杜　斌，段超宇，張紅玲，王　樂(lè)

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 2100292.寧夏回族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

0　引　言

寧夏紅寺堡揚(yáng)黃灌區(qū)是全國(guó)最大的高揚(yáng)程旱作扶貧移民開(kāi)發(fā)區(qū)，灌區(qū)介于東經(jīng)105°45′～106°30′，北緯37°10′～37°29′，灌區(qū)土地總面積8.8 hm2。地形坡度1/50～1/150，地面高程1 200～1 450 m。灌區(qū)多年平均降水量197 mm，多年平均水面蒸發(fā)量1 280 mm(E601)，多年平均氣溫8.4 ℃[1]。該灌區(qū)屬于5級(jí)揚(yáng)水灌溉工程，共有揚(yáng)水泵站14座、總裝機(jī)容量11.66 萬(wàn)kW、總揚(yáng)程306.84 m、干渠總長(zhǎng)度為97.67km[2]。該灌區(qū)在揚(yáng)黃工程建設(shè)之前是荒蕪之地。1994年9月，水利專家錢正英院士帶領(lǐng)國(guó)家農(nóng)林水專家組來(lái)寧考察時(shí)，遂提出“揚(yáng)黃引水，生態(tài)移民，從根本上解決寧夏百萬(wàn)人口的貧困問(wèn)題，寬松南部山區(qū)發(fā)展環(huán)境”的構(gòu)想[3]。一期工程于2003年實(shí)現(xiàn)全線通水。國(guó)家原批準(zhǔn)的灌區(qū)規(guī)模為5 萬(wàn)hm2，2005年根據(jù)《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于寧夏扶貧揚(yáng)黃灌溉一期工程建設(shè)規(guī)模及初步設(shè)計(jì)概算調(diào)整的批復(fù)》(發(fā)改投資[2005]1821號(hào))，灌區(qū)規(guī)模調(diào)整為3.67 萬(wàn)hm2。隨著灌區(qū)灌溉設(shè)施的不斷配套，移民人口的不斷增加，灌區(qū)耕地面積逐年增加，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，紅寺堡灌區(qū)截止2016年底，實(shí)際開(kāi)墾耕地面積6.23 萬(wàn)hm2，2016年有效灌溉面積4.89 萬(wàn)hm2[4]，主要種植結(jié)構(gòu)為玉米、林草，由于灌溉面積的增加，灌區(qū)在灌溉用水高峰期出現(xiàn)灌水調(diào)度緊張，甚至出現(xiàn)泵站供水、渠道輸水能力不足，上下游灌溉搶水的情況。因供需不平衡，影響灌區(qū)農(nóng)民收入水平的提高。本文通過(guò)對(duì)紅寺堡灌區(qū)現(xiàn)狀分析，以期為灌區(qū)灌溉提供理論決策。

1　研究方法

本文針對(duì)紅寺堡實(shí)際情況，通過(guò)統(tǒng)計(jì)近年來(lái)各灌域作物種植結(jié)構(gòu)及面積、調(diào)查不同作物灌溉制度，計(jì)算相應(yīng)灌域灌水率，得出各灌域灌溉實(shí)際用水情況及渠道輸水流量，通過(guò)與渠道設(shè)計(jì)流量及泵站運(yùn)行能力比較，制定保證需水下的合理的水資源調(diào)配制度，為紅寺堡灌區(qū)合理調(diào)度和各類灌溉工程建設(shè)提供理論支撐。

2　結(jié)果分析

2.1　現(xiàn)狀水量分配分析

圖1為近5年各灌域?qū)嶋H平均綜合灌溉定額(實(shí)線)和灌域灌溉面積(虛線)的變化情況，從圖中可以看出，紅一、二干輸水干渠灌溉面積為0.23 萬(wàn)hm2左右，幾乎保持不變，其他各灌域近5年灌溉面積逐年增加，紅寺堡灌區(qū)整體灌溉面積增加24.66%，其中紅三干灌域增幅為9.6%，紅五干灌域?yàn)?21.3%。灌區(qū)總體平均綜合灌溉定額逐年下降，2016年較2012年平均綜合灌溉定額減少795 m3/hm2，各灌域變化量不盡一致，紅一、二干渠灌域平均綜合灌溉定額呈逐年增大趨勢(shì)，紅三、四、五干灌域逐年下降，其中紅五干灌域2016年平均綜合灌溉定額為2 861 m3/hm2，較2012年5 225 m3/hm2減少了2 364 m3/hm2，總體表現(xiàn)為灌區(qū)上游灌水量大，灌區(qū)下游小，搶用水現(xiàn)象嚴(yán)重，綜合灌溉定額的減小主要與灌溉面積的持續(xù)增大有關(guān)，灌水量調(diào)配與灌溉面積的增幅嚴(yán)重失調(diào)，導(dǎo)致各灌域綜合灌溉定額嚴(yán)重不均衡，灌區(qū)上游灌溉水有效利用系數(shù)低，下游灌水不足，農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。

2.2　基于灌溉面積的灌域需水量計(jì)算

灌水率是指灌區(qū)單位面積上所需灌溉的凈流量，又稱灌水模數(shù)。灌水率計(jì)算公式：

(1)

式中：q凈為某作物某次的灌水率，m3/(s·hm2)；a為各作物種植面積與灌區(qū)總灌溉面積的比值；m為某作物某次灌水定額，m3/hm2，作物灌溉制度參考寧夏灌溉定額修編中充分灌水定額，見(jiàn)表1；T為某作物一次灌水延續(xù)時(shí)間，d[5]。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1　2011-2015年紅寺堡灌區(qū)灌溉定額和灌溉面積注：實(shí)線為綜合毛灌溉定額；虛線為灌域灌溉面積

表1　不同作物灌溉制度表　m3/hm2

表2　灌域灌水率計(jì)算表

由灌水率可推算需水流量，其公式為：

Q=q凈A

(2)

式中：A為灌域灌溉面積，萬(wàn)hm2。

通過(guò)灌水流量乘以相應(yīng)灌水時(shí)間即可計(jì)算灌溉需水量[6]，水量分配應(yīng)考慮灌溉水利用系數(shù)，由2016年測(cè)試紅寺堡灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.654，干渠灌溉水利用系數(shù)為0.906，則各灌域至干渠直開(kāi)口取水點(diǎn)有效利用系數(shù)為0.722[4]。計(jì)算各灌域不同時(shí)期灌水流量和實(shí)際需水量,結(jié)果見(jiàn)表3，可見(jiàn)紅寺堡灌區(qū)實(shí)現(xiàn)充分灌溉，灌溉用水量為2.830 6 億m3，按此總用水量與各干渠用水比例，紅一至紅五干渠灌域灌溉水分配比例分別為0.15%、4.44%、68.52%、5.56%、21.33%，按自治區(qū)水權(quán)指標(biāo)分配，紅寺堡灌區(qū)為2 億m3，紅寺堡灌區(qū)2015年用水量為2.468 6 億m3，2016年紅一至紅五干渠灌域?qū)嶋H水量分配比例為0.015%、4.4%、75.88%、7.25%、12.46%。

2.3　灌區(qū)灌溉水優(yōu)化配置分析

圖2為各泵站設(shè)計(jì)流量(實(shí)線)和在實(shí)現(xiàn)充分灌溉定額下運(yùn)行流量(虛線)過(guò)程線，從圖中可以看出，在用水高峰期出現(xiàn)設(shè)計(jì)流量偏小，泵站運(yùn)行能力不足，如果為適應(yīng)灌溉需求，進(jìn)行全線灌溉工程改造，顯然不合理，為達(dá)到各灌域?qū)崿F(xiàn)充分灌溉，可通過(guò)部分泵站改造加修建蓄水調(diào)蓄池，實(shí)現(xiàn)用水淡季蓄水，

表3　各灌域充分灌溉各時(shí)段流量及用水量

用水高峰期配合渠道聯(lián)合調(diào)度灌溉，減少灌溉投資。

從表3可以看出在各灌域充分灌溉條件下泵站獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，紅三泵站在6月22日至7月3日、7月13-22日共有21 d超設(shè)計(jì)流量，紅五泵站全年共有82 d超設(shè)計(jì)流量，因此考慮各項(xiàng)建設(shè)成本，本文建議在紅三干渠灌域相應(yīng)地段建設(shè)蓄水池，紅五泵站依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改造，依據(jù)表3計(jì)算結(jié)果，紅五干渠灌域灌溉面積在現(xiàn)狀情況下實(shí)現(xiàn)充分灌溉，灌溉綜合用水量為6 018.86 萬(wàn)m3，按泵站運(yùn)行173 d計(jì)算，其設(shè)計(jì)流量應(yīng)為4.03 m3/s，大于紅五干渠輸水流量，改造難度較大。按上述方案，需在紅三干灌域相應(yīng)地段建設(shè)調(diào)蓄池，其調(diào)蓄池凈庫(kù)容總和為511.5 萬(wàn)m3。紅五泵站在進(jìn)行泵站改造后，在紅五干渠灌域還需建設(shè)凈庫(kù)容為786.8 萬(wàn)m3的調(diào)蓄池。

紅三干渠灌域各蓄水池均可在用水高峰期前一時(shí)段蓄水，即在6月13-21日蓄水、然后用水，在7月4-12日再次進(jìn)行蓄水，但紅五干渠灌域在冬灌、春播時(shí)期需水流量均大于改造后泵站設(shè)計(jì)流量，因此需在7月23日至9月1日需持續(xù)蓄水，因此本文建議，紅五泵站按現(xiàn)行可運(yùn)行流量3.65 m3/s改造，在有調(diào)蓄蓄水池的區(qū)域進(jìn)行高效節(jié)水改造，紅五泵站改造后最大供水量為5 456 萬(wàn)m3，較紅五干渠灌域充分灌溉水量6 018.86萬(wàn)m3減少563 萬(wàn)m3，增大高效節(jié)水灌溉面積建設(shè)，使節(jié)水量達(dá)563 萬(wàn)m3。

3　結(jié)　語(yǔ)

紅寺堡灌區(qū)由于耕地面積不斷開(kāi)發(fā)，現(xiàn)狀紅寺堡灌區(qū)灌溉用水不盡合理，上游灌水量大，下游灌水量小，造成上游灌溉水利用系數(shù)低，下游缺水，無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分灌溉，通過(guò)計(jì)算優(yōu)化，依據(jù)來(lái)水，紅一、二、三、四、五干渠灌域用水按0.15%、4.44%、68.52%、5.56%、21.33%比例分配。在實(shí)現(xiàn)充分灌溉情況下，紅三泵站和紅五泵站部分時(shí)段供水能力不足，通過(guò)計(jì)算，建議在紅三干渠灌域內(nèi)建設(shè)蓄水池，蓄水池總凈庫(kù)容為511.5 萬(wàn)m3，分兩次需水，紅五泵站進(jìn)行泵站改造，改造后設(shè)計(jì)流量為3.65 m3/s，并在紅五干渠灌域建設(shè)蓄水池，蓄水池總凈庫(kù)容為786.8 萬(wàn)m3，在對(duì)紅五干灌區(qū)部分適宜區(qū)域進(jìn)行高效節(jié)水改造，使節(jié)水量達(dá)到563 萬(wàn)m3。

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