西北旱区大型灌区实施深度节水的生态发展模式探究

张爱辉，徐梓曜，王 冉，尚毅梓

（1.水利部综合开发管理中心，100053，北京；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京）

我国西北旱区（包括陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆、山西6省份以及内蒙古中西部地区）地处黄河上中游和西北内陆河区域，降水稀少，资源型缺水严重，水资源节约集约利用十分重要。西北旱区的耕地灌溉面积主要分布在域内大中型灌区，由于本底降水量少，引水成为维系区域绿洲经济-社会-生态系统健康发展的重要命脉。长期引水灌溉形成了适应区域引排水条件的独特生态格局，合理的地下水水位成为维持灌区及其周边绿洲生态的重要保障。然而，大规模节约用水会改变灌区水循环过程和地下水补给规律，进而可能对灌区及其周边植被、湖泊湿地带来影响。因此，在制定西北旱区大型灌区节水措施时，应充分考虑维持灌区及其周边绿洲生态稳定，寻找用水效率和节水影响的平衡点，才能计算出维持区域健康发展的节水潜力。

本研究从灌区生态系统稳定的概念入手，识别灌区生态系统的关键结构，阐述林、草等植被以及农田和湖泊对灌区生态系统稳定的重要作用，提出了植被、农田和湖泊适宜地下水埋深的计算方法，并将地下水作为生态系统稳定的综合约束指标，分析了灌区水循环机理，提出兼顾粮食安全和生态安全的深度节水生态发展模式。

一、大型灌区农业节水现状

1.农业节水模式的发展历程

灌区是一个人类活动-自然资源-物质生产高度集中的生态系统，关于灌区生态建设的概念基础、研究内容、建设理论、关键技术等方面的研究一直都备受关注。我国农业节水研究开始于20世纪五六十年代。70年代，土地平整、渠道防渗、小畦灌溉等节水措施已得到大面积推广；80年代，低压管道输水灌溉得到重点推广，喷滴灌和微喷灌等节水灌溉技术得到试点示范和推广；90年代，节水灌溉技术、节水灌溉设备、节水灌溉工程在我国已有较大范围应用。“九五”期间（1996—2000年），全国建设了300多个节水增产重点县，在有地下水开发利用条件的地方打井建设节水型灌区，在不到3年的时间里，全国共投入节水灌溉资金187亿元，发展扩建了节水灌溉面积428 hm2，水稻节水灌溉等非工程节水面积1733 hm2，节约水量150亿m3，增加粮食年产量230亿kg，经济效益和社会效益显著。此外，在全国范围内还建设了209个高标准节水增效示范区，对99个大型灌区、240个中型灌区进行了以节水增效为中心的续建配套和更新改造，同时建设了一批国家级节水示范市，使我国灌区节水水平登上了新台阶。发布节水有关规范67项，具有中国特色的节水灌溉理论体系在此时形成。农业节水技术及模式的发展历程见图1。

图1 我国农业节水技术及模式的发展历程

总体来看，虽然我国农业节水取得了一定的成就，但与我国农业和整体经济社会发展要求相比还存在很大的差距，开展灌区节水是支撑区域高质量发展的必然要求。由于过去缺乏对农业节水与生态环境关系的科学认知，也缺乏对区域（流域）水土资源生态可持续发展的良性配置，造成区域水资源短缺、水环境污染、土壤次生盐渍化、地下水水位持续下降等生态环境问题。近年，黄河流域灌区在开展现代化灌区建设，大力发展农艺节水、生物节水、工程节水、管理节水等农业节水技术的同时，也关注农业节水的生态环境效应问题，分析方式也由单一向综合、由微观向宏观、由自然向复合、由静态向动态转变。在自然资源特别是水资源有限的背景下以及强人类活动的干扰下，如何更好实现灌区生态系统良性发展、资源节约与排水绿色，仍需要进一步加强生态节水型灌区关键技术的研究与实践。

2.西北旱区灌区节水系统现存问题

20世纪70年代以来，节水灌溉的工程措施和非工程措施在全国迅速发展。一方面，节水灌溉措施对缓解水资源供需矛盾、扩大灌溉面积、提高农业产量、促进国民经济发展以及改善农田生态环境起到了重要作用；另一方面，节水灌溉条件下的农田生态环境势必发生变化，原有的生态平衡被打破，从而对环境产生直接或间接的多种影响，甚至导致环境恶化。近年越来越多的研究显示，随着节水技术的应用和节水水平的提高，世界各地的水资源短缺反而更加严重，产生了灌溉效率悖论，即由于缺乏科学管理，节水技术的推广应用使得用水量或耗水量不降反升的现象。所以，通过灌区节水改造一味地提高灌溉水利用效率未必节水，甚至可能对生态环境产生一定程度的不利影响。对于已存在的不利影响，可以科学合理地分析其影响因子以及机理规律，总结经验教训，进而在后续节水过程中通过合理调度和科学设计加以克服。

西北旱区大型灌区农业生产活动历史悠久，形成了人工生态系统和自然生态系统并存的复合生态系统，其中以农业生态系统为主。近20年来，通过大型灌区节水改造工程、中低产田改造与土地整理工程、水权转换节水改造工程、水价改革、水资源管理等措施，西北旱区大型灌区水资源利用效率和节水水平有了显著提升，灌区种植结构、灌溉定额、灌溉水利用系数等关键节水要素均产生了显著变化，但同时也给灌区生态环境造成了不利影响。由于灌区垦殖指数较高，大部分天然植被保留甚少，加之长期大量灌溉使得区域生态系统极度脆弱，具体表现为生态类型单一、森林覆盖率低、土地质量差和土地盐碱化严重。节水带来的地下水水位下降问题将更加突出，灌区生态环境面临的风险越来越大，不容忽视。

地下水水位变化与土壤盐碱化程度和天然植被生长密切相关，适宜的地下水水位能够改善土壤环境，提升作物的根系活力，增加植被分布面积，生态环境将处于良好状态；如果超出适宜范围，将引发一系列生态环境负效应。例如，不合理灌溉导致地下水水位持续上升，超出合理范围，进而出现土地渍水、土地盐渍化、珍稀生物资源消失等现象；地下水超采、上游过度开发地表水或采矿活动，引起地下水水位持续下降，导致地表土壤结构发生变化，使植被退化死亡，在干旱半干旱地区和沙漠化地区加速了风蚀和土地沙漠化进程。

针对我国西北地区水资源紧缺、生态环境脆弱的现状，以保障西北地区农业产量和生态安全为目标，综合深度节水控水与保护生态环境两方面提出灌区深度节水的生态发展模式，对于缓解西北干旱区的缺水形势十分必要。

二、灌区生态系统稳定的关键约束条件

1.灌区生态稳定的概念

灌区生态系统是由人工种植作物与自然生长的附生植物为主的生物成分和非生物成分共同构成的复杂生态系统。灌区生态系统的稳定与灌区系统中物种的稳定性相关，稳定的灌区生态系统通常具有多样性的物种结构，系统内部有复杂密切的相关关系，各部分结构能够保持长期活力并维持其组织及自主性，具有在外界环境干扰下的自我恢复能力。维持灌区生态系统稳定需要保障系统内部物种的稳定，减少外来因素对物种的胁迫，使系统内部的物种在种类和数量上都维持平衡，这是灌区生态系统稳定的理想状态。

2.地下水水位对灌区生态系统稳定的约束机理

西北旱区大型灌区千百年来形成了独特而脆弱的绿洲型灌区生态系统。山、水、林、田、湖、草是灌区生态系统的基本单元，构成了一个完整的生命共同体。山是水的发源地，地下水在强大的压力下发生垂向运动，在山间涌出地表，形成山泉，山也是主要的产水区和汇流区；林地、草地是水的涵养区，改变水循环中地表径流过程，在丰水期加大了地表水的入渗量，补给土壤水和地下水，在枯水期通过根系吸收地下水补给到大气中，起到削峰补枯的作用；农田是主要的耗水区，灌溉过后大量水资源下渗到地下或者蒸发补给到大气；湖泊和湿地是水的积蓄地，在水循环过程中将汇集的地表水和侧流的地下水蓄积。可见，灌区中的水通过水循环的形式扮演着生态系统结构中的重要角色，水循环让灌区生态系统具有抵抗干扰的调节和恢复能力，是维持灌区生态稳定的重要保障。由于灌区内部山区面积极少，较少考虑山对灌区生态系统稳定的影响，保持灌区生态系统稳定，需要林、田、湖、草等各重要结构要素的生态稳定。

西北旱区全年降雨量小，水资源分布极度不均匀，自然-人为的二元水循环是灌区生态系统林、田、湖、草等要素的水资源关键来源。地下水水位是影响灌区林、田、湖、草生态稳定的重要因素。灌区的林地、草地灌溉水量少，林、草等植被通过根系吸收地下水满足自身生长需求，地下水维持了林地、草地的生态稳定。农田是灌区人类活动改造的主要区域，也是引水补给、地表水下渗的主要区域，引水渗漏和灌溉入渗的田间地表水下渗补给地下水，地下水在土壤毛管力作用下转移到土壤中，作物依靠根系吸收土壤中的水分满足生长需求；农田粮食安全生产也受土壤盐分胁迫的影响，合理的地下水水位是保障灌区土壤不发生盐渍化的主要因素。湖泊与地下水系统存在着紧密的水力联系，湖泊蓄水量和面积受地下水埋深的约束。人类活动使得灌区水循环过程中的下垫面和水源补给发生变化，灌区自然-人工的二元水循环过程维持了地下水的稳定，进而维持了灌区林、田、湖、草的生态稳定。

当人为大量开采地下水或大幅度减少地下水补给时，灌区地下水水位大幅度下降，导致河流湖泊水量衰减、植被退化、土地沙化以及沼泽湿地旱化；当地下水补给过量时，地下水水位上升，将导致土壤次生沼泽化、盐渍化以及地下水咸化等。地下水还影响着灌区的气候变化，如果地下水水位过低，潜水蒸发到大气中的水蒸气减少，导致大气水补给量减少，进而影响降雨等气象因素。灌区地下水的补给来源主要为引、排水渠系的渗漏和田间灌溉补水，渠系渗漏以及田间灌溉的入渗补给减少后，灌区地下水水位下降，灌区生态系统的稳定会被破坏，因此灌区需要确定适宜的地下水水位，确保提高水资源利用效率的同时也能维持灌区生态系统的稳定。

3.灌区生态系统稳定的适宜地下水埋深计算方法

以植被、农田以及湖泊等灌区生态系统关键要素的适宜地下水埋深的交集，作为灌区多功能约束下生态系统稳定的适宜地下水埋深。

（1）灌区林、草的适宜地下水埋深

灌区的林、草等植被几乎不被灌溉，根系吸收的地下水成为灌区植被生存的重要甚至是唯一水源，地下水水位和浅层地下水的空间分布直接影响着植被的生长和群落的空间结构。地下水水位的波动变化会直接控制植被对地下水水分吸收的有效性，地下水埋深过大，能够吸收地下水的植物物种变少，导致灌区植被种类单一，破坏生态系统稳定；地下水埋深太浅，会改变土壤结构，进而破坏植被生长条件，也会造成生态系统的不稳定。因此，需要探明灌区植被对地下水的利用情况，确定灌区适宜植被生长的地下水埋深。

根据上述规律，认为存在一个适宜的地下水埋深最利于林、草等植被的健康生长，当地下水埋深低于或者高于这个最适宜值时，林、草等植被的健康将受到影响，当地下水埋深到达极高值或者极低值时，植被将不能存活。基于高斯概率密度函数（正态分布曲线）分析灌区地下水与林、草等植被的敏感关系：

式中，x为地下水埋深，f(x)为植被特征指标，a、b、c为正态分布参数。

（2）灌区农田的适宜地下水埋深

灌区农田的健康程度决定了作物的产量和品质，还影响着灌区的水环境质量。灌区农田健康的主要威胁因素为土壤盐渍化和荒漠化，通过合理控制地下水埋深，能对其进行有效控制。灌区灌溉阶段，土壤盐分被淋洗到地下水中，地下水埋深较浅时，农田表面强烈的蒸发作用使地下水中的盐分聚集并转移到上一层土壤，若地下水埋深过浅，与表层土壤相邻时，农田耕地盐渍化将加重，因此在农田灌溉过程中要避免灌溉引起的地下水水位上升。在控盐过程中，地下水仍需要给农田中的作物提供水源，地下水水位应在满足控盐需求的同时保障农田作物生长，防止土壤荒漠化。需要进一步研究农田地下水埋深，寻找防止农田盐渍化和荒漠化的临界地下水水位，以同时满足灌区农田安全生产和生态系统稳定的需求。

地下水向土壤补给水分的过程中借助了土壤的毛管力，在土壤毛管力的作用下，地下水从潜水面上升，形成一定厚度的湿润层，该湿润层厚度由毛管水最大上升高度确定。根据汪勇等人的研究，确定毛管水上升高度的理论计算公式：

式中，H为毛管水最大上升高度，m；σ为液体表面张力，N/m；ρw为水的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；R为毛细管当量孔径（有效孔径），mm。

毛细管当量孔径R和液体表面张力σ的计算公式如下：

式中，n为土壤孔隙度；d为土壤有效粒径，mm；T为土壤水温度，℃。

①田间影响作物的临界地下水埋深

在灌区，土壤条件一定时，地下水对田间作物的补给主要来源于潜水，在土壤毛管力作用下形成湿润层，当作物根系与潜水影响的湿润层接触后补给田间作物需水，因此田间影响作物的临界地下水埋深计算公式如下：

式中，hi为第i种作物的临界地下水埋深，m；Di为第i种作物正常生长的根系深度，m。

②灌区农田盐渍化临界地下水埋深

灌区农田盐渍化的主要原因是地下水埋深太浅，地下潜水蒸发将盐分运移至地表，在毛管力的作用下潜水影响的湿润层是地表水蒸发的主要来源，因此将潜水影响的湿润层埋深直接定义为灌区农田盐渍化临界地下水埋深，计算公式如下：

式中，h0为农田盐渍化临界地下水埋深，m；Tmin为土壤水最低温度，℃。

（3）灌区湖泊的适宜地下水埋深

强烈的人为干扰已成为灌区自然水循环的主要驱动力。在人为因素的干扰下，灌区地下水和湖泊产生了紧密的联系，对地下水的人为开采和补给间接影响湖泊蓄水量和湿地面积，如中国第一大沙漠湖泊——红碱淖因为对地下水的人为开采导致水资源侧向渗漏，湖泊水资源量和水域面积减少。地下水在湖泊的水平衡中发挥着重要作用，为了避免灌区湖泊补水与灌溉期间生态用水和农业用水的竞争，选择在灌溉空闲期补水。在作物生育期灌溉时，灌区地下水得到补给，湖泊补水少，此时地下水向湖泊补给水源，支撑着湖泊强烈的蒸发消耗。湖泊群的存在也会影响灌区区域地下水的循环规律，减少区域地下水变化幅度，如河套灌区沈乌灌域湖泊湿地面积占比大，地下水变化幅度比河套灌区其他区域小。地下水埋深与湖泊存在复杂的水量交换关系，需因地制宜辨识湖泊与地下水的交互机理，为湖泊水量平衡和灌区水循环过程的研究提供有利帮助。

三、生态系统稳定的灌区节水模式

灌区节水措施主要有渠系衬砌、畦田改造、微灌、喷灌等工程措施，以及调整种植结构、优化灌溉定额等非工程措施。实施节水措施后，灌区灌溉引水总量减少，进入田间的灌溉补水水量减少，导致灌区地表入渗补给地下的水量减少，地下水水位随之变化，当地下水水位下降到一定程度时灌区生态系统稳定会受到威胁，因此需要摸清不同节水措施下灌区地下水水位的变化情况，计算在保障灌区生态系统稳定前提下的灌区节水潜力。

1.灌区水循环机理

水循环是一种水资源在大气、地表和地下之间相互作用的自然现象，水循环将大气圈、生物圈、岩石圈以及冰冻圈等圈层紧密地联系起来，对区域气候、环境和生态起到至关重要的作用。灌区在人类活动的强烈干扰下形成了自然-人工的二元水循环系统，自然的大气水、地表水、土壤水和地下水与人为的取水、输水、耗水和排水等活动共同组成了完整的灌区水循环。灌区水循环过程包括天然的降雨、蒸发、地表径流、入渗补给、潜水蒸发、河流与地下水的侧向补给等过程，以及人为创造的引水灌溉、生态补水、灌后排水等用水过程，这也让灌区引排水渠系的蒸发、渗漏等参与到灌区水循环中。

研究灌区水循环机理，解析灌区水循环组成的关键要素，需要依据灌区水循环特征构建水循环模型，模拟灌区水循环过程。从山、水、林、田、湖、草各系统水量消耗过程入手，以不同类型耗水系统的水平衡机制和灌区尺度水循环要素标定为突破口，考虑地表水供水平衡、土壤水平衡、地下水平衡，通过蒸发、入渗以及单元间的水量交换将各个平衡系统联系起来，构建适用于强人类活动地区的分布式水循环WACM（Water Allocation and Cycle Model）模型，系统模拟分析灌区山水林田湖草各系统的水分运动过程与水循环演变规律，为灌区灌溉管理、水资源开发利用与山水林田湖草生态保护提供基础支撑。

2.节水措施

节水灌溉是平衡灌区生产要求和来水水量不足现状、维持灌区持续健康发展的重要手段。节水路径总体可分为渠系节水和田间节水两种。不同节水措施从这两个路径对灌区引用水量进行调控，进而影响整个灌区的水循环过程及其伴生的生态环境过程。

（1）渠系节水措施

渠系衬砌是灌区的主要节水措施，通过对灌区渠系的衬砌防渗，能减少河床阻力，加速渠系水运移速率，以减少渠系的渗漏，提高灌区引水的利用效率，达到灌区节水目的。渠系节水措施是灌区制约地下水补给的关键因素，计算灌区节水潜力时应选择适宜的渠系衬砌比例节水方案，以维持保障灌区生态稳定的地下水埋深。

（2）田间节水措施

田间节水有畦田改造、喷灌技术以及覆膜灌溉等措施。微喷灌技术相对落后，投资过高，主要应用于蔬菜等经济作物种植区，对灌区整体节水潜力贡献较小。地膜覆盖是灌区现阶段采用最广泛的节水措施。畦田改造是平整耕地、提高田间水资源利用效率的一种节水方式，畦田改造后的耕地避免了坑洼蓄积水量的现象，水资源能均匀向土壤中入渗，达到节水目的。

（3）灌溉制度优化节水

优化灌溉制度也是灌区节水工作中的重要措施，如通过制定适宜的灌溉定额让田间作物产量最大化。优化灌溉定额主要是优化灌区在作物生育期的灌水量，可以通过改变灌溉频率等方式实施。宁夏、内蒙古等地的灌区有洗盐需求，需要进行秋浇，优化秋浇定额也是田间的重要节水方式。

3.基于水循环的地下水水位控制下的灌区节水体系

根据灌区的节水现状与节水效果，可以通过实施渠系衬砌、畦田改造、地膜覆盖、优化灌溉定额等措施节水，表现为减少灌区引水总量，减少田间灌溉水量，增加灌区灌溉的退水量等，最终结果是减少地表向土壤以及地下补给的水量。结合已开展的有关试验研究分析节水效果，并以此为基础构建节水方案。

基于灌区DEM、土地利用、土壤分布等地理遥感信息，水文气象与水文地质信息，灌区引水排水、灌溉制度和经济社会用水等信息，构建灌区分布式水循环模型，用模型输出的蒸散发、引排水、地下水、湖泊湿地补水等水循环关键环节的时空变化序列，分析基准年水循环演变特征与演变规律。

采用构建的水循环模型模拟设定的各项节水措施方案，并与基准年进行对比。将节水潜力计算与灌区水循环相结合，研究不同节水方案下地表水、地下水的变化情况，确定地下水水位控制下灌区生态系统稳定的节水潜力。

计算不同节水方案下的灌区节水量，以及节水后不同地表补水导致的灌区地下水水位发生的变化，并基于构建的灌区水循环模型模拟不同节水措施下地下水的变化情况，计算出实施不同节水方案后的地下水水位，将其和维持灌区生态系统稳定的地下水水位进行对比，确定灌区生态系统稳定的适宜节水潜力，实施相应的节水措施。

四、结 论

在生态稳定的前提下开展农业节水是目前我国水资源管理的重要举措，尤其是在我国西北旱区的灌区，节水行动意义重大。生态脆弱是灌区的典型特征，实施节水过程中必须保障灌区生态系统的稳定，以保障灌区生产生活的可持续性发展。厘清了地下水埋深对灌区生态系统稳定的约束原理，分析了灌区地下水埋深对生态系统关键要素林、田、湖、草的约束条件，研究灌区林、田、湖、草健康发展的地下水埋深，进而确定灌区生态系统稳定的适宜地下水埋深。基于灌区水循环模型提出了维持区域生态环境系统可持续发展的节水措施方案评估方法，为西北旱区大型灌区实施深度节水的生态发展模式提供了参考。