用地下水灌溉的凈消耗量Q耗的計(jì)算方法可簡(jiǎn)化如下：

Q補(bǔ)=Q地表水·(1-η地表水)

(7)

Q耗=Q地下水·η井灌

(8)

式中：Q補(bǔ)為地表水灌溉對(duì)地下水補(bǔ)給量，m3；Q地表水為地表水灌溉量，m3；η地表水為地表水灌溉水有效利用系數(shù)；Q耗為取用地下水灌溉的凈消耗量，m3；Q地下水為地下水灌溉量，m3；η井灌為機(jī)井灌溉水有效利用系數(shù)。

當(dāng)?shù)乇硭喔葘?duì)地下水補(bǔ)給量Q補(bǔ)不小于取用地下水灌溉的凈消耗量Q耗時(shí)，不存在區(qū)域地下水超采風(fēng)險(xiǎn)，接受公式 (1)～(6) 估算的節(jié)水潛力，否則，需適度增大地表水灌溉水量，減少地下水灌溉水量，確保灌區(qū)灌溉對(duì)地下水凈補(bǔ)給量 (Q補(bǔ)-Q耗) 為非負(fù)值，以保證井渠結(jié)合灌區(qū)的地下水安全。

3 結(jié)果分析

3.1 灌區(qū)用水現(xiàn)狀分析

圖4為永定河流域張家口段大中型灌區(qū)灌溉面積與用水量現(xiàn)狀圖，以2017-2019年的平均值為現(xiàn)狀年情況。

圖4 永定河流域張家口段大中型灌區(qū)灌溉面積與用水量現(xiàn)狀

由圖4(a)可知，永定河流域張家口段17個(gè)灌區(qū)的設(shè)計(jì)總灌溉面積為9.20×104hm2，2017-2019年年均地表水實(shí)際灌溉面積為2.48×104hm2，僅占灌區(qū)總設(shè)計(jì)灌溉面積的27%，表明研究區(qū)地表水實(shí)灌面積嚴(yán)重萎縮。2017-2019年，洋河二灌區(qū)的平均實(shí)際灌溉面積最大，為5 466.67 hm2；海兒洼灌區(qū)的平均實(shí)際灌溉面積最小，僅為333.33 hm2。地表水實(shí)際灌溉面積較大的灌區(qū)有洪塘河灌區(qū)、水溝口灌區(qū)、惠民北灌區(qū)、七一灌區(qū)、洋河二灌區(qū)及桑二灌區(qū)，均在1 400 hm2以上。

由圖4(b)可知，永定河流域張家口段大中型灌區(qū)地表水灌溉范圍內(nèi)，現(xiàn)狀灌溉用水總量為1.62×108m3，其中地表水用水量為1.45×108m3，占總用水量的89%；地下水用水量為0.17×108m3，占總用水量的11%。洋河二灌區(qū)的現(xiàn)狀總用水量最大，達(dá)5 113.95×104m3；海兒洼灌區(qū)的現(xiàn)狀總用水量最小，僅為178.53×104m3。

3.2 灌區(qū)節(jié)水潛力分析

圖5為永定河流域張家口段大中型灌區(qū)現(xiàn)狀與規(guī)劃的田間凈定額及地表水灌溉水有效利用系數(shù)。由圖5(a)可知，水溝口灌區(qū)的現(xiàn)狀田間灌溉用水定額與規(guī)劃凈定額值差別最大，達(dá)2 521.85 m3/hm2。洋河灌區(qū)、小洋河灌區(qū)和侯家廟灌區(qū)的現(xiàn)狀田間灌溉用水定額小于理論值，表明現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)灌溉已處于非充分灌溉狀態(tài)，因而規(guī)劃凈定額值直接采用現(xiàn)狀值。根據(jù)永定河流域張家口段灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造目標(biāo)，各大中型灌區(qū)的地表水灌溉水有效利用系數(shù)可提高0.050～0.245 (圖5(b))。

永定河流域張家口段大中型灌區(qū)地表水節(jié)水潛力見圖6。圖6表明，在未進(jìn)行地下水安全性校驗(yàn)時(shí)，永定河流域張家口段各大中型灌區(qū)地表水節(jié)水潛力總量為8 058.69×104m3，其中，管理節(jié)水潛力為6 104.56×104m3，占比75.8%，工程節(jié)水潛力為1 954.13×104m3，占比24.2%。

圖5 永定河流域張家口段大中型灌區(qū)現(xiàn)狀用水定額與規(guī)劃凈定額及地表水灌溉水有效利用系數(shù)

圖6 永定河流域張家口段大中型灌區(qū)地表水節(jié)水潛力

3.3 考慮地下水安全的灌區(qū)節(jié)水潛力再分析

在加大挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的同時(shí)，為避免井渠結(jié)合灌區(qū)出現(xiàn)地下水超采風(fēng)險(xiǎn)，將上述各灌區(qū)灌溉對(duì)地下水的凈補(bǔ)給量進(jìn)行復(fù)核，以確保灌溉對(duì)地下水凈補(bǔ)給量(Q補(bǔ)-Q耗) 為非負(fù)值。圖7顯示了“可能存在地下水超采風(fēng)險(xiǎn)”的灌區(qū)及其對(duì)地下水的凈補(bǔ)給量。由圖7可看出，洪塘河灌區(qū)、小洋河灌區(qū)、惠民北灌區(qū)、洋河南灌區(qū)及龍洋河灌區(qū)等5個(gè)灌區(qū)灌溉對(duì)地下水的凈補(bǔ)給量為負(fù)值，存在地下水超采風(fēng)險(xiǎn)。因此，為確保上述5個(gè)灌區(qū)地下水安全，需調(diào)整地表水與地下水灌溉水量分配，從而對(duì)節(jié)水潛力進(jìn)行再分析。

圖8為基于地下水安全性檢驗(yàn)的灌區(qū)地表水灌溉用水量調(diào)整前后對(duì)比。如圖8所示，洪塘河灌區(qū)地表水灌溉水量由549.70×104m3調(diào)增到590.32×104m3；小洋河灌區(qū)地表水灌溉水量由210.91×104m3調(diào)增到215.66×104m3；惠民北灌區(qū)地表水灌溉水量由293.09×104m3調(diào)增到334.88×104m3；洋河南灌區(qū)地表水灌溉水量由185.87×104m3調(diào)增到186.67×104m3；龍洋河灌區(qū)地表水灌溉水量由188.99×104m3調(diào)增到205.33×104m3。通過調(diào)整，使得上述5個(gè)灌區(qū)灌溉對(duì)地下水凈補(bǔ)給量滿足非負(fù)值要求。由此表明，挖掘井渠結(jié)合灌區(qū)的節(jié)水潛力時(shí)，應(yīng)合理控制地下水開采規(guī)模，否則可能造成地下水超采風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而影響區(qū)域水資源安全。

表1為考慮地下水安全的永定河流域張家口段大中型灌區(qū)地表水節(jié)水潛力。由表1可以看出，考慮地下水安全的永定河流域張家口段灌區(qū)的管理節(jié)水潛力為6 104.56×104m3，占節(jié)水潛力總量的76.7%，表明抓好管理節(jié)水是挖掘永定河流域張家口段大中型灌區(qū)節(jié)水潛力的關(guān)鍵。其中，水溝口灌區(qū)、惠民北灌區(qū)、七一灌區(qū)、桑南灌區(qū)、洋河南灌區(qū)、龍洋河灌區(qū)和洋河二灌區(qū)的管理節(jié)水潛力均大于200×104m3，總計(jì)達(dá)到5 548.56×104m3，占永定河流域張家口段大中型灌區(qū)管理節(jié)水潛力總量的90.9%。考慮地下水安全的永定河流域張家口段灌區(qū)的工程節(jié)水潛力為1 849.83×104m3，占節(jié)水潛力總量的23.3%。洋河灌區(qū)、洪塘河灌區(qū)、民生渠灌區(qū)、七一灌區(qū)、常峪口灌區(qū)、顧家營(yíng)灌區(qū)、洋河二灌區(qū)及桑二灌區(qū)的工程節(jié)水潛力均大于100×104m3，總計(jì)為1 448.18×104m3，占永定河流域張家口段大中型灌區(qū)工程節(jié)水潛力總量的78.3%。

圖7 可能存在地下水超采風(fēng)險(xiǎn)的灌區(qū)灌溉對(duì)地下水的凈補(bǔ)給量

圖8 基于地下水安全性檢驗(yàn)的灌區(qū)地表水灌溉用水量調(diào)整前后對(duì)比

表1 考慮地下水安全的永定河流域張家口段大中型灌區(qū)地表水節(jié)水潛力 104 m3

4 討 論

水資源制約著城市的經(jīng)濟(jì)與發(fā)展，張家口市作為京津冀的重要組成部分，水資源量卻在持續(xù)減少，地下水超采的問題也時(shí)有發(fā)生。本研究在兼顧地下水安全的條件下計(jì)算永定河流域張家口段大中型灌區(qū)地表水的節(jié)水潛力約為0.80×108m3。通過地下水安全性檢驗(yàn)與調(diào)整，永定河流域張家口段灌區(qū)總節(jié)水量變幅不大，較未考慮地下水安全性檢驗(yàn)條件下的節(jié)水潛力總量?jī)H減少了104.29×104m3，占比為1.29%，但卻避免了張家口段大中型灌區(qū)地下水超采風(fēng)險(xiǎn)。因此，在計(jì)算節(jié)水潛力時(shí)有必要通過考慮地下水安全對(duì)常規(guī)方法估算的節(jié)水潛力結(jié)果進(jìn)行修正，以保證灌區(qū)地下水安全。

考慮地下水安全的永定河流域張家口段大中型灌區(qū)的管理節(jié)水潛力為6 104.56×104m3，工程節(jié)水潛力為1 849.83×104m3，分別占節(jié)水潛力總量的76.7%、23.3%。由此可見，為挖掘張家口段大中型灌區(qū)的節(jié)水潛力，抓好管理節(jié)水是重中之重。對(duì)此，可重點(diǎn)針對(duì)管理潛力較大的灌區(qū)采取一系列措施，如制定合理科學(xué)的灌溉制度、引入現(xiàn)代化技術(shù)進(jìn)行水量的實(shí)時(shí)監(jiān)控與精準(zhǔn)配置以及優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)等；同時(shí)針對(duì)工程節(jié)水潛力較大的灌區(qū)可通過實(shí)施渠系建設(shè)維護(hù)、平整田間土地等工程節(jié)水措施提高灌區(qū)輸配水效率。

5 結(jié) 論

通過利用永定河流域張家口段大中型灌區(qū)2017-2019年灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)張家口段大中型灌區(qū)進(jìn)行農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)永定河流域張家口段大中型灌區(qū)地表水實(shí)際灌溉面積嚴(yán)重萎縮，2017-2019年地表水實(shí)際灌溉面積均值僅占灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積的27%，地表水實(shí)際灌溉范圍內(nèi)的灌溉用水總量為1.62×108m3。

(2)在維持現(xiàn)狀地表水灌溉面積不變的基礎(chǔ)上，各灌區(qū)的地表水節(jié)水潛力為8 058.69×104m3，通過引入地下水安全性檢驗(yàn)，對(duì)計(jì)算的節(jié)水潛力進(jìn)行再分析，則地表水節(jié)水潛力調(diào)整為7 954.40×104m3。

(3)在滿足地下水安全的基礎(chǔ)上，永定河流域張家口段大中型灌區(qū)的管理節(jié)水潛力為6 104.56×104m3，占節(jié)水潛力總量的76.7%，工程節(jié)水潛力為1 849.83×104m3，占節(jié)水潛力總量的23.3%。