9.4.3 基于ET控制的灌区供水管理
(1)实际ET的测算。根据收集到的数据以及唐徕渠灌区实际情况,采取自下而上的ET估算方法。通常,目标ET是依据区域可持续利用水资源总量、水文循环、生态环境用水等建立的水量平衡方程来确定区域可消耗ET,即目标ET。采用宁夏引黄灌区农业灌溉定额与灌溉面积的乘积来确定目标ET。宁夏水利科学研究院、宁夏水利水电勘测设计研究院等单位针对宁夏引黄灌区农业灌溉定额进行了大量的研究工作,其成果具有较好的代表性和可靠性。
《宁夏农业用水定额编制报告》采用大量的实验资料确定出的单一作物ET值为：小麦,756.8mm；玉米,736.2mm；麦套玉米,882.0mm；水稻,1101.6mm；瓜菜,590.0mm；温棚,450.0mm；果园,614.0mm；葡萄,690.0mm。因缺少林地耗水试验资料,且考虑其面积较小,认为林地ET值与果园相同,为614.0mm。根据西安理工大学《宁夏回族自治区青铜峡市基于ET的水资源综合管理规划》研究报告,采用上述灌溉定额计算得到的实际ET与水量平衡法估算的实际ET比较接近,二者相差16.24mm,相对误差仅为1.96%,说明采用定额法计算的实际ET具有较高的精度。此外,农业灌溉定额的制定,是在综合考虑作物需水量(即ET)、有效降水量、地下水利用(补给)量以及作物生育期生理特性的基础上制定而来的。将唐徕渠灌区多年平均年有效降水量、作物净灌溉定额之和作为各类作物全生育期作物需水量,即目标ET。在计算灌溉定额时,通常还要扣除地下水补给量。但在宁夏引黄灌区,地下水的主要补给来源是农田灌溉用水,其多年平均年土壤含水量、地下水埋深处于一个比较稳定的水平。生育期前后土壤含水量及地下水埋深变化不甚显著,同时,如果前期利用地下水量较多,土壤水分亏缺较大,下一个生育期的灌溉定额将会增大,反之亦然。目标ET代表了区域作物需水量的最佳水平及水土资源平衡状态,因此综合考虑上述因素,在计算目标ET时不考虑当期的地下水利用量。
以2015年为例计算现状实际ET。唐徕渠灌区2015年水面面积为43.9万亩(主要为生态补水的湖泊、湿地和鱼池等水域面积,其中鱼池面积为9.2万亩),水稻面积为38.7万亩,小麦面积为46.9万亩,玉米面积为13.8万亩,设施农业面积为4.8万亩,蔬菜面积为1.8万亩,果园林地面积为6.2万亩,葡萄面积为0.6万亩,其他(药材、油料、饲草等)面积为1.1万亩。根据式(9.6)和式(9.8)得到灌区综合现状ET值为875.65mm,耗水量为92161.2万m3,灌区农业(不包括鱼池)综合现状ET值为857.58mm,耗水量为65152.1万m3。唐徕渠灌区可利用水资源总量为10.9亿m3,近3年来灌区实际ET与实际利用水资源总量均未超过该量,见表9.10,灌区供水总体安全。
表9.10 2013—2015年灌区实际利用水资源总量与实际ET对比表
2013—2015年实际利用水资源总量均高于实际ET,年均超用量为9107.9万m3,占实际ET的9.70%。唐徕渠灌区经水土资源平衡后的需水量总体上小于实际ET,见表9.11,除2014年较为接近外(实际ET小于需水量,可能是由于计算误差造成),2013年、2015年实际ET较需水量分别高出约9840.5万m3、8846.5万m3,灌区实际ET有较大的压减空间。
表9.11 2013—2015年灌区需水量与实际ET对比表
总体上,灌区实际利用水资源总量高于实际ET,说明灌区目前的引供水量过高,无效供水量大,供水效率低下；实际ET高于灌区需水量,说明灌区种植结构、供用水结构、灌溉效率等还很不合理,压减无效ET、减少渠道无效引水量、提高供水效率的潜力还很大。
(2)目标ET的确定。区域目标ET是指在一个特定发展阶段的流域或区域内,以其水资源条件为基础,以生态环境良性循环为约束,满足经济持续向好发展与和谐社会建设需求的可消耗水量。
需要从全灌区自然生态、社会经济等方面综合考虑,来确定流域内不同区段的最佳目标ET(实际允许消耗量),以保证全流域自然生态、社会经济的可持续发展。通常,综合目标ET为降水量、引水量等区域可利用水资源总量扣除排水量和水资源蓄变量后的余量。
式中：ETo为目标ET,mm；P为灌区降水总量,万m3；Win为时段内的入境水量,万m3；WD为时段内的流域外调入水量,万m3；Wout为时段内的出境水量,万m3；ΔW为时段内当地水资源蓄变量,万m3；F为灌区总面积,m2。
对唐徕渠灌区而言,影响区域目标ET的因素主要有当地降水量、引黄水量、排水量以及水资源蓄变量,因此唐徕渠灌区目标ET的计算公式为
式中：ETo为目标ET,mm；P为灌区降水总量,万m3；W引黄为引黄总水量,万m3；W排水为排水总量,万m3；ΔW为当地水资源蓄变总量,万m3；F为灌区总面积,m2。
唐徕渠灌区多年平均引黄水量指标为7.81亿m3,耗黄水量指标为2.97亿m3,但在75%降水保证率条件下,唐徕渠灌区引黄水量指标为5.86亿m3,耗黄水量指标为2.23亿m3。在国家现行耕地保护政策下,预计未来唐徕渠灌区耕地面积变化不大,基本保持稳定。同时,随着构建生态和谐社会和水生态文明建设的不断推进,灌区生态环境需水量将不断增加,预计2010年、2025年生态需水量分别为12182.96万m3、15552.32万m3,处于不断增加的趋势,分配给农业的灌溉用水量将逐年减少。在这种情况下,唐徕渠灌区目标ET可设定为远期目标ET和近期目标ET。
1)近期目标ET(2016—2025年)。以75%降水保证率为规划水平年,唐徕渠灌区引黄河水量为5.86亿m3,加上地下水可利用量2.30亿m3,合计可利用水资源总量为8.16亿m3。扣除工业用水量、城镇生活用水量和农村人畜饮水用水量后(以2013—2015年平均值代替),灌区近期目标ET综合为689mm；扣减生态环境用水量、农业用水总量后分别为6.18亿m3和5.85亿m3,近期目标ET农业分别为781.7mm和739.1mm,见表9.12。
表9.12 唐徕渠灌区近期目标ET计算表
2)远期目标ET(2025年后)。作物田间耗水与作物生理特性、气候条件、农艺措施以及灌溉制度紧密相关,随着农艺节水技术、精准灌溉等现代高效节水灌溉技术的不断发展和应用,作物耗水量将大大降低。根据田间试验结果,宁夏引黄灌区水稻灌溉定额均在1100mm以上,远超水稻的实际需水量。根据彭世彰在宁夏开展的水稻控制灌溉试验成果,认为水稻控灌条件下的实际需水量为603.8mm,可以认为该值为水稻灌溉定额的远期目标值。根据国内外相关农田灌溉试验成果,确定其他主要作物远期目标ET,具体见表9.13。根据唐徕渠灌区水土平衡分析结果,灌区农业远期目标ET为584mm。
表9.13 宁夏引黄灌区主要农作物远期耗水量表 单位：mm
(3)ET调控措施。与近期和远期农业综合目标ET相比,唐徕渠灌区实际ET均远高于目标ET,说明唐徕渠灌区农业耗水仍处于一个较高的水平,存在较大的减小、压缩空间,尤其是高耗水的水稻种植,削减ET潜力巨大。与近期目标ET对比,现状实际ET存在60～90mm的减小区间,与远期目标ET相比,存在约270mm的减小空间。因此,通过大力压缩农业耗水,改善农业种植、灌溉方法与技术,大力提高灌溉水的利用效率,可以为唐徕渠灌区节约大量的水资源,提升供水、配水管理水平。
ET控制的主要措施包括农业节水方案、城镇生活节水方案和工业节水方案等[23]。农业ET的调控主要包括种植结构、灌溉制度、灌溉技术、输水方式等方面的调控,具体措施见表9.14。
表9.14 ET调控措施表
唐徕渠灌区地处银川平原社会经济最发达的区域,农业种植水平较高,因此选择种植空间分布、种植结构、节水灌溉制度和技术作为ET调控的主要要素。ET调控的目标是减小实际ET直至接近或小于目标ET,主要措施包括依据供水时空特征优化农业种植分区与种植结构、改进高效农业灌溉技术、提高供水和配水水平及调度的时效性。
1)优化农业种植分区与种植结构。唐徕渠灌区潜在蒸散发(ET0)具有中间低、南北高的特点,即中部年均ET0在1086～1132mm,平均值为1110mm；北部年均ET0介于1110～1192mm,平均值为1162mm；南部年均ET0在1129～1203mm,平均值为1170mm,见图9.29。
根据唐徕渠灌区供水特点,灌区南部供水相对简便,供水成本及输水损失相对较小,适宜种植高耗水作物,灌区北部耗水量较大,不宜种植高耗水作物,加之地下水水位较高,土壤盐渍化严重,应以水盐调控措施下的旱作种植为重点。
2)大力发展农业节水灌溉新技术。大力推广农业节水灌溉技术,合理布局农业种植结构和农艺节水措施,实施水肥一体化、测控一体化智能技术,提升灌区量水、配水的时效性和精准度,有效降低灌区ET值。
建立科学的水价标准,完善水费计收制度,通过水价的杠杆作用,调整优化灌区农业生产结构,促进节约用水,提高用水效率和单方水经济效益,提高土地生产力和农作物品质,使用水户从“要我节水”转变为“我要节水”,形成良性的节水机制。
3)加强引黄水、地下水与降水的联合调度和综合应用。根据唐徕渠灌区水资源条件,通过合理利用当地浅层地下水资源,补充引黄水量的不足,同时,通过实施排水工程和井渠双灌等节水措施,夺取无效蒸发量,可有效提高水资源的承载能力。
图9.29 唐徕渠灌区ET0空间变化趋势(单位：mm/a)