黑河流域中游人工水循环系统在分水前后的变化
[盖迎春
, 李新, 田伟, 张艳林, 王维真, 胡晓利]
, 李新, 田伟, 张艳林, 王维真, 胡晓利]
引用本文
盖迎春, 李新, 田伟, 张艳林, 王维真, 胡晓利. 黑河流域中游人工水循环系统在分水前后的变化. 地球科学进展, 2014, 29(2): 0285-294[GE Yingchun, LI Xin, TIAN Wei, ZHANG Yanlin, WANG Weizhen, HU Xiaoli. The Impacts of Water Delivery on Artificial Hydrological circulation System of the Middle Reaches of the Heihe River Basin. 地球科学进展, 2014, 29(2): 0285-294] 
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黑河流域中游人工水循环系统在分水前后的变化
盖迎春（1974-），男，河北行唐人，高级工程师，主要从事水资源管理、可持续发展、决策支持系统与GIS研究. E-mail:gtw@lzb.ac.cn
摘要
介绍了黑河流域中游人工水文循环过程及其中各系统之间的关系,目标是为黑河流域生态—水文过程模拟提供一套较准确的数据集。利用张掖市水利年报、莺落峡水文站资料以及张掖市水资源管理年报等调查数据分析了黑河分水前后,2000年和2010年黑河流域中游引水、输水和用水系统的变化过程,得出以下结论：①人工水文循环过程通过引水系统、输水系统、储水系统和用水系统来影响农业水资源在时空上的分配,它是人类活动影响下的中游水文循环过程的重要组成部分；②2010年比2000年引水口门减少了26处,渠道综合水利用率提高了3.6%；③与2000年相比,2010年地表水和地下水资源开发利用在空间上产生了很大变化,地表水引水量减少了1.05亿m3,地下水开采量增加了1.64亿m3。最后,从径流、地下水、大气水方面分析了人工水循环过程对自然水循环过程的影响。
关键词:
人工水文结构; 黑河流域; 水文模型; 黑河分水; 灌溉
中图分类号:P343.1
文献标志码:1001-8166(2014)02-0285-10
文章编号:1001-8166(2014)02-0285-10
The Impacts of Water Delivery on Artificial Hydrological circulation System of the Middle Reaches of the Heihe River Basin
Abstract
Artificial hydrological circulation process, including four sub-system contributing to water withdrawal, water transfer, water saving, and water use, respectively, is presented. The relationship among subsystems is described. The objective of this paper is to provide sets of data related to artificial water circulation for the study of hydroecological processes in the middle reaches of the Heihe River Basin. The changes of sub-systems between the year of 2000 and that of 2010 are analyzed by investigating hydraulic engineering, water resources condition, crop pattern, and agricultural water management. The results show: ①hat artificial water circulation process is playing a role to control agricultural water allocation in time and space, and is an important part of hydrological circulation process of the middle reaches; ② that, in 2010, the number of water withdrawal gates decreases by 26 and channel water use efficiency increases by 3.6% as much as that in 2000; and ③ that there is considerable changes in water resources development and utilization from 2000 to 2010, including surface water withdrawal reduction of 1.05×109 m3, and groundwater exploitation increase of 1.64×109 m3. Finally, effects of artificial water cycle on natural hydrological circulation are analyzed from runoff, groundwater, and atmosphere water perspective.
Keyword:
Artificial hydrological circulation system; Heihe River Basin; Hydrology model; Water Allocation; Irrigation.
1 研究背景
气候变化和人类活动深刻地影响着流域水循环过程[ 1, 2, 3, 4]。气候变化作为外因,通过影响河流径流、蒸发以及大气环流和海洋环流,改变水循环过程中各分量的通量交换。人类活动则是影响水循环的内因,这种过程利用建立的人工水文循环改变了地表和地下水径流路径,使水在时空上重新分配,尤其对于流域单元,这种影响更加明显。人工水文循环过程作为水循环一个侧支,是水循环的重要组成部分[ 5],它包括引水、输水、储水、用水和退水以及由这些过程引起的渗漏和蒸散发过程。因此,人工水文循环过程作为一个主要因素被考虑在流域水文预报[ 6]、水循环模拟以及水资源管理建模中,它也是流域“水-土-气-生-人”集成模型发展的重要组成部分[ 7]。
黑河流域作为一个典型的内陆河流域,是以水循环过程为纽带的冰川/冻土、绿洲和荒漠为主要特征的多元景观结构[ 8, 9]。由于气候变化的影响,致使更新世以来湖面面积1200km2,水深59m的居延海湖面面积逐渐缩小[ 10, 11, 12]。1949年以来,人类活动逐渐增强[ 13],进入下游的水量逐渐减少,下泄水量由过去的9.0亿m3/a以上下降至不足2.0亿m3/a,致使西居延海于1962年干涸,东居延海也于1992年彻底干涸[ 14],生态环境极度恶化,沙尘暴频发[ 15]。为抑制下游恶化的生态系统,1992年12月19日,国家计委以计国地[1992]第2533号文件,批复了黑河干流（含梨园河）水资源分配方案,即黑河“九二分水方案”。1997年12月12日,国务院审批通过了《黑河干流水量分配方案》,即黑河“九七分水方案”,并于1999年实施了第一次下游调水任务,直到2002年才稳定了调水曲线,期间调水曲线的变化如表1所示(张掖市水务局.黑河调水工作进展报告[R].2011.2张掖市水务局.黑河调水工作进展报告[R].2011.)。黑河调水有效地改善了下游水环境,抑制了生态系统的恶化,但却加大了中游生产、生活、生态（“三生”）用水的矛盾。
 | 表1 1999-2002年间黑河干流水量分配年度指标与实际水量分配 Table 1 Annual water allocation target and actually water allocated of main stream of the Heihe river from 1999 to 2002 |
中游是流域水资源主要消耗区,高耗水型的农业经济是其主要经济支柱,2008年张掖市农业总耗水量达到19.3亿m3 [ 16]。本研究区为黑河流域中游甘临高三县区以黑河干流为供水源的所有灌区,包括甘州区的大满灌区、盈科灌区、西浚灌区和上三灌区,临泽县的平川灌区、板桥灌区、鸭暖灌区、蓼泉灌区和沙河灌区,高台县的友联灌区、六坝灌区和罗城灌区。在研究区,几百年的水利工程建设[ 17]形成了完善的人工灌溉系统,这种以“硬路径”为手段的水资源管理模式成为流域中游水循环的重要组成部分。黑河分水作为流域宏观水权分配的一个重要水政策正逐渐改变着中游“引水-输水-储水-用水”结构。黑河分水使留在中游的水量减少,为满足大面积农作物需水,中游机井数量迅速增加,造成地下水超采严重[ 18]、地下水位下降[ 19]、土地盐渍化、生态系统退化加速[ 20],为中游的绿洲植物生长带来潜在威胁[ 21]。为了减缓中游“三生”用水矛盾,尤其是在农业用水与生态和生活用水之间的矛盾以及提高中游水利用效率上,分水方案实施后,中游加大了灌溉渠道和水库等水利工程建设力度,调整了作物种植结构,加强了节水农业试验示范研究,使中游人工水文循环结构发生了很大变化。因此,探讨和研究黑河水分前后流域中游人工水文结构的变化,能够为流域水文-生态-经济耦合过程定量研究提供基础信息。
从1999年开始实施黑河调水方案以来,“黑节工程”和“引水口门改造工程”在2010年相继完成,且根据遥感技术获得的最新的黑河流域中游2010年土地利用/覆盖数据,因此,本研究选定了黑河分水前后两个基准年,分别为2000年和2010年。分析了黑河分水前后流域中游人工水文循环过程的变化,意在探讨黑河分水对中游人工水文循环过程的影响。为从事黑河流域水文、水资源、生态以及社会经济研究的科学技术人员提供更清晰地认识黑河流域中游的人工水文循环过程的框架,同时,为黑河流域水文、生态、经济以及水资源管理方面的研究提供水文循环过程中人工水循环侧支各分量之间的逻辑结构以及基础数据。
2 黑河流域中游人工水文循环过程
完善的灌溉系统是人工水文循环的基础,它由引水系统、输水系统、储水系统和用水系统组成,如图 1所示。灌溉系统最大特点是引水系统的建立,通过引水系统,水从河流和地下被输送到水库和田间。在水输送过程中,通过渠道蒸发、渗漏和渠口跑漏损失。水到达田间后部分水量通过棵间蒸发进入大气,一部分水进入土壤。进入土壤的水,部分补充到地下水,部分则留在土壤中供作物生长所需。
引水系统包括两类引水方式,一是通过渠道引水口门从河流和泉水出流地引水；二是通过机井利用抽水设备抽取地下水。引水系统通过人为因素迫使水的径流路径发生变化,由天然河道和地下水路径转为人工输水系统。在没有渠道流量观测设备情况下,渠道引水口门流量可以利用口门处水尺观测的水位,通过水位流量曲线换算得到；地下水抽取水量可以通过抽水设备耗电量计算。
 | 图1 黑河流域中游人工水文循环过程Fig.1 Artificial water cycle processes of the middle reaches of the Heihe River Basin |
储水系统作为人工灌溉系统的重要组成部分,由输水渠道和水库（平原水库）组成。在平原人工绿洲区,水库灌溉作为补充灌溉,供水比河流稳定,是地表水灌溉的一部分。其通过开设在河流上直引口门补水,通常在灌溉不紧张时进行补水,在灌溉期,通过干渠将水引到田间进行灌溉。水库储水过程中,产生水面蒸发和下渗,尤其在干旱区,水面蒸发能力很强。水库的空间位置、库容量、灌溉控制面积以及供水能力都影响着田间水分配。
输水系统由人工渠道网络组成,该系统使水通过渠道水路径进入用水单元,根据不同用水单元需水的时空变化,实现了水在时空上的再分配过程。黑河流域中游根据用水单元需水量的大小,渠道按供水能力从大到小被分为5级,即干渠（主干渠）、支渠、斗渠、农渠和毛渠。每一级渠道上都开有多个引水口门来改变水的径流路径,水从干渠渠口被引,通过支渠、斗渠、农渠和毛渠,到达田间用水单元,干渠中多余的水量被排到河道。通常干渠上开设支渠引水口,支渠上开设斗渠引水口,斗渠上开设农渠引水口。当用水单元需水不大,而又靠近干渠时,干渠上将直接开设斗渠引水口,称为直属斗渠,支渠上可以根据需求开设直属农渠。机井提水之后也将水通过渠道送入田间。渠道输水损失的水量属于无效水,但其损失量的大小影响着渠口的引水量,当渠道水利用系数低时,为使田间得到作物生长所需的水量,需要从河流引更多的水来弥补输水损失。因此,渠道水利用系数是影响人工水文循环过程的重要参数之一,与渠道衬砌有关。经过衬砌的渠道水利用率为80%-95%,未经过衬砌的渠道水利用率为50%-70%。
用水系统指农田水分消耗、农业工程耗水和农村生活耗水等。农村生活和工程耗水量很小,年际之间变化小,以定额方式计算。田间水分消耗包括作物正常生长生理耗水以及田间蒸发、下渗。
3 流域中游引水系统的变化
3.1 引水口门变化
引水口门是黑河流域中游地表水取水的水利工程设施,通过渠道将水引入田间,其控制的灌溉区域应相互独立。黑河干流上修建的很多口门都有上百年的历史,然而随着耕地面积的扩大,使很多口门控制的灌溉区域相互交错,很难精确界定不同区域水量分配,尤其在依据水权分配区域。众多的引水口不仅增加水在空间传输过程中损失的无效水量,也引起了很多了水事纠纷。2010年经过引水口门改造后,黑河干流和梨园河上引水口门的数量由原来的63处减少到49处(3 甘肃省张掖市甘兰水利水电建筑设计院.黑河干流引水口门合并改造及河道治理项目-初步设计成果汇总.2010.6.),口门减少区域主要集中在高台县,减少了14处（见图2）。
调水政策的影响是引起引水口门变化的主要原因。1999年实施黑河分水后,为了均衡中游分水造成的损失,2002年水利部批复了张掖地区开展节水型社会建设试点方案（“黑节工程”）,目标之一是提高中游的农业水利用率,中游地区引水渠道工程建设是采取的主要措施,包括引水口门改造,引水渠道衬砌和新建。水口门的改造能够规范灌溉制度,提高水资源管理效能,减小地区水事纠纷。
 | 图2 黑河干流中游河段引水口门分布位置Fig.2 Distribution of the main channel manual regulating gates of the middle reaches of the Heihe River Basin |
3.2 引水机井变化
甘临高三县（区）内地下水灌溉区域主要包括两种类型：一是在灌区内的井河混灌区域,地下水被当作地表水的补充供水源,当地表水来水不能满足灌区需水要求时,开采地下水进行补充灌溉；二是在纯井灌溉区域,这些区域没有地表水输入或输入的地表水量极小,地下水作为这些区域灌溉的主要供水源。研究区中,除甘州区的上三灌区和临泽县的板桥灌区为河灌区外,其它灌区都为井河混灌区。
2000-2010年间,黑河连续丰水年,平均年径流量17.32亿m3,另外,受到地区经济发展的影响,中游耕地面积迅速增加。尽管,2010年比2000年中游的地表水灌溉面积减少了0.42×104hm2（黑河分水减少了中游地表水引水量）,但地下水灌溉面积增加了2.39×104hm2（表2）。耕地面积的增加和地表供水量的减少使农业机井的数量的迅速增加,从2000年的5547眼增加到2010年的9297眼,地下水开采量增加了1.64亿m3。地下水的严重超采,使很多地区地下水位大幅度下降,加速了天然生态系统的退化。
| 表2 甘临高3县区13个灌区2000年和2010年机井眼数和灌溉面积(水利部黄河水利委员会黑河流域管理局,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所.黑河中游地区水资源开发利用效率评估[R].2012.张掖市水务局.张掖市灌溉管理年报.2000年和2010年.张掖市水务局.张掖市水利年报.2000年和2010年.张掖市水务局.草滩庄水情报告.2000年和2010年.) Table 2 Number of well and irrigation area of 13 irrigation districts allocated at three counties in 2000 and 2010 |
4 流域中游输水系统的变化
中游耕地面积不断扩大,农业需水日益增加,在有限的供水条件下,为了满足日益增加的农业需水,不断通过改进输水系统来提高水资源利用率。输水系统的改进主要体现在渠道长度的增加和渠系水利用率的提高上,如表3所示,2000年和2010年甘临高三县区各级渠道长度和水利用率的变化。
| 表3 黑河干流甘临高三县区2000年与2010年各级渠道长度与相应的渠道水利用率 Table 3 Length and water use efficiency of channels with different level distributed at three counties in 2000 and 2010 |
2010年与2000年黑河流域中游灌溉输水渠道调查数据比较表明：(1)2010年比2000年渠道总长度增加了2393.64km,主要贡献在斗渠和农渠上,斗渠增加了760.48km,农渠增加了1618.75km,主要集中在高台县的友联灌区。渠道长度的增加主要原因是耕地面积的扩大,末级渠道（农渠）的快速增加表明耕地面积的扩大范围主要集中在已有农田周边。
(2)与2000年相比,2010年甘临高三县区渠道综合水利用率提高了3.6%。主要原因是2001年开展的“黑节工程”期间,使甘临高三县区渠道衬砌率提高,尤其是斗渠衬砌率。按2010年三县区地表水引水量12.67亿m3计算,2010年由于渠道水利用率提高而节约的水量为0.46亿m3。因此,灌溉渠道水利用系数的变化对人工水文循环过程有着重要的作用。
5 流域中游用水系统的变化
用水系统通过干渠将水从河流和农业机井引入田间,每个灌区都由多条干渠供水。图3表达了黑河干流和梨园河供引水关系的拓扑结构,详细描述了黑河干流和梨园河地表引水口门与灌区之间的关系以及2000年和2010年每个口门引水量和灌区的灌溉面积,每个灌区的引水量等于为该灌区引水的各口门引水量之和。
流域中游用水系统中,见图3,农业灌溉用水2010年比2000年增加仅0.03亿m3,以2000年中游平均毛灌溉定额747m3/亩计算,增加的水量仅能满足266.67hm2农田所需(张掖市水务局.张掖市中小型水库蓄水量报告.2010年.)；而2010年耕地面积比2000年增加了1.97×104hm2,其需水量远大于增加的供水量。而目前中游依然能够很好地保持着水资源的供需关系,其原因主要是：(1)耕地面积的扩大大多集中在人工绿洲与荒漠过渡带,远离地表水供水源,没有完善的灌溉输水系统,进而依靠地下水进行灌溉,造成地下水开采量增加。因此,地下水引水量由2000年的4.84亿m3增加到2010年的6.47亿m3,使地下水开采量逐渐增加,在总用水量中所占比重由2000年的27.2%增加到2010年的35.6%[ 26]。临泽县和高台县地下水开采量增加最为迅速,临泽县地下水开采量增加了5倍,由2000年的0.26亿m3增加到2010年的1.32亿m3；高台县地下水开采量增加了49%,由2000年的1.15亿m3增加到2010年的1.71亿m3。
(2)种植结构的变化使中游需水在时空上产生很大变化。以高经济效益为主的制种玉米占的耕地面积比例从2000年的10.92%增加到2010年的53.95%,而带田和小麦所占耕地面积分别由2000年的31.18%和23.73%降低到2010年的9.09%和7.73%[ 23]。制种玉米所占面积比例的增大不仅使农业年内首轮需水期由3-4月推迟到5-6月,而且使灌溉轮次减少,亩均毛耗水量减少近200m3,间接地起到了节水的作用。
(3)2010年比2000年综合水利用率提高了3.6%,毛灌溉定额减少了76m3/亩,按2010年地表水11.69亿m3的引水量和18.00×104hm2的耕地面积计算,其节约的水量为2.04亿m3,能够满足2.03×104hm2农田所需。
 | 图 3 2010年黑河干流与梨园河供引水关系拓扑结构 |
6 人工水循环过程对自然水循环过程的影响
人工水循环过程通过引水过程、输水过程改变了自然水循环过程中水流动路径,影响到水的时空分布。在自然水循环过程中受人工水循环过程影响最大的是地表水和地下水,其次还有土壤水和大气水。引起这种变化的主要驱动力是水利工程建设、人口增长和社会经济发展。人口增长间接地引起耕地面积的扩大,输水系统和引水系统的变化,使水资源在时空上的分布更加离散。人工绿洲面积的增加,增加了不饱和带土壤水分蒸散量,其快速转换为大气水,成为局地水汽循环的主要组成部分。1967年、1986年、2000年和2008年的农田作物实际蒸散量分别为11.13×108 m3、13.16×108 m3、14.91×108 m3和16.92×108 m3[ 24, 25],在暖季,水汽循环中水汽含量的增加对流域降水产生很大作用[ 27]。
黑河流域河流径流除了受到气候变化、太阳黑子、ENSO环流影响外[ 22],人工引水系统和输水系统对径流过程的影响很大,尤其表现在中游莺落峡—正义峡河段间的地表水和地下水交互上。草滩庄水利枢纽工程建成后,黑河水量在草滩庄全部被引用于灌溉,灌溉水下渗补给地下水,之后在黑河大桥通过泉排泄方式将入渗水量转化为地表水。这部分水量被设置在黑河干流上的多个引水口门引入田间灌溉,灌溉水再次下渗补给地下水,然后在高台县出露转化为地表水,并被人工引水渠道将水引入田间。黑河水在“河流—灌溉（人工水循环）—含水层（下渗）—河流（回流）”水循环中多次渗入和溢出,地表水与地下水频繁交换,使地表水水资源重复利用率（水资源重复利用量与地表水资源总量比值）为115.8%（2010年）。从表4可以得出结论：正义峡径流量变化与莺落峡径流量变化相关性很弱,仅5.7。引起正义峡径流量变化的主要原因是：从20世纪50年代开始,随着耕地面积的增加,中游引水系统和输水系统的快速发展改变了自然水循环过程,水资源过度的开发利用严重影响着正义峡径流量；其次,2000年之后,黑河调水政策的实施使正义峡径流量有所增加。
| 表4 以10年周期的莺落峡与正义峡年平均径流量关系 Table 4 Relationships between annual average runoff of Zhengyi gorge and Yingluo gorge by 10 years cycle |
在自然水循环中,黑河侧向补给地下水的补给量约占平原地下水总补给量的30%,年平均约7.98×108 m3[ 24, 28]。人工引水工程对河道的渗漏影响显著,黑河河道渗漏量在调水前后发生了显著变化。在非调水期,由于草滩庄引水系统使由河道产生的地下水补给转换为由田间灌溉产生的侧向地下水补给,该补给量约为1.96×108 m3,而在调水期间,河道渗漏量为4.37×108 m3[ 29]。此外,受到引水系统网络化和渠系水利用率的提高（高标准衬砌）的影响,使区域地下水的补给量不断减少。这种大规模的水利工程建设尽管满足了该区域经济发展的一时之需,但引起该区域地下水位的持续下降。另外,由于耕地面积扩大,地表供水量远小于农业需水量,使机井数量大幅度增加。每年4-10月由于灌溉用水,地下水超采严重,引起地下水位下降,而地下水的补给量远小于灌溉期的开采量,这也是造成地下水位持续下降的另一个原因。
7 结论
本文收集了2000年和2010年张掖市水利年报、莺落峡水文站日径流量、黑河调水数据、种植结构、耕地面积、渠道工程数据以及张掖市水资源管理年报,作为人工水循环各系统分析的基础数据。以2000年和2010年为基准年,从人类活动的角度,包括黑河分水政策、耕地面积、种植结构和渠道工程建设,分析了黑河流域中游人工水文循环过程中引水系统、输水系统和用水系统的变化。主要得出以下结论：(1)人工水文循环通过引水系统、输水系统和用水系统来影响农业水资源在时空上的分配,它是人类活动影响下的中游水文循环过程的重要组成部分。
(2)在引水系统中,2010年比2000年地表水引水口门减少了26处,主要集中在临泽县和高台县。机井数量由2000年的5547眼增加到2010年的9297眼,增加的机井位置多数集中在山前和人工绿洲与荒漠交错带上。
(3)输水系统10年发展中,渠道总长度增加了2392.64km,主要贡献在斗渠和农渠上,斗渠增加了760.48km,农渠增加了1618.75km,这表明渠道长度增加的主要原因是耕地面积的扩大。渠道综合水利用率提高了3.6%,原因是渠道衬砌率提高,较少了渠道下渗。
（4）与2000年相比,2010年地表水和地下水资源开发利用在空间上产生了很大变化。甘州区总引水量增加了0.14亿m3,其中地表水引水量减小了0.17亿m3,地下水开采量增加了0.03亿m3。临泽县总引水量增加了0.32亿m3,尽管该县地表水引水量减小了0.32亿m3,但由于临泽县农业机井数量的迅速增加,地下水开采量增加了1.06亿m3。高台县的地表水引水量增加了0.22亿m3,地下水开采量增加0.56亿m3。
（5） 10年间,经济发展和连续丰水年是引起中游种植面积扩大和农业需水增加的主要原因。而黑河分水给中游预留的地表水量减少,使中游地表水供水与农业需水矛盾更加突出,为了缓和供需水矛盾,中游采取的主要措施是：改造和合并地表水引水口门,增加渠系建设和提高渠道综合水利用率,以经济效益大和耗水少为目标调整种植结构,增大地下水开采量。因此,黑河分水是引起地表水引水口门、地下水机井数量剧增、渠道工程建设和种植结构改变的主要原因之一。
此外,分析了人工水循环对自然水循环过程的影响,人工引水系统和输水系统的大规模建设使中游自然水循环过程（“河流-含水层-河流”）转变为人类活动干扰下的水循环过程（“河流—灌溉—含水层-—河流”）,不仅影响到水资源在时空上的分布,而且影响到地表水与地下水之间的转换。耕地面积的扩大,使地下水超采严重,而地下水的补给量却逐渐减少,造成地下水位持续下降,改变了自然的地表水与地下水交互过程。
本论文的完成十分感谢张掖市水务局各位领导支持,同时感谢几位审稿专家对本论文提出的重要的评论和建议。
The authors have declared that no competing interests exist.
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