img

官方微信

高级检索

中国沙漠, 2025, 45(5): 145-154 doi: 10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00001

黑河中游流域田间-灌区-流域水资源账户的建构与管理策略

朱前涛,1, 韩辰浩,2

1.兰州财经大学,经济学院,甘肃 兰州 730020

2.兰州财经大学,财政与税务学院,甘肃 兰州 730020

Construction of water resource accounts for fields, irrigation areas and watersheds in the middle reaches of the Heihe River Basin and a control strategy

Zhu Qiantao,1, Han Chenhao,2

1.College of Economics /, Lanzhou University of Finance and Economics,Lanzhou 730020,China

2.College of Finance and Taxation, Lanzhou University of Finance and Economics,Lanzhou 730020,China

通讯作者: 韩辰浩(E-mail: hanchenhao0713@163.com

收稿日期: 2024-12-16   修回日期: 2025-01-14  

基金资助: 甘肃省哲学社会科学规划项目.  2024YB070

Received: 2024-12-16   Revised: 2025-01-14  

作者简介 About authors

朱前涛(1984—),男,山西汾阳人,博士,副教授,主要从事水资源规划与生态经济研究E-mail:zhuqt@lzufe.edu.cn , E-mail:zhuqt@lzufe.edu.cn

摘要

选取黑河中游流域的张掖绿洲为研究区域,探索建立了2019—2020年黑河中游流域田间-灌区-流域尺度上的水资源账户。结果表明:(1)田间-灌区-流域尺度上的水资源利用效率不同,整体上呈递减趋势,田间尺度上过程性损耗与总损耗量之比为0.61~0.68,不同作物损耗表现有所差异,灌区尺度上过程性损耗与总损耗量之比为0.454,流域尺度上的过程性损耗与总损耗量之比为0.203。(2)田间-灌区-流域尺度上的水资源总体损耗比例不同,整体上呈递减趋势,田间尺度上总损耗与总入境量之比约为1.01,说明田间的可用水量已被损耗殆尽;灌区尺度上总损耗与总入境量之比约为0.887,说明灌区尺度上仍有10%左右的水量可供利用;流域尺度上总损耗与总入境量之比约为0.728,总损耗与可用水之比约为0.845,说明流域尺度上虽然尚有10%~15%的水资源可供开发利用,但可利用空间已在极值附近徘徊,水资源在灌区和流域层面存在进一步开发利用的可能性,这对于干旱区合理调控水资源、指导绿洲灌溉农业及生态保护具有重要意义。

关键词: 水资源账户 ; 张掖绿洲 ; 黑河中游流域

Abstract

This paper selected the Zhangye Oasis in the middle reaches of the Heihe River Basin as the research area and explored and established water resource accounts at the field-irrigation area-basin scales in the middle reaches of the Heihe River Basin from 2019 to 2020. The results showed that: (1) The water resource utilization efficiencies at the field, irrigation area,and basin scales were different, showing a decreasing trend on the whole. The ratio of process losses to total losses at the field scale was approximately 0.61-0.68. The performance of losses for different crops varied. The ratio of process losses to total losses at the irrigation area scale was approximately 0.454, and the ratio of process losses to total losses at the basin scale was approximately 0.203. (2) The overall water resource loss proportions at the field, irrigation area,and basin scales were different,showing a decreasing trend on the whole. The ratio of total losses to total inflow at the field scale was approximately 1.01, indicating that the available water in the fields had been almost completely consumed. The ratio of total losses to total inflow at the irrigation area scale was approximately 0.887, indicating that there was still about 10% of water available for utilization at the irrigation area scale. The ratio of total losses to total inflow at the basin scale was approximately 0.728, and the ratio of total losses to available water was approximately 0.845, indicating that although there was still 10%-15% of water resources available for development and utilization at the basin scale, the available space had also been hovering near the extreme value. The research results show that there is a possibility for further development and utilization of water resources at the levels of irrigation areas and river basins.It’s of great significance for the rational regulation and control of water resources in arid areas, as well as for guiding the irrigation agriculture of oases and ecological protection.

Keywords: water resource account ; Zhangye Oasis ; middle reaches of the Heihe River

PDF (1465KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

朱前涛, 韩辰浩. 黑河中游流域田间-灌区-流域水资源账户的建构与管理策略. 中国沙漠[J], 2025, 45(5): 145-154 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00001

Zhu Qiantao, Han Chenhao. Construction of water resource accounts for fields, irrigation areas and watersheds in the middle reaches of the Heihe River Basin and a control strategy. Journal of Desert Research[J], 2025, 45(5): 145-154 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2025.00001

0 引言

水资源是决定和约束流域经济可持续发展的重要自然资源,但随着经济社会的不断发展,水资源的供需矛盾日益突出。因此,如何在保持水资源可持续利用的情况下同时满足社会巨大的用水需要,即如何提高水分生产率,已然成为当前亟待解决的问题1。自20世纪中叶以来就有诸多学者开始探索提高水分生产率的方法,但由于研究背景和标准不一,学界难以形成有关水资源开发利用及管理的通用语言,这严重阻碍了水资源相关研究的进展。因此,建立统一的研究架构显得尤为重要。1997年,Molden2首次提出构建水资源利用与核算账户,旨在通过账户的方式去呈现出水资源在整个生态经济循环系统中的流向、流量及存量,通过辨明水资源循环中的节水机会,为学界探讨水资源管理及其研究提供了一套通用语言。

水资源账户是用来分析流域内水分损耗率、水分利用率和水分生产率的基础工具,可以清楚地展示某流域内水资源利用的现状,从而为流域内水资源的合理配置提供依据3。Molden等4提出水账户理论方法,随后在世界各地尤其是水资源紧缺的干旱半干旱区开展了广泛的实例研究,为水账户理论方法的落地提供了重要参考。Peranginangin等5和Droogers等6采用水账户的分析方法模拟研究了田间、灌区和流域的水分生产率,进一步完善水账户的相关理论与实践。中国从21世纪初开始引入水账户理论,部分学者通过对国外应用水账户管理水资源的案例进行详细阐述,为水账户在中国各流域水资源治理落地提供借鉴7-8。还有学者通过应用环境经济综合核算的方法体系来探索性构建中国各流域的水资源账户表9-10。此外,龙爱华等11以黑河流域张掖市为例,应用水账户方法对区域内的水分生产率及尺度转化问题进行了讨论分析,为水账户理论在中国的应用提供了经验参考。

目前学界关于水资源账户的研究已经积累了一定的理论基础,并积极利用水账户来进行流域的水资源管理12-13,但研究主要在流域尺度上14,且对流域的整个水循环系统及其嵌入人类水资源利用活动的分析较少,具象到微观的田间尺度和中观的灌区尺度联合分析,尽管有所涉猎,但研究不够深入。本文在现有研究的基础上,以黑河中游流域为例,从田间、灌区到流域尺度上进行水资源账户的构建,进而识别研究过程中各尺度水资源账户建立的关键要素,分别构建田间、灌区和流域尺度上的水资源账户,为黑河中游流域在不同尺度上的水资源调度管理提供依据,同时为水账户在其他流域的落地与推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

黑河流域作为中国西北地区第二大内陆河流域,主要位于河西走廊中部(图1),黑河出山口莺落峡至正义峡之间的区域为黑河中游流域,河道长185 km,流域面积达2.56×104 km2[15。该区域光热资源丰富,但干旱严重,主要依靠黑河供水保障绿洲发育。研究区位于黑河中游的张掖绿洲,属典型的温带大陆性气候,海拔1 200~1 500 m,年平均气温6~8 ℃,多年平均降水量约140 mm,多年平均蒸发量约1 910 mm,境内现存河流皆是内流河,平均多年径流量约24.6亿m3

图1

图1   研究区概况

Fig.1   Overview of study basin


黑河流域有东、中、西3个彼此独立的子水系,其中东、中两个子水系大部分位于张掖绿洲,是张掖市最主要的水源供给来源,2019—2020年张掖市所能用于人类社会活动的水资源总量约为21.83亿m3。其中能提供给人类使用的地表水资源储量约为17.06亿m3,不能够重复统计和计算的地下水资源净储量约为4.58亿m3

1.2 数据获取

水资源账户表主要由总入境量、储量变化以及总损耗量组成。考虑到不同尺度上的组分参数构成有所不同,本文研究数据包括田间、灌区和流域3个尺度的数据,其中田间尺度数据来源于黑河中游甘肃临泽农田生态系统国家野外科学观测研究站的实验地,其地理坐标为(39°21′N,100°07′E),研究数据主要通过试验田中的环境观测仪器获得;灌区尺度数据来源于黑河中游张掖市临泽县平川镇的平川灌区,地理坐标为(39°18′18.36″—39°23′27.96″N、99°55′45.96″—100°11′45.6″E),总入境量和储量变化数据主要通过实际观测数据获得,总损耗量数据则根据灌区农作物、渔业养殖以及调蓄水库的实际情况进行逐项测算加总获得;流域尺度数据来源于黑河中游的张掖绿洲,地理坐标为(37°28′—39°57′N、97°20′—102°12′E),总入境量和储量变化数据主要根据水利厅的统计资料获得,总损耗量则根据张掖绿洲的实际情况进行逐项测算加总获得,本研究数据获取的时段为2019年4月1日到2020年3月31日。

1.3 研究方法

1.3.1 水量平衡公式

NI=GI+ΔS=Qin+R+ΔS=Qout+E=PD+NPD+UO+NUO+C=TD+UO+NUO+C

式中:NI表示净入境量;GI表示的是总入境水量;ΔS表示在研究区的某一研究时段内地表水量、地下水量、非饱和带储水量三者的变化;Qin表示地表的入境水量与地下的入境水量之和;R表示降水量;Qout表示地表的出境水量与地下的出境水量之和;E则表示蒸腾和蒸发总量;PD表示过程性损耗,其值等于蒸腾蒸发损耗量与其他不可再利用的水资源损耗量的和;NPD表示非过程性损耗,其值等于非预期的蒸腾、蒸发水量与不可再利用损耗水量之和;UO表示在现有的基础设施条件下,能够利用却又未指定相关用途的水资源出境量;NUO表示超出当前设施能力,不能被利用且未指定用途的水资源出境量;C表示指定用途水资源量(包含研究区内的各类指定用途水量以及研究区外的可利用的出境水资源量;TD表示整个过程水资源的总损耗,其值等于过程损耗与非过程损耗之和。

AWpot =NI-C-NUOpot

式中:AWpot表示将一切可行的经济、技术手段都运用之后的最大可用水资源量;NUOpot为利用所有的经济技术手段后,仍旧不能利用的未指定用途的出境水资源量。若在完全开发的情境下,NUOpotNUO二者应该是相等的,均等于0。

AWag=NI-C-NUO-Db

式中:AWag是将一切可行的经济、技术手段都运用之后的最大农业可用水量;Db为农业用途之外的,其他所有非灌溉利用的水资源利用量。

1.3.2 Penman-Monteith计算法

P-M计算法是在综合能量平衡原理、空气动力学原理的基础上,综合考虑了能够影响蒸散过程的大气物理、植被生理等要素,能够清晰地反映整个蒸散的变化过程和影响机制,也为非饱和下垫面的蒸散研究拓宽了研究思路,尤其是在湿润、潮湿的下垫面蒸散量的估算过程中被广泛应用16-17,文章利用该方法来计算参考作物的蒸散量。计算公式如下:

ET0=0.408Δ(Rn-G)+γ900T+273(ea-ed)Δ+γ(1+0.34U2)

式中:Δ表示饱和水汽压及其与温度相关曲线的斜率(kPa·℃-1);ET0表示参考作物的蒸发蒸腾量(mm·d-1);Rn表示作物表面的净辐射量(MJ·m-2·d-1);G表示的是土壤热通量(MJ·m-2·d-1);T表示平均空气温度(℃);U2表示高度在2 m的风速(m·s-1);ea表示的是饱和水汽压(kPa);ed表示实际测量的水汽压(kPa);ea-ed表示上述两个饱和与实际水汽压之间的差额(kPa);γ表示干湿表常数(kPa·℃-1)。

1.3.3 各尺度水资源账户表中关键参数的标定方法

各尺度水资源账户的关键参数主要包括总入境量、储量变化、总损耗量。

1.3.3.1 田间尺度水资源账户的关键参数

田间尺度的总入境量组分参数主要包括灌溉量、降水量、域外地下水进入量和地表径流入境量。经统计,2019—2020年小麦灌溉量为975.17 mm,玉米为1 147.41 mm,小麦+玉米带田为1 210.37 mm。降水量根据试验田布设的环境观测仪器开展逐日实测的平均数据计算可得:试验田降水量约为112.2 mm。由于试验田使用了聚乙烯材料,无法接受地下水及相应地表径流来源的水资源补充,故域外地下水进入量和地表径流入境量为0。

田间尺度的储量变化组分参数主要是指土壤水储量变化,本研究中该数据通过临泽站试验田的中子土壤水分仪对土壤动态水量进行周期监控获得,土壤水储量计算公式如下:

Wa=Q×h

式中:Wa指土壤水储量;Q指容积水含量百分数,表示土壤水容量与土壤含量之比;h代表土层厚度(mm),实验地开展观测的土层厚度区间为0~150、150~300、300~450、450~600、600~800、800~1 200 mm。根据临泽站ENVIS环境观测系统逐日观测的土壤湿度数据,并通过土壤水储量变化公式进行计算,最后对账户期内得到的各层土壤水储量具体变化量进行累计,可以得到研究时段内试验田的土壤水储量变化量为-11 mm,即土壤水储量减少了11 mm。

田间尺度的总损耗组分参数包括过程性损耗和非过程性损耗。其中田间的过程性损耗主要指作物的蒸散量,本研究中利用Penman-Monteith公式来计算作物蒸散量,通过对试验田中环境观测仪器监测的逐日数据进行统计、分析和计算后,得到了包括春小麦、玉米和春小麦+玉米带田等在内的2019—2020年各作物蒸散量:小麦的蒸散量为665.56 mm;玉米蒸散量为858.98 mm;春小麦+玉米带田的蒸散量为896.53 mm。而田间的非过程性损耗主要指作物生长过程中的非生产性水资源损耗,即除作物蒸散发以外的水资源损失,这些损失包括农田的土壤蒸发(即棵间蒸发)、杂草蒸散发、农田水分的侧渗及垂直渗透、水质严重退化水量等。由于在试验田中定时定量使用除草剂,杂草基本除净,可以忽略不计,所以杂草蒸散发量按0计算;同时,试验田周围修缮防渗透系统,进一步杜绝了田间尺度的侧渗,故试验田周围的侧渗也可以忽略不计;垂直渗透可以按照估算方法计量,核算期内试验田降水量较少,产生垂直渗透可能性较小,垂直渗透在此处的农田可能会有,但基本都是出现于农作物灌溉期间,根据试验田作物历年灌耕经验,并在征询专家意见的基础上,垂直渗漏主要按照以下方法折算:生长期内,夏灌水、冬灌水的渗漏分别按照20%、40%处理。按照上述计算结果,得出垂直下渗量:小麦为218.00 mm;玉米为233.05 mm;带田为239.93 mm。

根据上述数据,参考武翠芳等18的研究开展田间尺度水账户的构建。

1.3.3.2 灌区尺度水资源账户的关键参数

灌区尺度的总入境量组分参数主要包括地表引水量、降水量和地下水提取量。2019—2020年平川灌区年降水量112.2 mm,年水分输入量为7 091万m3。其中,灌溉量即地表引水量为6 128万m3,即1 098.41 mm;降水补给量为647万m3,即115.97 mm;土壤水补给量即地下水提取量为316万m3,即56.64 mm。

平川灌区的储量变化组分参数主要包括地表水、土壤湿度和地下水的储量变化。2019—2020年地表引水量与上年基本持平,故地表水储量变化量为0;受气候等因素影响,灌区尺度上的土壤湿度变化量难以进行准确估算,故本研究中土壤湿度变化量采取的是临泽站百亩试验田内ENVIS环境观测的系统数据,即土壤湿度变化量为-11 mm;2019—2020年平川灌区地下水储量变化为-5 mm。

灌区尺度的总损耗组分参数包括过程性损耗和非过程性损耗。平川灌区的过程性损耗主要包括作物蒸散量(包括防护林)和渔业养殖蒸散量这两个方面。作物蒸散量仍然采用Penman-Monteith公式进行计算,以各种作物的实际耗水量和灌溉效率来测算蒸散量,灌溉效率以70%为标准,然后根据灌区内不同作物的耗水以及播种情况,并以各类作物相应的作物系数作为因数,再乘以作物耗水量,进而得出不同作物相应的蒸散量,计算可得2019—2020年各种作物的综合蒸散量为489.27 mm。渔业养殖蒸散上,由黑河流域多年来的监测数据可得平川灌区的年蒸发能力为1 600~1 800 mm,研究中取平均值,即年水面蒸发能力为1 700 mm,由于2019—2020年平川灌区渔业养殖面积为90 hm2,由此计算可得灌区渔业蒸散量为22.18 mm。平川灌区的非过程性损耗主要包括土壤蒸发、自由水面蒸发、水分的土壤入渗和污染等方面。平川灌区的自由水面蒸发量主要源自调蓄水库的水面蒸发,此处计算过程中渠系蒸发按照0处理,调蓄水库总容积为283万m3,调蓄库的年度平均蓄水约为总库容的50%,平均水深约为2.5 m,蓄水时间约占全年的54%,据此测算,全年水库的自由蒸发水面面积约达566 000 m2,2019—2020年平川灌区的自由水面蒸发量约为519 588 m3,即8.47 mm;土壤蒸发损耗量经计算为331.26 mm;土壤入渗补给地下,含田间入渗以及渠系入渗的水量为276.38 mm。

1.3.3.3 流域尺度水资源账户的关键参数

流域尺度的总入境量组分参数主要包括地表引水量、降水量、地下水提取量和灌区外地表径流入境。据甘肃省水利厅发布2019—2020年水资源公报可得研究时段内张掖绿洲境内降水量约为286.0 mm19-20,即117.08亿m3;年度径流深度约为88.6 mm,年度地表水径流量约为36.260亿m3;地下水资源量24.45亿m3,重复计算量为23.05亿m3,可得水资源总量为37.66亿m3;在扣除了年度地表径流量后,能够得到未形成径流的降水量约为80.823亿m3;2019—2020年,张掖绿洲地下水的供给总量约为2.486亿m3;灌区外地表径流入境为0。

流域尺度的储量变化组分参数主要包括地表水(水库)储量变化、土壤湿度变化量和地下水储量变化,其中地表水储量变化主要参考的是张掖绿洲境内的大中型水库的储水量变化。甘肃省水利厅的统计数据资料显示,2019—2020年张掖绿洲境内的水库储量变化增加了0.194亿m3,土壤湿度变化量为0,地下水储量变化减少了0.89亿m3

流域尺度的总损耗组分参数包括过程性损耗和非过程性损耗21。其中过程性损耗主要包括地表覆被非作物及作物类蒸散、工业、生活用水及水产业蒸散,经CROPWAT软件计算可得2019—2020年张掖绿洲境内的作物蒸散量为12.445亿m3;植被、林业等非作物蒸散量为4.568亿m3;生活用水、工业耗水部分,本研究按照其总量40%的比例去估算其过程性损耗,2019—2020年张掖绿洲地区的生活用水量0.47亿m³,工业用水量0.28亿m³,进而可以得到2019—2020年张掖绿洲境内的工业、生活用水的蒸散损耗量为0.3亿m³;根据张掖绿洲地区水产业的面积及自由水面的蒸散能力进行计算可得2019—2020年张掖绿洲水产业蒸散量约为0.3521亿m³。而非过程性损耗主要包括自由水面蒸发量、土壤蒸发量和其他非过程性损耗。流域尺度的自由水面蒸发量主要源自水体本身,2019—2020年张掖绿洲境内的实际淡水水体总面积约17万hm2,在扣除水产业所用的0.43万hm2之后,实际产生的参与非过程性损耗水体面源的蒸散发总面积约为16万hm2,2019—2020年张掖绿洲的自由水体面源蒸散发量经计算约为30.36亿m³。土壤蒸发量可分为林地、草地以及其他土地蒸发量三部分进行计算,其中林地可再细分为林地和灌木林地。本研究在应用MLS方法的基础上,针对张掖绿洲境内的林地和灌木林地的土壤蒸散发数据展开了测量工作,结果表明:2019—2020年张掖绿洲地区包括林地、灌木林地等在内的林地蒸散发量约为3.30亿m³;草地蒸发量利用CROPWAT软件根据不同的分区-县草地覆被面积以及2019—2020年的降水量情况,计算得出研究时段内张掖绿洲的草场土壤蒸散发量约为13.28亿m³;由于张掖绿洲气候干燥、降雨量少,其他土地蒸散量可根据其降水量进行推算:2019—2020年其他土地的蒸散发量约为22.422亿m³。其他非过程性损耗主要考虑到了潜水的蒸散发量、入渗至含水层的水量、退化的水量等三部分。水资源公报显示,2019—2020年张掖绿洲地区潜水的蒸散发量约为0.087亿m³;入渗至含水层的水量,由于考虑到流域内各个子流域间的转换,可以按照0值处理;退化水量的处理过程中,从流域尺度层面上看,受近年来严格水资源管理政策的实施和影响,大部分表现为Ⅰ类水质、Ⅱ类水质,仅有少部分河段为Ⅲ类水质,因此2019—2020年全流域统计的退化水量可以按照0值处理。

2 结果与分析

2.1 田间尺度的水资源账户

根据试验田所得数据及具体分析,利用水量平衡原理,构建起2019—2020年田间尺度的水资源账户表(表1)。由田间尺度的水资源账户表可以看出,过程性损耗小麦为0.61、玉米为0.68、小麦+玉米带田为0.67,故非过程性损耗比例较大,占总损耗的30%左右。从净入境和总损耗的角度分析,单位产出小麦表现最低、带田次之、玉米表现最高。从实际种植情况分析,带田种植可以充分利用土壤、肥料、劳动力等生产要素,但在处于荒漠绿洲的试验田上,种植带田显然进一步加剧了水资源的紧缺程度,地下水超采的情况尤为严重,若进行大规模推广,对生态环境显然不利;玉米和小麦单独种植,则相对损耗更小。从试验数据的过程性损耗单位产出来看,种植小麦的优势显著提高,种植玉米最大,带田略低于玉米种植。综上,本研究发现不同的种植结构对于区域水资源的利用及效益不同,下一步研究将继续在田间开展相应的作物试验,为厘清区域内部作物水资源损耗的不同特征,进一步优化研究区域内的种植结构提供建议。

表1   20192020年田间尺度水资源账户表 (mm)

Table 1  Farmland scale water resources account table from 2019 to 2020

组分子组分组分参数小麦玉米小麦+玉米带田
总入境量总计1 087.371 259.611 322.57
灌溉量975.171 147.411 210.37
降水量112.20112.20112.20
域外地下水进入量000
地表径流入境量000
储量变化总计根部区土壤湿度变化量-11-11-11
净入境量总计总入境量+储量变化1 098.371 270.611 333.57
总损耗量总计1 098.371 270.611 333.57
过程性损耗作物蒸散量665.56858.98896.53
非过程性损耗土壤蒸发量214.81178.58197.11
杂草蒸发量000
侧渗及垂直渗漏量218.00233.05239.93
渗入含水层及无效区域水量000
出境量总计218.00233.05239.93
深层渗漏218.00233.05239.93
田间径流出境000
评价指标损耗比例总损耗/总入境量1.011.011.01
过程比例过程性损耗/总损耗0.610.680.67
单产/(kg·hm-2粮食总产量/种植面积8 175.0016 245.0013 984.50

新窗口打开| 下载CSV


2.2 灌区尺度的水资源账户

根据实验得到的数据及具体分析的基础上,利用水量平衡原理,构建起2019—2020年平川灌区水资源账户表(表2)。

表2   20192020年平川灌区水资源账户表 (mm)

Table 2  The composition of water resources account in Pingchuan Irrigation District from 2019 to 2020

组分子组分组分参数参数值总计
总入境量总计1 271.021 271.02
地表引水量1 098.41
降水量115.97
地下水提取量56.64
储量变化总计-16.50-16.50
地表水储量变化0.00
土壤湿度变化量-11.00
地下水储量变化-5.00
净入境量总入境+储量变化1 254.521 254.52
总损耗量总计1 127.561 127.56
过程损耗总计511.45511.45
作物蒸散量(含防护林)489.27
渔业养殖蒸散量22.18
非过程损耗总计616.11616.11
自由水面蒸发量8.47
土壤蒸发量331.26
土壤入渗补给地下水276.38
不可再用的退化水量0.00
指定用途水总计42.4842.48
河道内环境和鱼类流量需求0.00
灌区内市政和工业用水33.16
家庭生活用水、牲畜用水9.32
出境量总计277.36277.36
地表径流出境量0.00
地下径流出境量277.36
未指定用途出境量0.00
可用水量1 127.56
评价指标损耗比例(总)0.887
损耗比例(净)0.899
损耗比例(可得部分)1.000
过程比例(损耗)0.454

新窗口打开| 下载CSV


灌区尺度的水资源账户表明,2019—2020年灌区内的总损耗量约为1 127.56 mm,过程性损耗和非过程性损耗约为511.45 mm和616.11 mm,分别占总损耗的45.36%和54.64%。整个损耗占总入境水量的88.70%,剔除储量变化,则占到了整个水资源净入境量的89.9%。这表明在灌区尺度上,平川灌区目前水资源总量尚能满足灌区用水所需,但可供利用的空间仅剩10%左右。因此,从水资源未来规划的角度看,灌区层面要进一步做好顶层规划,将剩余的水资源真正用到能够适配的领域或产业中去。同时灌区尺度的水资源账户也表明:在灌区尺度的内部,不同田间、地块的水资源利用效率有所不同,这可以通过政府调控等手段来助力水资源充分使用,以及水资源在不同田间、地块的调配。

2.3 流域尺度的水资源账户

根据实验所得数据,利用水量平衡原理,构建起张掖绿洲2019—2020年水资源账户表(表3)。结果显示:2019—2020年流域内总损耗量约为87.027亿m3,其中非过程性损耗量约为69.362亿m3,占总损耗的比例为0.797,损耗比例(可用水)更是达到了0.845。同时水资源账户表也表明了流域尺度内部的水资源利用可继续改善,在包括梨园河灌区、平川灌区、板桥灌区等16个不同的灌区,可以通过水资源量在不同灌区的管控、调度进一步做好顶层设计。

表3   20192020年张掖绿洲的水资源账户 (亿m3)

Table 3  Water resources account in Zhangye Oasis from 2019 to 2020

组分子组分组分参数参数值总计
总入境量总计119.569119.569
地表引水量36.260
降水量80.823
地下水提取量2.486
灌区外地表径流入境0
储量变化总计-0.696-0.696
地表水(水库)储量变化0.194
土壤湿度变化量0
地下水储量变化-0.89
净入境量总入境+储量变化118.873118.8731
总损耗量总计87.02787.027
过程损耗总计17.66517.665
作物蒸散量12.445
植被、非作物等蒸散4.568
水产业等蒸散量0.352
生活及工业损耗0.3
湿地环境用水0
非过程损耗总计69.36269.362
自由水面蒸发量30.36
土壤蒸发量39.002
土壤入渗补给地下水0
不可再用的退化水量0
指定用途水总计15.8715.87
河道内环境和鱼类流量需求0
向下游输送的水量15.87
出境量总计15.8715.87
地表径流出境量15.87
地下径流出境量0
未指定用途出境量0
可用水量103.003
评价指标损耗比例(总)0.728
损耗比例(净)0.732
损耗比例(可用水)0.845
过程性损耗占可用水量比例0.172

新窗口打开| 下载CSV


3 讨论

3.1 田间-灌区-流域尺度水资源账户的动态联系

一般认为,开展水账户构建的域是相对封闭的,从而能够通过有效地计算其入境、出境量进而建立水账户。在本研究中,田间、灌区与流域3个尺度,都按照相对独立和封闭域的原则单独开展计算,其中田间是通过实验条件使其相对封闭;灌区是通过水库和渠系使其相对封闭;流域则通过莺落峡、正义峡两个水文站来达到封闭域。在此基础上,对照研究考察3个尺度的水资源利用与管理。

从田间尺度上看,按照数据来源标定研究区域的农民实际种植情况,开展标准化的田野试验,得到相应的试验数据来构建田间尺度的水资源账户,能够较为客观真实地反映田间的实际账户水平与事实。

从灌区尺度上看,以平川灌区为样本,开展水资源账户构建计量与分析(每个灌区都通过固定的水库和渠系连接,其出入境水量估计也相对容易)。从与田间的动态关联来看,灌区就是由不同的田间地块组成,灌区尺度水资源有进一步开发利用的空间,表明在灌区尺度的内部,在不同的田间、地块间水资源的利用可能存在相应的不均衡,因此只有根据各田间地块的水资源利用效率情况来合理调配灌区尺度上的水资源,才能逐渐实现灌区尺度上的水资源充分利用。

从流域尺度上看,从具体的与灌区的动态关联来看,张掖绿洲包括了梨园河灌区、平川灌区、板桥灌区等16个灌区。流域尺度的水资源利用有继续改善的空间,表明在流域尺度的内部,在不同的灌区间水资源的利用可能存在相应的不均衡,可以通过水资源量在不同灌区的管控、调度来进一步做好顶层设计,从而提高整个黑河中游流域的水资源利用效率。

3.2 田间-灌区-流域水资源账户间的异同及原因

各尺度上的水资源账户尽管都从入境量、储量变化、过程性损耗、非过程性损耗、出境量维度建立,但是各尺度水资源账户表中的关键参数标定上存在着较大差异,尤其田间的关键参数标定非常微观且具体,而流域的关键参数标定则相对宏观。所以从账户特点上看,田间-灌区-流域尺度水资源账户表最大的区别就是层次的递进性,即微观—中观—宏观。其次,从具体账户构成来看,田间尺度水资源账户的构成主要考虑了在农田灌溉过程中,研究区内各个田间地块种植作物的水资源消耗和利用情况;灌区尺度上,水资源的输入来源基本与田间尺度一致,主要包括了降水、地表径流和地下径流,但作为灌区而言,还应考虑到灌溉的供水来源,同时灌区输入性的水资源,不仅要提供给农田作物,还要提供给包括灌区内居民及牲畜的生活和工业生产用水等;在流域尺度上,其水资源账户组成与灌区尺度上相类似,但作为更大的一个空间域尺度,流域尺度上的水资源账户需要进一步考虑地表水(主要是蓄水设施储水量)的年度和年际间变化,此外,与灌区尺度水账户不同的是,生活、工业用水组分在流域尺度上是作为过程性损耗核算的。再者,从测算的结果上看,田间-灌区-流域的水账户损耗比例呈递减趋势,即1.01>0.887>0.728。

究其差异原因,第一,尺度不同所需要的截面数据以及数据的可得性程度不同;第二,不同尺度的用水主体或水管理主体呈现不一致性,田间、灌区、流域所涉及的主体可能分别是农户、县/乡镇政府水务管理部门(协会)和市级政府水务管理部门以及黑河流域管委会,所以具体到水资源利用及管理的对策上,不同尺度亦呈现出极大的不一致性。田间尺度,需要关注的是农民的用水行为及其种植结构的调整和田间的集约管理水平;灌区尺度则更需要关注水资源在不同地块及产业领域中的调配;流域层面则更需要在具体的用水产业、区域规划与调配等方面进行统筹安排。

4 结论

本研究依据水量平衡原理,在黑河中游流域的张掖绿洲开展试验,探索建立了2019—2020年黑河中游流域田间-灌区-流域尺度上的水资源账户。

田间-灌区-流域尺度上水资源的利用效率不同,整体上呈递减趋势。田间尺度上,小麦的过程性损耗比例为0.61、玉米为0.68、带田为0.67,即不同作物的水资源利用效率有所不同,但总体维持在60%以上;灌区尺度上,水资源的过程性损耗占总损耗的比例仅有45.36%,其中作物的蒸散发量占过程性损耗的95.66%,而非过程性损耗量相对较大,主要包括土壤蒸发和土壤入渗量,分别占非过程性损耗总量的53.77%和46.23%;流域尺度上,水资源的过程性损耗占总损耗量的比例只有20.30%,而非过程性损耗占到了79.70%,其中主要包括自由水面蒸发量和土壤蒸发量,分别占非过程性损耗的43.77%和56.23%。

田间-灌区-流域尺度上水资源的总体损耗,以及相应的损耗比例不同,整体上呈递减趋势。田间尺度上,总损耗与总入境量的比值约为1.01,表明田间尺度上的可用水量已被损耗殆尽,甚至出现入不敷出的情况,此外,田间尺度的水分损耗主要源自作物的过程性损耗,且不同作物的水分损耗比例不同,但总体上维持在0.61~0.68;灌区尺度上,总损耗与总入境量的比值约为0.887,总损耗与净入境量的比值约为0.899,说明灌区尺度上仍有10%左右的水量可供利用;在流域尺度上,总损耗与总入量的比值约为0.728,总损耗与可用水的比值约为0.845,说明流域尺度上虽然尚有10%~15%的水资源可供开发利用,但可利用空间也已在极值附近徘徊。

根据上述结论,提出以下政策建议。

田间尺度上水资源不存在进一步开发利用的空间,只能从现有的种植结构或产业布局中进行相应调整。即选择非过程性耗水量少和单产高等品种优良的作物进行种植,找寻不同作物以及不同耕作方式的优化组合,同时根据水资源账户为不同作物设计不同的田间灌溉方式,以提高种植作物单产和田间的水资源利用效率。

灌区尺度上仍有10%左右的可供利用空间,根据灌区尺度的水资源损耗情况,可以得出灌区若要提高水资源利用效率,一方面要减缓土壤蒸发以及土壤入渗量,并积极提高渠系使用效能及其利用率,另一方面要根据不同田间地块的水资源利用效率来合理调度灌区内部的水资源。

流域尺度上尚有10%~15%的水资源可供开发利用,根据流域尺度的水资源损耗情况,流域若要提高水资源利用效率,一方面要有效减少自由水面蒸发量和土壤蒸发量等非过程性损耗,另一方面要根据流域内16个灌区的水资源利用效率来对整个流域层面的水资源进行调度与分配,从而提高流域的水资源利用效率。

参考文献

姜文来冯欣栗欣如.

习近平治水理念研究

[J].中国农业资源与区划,2020414):1-10.

[本文引用: 1]

Molden D.

Accounting for Water Use and Productivity

[R].International Water Management Institute,S-WIM,Colombo,Sri Lanka1997.

[本文引用: 1]

Molden DSakthivadivel R.

Water accounting to assess use and productivity of water

[J].Water Resources Development,199915):55-71.

[本文引用: 1]

Molden DSakthivadivel RHabib Z.

Basin-level Use and Productivity of Water:Examples from South Asia

[R].International Water Management Institute (IWMI) Research Report 49,Colombo,Sri Lanka2001.

[本文引用: 1]

Peranginangin NSakthivadivel RScott N Ret al.

Water accounting for conjunctive groundwater/surface water management:case of the Singkarak-Ombilin River Basin Indonesia

[J].Journal of Hydrology,20042921):1-22.

[本文引用: 1]

Droogers PKite G.

Simulation modeling at different scales to evaluate the productivity of water

[J].Physics and Chemistry of the Earth (B),20012611/12):877-880.

[本文引用: 1]

张敏纯.

澳大利亚墨累-达令流域治理的经验与启示

[J].国外社会科学,20223):62-72.

[本文引用: 1]

周炜沁.

环境治理中的失语者:对巴西与南非两国水资源综合管理(IWRM)政策文献的述评与延伸思考

[J].经济资料译丛,20221):85-91.

[本文引用: 1]

陈东景徐中民陈仁升.

水资源账户的建立:环境经济综合核算的一个实例

[J].水科学进展,2003145):631-637.

[本文引用: 1]

简富缋宋晓谕虞文宝.

水资产负债表编制中水资源资产(价值)核算账户的建立与分析:以黑河中游张掖市为例

[J].中国沙漠,2016363):851-856.

[本文引用: 1]

龙爱华王浩程国栋.

水账户方法及其在流域水分生产率分析中的应用

[J].水利学报,2007389):1128-1134.

[本文引用: 1]

刘志仁.

最严格水资源管理制度在西北内陆河流域的践行研究

[J].西安交通大学学报(社会科学版),2013335):50-55.

[本文引用: 1]

何大明刘恒冯彦.

全球变化下跨境水资源理论与方法研究展望

[J].水科学进展,2016276):928-934.

[本文引用: 1]

王新华文俊龙爱华.

黑河中游地区水账户核算研究

[J].灌溉排水学报,2007265):100-103.

[本文引用: 1]

雷军程新平薛春.

黑河流域中游北部荒漠区植物群落特征与稳定性

[J].中国沙漠,2024446):187-194.

[本文引用: 1]

冯起张艳武司建华.

土壤植被大气模式中水分和能量传输研究进展

[J].中国沙漠,2009291):143-150.

[本文引用: 1]

Allen R GPereira L SRaes Det al.

Crop Evapotranspiration:Guidelines for Computing Crop Water Requirements

[R].FAOFAO Irrigation and Drainage Paper56,Rome1998.

[本文引用: 1]

武翠芳柳雪斌邓晓红.

张掖市甘州区农业水资源利用效率分析

[J].冰川冻土,2015375):1333-1342.

[本文引用: 1]

2019年张掖市水资源公报

[R].张掖2019.

[本文引用: 1]

2020年张掖市水资源公报

[R].张掖2020.

[本文引用: 1]

田伟李新程国栋.

基于地下水陆面过程耦合模型的黑河干流中游耗水分析

[J].冰川冻土,2012343):668-679.

[本文引用: 1]

/