呂文星， 張學(xué)成， 周鴻文， 李 東， 王永峰， 劉東旭

(1.黃河水利委員會(huì)水文局，河南鄭州 450004； 2.青海省水文水資源勘測(cè)局，青海西寧 810008)

水資源作為基礎(chǔ)性自然資源與戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，擔(dān)負(fù)著支撐人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維系生態(tài)環(huán)境安全的重任。青海省農(nóng)耕地空間分布極不均衡，黃河河灘、谷地以及湟水河流域耕地約占全省總耕地面積的64%，是全省農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要基地，也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐和保障。青海省黃河流域耕地總灌溉面積121.9萬(wàn)hm2，占全省灌溉面積的81.8%，其中湟水流域耕地灌溉面積81.7萬(wàn)hm2，占青海省黃河流域灌溉面積的67.0%。根據(jù)《青海省水資源綜合規(guī)劃》，2010年青海省黃河流域地表水資源開(kāi)發(fā)利用率僅為7.5%，需水量22.5億m3，可供水量18.8億m3，缺水率達(dá)16.1%。按照社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、需水、供水預(yù)測(cè)及平衡分析進(jìn)行了水資源配置，湟水規(guī)劃到2020年和2030年，地表水耗水分別達(dá)12.2億、14.5億m3。由此可見(jiàn)，當(dāng)前水資源的制約作用已經(jīng)凸顯，且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，青海省黃河流域耗水量持續(xù)增加，預(yù)計(jì)到2020年，地表水耗水量將超過(guò)2015年“三條紅線”取水許可總量控制指標(biāo)5.2億m3；到2030年，僅湟水流域地表水耗水量將超過(guò)當(dāng)前確定的全省黃河流域取水許可總量控制指標(biāo)，水資源供需矛盾將成為區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素。

在此背景下，對(duì)青海湟水流域大峽灌區(qū)典型地塊采用引排差法開(kāi)展耗水系數(shù)研究，加強(qiáng)區(qū)域水資源管理，進(jìn)而完善灌區(qū)取水、需水和配水計(jì)劃，制定合理的灌溉制度，為進(jìn)一步完善流域管理與行政區(qū)管理相結(jié)合的水資源管理體制提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)布設(shè)在青海省黃河支流湟水河流域大峽灌區(qū)，地處102°15′～102°24′E、36°13′～36°30′N(xiāo)，海拔1 650～4 400 m。大峽灌區(qū)位于河谷平原川水區(qū)，該區(qū)沿湟水干流及其一級(jí)支流呈帶狀分布，由河灘和1～5級(jí)階地坡洪積扇組成，土體構(gòu)型較好，質(zhì)地松，是青海省海東市樂(lè)都縣的主要產(chǎn)糧區(qū)。

灌區(qū)屬半干旱的高原大陸性氣候類(lèi)型，寒冷和干旱是區(qū)內(nèi)主要?dú)夂蛱攸c(diǎn)。年平均氣溫4.5～7.5 ℃，無(wú)霜期130～150 d，區(qū)域地形復(fù)雜，海拔高差大，各地降水量不盡一致，山區(qū)一般大于川區(qū)，腦山大于淺山，川水地區(qū)年降水量為320～340 mm，蒸發(fā)量川區(qū)大于山區(qū)，川區(qū)年蒸發(fā)量達(dá)843 mm。最大凍土深度為86 cm。大峽灌區(qū)土壤主要包括灰鈣土和栗鈣土2種，成土母質(zhì)有沖積物、洪積物和次生黃土等，土質(zhì)松散，質(zhì)地均一，耕性好，結(jié)構(gòu)呈團(tuán)粒狀或粒狀。

在大峽灌區(qū)引退水條件較好處設(shè)置典型地塊進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)(圖1)，典型地塊地處36°29′16.4″N、102°13′34.8″E，海拔1 950 m，平均坡度3°，種植作物為大蒜，土壤類(lèi)型為灰鈣土[1]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 引退水監(jiān)測(cè)斷面布設(shè) 在大峽灌區(qū)典型地塊開(kāi)展引退水量監(jiān)測(cè)，典型地塊灌溉面積19.33 hm2，進(jìn)水口斷面2個(gè)，退水口斷面6個(gè)(編號(hào)為dx-ts1～dx-ts6)，引、退水口設(shè)置見(jiàn)圖1和表1。

1.2.2 引退水量監(jiān)測(cè) 大峽渠灌區(qū)典型地塊春灌期監(jiān)測(cè)時(shí)間為21013年3月10—25日，共16 d。3月19—20日對(duì)水尺零高進(jìn)行測(cè)量。春灌期每日測(cè)流2次，21日通過(guò)調(diào)節(jié)閘門(mén)增加測(cè)次，完成了斗渠水位流量關(guān)系率定，用水位流量關(guān)系曲線法推求引水量，用實(shí)測(cè)流量對(duì)水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行校核。

表1 大峽灌區(qū)典型地塊引、退水監(jiān)測(cè)斷面

2013年4月12—26日為苗灌期，共監(jiān)測(cè)15 d，用水位流量關(guān)系曲線推求引水量。4月24日，在斗渠①和斗渠②各測(cè)流1次，校核水位流量關(guān)系曲線。每天09：00、14：00、19：00監(jiān)測(cè)典型地塊退水量3次。間斷灌溉期，采用駐點(diǎn)觀測(cè)，及時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉退水量及退水時(shí)間。

2013年8月20日至9月3日為秋灌期，共監(jiān)測(cè)13 d。

退水口①～⑥流量采用巡測(cè)方式監(jiān)測(cè)，有退水時(shí)隨時(shí)監(jiān)測(cè)，退水口斷面流量較小時(shí)測(cè)流方式為直角三角型量水堰測(cè)流。根據(jù)SL 537—2011《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》[2]，對(duì)于自由流直角三角堰，流量計(jì)算公式為

Q=1.343H2.24。

(1)

該式堰上水頭H適用范圍為0.06～0.65 m。薄壁堰厚度 1.5 mm，堰頂高0.5 m，頂寬0.5 mm。

大峽渠灌區(qū)典型地塊進(jìn)水口流量監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)表2，典型地塊退水口流量監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)表3。

表2 大峽渠灌區(qū)典型地塊進(jìn)水口流量監(jiān)測(cè)情況

表3 大峽渠灌區(qū)典型地塊退水口流量監(jiān)測(cè)情況

1.2.3 地下水監(jiān)測(cè)井布設(shè) 在大峽渠灌區(qū)建設(shè)5眼地下水觀測(cè)井，開(kāi)展農(nóng)田灌溉水下滲及對(duì)地下水動(dòng)態(tài)影響試驗(yàn)研究。地下水位觀測(cè)井位置如圖2所示，在地塊南部，湟水左岸邊設(shè)立直立式水尺1組，共2支。在觀測(cè)井附近分別埋設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)2處，工作中每月對(duì)各水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行互校，同時(shí)校測(cè)河道水尺高程及地下水井口高程。每次灌溉前1 d觀測(cè)5眼地下水井水位，灌溉后期每日09：00、14：00、19：00各觀測(cè)1次，地下水水位穩(wěn)定后停止觀測(cè)。每次觀測(cè)地下水位時(shí)，同步觀測(cè)河道水位。

地下水位觀測(cè)采用PD-26型便攜式激光測(cè)距儀結(jié)合懸垂式電子感應(yīng)器人工觀測(cè)，激光測(cè)距儀技術(shù)參數(shù)為測(cè)量精度±2 mm， 測(cè)量范圍0.2～60 m，激光等級(jí)2級(jí)，波長(zhǎng)635 mm，為使地下水位及河道水位在同一個(gè)高程系統(tǒng)內(nèi)反映灌溉用水下滲及河道水位的變化情況，大峽渠灌區(qū)典型地塊設(shè)有2個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，分別為基1、基2水準(zhǔn)點(diǎn)，埋深為1.5 m。2個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)相距約124 m，3月18日通過(guò)復(fù)測(cè)判定高程未變。大峽渠灌區(qū)典型地塊水準(zhǔn)點(diǎn)位置見(jiàn)表5。

工作溫度-10～50 ℃。依照《地下水監(jiān)測(cè)規(guī)范》[3]要求，每次監(jiān)測(cè)地下水位應(yīng)測(cè)量2次，間隔時(shí)間不應(yīng)少于1 min，當(dāng)2次測(cè)量數(shù)值之差小于0.02 m時(shí)，取2次水位的平均值；當(dāng)2次測(cè)量偏差超過(guò)0.02 m時(shí)，應(yīng)重復(fù)測(cè)量。在實(shí)際觀測(cè)中，2次測(cè)量偏差在0.005 m以內(nèi)時(shí)，采用2次平均值，高于規(guī)范要求的標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量成果當(dāng)場(chǎng)核查，及時(shí)點(diǎn)繪各地下水井的水位過(guò)程線，發(fā)現(xiàn)反常及時(shí)補(bǔ)測(cè)，保證監(jiān)測(cè)資料真實(shí)、準(zhǔn)確、完整、可靠。大峽渠灌區(qū)典型地塊地下水監(jiān)測(cè)實(shí)施方案見(jiàn)表4。

表4 大峽渠灌區(qū)典型地塊地下水監(jiān)測(cè)方案

注：監(jiān)測(cè)頻次：灌溉期每日09：00、14：00、19：00各觀測(cè)1次，水位穩(wěn)定后每日09：00觀測(cè)1次；測(cè)量用具：激光測(cè)距儀配合懸垂式電子感應(yīng)器。

表5 大峽渠灌區(qū)典型地塊水準(zhǔn)點(diǎn)位置

1.2.4 土壤含水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè) 大峽渠灌區(qū)設(shè)有2個(gè)土壤含水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一個(gè)布設(shè)于3號(hào)監(jiān)測(cè)井周?chē)?，距支?0 m，種植大蒜，監(jiān)測(cè)土層均為黏土；另一監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在監(jiān)測(cè)井東北300 m，種植玉米，監(jiān)測(cè)土層上部40 cm為黏土層，以下為沙黏土。土壤含水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)見(jiàn)表6。

1.3 引排差法

本次研究基于典型地塊尺度上的灌溉試驗(yàn)及相關(guān)參數(shù)等有關(guān)資料分析，間接推求耗水量來(lái)計(jì)算農(nóng)田灌溉耗水系數(shù)[4]。

表6 大峽渠灌區(qū)典型地塊土壤含水量監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)

(2)

式中：K為耗水系數(shù)；Mz為總引水量，m3；Wz為總退水量，m3。

其中退水量Wz計(jì)算公式如下：

Wz=Wp+Wd。

(3)

式中：Wp為地表退水量，m3；Wd為地下退水量，m3。

其中地表退水量Wp計(jì)算公式如下：

(4)

式中：Wpmj為斗農(nóng)渠退水口退水量，m3。

地下退水量Wd計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Wdi為地下退水量，m3；Wdqi為渠床滲漏損失，m3；Wddj為地塊滲漏損失，m3。本項(xiàng)計(jì)算應(yīng)減去降水入滲影響。

耗水系數(shù)計(jì)算公式如下：

(6)

(7)

式中：Kd為典型地塊耗水系數(shù)；Msti為典型地塊引水量，m3。

1.4 地下水蓄水變化量計(jì)算

根據(jù)灌區(qū)地下水賦存特征，在灌區(qū)典型地塊鑿井進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)，采用觀測(cè)井平均地下水位變化、分布面積和變幅帶給水度乘積計(jì)算蓄水變化量[5]。

Wdd=F×μ×Δh。

(8)

式中：F為面積，hm2；μ為給水度；Δh為水位變化幅度，mm。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，采用CAD作圖。

2 結(jié)果與分析

大峽渠灌區(qū)3月15日通水，15—16日為沖渠期，3月17日至11月23日為灌溉期。經(jīng)監(jiān)測(cè)，干渠渠首平均引水流量 2.41 m3/s，大峽渠灌區(qū)干渠總引水量4 976萬(wàn)m3。

大峽渠灌區(qū)干渠退水口門(mén)17座，經(jīng)調(diào)查監(jiān)測(cè)，干渠僅高廟河灘寨村退水口因突發(fā)事故和渠道維修，退水10 d，總退水量包括渠首退水口退水量和干渠蓄水量，合計(jì)252.3萬(wàn)m3。干渠退水占總引水量的3.76%。

2.1 引退水量統(tǒng)計(jì)分析

大峽渠灌區(qū)典型地塊春灌期引水量4.916 2萬(wàn)m3，退水量2.116 5萬(wàn)m3；苗灌期引水量4.164 5萬(wàn)m3，退水量 3.222 9萬(wàn)m3；秋灌期引水量1.355 8萬(wàn)m3，退水量 0.847 0萬(wàn)m3。監(jiān)測(cè)期總引水量10.436 5萬(wàn)m3，總退水量6.186 4萬(wàn)m3。大峽渠灌區(qū)典型地塊各時(shí)期引、退水量統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表7。

表7 大峽渠灌區(qū)典型地塊引退水量統(tǒng)計(jì) 萬(wàn)m3

大峽渠灌區(qū)典型地塊春灌期、苗灌期、秋灌期逐日引退水量分別見(jiàn)圖3、圖4、圖5。

春灌期、苗灌期和秋灌期1號(hào)斗門(mén)因管理不善或維修不及時(shí)，閘門(mén)關(guān)閉不嚴(yán)，夜間持續(xù)漏水，滲漏水量直接排入湟水。經(jīng)計(jì)算，春灌期、苗灌期和秋灌期1號(hào)斗門(mén)漏水量分別為 0.41萬(wàn)、1.11萬(wàn)、0.45萬(wàn)m3。

據(jù)巡測(cè)和調(diào)查，除因突發(fā)事故和渠道維修退水外，灌溉期間大峽渠灌區(qū)干渠無(wú)退水。

2.2 土壤含水量變化及灌溉水下滲水量分析

大峽渠灌區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤含水量變化過(guò)程見(jiàn)圖6、圖7。大峽渠灌區(qū)由于受土壤性質(zhì)的影響，土壤含水量變化過(guò)程較為復(fù)雜，灌溉前期主要受淺層的黏土影響，變化相對(duì)一致，后期由于深層土壤為沙壤土，滲透性強(qiáng)，土壤含水量變化較快，因此變化過(guò)程與其他含水層不一致。

根據(jù)典型灌區(qū)土壤含水量監(jiān)測(cè)成果，逐層計(jì)算土壤含水率與田間持水率的差值，積分計(jì)算得到灌溉水下滲水量?？梢钥闯觯看喂喔冉Y(jié)束后，土壤含水量隨深度具有先增大后減小的趨勢(shì)，大峽渠灌區(qū)灌溉入滲深度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。根據(jù)典型地塊面積為19.33 hm2，春灌期和苗灌期折算成下滲水量分別為307.93、463.12 m3。

表8 大峽渠灌區(qū)灌溉水入滲監(jiān)測(cè)情況

2.3 地下水動(dòng)態(tài)變化及退水量分析

2.3.1 地下水動(dòng)態(tài)變化 大峽渠灌區(qū)典型地塊觀測(cè)井于2013年3月11日開(kāi)始觀測(cè)，同步監(jiān)測(cè)河道水位。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，灌溉后各觀測(cè)井地下水位開(kāi)始上升，19日達(dá)到最高，之后緩慢下降，趨于平穩(wěn)。

3月11日19：00，1號(hào)、4號(hào)井周?chē)l(fā)生輕微沉陷，灌溉水沿管壁下滲，導(dǎo)致井水位異常抬升，其中，1號(hào)井19：00地下水位95.77 m，4號(hào)井19：00地下水位95.29 m。14日由于電站放水沖沙，同日12：00河道水位偏高。

4月12—26日為苗灌期，5眼井地下水位變化過(guò)程相似，4月12日河水位有較小的漲幅，地下水位相應(yīng)增高，由于15日灌溉時(shí)，2號(hào)井周?chē)p微塌陷，造成地下水位異常上升。17日開(kāi)始河水位穩(wěn)定不變，地下水位緩慢上升。

8月20日至9月3日為秋灌期，為期14 d，河水位變化較大，最高95.99 m，最低95.03 m，變幅0.96 m，部分時(shí)段河水位高于地下水位，5號(hào)井靠近河邊地下水位最大，變幅 0.62 m。

大峽渠灌區(qū)典型地塊春灌、苗灌期和秋灌期地下水位及河道水位過(guò)程線見(jiàn)圖8、圖9。

從圖8可以看出，苗灌期4月12—26日觀測(cè)井水位呈緩慢上升趨勢(shì)，階段性變化規(guī)律與水文地質(zhì)普查報(bào)告一致。通過(guò)地下水位過(guò)程線分析，1號(hào)、2號(hào)井距河道最遠(yuǎn)，4號(hào)、5號(hào)井距河道最近，1號(hào)、2號(hào)井水位最高，水位相近，3號(hào)井水位居中，4號(hào)、5號(hào)井水位較低。秋灌期地下水觀測(cè)井及河水位變化過(guò)程表明，期間該典型地塊灌溉水滲漏與河水關(guān)系密切，地下水觀測(cè)井水位上升受到河水位變化、降水及灌溉水滲漏的多因素影響，因此，本研究?jī)H對(duì)春灌期和苗灌期灌溉水滲漏進(jìn)行分析。

2.3.2 地下退水量分析 本試驗(yàn)地下水水位變幅為灌溉前地下水位與灌溉后地下水最高水位之差，計(jì)算中剔除水位異常變化影響。春灌期和苗灌期1號(hào)井至5號(hào)井水位變幅見(jiàn)表9。春灌期地下水位平均變幅為0.26 m，苗灌期地下水位平均變幅為0.14 m。

表9 觀測(cè)井水位埋深變化統(tǒng)計(jì)

本次試驗(yàn)地下水水位變幅為灌溉前地下水位與灌溉后地下水位上升至最高水位之差，計(jì)算中剔除水位異常變化影響。春灌期和苗灌期1號(hào)井至5號(hào)井水位平均變幅Δh分別為 0.26、0.14 m。典型地塊土壤質(zhì)地為沙壤土，因此給水度μ參考中細(xì)沙下限值，取0.085；典型地塊面積為19.33 hm2。經(jīng)計(jì)算得到典型地塊春灌期和苗灌期灌溉后地下退水量分別為4 272.67、2 300.67 m3。

2.4 引排差法計(jì)算耗水系數(shù)

綜合考慮地表和地下退水量、田間灌溉水下滲量等因素后，根據(jù)公式(8)采用引排差法可計(jì)算得到大峽灌區(qū)春灌期和苗灌期典型地塊耗水系數(shù)為0.51。

3 結(jié)論

大峽灌區(qū)典型地塊監(jiān)測(cè)期總引水量10.436 5萬(wàn)m3，總退水量6.186 4萬(wàn)m3；典型地塊春灌期和苗灌期灌溉后地下退水量分別為4 272.67、2 300.67 m3；春灌期和苗灌期折算成下滲水量分別為307.93、463.12 m3。綜合考慮地表和地下退水量、田間灌溉水下滲量等因素后，采用引排差法計(jì)算得到大峽灌區(qū)典型地塊春灌期和苗灌期耗水系數(shù)為0.51。