揚(yáng)黃灌溉對(duì)寧夏清水河流域下游水資源影響分析

張 華，陳玉春，汪文浩

（寧夏回族自治區(qū)水文水資源勘測局，750001，銀川）

大量開采地下水、灌溉等人類活動(dòng)對(duì)寧夏水資源影響日益顯著，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)用水矛盾突出，寧夏水資源安全面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。鑒于此，研究人類活動(dòng)對(duì)寧夏水資源的影響，分析原因并提出適應(yīng)對(duì)策已十分迫切和必要。本文應(yīng)用水文模型對(duì)清水河流域下游1960年以來近50年實(shí)測徑流進(jìn)行模擬，分析人類活動(dòng)對(duì)徑流影響程度和原因，提出適應(yīng)對(duì)策。

一、清水河流域介紹

寧夏清水河流域?yàn)辄S河一級(jí)支流，流域面積14 481 km2，全長320 km，河道平均比降1.49‰。左岸有東至河、中河、莧麻河、西河、金雞兒溝、長沙河，右岸有雙井子溝、折死溝等流域面積大于500 km2的支流。清水河流域地勢基本走向?yàn)槟细弑钡汀⑽鞲邧|低，河源海拔高程2 480 m，地貌以黃土丘陵為主，中上游為洪積—沖積平原區(qū)，中游西側(cè)為黃土丘陵、盆、埫區(qū)，中游東側(cè)為黃土丘陵山區(qū)，中下游為河谷平原。

清水河流域由上而下設(shè)有固原、韓府灣、泉眼山三處水文站，清水河下游指韓府灣至泉眼山之間范圍，韓府灣至泉眼山站之間流域面積為9 546 km2，區(qū)內(nèi)流域面積 8 769 km2，區(qū)間距離為149.8km。

二、灌溉情況調(diào)查

影響寧夏清水河流域下游徑流的人類活動(dòng)主要有固海提水灌區(qū)灌溉，固海提水灌區(qū)分固海老灌區(qū)和固海擴(kuò)灌區(qū)，灌溉水源是黃河水。固海老灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積63.77萬畝（15畝=1 hm2，下同），設(shè)計(jì)取水流量 28.5 m3/s，1983年建成灌水，渠道均砌護(hù)。隨著灌溉面積的不斷增加，揚(yáng)黃水量也逐年增加，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，揚(yáng)黃水量從1983年0.33億m3增加到2012年3.18億m3，灌溉面積從1983年5.4萬畝增加至2012年58.5萬畝。灌區(qū)揚(yáng)水量和農(nóng)田灌溉面積見表1。

固海擴(kuò)灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積25萬畝，設(shè)計(jì)取水流量 12.7 m3/s，于 2002年一至六干渠冬灌試水，上水量0.055億m3，灌溉面積1.87萬畝。2003年固海擴(kuò)灌區(qū)農(nóng)田建成面積12萬畝，實(shí)際灌溉面積2.06萬畝，灌溉范圍為六至十二干渠灌域內(nèi)灌溉設(shè)施已配套的農(nóng)田。2004年固海擴(kuò)灌區(qū)總的上水量0.263億m3，農(nóng)田建成面積18萬畝，灌溉面積6.71萬畝，截至2012年實(shí)際灌溉面積22.7萬畝，揚(yáng)水量 1.229億 m3，見表 1。

三、清水河下游降雨徑流變化

清水河下游降水量采用泉眼山和韓府灣兩個(gè)水文站降水量平均值，區(qū)間徑流量為泉眼山站實(shí)測徑流量減去韓府灣站實(shí)測徑流量，1—4月基流量為泉眼山站實(shí)測月均流量減去韓府灣站月均流量。

清水河下游1959—1982年平均年降水量262.3mm，平均年徑流量2 162萬 m3，1—4 月基流量 0.223 m3/s，徑流系數(shù)0.009 4，此階段主要反映天然狀態(tài)下降水徑流情況，無人工灌溉，人類活動(dòng)對(duì)徑流影響較弱，劃分為天然徑流階段。

1983—1997年平均年降水量281.5 mm，平均年徑流量5 643萬m3，1—4月基流量0.766 m3/s，徑流系數(shù)0.022 9，人工灌溉水量逐年迅速增加，年均灌溉水量12738萬m3，灌溉水量年均增加1899萬m3，此階段灌溉引起清水河河谷平原地下水水位顯著上升，地下水側(cè)向排入清水河的水量明顯增加，也就是基流量明顯增加，比天然徑流階段增加2.43倍，劃分為固海老灌區(qū)快速發(fā)展階段。

1998—2002年平均年降水量272.1 mm，平均年徑流量9 996萬m3，1—4月基流量 1.76 m3/s，徑流系數(shù)0.041 9，人工灌溉水量基本穩(wěn)定，年均灌溉水量30714萬m3，此階段灌溉引起清水河河谷平原地下水水位緩慢上升，地下水側(cè)向排入清水河的水量明顯增加，基流量比天然徑流階段增加6.89倍，比上一階段增加1.30倍，劃分為老灌區(qū)穩(wěn)定階段。

2003—2008年平均年降水量239.5 mm，平均年徑流量8 084萬m3，1—4月基流量1.983 m3/s，徑流系數(shù)0.0385，此階段人工灌溉水量隨固海擴(kuò)灌區(qū)發(fā)展顯著增加，年均灌溉水量38 798萬m3，此階段清水河河谷平原地下水水位持續(xù)上升，地下水側(cè)向排入清水河的水量緩慢增加，基流量比天然徑流階段增加7.89倍，比上一階段增加12.7%。

表1 固海提水灌區(qū)開發(fā)情況統(tǒng)計(jì)表

2009—2012年平均年降水量250.4 mm，平均年徑流量8 018萬m3，1—4月基流量1.991 m3/s，徑流系數(shù)0.0365，此階段人工灌溉水量基本穩(wěn)定，年均灌溉水量43 392萬m3，清水河河谷平原地下水水位緩慢上升，地下水側(cè)向排入清水河的水量緩慢增加，基流量比天然徑流階段增加7.93倍，比上一階段增加0.4%。

四、用MIKE 11降雨徑流模型分析徑流影響因素

1.模型簡介

主要用MIKE 11 RR中NAM模型模擬流域內(nèi)的降雨產(chǎn)流過程。該降雨徑流模塊可以計(jì)算一個(gè)或多個(gè)產(chǎn)流區(qū)，產(chǎn)生的徑流作為旁側(cè)入流進(jìn)入MIKE 11水動(dòng)力（HD）模型的河網(wǎng)中。采用這種方法，可以在同一模型框架內(nèi)處理單個(gè)或眾多匯流區(qū)和復(fù)雜河網(wǎng)的大型流域。降雨徑流模型所需的輸入數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)（用于模型率定和驗(yàn)證）、流域參數(shù)和初始條件。NAM通過連續(xù)計(jì)算4個(gè)不同且相互影響的儲(chǔ)水層的含水量來模擬產(chǎn)匯流過程，這幾個(gè)儲(chǔ)水層代表了流域內(nèi)不同的物理單元。這些儲(chǔ)水層是：積雪儲(chǔ)水層、地表儲(chǔ)水層、土壤或植物根區(qū)儲(chǔ)水層、地下水儲(chǔ)水層。另外，NAM還允許模擬人工干預(yù)措施，如灌溉和抽取地下水。

2.模型建立與校核

采用清水河韓府灣水文站與泉眼山水文站 1982—2000年實(shí)測流量、降水、蒸發(fā)逐日資料，該資料嚴(yán)格按照水文資料整編規(guī)范要求進(jìn)行整編，并參加黃河流域水文資料匯編，編印水文資料年鑒，資料系列完整可靠。固海灌區(qū)有32眼地下水監(jiān)測井，1985年開始監(jiān)測至今。灌區(qū)灌溉水源是黃河水，水量數(shù)據(jù)經(jīng)過整編來源可靠。按NAM模型要求梳理1982—2000年逐日實(shí)測流量、降水、蒸發(fā)資料，設(shè)置地下水埋深和灌溉模塊，率定模型參數(shù)。再用2001—2009年實(shí)測流量、降水、蒸發(fā)逐日資料及灌溉水量、地下水埋深等對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，模擬徑流量與實(shí)測徑流量過程線形狀吻合，模擬與實(shí)測流量的峰值吻合；低流量平水期吻合較好，模擬與實(shí)測徑流量誤差8.7%，模型能夠反映流域徑流變化。

3.徑流影響因素分析

1983—1997年降水量比 1959—1982年偏多7.3%，徑流量偏多161%；2003—2008年降水量比1959—1982年偏少8.7%，而徑流量偏多274%；自灌溉后徑流量隨著灌溉面積和灌溉水量增加呈逐年上升趨勢，降水增加或減少對(duì)徑流量影響不明顯，因此降水不是引起徑流增加的主要原因。

通過模擬分析灌溉入滲引起固海灌區(qū)地下水水位上升，初期地下水水位上升迅速，入滲補(bǔ)給地下水水量大部分形成地下水存儲(chǔ)量，小部分以側(cè)向徑流方式排入清水河，增加清水河基流量。1998—2002年老灌區(qū)基本穩(wěn)定，灌溉入滲水量小部分形成地下水存儲(chǔ)量，大部分以側(cè)向徑流方式排入清水河，此時(shí)區(qū)域地下水水位緩慢上升，基流量達(dá)到較高水平。2003—2008年隨著固海擴(kuò)灌區(qū)發(fā)展，總灌溉水量再次迅速增加，但區(qū)域地下水水位上升緩慢，灌溉入滲補(bǔ)給地下水水量大多以側(cè)向徑流方式排入清水河。

區(qū)域地下水水位上升幅度遠(yuǎn)大于清水河河道水位升幅，使基流極限埋深GWLbfo增加，地下水埋深GWL減小，產(chǎn)生基流時(shí)間常數(shù)CKBF減小，造成基流大幅度增加。據(jù)模擬結(jié)果分析，1983—1997年清水河下游徑流量增加3 481萬m3，其中基流增加引起徑流量增加占增加總量的49.2%；1998—2002年清水河下游徑流量增加7 834萬m3，其中基流增加占比61.9%；2003—2008年清水河下游徑流量增加5922萬m3，其中基流增加占比93.7%；2009—2012年清水河下游徑流量增加5856萬m3，其中基流增加占比95.2%。見表2。

表2 清水河下游徑流量、基流量分析表

五、結(jié) 論

清水河河谷平原下游第四系松散沉積物厚度較大，上部厚度約50～180m，巖性主要為砂礫石夾砂黏土薄層，表層覆蓋黃土厚度1～5 m，孔隙中儲(chǔ)存了豐富的地下水，但兩側(cè)匯入水質(zhì)礦化度高，一般3～10g/L。平原寬度1.5～11.2 km，平均 5～6 km，清水河從平原中間穿過，切割較深。天然狀態(tài)下兩側(cè)地下水匯入清水河，灌溉引起平原區(qū)地下水水位持續(xù)上升，灌溉入滲水量一部分轉(zhuǎn)化為地下水儲(chǔ)量，一部分以地下水徑流流入清水河。比如1983—1997年比天然階段增加3 481萬m3，1998—2002年比天然階段增加7 834萬 m3，2003—2008 年比天然階段增加 5 922萬 m3，2009—2012年比天然階段增加5856萬m3，而同期降水在多年平均降水10%以內(nèi)上下波動(dòng)，灌溉水量入滲增加徑流量比重逐步增加，2003年以后占徑流增加量的90%以上。

清水河兩側(cè)山丘區(qū)受人為影響程度很小，產(chǎn)匯流下墊面條件基本不變，模型分析清水河兩側(cè)溝道匯入清水河水量與天然階段相比基本相同。而平原區(qū)地下水水位持續(xù)上升，流入清水河基流量顯著增加，2003年后基流量比天然階段增加約8倍。因此揚(yáng)黃灌溉是清水河徑流量增加的主要因素。

本模型主要是從概念和水量上分析了灌溉對(duì)徑流的影響，沒有從徑流產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行深入分析。今后可采用地下水模型和地表徑流模型耦合，分析灌溉如何引起區(qū)域地下水水位上升和清水河水量增加，降水和灌溉對(duì)徑流量增加貢獻(xiàn)分別是多少，進(jìn)一步闡述徑流增加的主要因素。

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