白杨河流域灌区供水效率分析

Analysis on Water Supply Efficiency of Irrigation District in Baiyang River Basin

摘要: 白杨河流域地跨乌鲁木齐达坂城及吐鲁番托克逊县，全流域气象干旱风多风大降水稀少蒸发极为强烈，是新疆干旱与极端干旱叠加型流域灌区，提升灌区供输水效率对水资源高效利用具有特殊意义。本文以灌区各级渠道供输水效率为研究内容，采用渠道过水断面量测分析表明：1) 流域灌区现状渠系水利用系数0.5486 (上游达坂城0.5680；下游托克逊0.5012)；分析2030年渠系水利用系数0.6567 (上游达坂城0.6595；下游托克逊0.6500)。2) 灌区现状灌溉水利用系数0.4975 (上游达坂城0.5112；下游托克逊0.4641)；分析2030年灌溉水利用系数0.6239 (上游达坂城0.6265；下游托克逊0.6175)。3) 灌区灌溉水利用系数提升使得现状灌溉引用水量38,260万m³，降至2030年的31,872万m³省水效果好。

Abstract: Baiyang River basin is located across Dabancheng, Urumqi and Tuokexun County, Turpan. The whole basin is characterized by dry weather, windy weather, heavy rainfall, and rare evaporation. It is a basin irrigation area with superimposed drought and extreme drought in Xinjiang. Improving the water supply and delivery efficiency of the irrigation area has special significance for the efficient use of water resources. This paper takes the water supply and delivery efficiency of all levels of channels in the irrigation area as the research content, and adopts the measurement and analysis of the channel discharge section to show that: 1) the water utilization coefficient of the current channel system in the irrigation area of the basin is 0.5486 (the upstream Dabancheng is 0.5680; the downstream Tokson is 0.5012); the analysis shows that the water utilization coefficient of the canal system in 2030 is 0.6567 (0.6595 in the upstream Dabancheng; 0.6500 in the downstream Tokson). 2) The current irrigation water utilization coefficient of the irrigation area is 0.4975 (upstream Dabancheng 0.5112; downstream Tokson 0.4641); the irrigation water utilization coefficient in 2030 is analyzed to be 0.6239 (0.6265 in the upstream Dabancheng; 0.6175 in the downstream Tokson). 3) The improvement of irrigation water utilization coefficient in the irrigation area has made the current irrigation water intake of 382.6 million m³, down to 318.72 million m³ in 2030, with good water saving effect.

1. 引言

农业供水效率由各级输水明渠或管道水利用率、渠系(管网)水利用率、田间水利用率及灌溉水利用率(或灌溉水利用系数)构成 [1] ，农业供输水效率监测研究方法多采用渠道上下游测水断面流速仪量测，也可应用动水法进行渠道水利用系数量测 [2] ，对于渠系水利用率计算方面，可以各级渠道水利用率采用“连乘法”获得 [3] ，对于灌区系统灌溉水利用率(也称灌溉水利用系数)综合指标计算，一般采用“首尾法”基于农田灌水前后土壤墒情监测 [4] 取得田间灌溉用水量与首部引用水量之比获得。对不同防渗类型渠道水利用率观测，肖雪等人 [5] 以新疆伊犁喀什河下游灌区不同渠道衬砌类型为对象，监测不同防渗渠道灌溉水利用系数大小顺序为：混凝土U型衬砌 > 混凝土衬砌 > 浆砌石衬砌，与此同时，引水渠首工程，如干、支渠衬砌防渗效果远大于末级渠道衬砌防渗。周玉琴等人 [6] 研究分析表明，随着输水渠道衬砌防渗率提高渠系水利用率近似线性增长。付强等人 [7] 基于自然因素对灌溉用水效率的影响表明，具有一定降水量和蒸发量的灌区与灌溉水利用效率、田间水利用效率呈负相关。本文以白杨河流域灌区各级供输水渠道为研究对象，采用渠道水位流量测水断面设施和田间水实测方法，观测分析了浆砌石梯形渠、混凝土U渠、混凝土梯形渠和土渠不同防渗类型渠道输水利用率及灌溉水利用系数，基于灌区供输水效率及高效节水发展规模，分析了基于提升流域灌溉工程输水效率的节水效果，为灌区水量配置管理提供依据。

2. 材料与方法

2.1. 灌区概况

白杨河流域地跨乌鲁木齐达坂城区以及吐鲁番市托克逊县，流域水系发源于新疆天山东部博格达峰南麓，形成“四源一干一湖”(黑沟、阿克苏、高崖子、柯尔碱河，汇成白杨河干流注入艾丁湖)格局。流域大气干旱、风多风大，降水稀少、蒸发极为强烈，戈壁荒漠、草甸湿地植被多样与生态环境脆弱交织，为我国少有新疆唯一的干旱与极端干旱叠加型流域灌区 [8] 。流域(88˚10′~89˚11′E, 42˚29′~43˚48′N)面积 [9] 5173 km²，灌区灌溉面积29,514 hm²，人均水资源量2680 m³，单位灌溉面积水量46.67 m³/hm²，低于新疆人均水资源量3396 m³和单位灌溉面积水量59.33 m³/hm²。流域11座渠首工程多建于上世纪六、七十年代，近年部分工程得以陆续改建，渠首工程设计引水流量2.00~8.00 m³/s，实引水流量1.24~7.00 m³/s。灌区已建干、支、斗、农四级渠系1162.5 km，已防渗513.8 km，防渗衬砌率44% (干渠98%；支渠86%；斗渠45%；农渠29%)，各级渠系建筑物基本配套。流域灌区基本状态为资源性、工程性、管理型缺水并存，水资源供需矛盾突出，工程及管理型节水具有发展空间。

2.2. 监测方法

各级输水渠道流量采用流速仪及水位~流量测水断面设施监测，监测过程中注意把握上下游观测断面同时同步测流，且考虑上下两个观测断面之间无渠道分水影响。为满足精度要求，渠道上下游测流断面需保持一定间距：干渠 ≥ 5~10 km，支渠 ≥ 3~5 km，斗、农渠 ≥ 1~3 km。观测样点数目干渠全部选取测验；支渠以下按照渠道条数的15%~20%选取；田间水利用系数选取末级供水渠道断面及田间地块，采用灌水前后农田土壤含水率变化实测分析。

2.3. 计算方法

供水效率量测由渠道水利用系数、渠系水利用系数、田间水利用系数和灌溉水利用系数组成，渠道水利用系数，按下式分析 [10] ：

${\eta }_q=\frac{Q_x}{Q}$ (1)

式中， ${\eta }_q$ 为渠道水利用系数；Q_x为下游断面流量，m³/s；Q为上游断面流量，m³/s。

输水渠系水利用系数，按下式分析：

${\eta }_{qx}=\frac{{\displaystyle \sum q}}{Q_S}=\frac{{\displaystyle \sum \omega }}{W}={\eta }_{干}\times {\eta }_{支}\times {\eta }_{斗}\times {\eta }_{农}$ (2)

式中， ${\eta }_{qx}$ 为灌区渠系水利用系数； ${\displaystyle \sum q}$ 为各级末级输水渠出口流量，m³/s； ${\displaystyle \sum \omega }$ 为各级末级输水渠出口水量，m³；Q_S为与该渠系首部渠道(干渠)引入流量，m³/s；W为渠首引入水量，m³； ${\eta }_{干}$ 、 ${\eta }_{支}$ 、 ${\eta }_{斗}$ 、 ${\eta }_{农}$ 分别为干、支、斗、农，四级渠道水利用系数。

田间水利用系数，田间作物用水量与农田末级渠道过水断面水量比值，通过实测农田灌水前后(24 h)土壤含水率变化，按下式分析：

${\eta }_t=\frac{667\gamma H\left({\beta }_2-{\beta }_1\right)}{W_t}$ (3)

式中，β₁、β₂分别为灌水前后作物湿润层土壤含水率(占干土重)，%；γ为土壤干容重，t/m³；H为作物湿润层深度，m；W_t为田间末级渠道出口水量，m³。

灌溉水利用系数，按下式分析：

${\eta }_g=\frac{{\displaystyle \sum v}}{W}=\frac{{\displaystyle \sum Am}}{{\displaystyle \sum W}}={\eta }_{qx}{\eta }_t$ (4)

式中， ${\eta }_g$ 为灌溉水利用系数；v为田间作物用水量，m³；A为灌溉面积，hm²；m为田间灌水定额，m³/hm²；W为渠首引入水量，m³； ${\eta }_{qx}$ 为渠系水利用系数； ${\eta }_t$ 为田间水利用系数。

灌区综合灌溉水利用系数，以水量W_i (也可是流量)为权重的加权平均，按下式分析 [11] ：

${\eta }_{{}_{综合}}=\frac{{\displaystyle \sum {\eta }_i{W}_i}}{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^n{W}_i}}$ (5)

式中， ${\eta }_{{}_{综合}}$ 为灌区综合灌溉水利用系数； ${\eta }_i$ 为灌溉水利用系数；W_i为灌区毛用水量，m³。

3. 结果与分析

3.1. 渠系输水利用系数

流域灌区输水渠监测由式(1)~(5)得各级渠道及田间水利用系数如表1所示。

Table 1. Water utilization coefficient of all levels of channels and canal systems in Baiyang River basin

表1. 白杨河流域各级渠道及渠系水利用系数

流域上游达坂城灌区干~农四级渠系水利用系数0.5680，三个不同灌区渠系水利用系数不尽相同，大小顺序为阿克苏灌区0.6013 > 高崖子河0.5976 > 黑沟河灌区0.4805，黑沟河灌区浆砌石防渗渠道水利用系数，比土渠水利用系数高25%~41%。黑沟河灌区渠系输水利用效率比较低，反映出了该灌区灌溉工程相对老化及用水管理相对落后现状。下游托克逊灌区浆砌石混凝土防渗渠道水利用系数，比土渠水利用系数高16%~22%。干~农四级渠系水利用系数0.5012，比上游达坂城灌区明显减少13.33%，这反映在同等灌溉工程条件下，主要问题是下游托克逊灌区降水不足30 mm，蒸发量高达5000 mm，年均气温高达14.1℃，是上游灌区年均气温8.8℃的1.76倍，7月份年均气温32.3℃极端性干旱气候影响渠系输水效率 [12] 。流域灌区干~农四级渠系水利用系数0.5486，比新疆总体平均水平0.6171小了近7个百分点 [13] 。

3.2. 灌区灌溉水利用系数

流域农田灌溉水利用系数监测结果如表2所示，可以看出，上游达坂城区灌溉水利用系数0.5112，其中：黑沟河区0.4325、阿克苏区0.5412、高崖子区0.5378；下游托克逊灌区灌溉水利用系数0.4641，比上游达坂城灌区减少了9.21%。白杨河流域灌区综合灌溉水利用系数0.4975，比新疆总体平均0.5554低10.4%，处于较低水平状态。

Table 2. Irrigation water utilization coefficient of Baiyang River basin irrigation area

表2. 白杨河流域灌区灌溉水利用系数

3.3. 提升灌区供输水效率

流域渠系水利用系数及灌溉水利用系数不高，供输水效率处于新疆较低水平状态，除流域自然水文气象环境不利客观条件影响了供输水效率之外，同时，流域灌溉工程及管理水平相对不足，因此，流域灌溉工程提升供水效率尚存一定的发展空间。基于流域灌区输水灌溉工程发展研究 [14] (表3)显示，流域输水渠道工程由2020年的衬砌防渗率44.2%，提高到2030年的71.4% (其中达坂城灌区74.4%；托克逊灌区69.2%)；流域高效节水灌溉面积节灌率由2020年的7.0%，提高到2030年的62.2% (其中：达坂城灌区52.0%；托克逊灌区66.0%)。由于渠系输水工程衬砌防渗及农田高效节水灌溉提增，流域灌区灌溉水利用系数由2020年的0.4975，提升至2030年的0.6239 (其中：达坂城灌区0.6265；托克逊灌区0.6175)，灌溉水利用系数年均递增率5.82%，从而达到了中型灌区灌溉水利用系数不应低于0.600的基本标准 [15] 。由流域灌区输水效率发展形成的农业节水效果看出(图1)，由于灌区农田灌溉水利用系数的增加，农业引用水量由2020年的38,260万m³，显著地降至2030年的28,418万m³，灌区平均减少引用水量3281万m³，平均节水10.29% (其中：上游达坂城灌区减少引用水量741万m³节水7.49%；下游托克逊灌区减少引用水量2539万m³节水11.56%)，流域灌溉工程水利用效率提升节水效果明显。

Table 3. Evaluation of water supply and delivery efficiency of irrigation areas in Baiyang River basin

表3. 白杨河流域灌区供输水效率测评

(a) 流域上游达坂城区 (b) 流域下游达坂城区 (c) 流域白杨河流域区

Figure 1. Water saving effect of improving irrigation water utilization coefficient in irrigation area

图1. 灌区提升灌溉水利用系数节水效果

4. 结论

输水渠道供水效率及灌区灌溉水利用系数，是白杨河流域灌区水资源调配工程性技术管理指标，灌区现状输水工程干~农四级渠系水利用系数0.5486，综合灌溉水利用系数0.4975，处于新疆灌区相对较低水平状态，其主客观原因灌区输水工程防渗率较低，已有工程年久运行更新缓慢，加之灌区地处新疆降水少蒸发强烈干旱极端干旱区，与其他灌区相比灌溉输水效率略有“先天性”不足。因此，提升白杨河灌区输水效率困难与发展空间并存，大力发展农业高效节水灌溉规模，推进灌区输水渠系衬砌及防渗率，可实现灌溉水利用系数由现状0.4975提升至2030年的0.6239，达到中型灌区灌溉水利用系数大于0.600标准要求。