韓萬海

(武威市水利科學(xué)研究所 甘肅武威 733000)

1 問題的提出

紅崖山灌區(qū)是民勤縣最大的灌區(qū),也是石羊河流域最大的灌區(qū),幾十年來過量開墾土地,大量耗用水資源,現(xiàn)狀耗水量達(dá)到4.46億m3,地下水超采量達(dá)3.0億m3以上,灌溉面積最高峰時(shí)曾達(dá)到120萬畝～130萬畝左右,有效灌溉規(guī)模高達(dá)近100萬畝,經(jīng)濟(jì)社會用水嚴(yán)重?cái)D占生態(tài)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(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,使民勤綠洲正面臨著十分嚴(yán)重的水資源危機(jī)和生存危機(jī)。

石羊河流域的生態(tài)環(huán)境問題,引起了國家領(lǐng)導(dǎo)的高度重視和社會各界的廣泛關(guān)注。2007年 12月,國務(wù)院批準(zhǔn),啟動實(shí)施了 《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》,根據(jù) 《規(guī)劃》確定的治理思路和目標(biāo):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(xiàn)狀的5.17億m3減少為0.89億m3[1],實(shí)現(xiàn)民勤盆地的地下水采補(bǔ)均衡。在地下水限額控采這下約束性條件下,如何實(shí)現(xiàn)灌區(qū)自身和諧發(fā)展這一目標(biāo)要求,民勤紅崖山灌區(qū)必須在外來水量增加的基礎(chǔ)上,徹底解決自身灌溉規(guī)模偏大、水資源利用效率低下、地下水嚴(yán)重超采的問題,全面實(shí)施灌區(qū)節(jié)水改造工程,提高水資源的利用效率,大力調(diào)整灌溉配水面積和種植結(jié)構(gòu),創(chuàng)新治水思路,轉(zhuǎn)變灌溉模式,改進(jìn)灌水技術(shù),發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè),以確保灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

2 紅崖山灌區(qū)灌溉模式現(xiàn)狀

紅崖山灌區(qū)由民勤縣紅崖山灌區(qū)管理局負(fù)責(zé)運(yùn)行管理,管理局隸屬民勤縣水利局,為自收自支事業(yè)單位,經(jīng)費(fèi)來源主要是灌區(qū)的農(nóng)業(yè)水資源費(fèi)。管理局下8個(gè)職能股室,3個(gè)管理處、10個(gè)水管所、3個(gè)灌溉試驗(yàn)站,現(xiàn)有在職管理人員450名,工程師29名,助理工程師及技術(shù)人員81名。截止目前,灌區(qū)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(diào)節(jié)水庫。灌區(qū)累計(jì)建成60m～100m深井近萬眼,2006年灌區(qū)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(shè)方面,建成躍進(jìn)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(qū)現(xiàn)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(shí)行多年的經(jīng)驗(yàn)制度,受春灌時(shí)間和春播時(shí)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(qū)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(guī)律作調(diào)整,總體耗水量大,農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用率較低。灌區(qū)現(xiàn)狀灌溉面積為94.6萬畝,其中農(nóng)田有效灌溉面積89.56萬畝,基本生態(tài)林地灌溉面積5.05萬畝。灌區(qū)內(nèi)種植的主要作物有春小麥、夏玉米、棉花、油料、蔬菜及其它,實(shí)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(xiàn)狀農(nóng)田灌溉用水量 2006年為5.896億m3,畝均用水量為658m3。糧、經(jīng)、林種植結(jié)構(gòu)比例為 49.2︰45.5︰5.3。

灌區(qū)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(yán)重;二是上游分水時(shí)段不均,水庫調(diào)蓄能力差;三是種植結(jié)構(gòu)不合理,灌水技術(shù)落后,水資源浪費(fèi)嚴(yán)重;四是有效灌溉面積偏大,與水資源條件不適應(yīng),水資源供需矛盾十分突出。

3 灌區(qū)供、需水預(yù)測分析

3.1 供水量預(yù)測

根據(jù) 《石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃》,2010年規(guī)劃水平年,紅崖山灌區(qū)地表水由中游河道下泄水量、民調(diào)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?cè)霂焖恳姳?。入庫水量經(jīng)水面蒸發(fā)、滲漏和水庫調(diào)節(jié)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(jù) 《規(guī)劃》治理目標(biāo):2010年水平年,民勤盆地的地下水開采量由現(xiàn)狀的5.17億m3減少到0.89億m3?？紤]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(bǔ)排關(guān)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(jì)算。

表1 2010年紅崖山水庫入庫水量匯總表 單位:萬m3

從補(bǔ)排分析計(jì)算結(jié)果可知:當(dāng)均衡結(jié)果為0時(shí),2010規(guī)劃水平年P(guān)=25%、P=50%、P=75%地下水可開采量分別可達(dá)到 11344萬m3、10343萬m3、9045萬 m3。考慮到用水的穩(wěn)定性,地下水可供水量預(yù)測值采用統(tǒng)一(P=50%)計(jì)算值,即2010年紅崖山灌區(qū)地下水可開采量為9110萬m3。

3.2 需水量預(yù)測

根據(jù)《規(guī)劃》確定的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展總體目標(biāo)和現(xiàn)行行業(yè)用水定額,灌區(qū)社會經(jīng)濟(jì)各部門發(fā)展指標(biāo)參照《民勤縣國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展“十一五”規(guī)劃》,結(jié)合灌區(qū)實(shí)際情況,以2003～2006年社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)實(shí)際增長率進(jìn)行預(yù)測。經(jīng)計(jì)算,紅崖山灌區(qū)各行業(yè)2010年預(yù)測需水量,生活凈需水量為1169.4萬m3～1375.6萬m3,工業(yè)、生態(tài)及農(nóng)業(yè)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(zhuǎn)型

4.1 轉(zhuǎn)型原則及指導(dǎo)思想

轉(zhuǎn)型原則:

(1)堅(jiān)持實(shí)事求是、科學(xué)合理的原則;

(2)堅(jiān)持以《規(guī)劃》為依據(jù),尊重農(nóng)民意愿,充分調(diào)動農(nóng)民參與節(jié)水的積極性原則;

(3)溫棚、經(jīng)濟(jì)作物大田滴灌等高效節(jié)灌模式堅(jiān)持集中連片布置的原則,為形成規(guī)模效益奠定基礎(chǔ);

(4)堅(jiān)持灌區(qū)灌溉用水實(shí)施總量控制、定額管理的原則;

(5)堅(jiān)持地下水計(jì)量設(shè)施安裝和灌區(qū)水權(quán)制度改革緊密結(jié)合,優(yōu)先推進(jìn)水權(quán)制度建設(shè)的原則。

指導(dǎo)思想:堅(jiān)持以人為本,全面貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀。立足灌區(qū)實(shí)際,以種植結(jié)構(gòu)調(diào)整為先導(dǎo),以改善灌溉方式為核心,以建設(shè)節(jié)水型灌區(qū)為主線,骨干工程和田間工程相結(jié)合,以田間節(jié)水改造為主,大力推進(jìn)高效節(jié)水灌溉模式,提高田間灌溉管理水平,實(shí)現(xiàn)節(jié)水增效目標(biāo)。

4.2 灌區(qū)水資源優(yōu)化配置

紅崖山灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉由傳統(tǒng)的“以需定供”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙怨┒ㄐ琛?這是水資源管理質(zhì)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(qū)經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展,必須進(jìn)行水資源的優(yōu)化配置和科學(xué)管理。在可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略思想指導(dǎo)下,選擇灌區(qū)社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益等綜合效益最佳為優(yōu)化配置目標(biāo)。在灌區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展等約束條件下,在Matlab中運(yùn)用模擬退火遺傳算法(簡稱SAGA)[2-3]對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解,得出規(guī)劃水平年灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案(見表2)。

表2 規(guī)劃水平年灌區(qū)水資源優(yōu)化配置方案 單位:m3

4.3 節(jié)水改造工程的實(shí)施

隨著石羊河流域重點(diǎn)治理項(xiàng)目的實(shí)施,作為項(xiàng)目的主要建設(shè)內(nèi)容之一,紅崖山灌區(qū)節(jié)水改造工程將投資97697.63萬元,通過2006～2010年五年的實(shí)施,建設(shè)渠系骨干工程和田間節(jié)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(jié)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(qū)節(jié)水改造工程全面完成后,綜合灌溉水利用系數(shù)由現(xiàn)狀的0.58提高到0.614,其中總干渠渠道水利用系數(shù)提高到0.85,干渠渠道水利用系數(shù)0.89,支渠渠道水利用系數(shù)0.91,田間水利用系數(shù)0.92。地表灌溉水利用系數(shù)由現(xiàn)狀的0.35提高到0.55,地下灌溉水利用系數(shù)由現(xiàn)狀的0.63提高到0.85,實(shí)現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水量30605萬m3。

4.4 種植規(guī)模及種植結(jié)構(gòu)調(diào)整

在預(yù)測的供水量下,灌區(qū)種植規(guī)模明顯偏大,必須進(jìn)行調(diào)整。2010年農(nóng)田灌溉配水面積調(diào)整以尊重歷史、立足現(xiàn)狀、兼顧未來為原則,農(nóng)田配水面積由2003年的89.56萬畝、2006年的70.31萬畝調(diào)整為2010年的56.26萬畝,以2003年灌區(qū)農(nóng)業(yè)人口22.904萬人為基數(shù),按人均2.5畝左右進(jìn)行分配?？紤]紅崖山灌區(qū)地處石羊河流域風(fēng)沙線,從流域生態(tài)安全出發(fā),基本生態(tài)配水面積按農(nóng)田灌溉配水面積的15%進(jìn)行分配,將基本生態(tài)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(dǎo)向,以提高灌區(qū)經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo),保證糧食自給自足為前提,適當(dāng)提高經(jīng)濟(jì)作物的種植比例,降低糧食作物種植面積,壓縮復(fù)套種比例和高耗水作物比例,對灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。經(jīng)多種方案的綜合評比,灌區(qū)糧、經(jīng)、林的種植結(jié)構(gòu)比例由現(xiàn)狀2006年的32.6︰61.3︰6.1調(diào)整為2010年的27.5︰59.4︰13.1。具體調(diào)整方案見表3。

表3 灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整表

4.5 節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用

針對紅崖山灌區(qū)的實(shí)際情況,必須進(jìn)行節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用,在強(qiáng)化農(nóng)藝節(jié)水和節(jié)水管理的基礎(chǔ)上,以工程節(jié)水為主,通過節(jié)水改造工程的實(shí)施,進(jìn)行渠道防滲,提高渠系利用率;通過田間作業(yè),推廣應(yīng)用小畦灌;通過管道輸水,發(fā)展渠灌、管灌和微灌。由于當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量大,多風(fēng)且風(fēng)速大,噴灌適應(yīng)性較差,運(yùn)行成本高,難于管理,因此不考慮發(fā)展噴灌。根據(jù)灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整情況,對于溫室蔬菜和棉花以推廣應(yīng)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(jīng)濟(jì)作物以應(yīng)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(chǔ)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(lián)合調(diào)度

灌區(qū)在節(jié)水改造工程實(shí)施的基礎(chǔ)上,通過種植規(guī)模和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,高新節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用,對種植結(jié)構(gòu)調(diào)整后的作物,根據(jù)灌溉試驗(yàn)研究成果、設(shè)計(jì)合理的節(jié)水灌溉制度,再根據(jù)各種作物的灌溉面積、各生育期的灌水定額、推算出農(nóng)業(yè)和生態(tài)的逐月需水量,見表4。

表4 灌區(qū)農(nóng)業(yè)、生態(tài)月凈需水量計(jì)算結(jié)果表 單位:萬m3

知道了各月的時(shí)段需水量,在前述水資源優(yōu)化配置的水量基礎(chǔ)上,如何做好各月的時(shí)段供水,使供、需平衡,正是本次轉(zhuǎn)型研究的核心。由于紅崖山灌區(qū)地表供水狀況,不僅受時(shí)段來水過程的影響,并且受水庫調(diào)蓄能力的制約,從灌區(qū)各時(shí)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(shí),又容易造成棄水,這給地表水的年度調(diào)節(jié)帶來了一定難度。本次紅崖山灌區(qū)地表水年度調(diào)節(jié)計(jì)算,就是在以地表水最大限度的滿足灌區(qū)需水要求前提下,以棄水量最小為原則,在計(jì)算機(jī)excel程序中多次循環(huán)計(jì)算的最佳值,作為最后的調(diào)節(jié)方案。以地表水為主,地下水為輔的聯(lián)合調(diào)度結(jié)果見表4。

表5 地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度方案表 單位:萬m3

從地表水與地下水的聯(lián)合調(diào)度方案可以看出,豐水年份灌區(qū)地下水量比計(jì)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(gè)完整的豐、平、枯周期看,地下水超采量達(dá)2350萬m3,但從地下水補(bǔ)采均衡計(jì)算中可以得出,一個(gè)豐、平、枯周期中,地下水正均衡2840萬m3,說明調(diào)度方案是合理的,可以實(shí)現(xiàn)地下水逐步恢復(fù)的目的,這也說明地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度是可行的,也是合理的。

5 結(jié)語

根據(jù)流域重點(diǎn)治理規(guī)劃,在地下水限額控采條件下,通過供、需水預(yù)測分析,對灌區(qū)水資源進(jìn)行優(yōu)化配置,并以實(shí)施節(jié)水改造工程、種植規(guī)模和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用、作物灌溉制度設(shè)計(jì)、地表水與地下水合理調(diào)度為措施,達(dá)到水資源供、需平衡,以期實(shí)現(xiàn)灌區(qū)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(zhàn)略轉(zhuǎn)型。

1 甘肅省石羊河流域重點(diǎn)治理規(guī)劃[M]蘭州,甘肅省水利廳,甘肅省發(fā)展和改革委員會,2007.

2 龔純,王正林.精通Matlab最優(yōu)化計(jì)算[J].北京,電子工業(yè)出版社,2009.

3 雷英杰,張善文.李續(xù)武等,Matlab遺傳算法工具箱及應(yīng)用[J].西安,西安電子科技大學(xué)出版,2006.