灌区的水文循环

灌区的水文循环田间水文学主要研究水分-土壤-植物系统中与作物生长有关的水文问题，尤其着重研究植物散发和土壤水的运动规律，为农业规划和农作物增产提供水文依据。水文循环决定了水资源的形成和演变规律。任何水资源问题的研究都不能脱离水文循环的研究，水资源承载能力的研究也不例外。近50年来，全球许多地区发生了严重的水问题和水危机严重制约了社会经济的发展。各种水问题和水危机的产生，追究其根源，除了近50年来气候变暖，人口剧增、城市和经济生产规模迅猛发展等原因之外，人们对水文水资源循环演化规律认识不足也是重要原因。为探索变化环境下的水资源演变规律，解决日益严重的水问题和水危机，国际水文计划、世界气候研究计划等开展了一系列全球变化问题的前沿性研究，气候变化与人类活动对水循环过程的影响已成为全球变化研究中的重大问题和核心内容之一。分布式水文模型已成为当前面向多种目标水文研究的重要工具，是解决水问题的重要技术支撑，也是现代水文模型发展的一个趋势和方向。灌区中的水文循环除包括自然流域中的降水、蒸发、入渗和径流外，还受农田耕作引水、灌溉、排水、蓄水以及地下水开采等人为活动的影响，在人类活动干扰下自然水循环系统发生了很大变化，取而代之的是人工与自然共同作用下的自然－人工复合水循环系统，正是由于人们对灌区大气水－地表水－土壤水－地下水的转换机制缺乏系统、深入的认识，致使灌区内生态环境遭到不同程度的破坏。天然－人工自然复合水循环系统示意图如下图一。由于水利枢纽、泵站、渠道、排水沟和田间工程的建设和灌溉管理措施的实施，灌区，特别是大型灌区的水文循环受到了强烈的人工干预，灌区的水文循环较自然流域复杂得多，不仅包括天然水循环过程，还包括“取水－输水－用水排水－回归－的人工水循环过程。而且，灌区水文过程不再以降水产流机制为主，而是以径流的人工控制和灌溉，蒸散为主要的水文过程。目前水文模型主要研究自然水循环对自然－人工水循环过程研究不足，对人类活动影响考虑较为简单，大多作为源汇项，与水资源管理调配等管理措施的交换影响尚未详细考虑。近一个世纪以来，随着土壤物理学、植物生理学、农田水利学的发展和农田生产的需要，人们一直在通过各种途径致力于研究土壤与水、水与植物以及土壤、植物、大气与水之间的相互关系，并已取得较大进展。水资源量有天然资源量、可利用资源量和开采利用量之分。前面涉及的都是天然资源总量，表示我国水资源的天然禀赋差。可利用水资源还与国民经济的实力、科技水平和资源开发的边际效益有关，资源开发应满足经济上合理、技术上可行、环境允许等条件。美国的可利用水资源占自然资源的21%左右，日本为27%，我国这一资源量预计为700×108m3，占自然资源的25%。这是一个动态的、相对的资源量，在一定的经济与科技水平下，是有限的，不能认为水资源取之不尽、用之不竭，盲目乐观是没有根据的；但是科技发展是无限的，可供人类开发利用的水资源也应是无限的，人类经济生活总要向前发展，不会停滞，过分悲观也是没有必要的。因而，在水资源开发利用上，发展科技、发展经济才是硬道理。可利用资源在一定的技术经济条件下是有限的，超越一定的经济与环境条件的水平，过分开发就会出现相对成本过大，水资源开发的边际净效益变为负值，得不偿失。水资源的利用程度可用开发的边际费用来衡量，分为边际成本为零、不变边际成本和递增边际成本阶段。边际成本为零即增加水资源开发量，几乎不增加开发成本，如引洪灌溉，简易无坝引水等。显然，我国早已超过这一阶段。不变边际成本(或低成本)阶段，即资源开发成本与开发量成正比，单位资源开发量的成本不变，我国50、60年代发展灌溉大致属于这一阶段。递增边际成本(或高成本)阶段是指新增单位资源开发成本越来越大，资源开发越多，单位资源开发成本越高，当达到某种开发规模以后，单位资源开发成本与运行管理成本之和可能大于新增单位资源所产生的效益，出现边际净效益为负的情况，得不偿失；表现为水资源已近枯竭，或经济实力已无力支撑资源的进一步开发。一般地说，引水较建库便宜，用地表水比地下水便宜，水资源开发进入高成本阶段后，一些原来认为开发成本高的资源或取水方式会变为经济合理，出现水资源开发方式与资源种类的多元化。西北的高扬程抽水灌区，在80年代末还有人认为划不来，现在议论少多了；南方的小型塘堰在大型灌区修建以后，为了少占地，不少农民平塘、废堰等现在又开始重视与修复起来；被弃之不用的微咸水，不少地方已在扩大利用；北方地区的平原水库曾被盖棺定论为错误的，现在也有些地方开始研究其合理布局。目前几种比较有前途的水资源或水资源开发方式包括：多水源联合运用，降雨资源利用，回归水的开发利用，劣质水的合理利用，以及全流域水资源涵养与综合开发等。实行水资源的多元化开发，是灌区改造与发展的首要任务，以提高灌区水源的供水保证率(例如由现在75%提高到85%以上)，为灌区发展奠定了良好的基础。北方水资源开发应实行时间及空间三维的统一开发、工程联合运用，即地表水、地下水联合运用的开发方式。这种开发方式与大中小工程联合调度方式相比，由于可观测性差，故技术上更为复杂一些。我国水利科技工作者认识这一问题并不晚，早在70年代末已有实践，是北方地下水开发过程中的产物。但由于水资源的管理分散，在实施上困难较大，在大面积上的应用不多。实施这种开发方式主要应弄清地面水与地下水流域的叠合情况，叠合流域上要实行流域内统一开发，非叠合流域还要实行资源合理配置，维持两种水资源的统一均衡。灌区的地面水利用包括区内拦蓄与区外引水系统，通过分析可以获得多年的可供水资源过程。灌区地下潜水层可视为一个调节水库，该地下水库的补给量包括降雨补给，渠道、排水沟渗漏补给，区外地下水侧向补给，区内地下水越层补给以及人工回灌等；其消耗量包括蒸发、出流与开采。两种水源统一调度，可按区域均衡法或地下水非稳定流方法进行均衡分析；在一定的开采布局条件下，以确定合理的开采强度，或在一定开采强度下确定地表水对地下水的补给量及相应的补给区域，或根据补给方式和开采强度确定区域内开采布局。在一般的情况下，应该首先利用灌区内的地表径流，水量不足部分或从区外引水，或开采地下水资源。例如山前平原或平原河道上游，如地面水丰富，地下水位又深(如两河冲积扇间地带)，当然可以渠灌为主；若地下水不深、下游灌区又缺水，未尝不可实行井渠结合，将一部分地表水留给下游，这样，还可提高用水的机动性，实行渠井双保险。而在冲积平原或河流的中下游，地下水位较高，外引水源可靠性低时，当然要发展井灌，以井补渠；若地下水严重超采，就要减少用水或统一控制上游引水，修建当地蓄水工程，利用河流水源引水存蓄或回灌地下水。即使在一个灌区内，地面水、地下水的动态也不同，或者上游井渠结合，以渠为主，下游井渠结合，以井为主。在一年之内，也可能采用不同的井渠结合供水方式，特别是在引黄灌区，要考虑引水防沙、防止次生盐碱，或在有洪、涝、旱、碱等多种灾害的地区，井渠结合将会呈现出特别复杂的运行规律。提高降雨资源利用率包括提高降雨入渗或稻田蓄水(有效降雨量)和增加当地径流拦蓄两种概念，以多年平均降雨深中被利用水深的百分数表示。一般有效降雨仅局限于大田本身承蓄的水量，与降雨特点、地面覆盖、土壤质地、耕作制度、灌溉制度等有关，稻田浅(湿)灌深蓄，旱作地等高耕作、深翻和采用其他农业、生物化学保墒措施，都可提高有效降雨量；当地径流拦蓄是指增加田间小型蓄水工程以拦蓄地表径流，提供灌溉用水。我国北方地区增加降雨利用率的潜力很大，各种作物的有效降雨可达总降雨的40%～90%，占作物需水量(E)的30%～40%，南方旱作一般很少灌溉，水稻田有效降雨率(P有效)与灌溉制度关系很大，常规灌溉制度有效降雨仅60%左右，浅湿灌溉可达70%左右，间歇灌溉(薄水层-湿润-短暂落干)高达83.1%。灌溉回归水是指灌水时渠道退水、弃水、稻田落干排水、灌区出露的渠系渗漏水、地下水等，这些水量大都汇集于各级排水沟或天然河沟中。其量有时相当大，达灌溉用水的20%～30%，一般水质良好，应加以利用。为了利用灌溉回归水，要设置回归水的收集系统，如排水水质好，下游灌溉渠应与上游排水沟相接，也可利用灌区内小型蓄水工程拦蓄，必要时可建设专门的回归水集水井，以便及时将回归水用于下游灌溉。灌区农业水资源循环转化系统是一个自然——人工复合系统,其水量转化既受自然因素的影响,又受人为活动的制约。而降水、地表水、地下水、土壤水的时空分布特征又在一定程度上支配着人为活动的规模和程度,相应也就直接影响着农业水资源的循环转化。对关中灌区而言,影响农业水资源循环转化的主要因素是灌溉、排水及地下水开采等人为水事活动。基于对灌区农业水资源自然——人工复合循环转化系统的分析,辩证地论述了人为水事活动对“四水”转化及其农业生态环境的影响,进而指出实行地表水与地下水的联合运用、强化农业水资源的地下蓄调是关中灌区农业水资源综合调节、合理配置的有效途径。