宁蒙河套引黄灌区节水与生态安全十点认识与判断
Ten understandings and judgments on water and ecological safety in the Ningxia-Inner Mongolia Hetao Yellow River irrigation district
赵勇¹，翟家齐¹，张鹏程 ¹，² ，刘宽¹，³，董义阳¹，⁴，王彦兵⁵， 汪勇¹，杨志⁶，徐阳⁷
（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，100038，北京；2.宁夏大学，750021，银川；3.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，300072，天津；4.中国长江三峡集团有限公司，101199，北京；5.宁夏回族自治区水利调度中心，750002，银川；6.宁夏回族自治区水利科学研究院，750021，银川；7.内蒙古自治区水利科学研究院，010051，呼和浩特）
摘要：宁蒙河套引黄灌区是我国西北地区重要的生态安全屏障，也是区域绿色屏障建设和高质量发展的核心区，由于降水稀少，引黄水一直是支撑灌区经济社会发展和生态安全的“生命之水”。对宁蒙河套引黄灌区的用水量、灌溉用水效率、生态演变、地下水变化、地下水埋深阈值、秋浇冬灌、水稻种植规模、水盐平衡、节水潜力等方面进行分析，提出：过去20多年，宁蒙河套引黄灌区是农业用水水平提升幅度最大的区域之一，用水效率评价需综合考虑区域干旱缺水条件以及引黄灌溉的生态功能；持续高强度节水大幅度降低了引黄取水量，区域地下水补给量同步降低，导致地下水水位呈现大面积、持续性下降，深刻影响灌区生态安全，湖泊湿地水循环已经由自然补给转变为以人工补给为主，自然植被生态向人工生态转变趋势显著，研究认为维持生态健康的地下水平均适宜埋深为2.5~3.0m；灌区地表盐渍化整体呈减轻趋势，但仍处于持续积盐状态；秋浇冬灌定额存在一定优化空间，但不可高估其节水潜力；水稻种植兼具经济与生态功效，大规模压减及适宜种植规模仍需结合实际情况综合论证；考虑经济技术可行和生态健康，宁夏引黄灌区、内蒙古河套引黄灌区的耗水节水潜力分别为0.6亿m³、2.2亿m³，再进一步节水会对灌区生态产生显著影响。提出“四水四定”原则下宁蒙河套引黄灌区深度节水路径与节水管控行动策略。
关键词：宁蒙河套引黄灌区；用水效率；地下水；生态安全；节水潜力
作者简介： 赵勇，正高级工程师，主要从事水循环演变、水资源高效利用与国家水网研究。
通信作者：翟家齐，正高级工程师，研究方向为水循环模拟、水资源演变预测、农业节水潜力评估等，E-mail：jiaqizhai@163.com
基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFC3200200）；国家杰出青年科学基金项目（52025093）；国家自然科学基金项目（51979284）；中国工 程院咨询项目“黄河几字弯区水-土-经济高质量协同发展战略研究”（2024-XBZD-11）、“内蒙古农牧交错带保护修复与高质量发展战略研究”（2023NMZA-01）；内蒙古自治区水利科技项目（NSK202406）。
宁蒙河套引黄灌区包括宁夏引黄灌区和内蒙古河套引黄灌区，始建于秦汉时期，距今已有2000多年历史。2022年宁蒙河套引黄灌区有效灌溉面积约1800万亩（1亩=1/15hm²，下同）。作为特大型地表水灌区，其农业用水量占黄河流域地表供水量的23%以上，亩均灌溉用水量为黄河流域平均值的1.76倍；由于非作物生长期大范围秋浇冬灌，亩均灌溉用水量通常大于200m³；干旱区存在大面积水稻种植，2018年之前宁夏引黄灌区水稻种植面积长期维持在120万亩规模。这些现象和数据经常用来说明和表征宁蒙河套引黄灌区用水效率低、存在水资源浪费问题。
如何看待这些现象，如何应对这些问题？研究团队成员自2003年参与国家科技攻关计划西部开发重大项目“宁夏经济生态系统水资源合理配置研究”以来，在国家重点研发计划项目、中国工程院重大咨询项目、国家自然科学基金、南水北调西线前期专项、区域重大咨询项目等支持下，持续20年开展宁蒙河套引黄灌区水资源高效利用研究。基于此，围绕宁蒙河套引黄灌区农业用水效率、节水潜力、灌区水循环规律、节水与生态关系、生态地下水水位阈值、生态系统健康状态等方面，梳理十点认识和判断，以期为新时期宁蒙河套引黄灌区以水定城、以水定地、以水定人、以水定产贯彻落实，以及黄河流域生态保护和高质量发展提供决策参考。
宁蒙河套引黄灌区农业灌溉用水效率
宁蒙河套引黄灌区农业灌溉用水效率指标显著低于黄河流域平均水平，这是区域干旱条件决定的。 对不同降水地区灌溉用水效率指标直接进行比较往往忽视了区域降水条件差异。 2022年宁蒙河套引黄灌区有效灌溉面积1800万亩，取用黄河水量85.3亿m³，占黄河流域地表供水总量的23.5%，是黄河流域最大的用水户。 其中，宁夏引黄灌区亩均灌溉用水量661m³，灌溉水利用系数0.541； 内蒙古河套引黄灌区亩均灌溉用水量443m³，灌溉水利用系数0.457。 从全国及黄河流域综合来看，宁蒙河套引黄灌区灌溉水利用系数在黄河流域9省份中处于较低水平，亩均灌溉用水量也明显高于全国平均值及黄河流域其他省份。
但是从用水效率提升幅度来看，宁蒙河套引黄灌区灌溉用水效率是提升最快的地区之一。 自20世纪末以来，国家大规模推动节水型社会建设，宁夏青铜峡灌区实施了全国第一个大型灌区续建配套与节水改造工程，开展省级节水型社会示范区建设，大规模实施农业与工业水权转换，同时宁蒙河套引黄灌区灌排基础设施得到显著改善，农业用水效率大幅提升，亩均灌溉用水量呈持续快速下降趋势。与1998年相比，2022年宁夏引黄灌区引水量由83.3亿m³减少到42.7亿m³，下降了48.7%；亩均灌溉用水量由1522m³下降到661m³，下降了56.6%；灌溉水利用系数由0.38提升到0.541，提升了42.4%。内蒙古河套引黄灌区引水量由52.8亿m³减少到42.6亿m³，下降了19.3%；亩均灌溉用水量由695m³下降到443m³，减少了36.3%；灌溉水利用系数从0.30提升到0.457，提升了52.3%。
从降水条件来看，宁蒙河套引黄灌区多年平均年降水量仅有180~200mm，属于典型的干旱区，有水一片绿、无水满目黄。引黄水既是经济社会发展的主要依赖，也维系并决定着灌溉绿洲生态系统基本格局。以宁夏引黄灌区为例，除耕地外，现状林草地面积约占绿洲总面积的32%，湖泊湿地占6%，地下水埋深总体维持在2~3m，形成了“塞上江南”的生态系统和生存空间，引黄灌溉在保障农业生产之外，还维持着灌溉绿洲生态系统。
不同区域可以利用的有效降雨存在很大差异，直接影响灌溉用水量的多少。 宁蒙河套引黄灌区亩均灌溉用水量明显高于全国平均水平，但该区域有效降水少、蒸发能力大，需要补充的灌溉用水量必然高于湿润地区，如果算上有效降雨量，其用水效率全国排名均有显著提升。因此，本文认为干旱区不宜直接和湿润、半湿润区进行亩均灌溉用水量比较，要充分考虑自然地理与气候水文条件的差异性。
▲ 宁蒙河套引黄灌区与其他地区2022年亩均水资源利用量比较
宁蒙河套引黄灌区地下水水位变化趋势
持续25年高强度节水，宁蒙河套引黄灌区取水量大幅减少，地下水补给量也同步降低，导致地下水水位呈现大面积、持续性下降，局部地区甚至出现大范围地下水漏斗，必须警惕和遏制这一趋势继续发展。 宁蒙河套引黄灌区1998年引黄水量为136.1亿m³，2022年引黄水量降至85.3亿m³，减少了50.8亿m³，降幅达37.3%。灌溉用水量的持续减少以及灌溉用水效率的不断提升，使得灌区地下水补给总量及单位面积补给量同步持续减少，成为灌区地下水水位持续下降的主要原因。
根据宁夏水资源公报及地下水水位长期监测资料，1998年宁夏引黄灌区地下水平均埋深为1.63m，2022年地下水平均埋深增至2.65m，较1998年增加1.02m。其中，青铜峡灌区银南河西片平均埋深达到3.12m；地下水埋深大于2m的面积快速增加，2022年青铜峡灌区地下水埋深大于2m的区域占58%；银川市和石嘴山市大武口城区已经发展成为地下水漏斗区，其中石嘴山地下水超采区2022年地下水平均埋深达18.29m。对地下水补排平衡研究发现，宁夏引黄灌区近20年来地下水开采量没有明显增加，主要是引黄水量减少，地下水补给量持续减少，导致地下水水位持续下降。其中，灌溉期渠系渗漏减少是灌区地下水埋深增大的第一驱动要素。
▲ 1998—2022年青铜峡灌区及河套灌区地下水平均埋深变化
内蒙古河套灌区地下水埋深呈持续增大的趋势。根据内蒙古巴彦淖尔市水资源公报及河套灌区地下水监测数据，2022年河套灌区地下水平均埋深为2.68m，较1990—1998年平均埋深增大1.0m。受灌区支、斗、农、毛渠系硬化衬砌影响，渠道渗漏水量锐减，全灌区枯水期地下水平均埋深达到3.09m。其中乌兰布和灌域枯水期地下水埋深达4.35m，乌拉特灌域、永济灌域枯水期地下水埋深分别达3.26m、3.13m。叠加地下水局部超采影响，灌区目前已形成多个地下水超采漏斗，漏斗中心年末最大埋深达57.26m，且仍在进一步发展，亟须遏制地下水水位持续性下降的趋势。
地下水水位持续下降对绿洲生态的影响
持续下降的地下水水位已经给灌溉绿洲带来各种显性和隐性的影响。灌区河湖湿地由自然补给转变为以人工补水为主，同时也给绿洲植被生态带来深刻影响。干旱区灌溉绿洲地下水还担负着极其重要的生态功能，是自然植被生长和湖泊自然补给的重要水源，这一功能由于隐藏于地下，且产生生态效应的时间较长，往往被忽视。受地下水水位下降和灌溉退排水减少影响，宁夏引黄灌区湖泊湿地自然补给能力明显减弱，越来越依赖于人工生态补水。根据宁夏水资源公报，2022年宁夏引黄灌区河湖湿地人工生态补水量3.42亿m³，占湖泊湿地耗水量的80%以上，星海湖、沙湖、阅海等典型湖泊湿地均依赖持续的人工补水维持，而在2003年之前几乎不需要人工直接补水。内蒙古河套灌区的乌梁素海也面临类似情况，2022年人工生态补水量5.17亿m³，约为2008年补水量的近10倍。人工生态补水的快速增加反映了灌溉绿洲自然维持能力的衰减，这与地下水水位下降息息相关。
▲2003—2022年宁夏引黄灌区及内蒙古河套灌区乌梁素海人工生态补水量变化
地下水水位的持续下降还给灌区自然植被生态带来显著影响。在干旱地区，地下水通过土壤毛管作用上升到达植被根系层，这些水分被植被根系吸收利用，从而维持乔木、灌木和草本等各类植物生长发育需求。当地下水埋深超出植被根系可利用范围，将直接导致相应植被群落的退化或消亡。因此，地下水水位一直是干旱区绿洲生态系统健康平衡的关键因子和决定性因素，其变化直接影响干旱区植被的生长发育、覆盖度、年龄结构、种群构成与演替、生物多样性等生态系统特征，对于维持绿洲健康稳定具有重要意义。
宁夏引黄灌区杨树、柳树连续液流蒸腾及土壤含水量变化原位观测试验发现，深层土壤水对杨树蒸腾的水分贡献率达15.3%~41.4%，对柳树蒸腾的水分贡献率达53.9%。相关文献与试验研究结论基本一致，普遍认为2m以下土壤水和地下水对杨树蒸腾贡献率为10%~50%。由于地下水水位持续下降，植被地下水利用受到影响，人工绿化灌溉补水量必然增加，否则植被生态格局会发生演替。近30年遥感解译显示，宁夏引黄灌区城乡工矿居民用地面积增加93.6%，耕地面积增加15.1%，林地面积增加7.3%，而草地面积减少39.4%、未利用土地面积减少25.7%，自然生态系统向人工生态系统转变趋势显著。类似现象在内蒙古河套灌区同样存在，地下水水位持续下降造成杨树生长受到影响，出现成片杨树梢头枯萎的现象。
维持生态健康的地下水埋深阈值
地下水埋深是决定宁蒙河套引黄灌溉绿洲生态健康的关键指示性指标，陆面植被、河湖湿地、土壤盐渍化是表征干旱灌溉绿洲生态健康的三大主要判别指标，而地下水是影响三大指标的关键因素。 干旱区降水稀少，地下水水位直接影响植被所能吸收利用的水量，进而影响植被群落生长质量与空间分布，并与湖泊湿地水面面积及其稳定性密切相关，同时还是控制土壤盐渍化程度的最直接因素，埋深过小将直接导致严重的土壤盐渍化问题。
围绕宁蒙河套引黄灌区陆面植被适宜地下水埋深阈值确定，研究选取了具有代表性的灌木、乔木、草地等植被，考虑植株-群落-绿洲不同尺度效应，建立基于植被根系吸水深度和潜水影响层厚度的植被地下水生态水位阈值计算方法。在植株尺度，以毛白杨为例开展系统试验，发现其水分主要通过深层根系补给，约57%的蒸腾耗水来自0.9m以下土层，4~10年生毛白杨平均根深1.5~3.0m，潜水影响层厚度1.0~1.5m，确定适宜地下水埋深阈值为2.5~4.5m。在群落尺度，调查了引黄灌区8种乔木、8类灌丛、21种草甸湿地植被群落，建立了基于植被多维度与地下水水位关系的高斯模型，确定了白刺灌丛、柽柳灌丛、芦苇草甸等不同植被群落根系深度及地下水最佳水位、维持水位和红线水位，提出群落尺度的植被生态地下水埋深阈值区间为2.5~3.0m。在绿洲尺度，基于典型植被分布、群落调查及文献调研分析，提出维持健康的引黄灌区生态地下水埋深阈值整体应控制在2.5~3.0m。
围绕干旱区灌溉绿洲浅水湖泊湿地健康稳定地下水埋深阈值确定，开展了宁夏引黄灌区34个大型湖泊湿地水平衡变化遥感分析和实地调查。在现状水平衡分析基础上，研究提出以全年地下水补给湖泊水量百分比、枯水季地下水水位、湖泊湿地植被生态地下水水位阈值作为保障湖泊湿地健康的控制性指标，确保丰水季地下水水位高于湖泊底部高程，自然补给湖泊水量占比大于30%，维持湖泊周边地下水埋深适宜控制在1.8~2.5m。
围绕宁蒙河套引黄灌区土壤水盐平衡地下水埋深阈值确定，研究提出基于潜水影响层厚度的土壤盐渍化临界埋深阈值计算经验公式，建立临界埋深与土壤有效粒径、土壤空隙度之间的作用关系及计算方法，并根据宁夏引黄灌区占比最大的灌淤土、灰钙土、风沙土进行模拟分析，提出控制盐渍化发展的地下水埋深应不低于1.5~1.8m。根据试验观测及调查分析，当地下水埋深小于1.5~1.8m时，一般表现为中度或重度盐渍化；埋深大于1.8~2.4m时，一般表现为非盐渍化或者轻盐渍化状态；埋深大于2.4m时，多表现为非盐渍化状态。综合考虑理论分析、试验观测与调查结果，研究提出宁蒙河套引黄灌区盐渍化调控的关键是3—4月地下水埋深，将其控制在1.8~2.4m能够基本维持水盐平衡。
综合考虑各项关键指标影响，按照优先保障生态短板的原则，研究提出以土壤水盐平衡作为分区埋深调控下限值，以维持植被和湖泊生态健康作为分区地下水埋深阈值上限值。考虑不同生态埋深阈值多功能重叠作用，提出宁蒙河套灌溉绿洲地下水适宜埋深阈值为2.5~3.0m，在空间上结合具体情况确定临界埋深阈值范围，以此作为地下水水位管控的科学依据。
近30年来，随着用水效率提升、引黄灌溉水量减少，宁蒙河套引黄灌区的地下水水位持续大面积下降，现状地下水埋深越来越接近生态地下水水位临界阈值，以宁夏青铜峡灌区为例，灌区地下水埋深上边界值一般出现在灌溉期的7—8月或冬灌期（此处选择具有代表性的8月进行分析），埋深下边界值一般出现在非灌溉期的2月左右。1998年以来，地下水埋深下边界值（2月埋深）在2013年达到2.51m，首次进入临界埋深阈值范围，并于2019年首次超过临界埋深阈值下限3.0m。地下水埋深上边界值（8月埋深）在2019年达到2.54m，首次进入临界埋深阈值范围，此后有所恢复。整体来看，地下水水位已接近临界埋深阈值，实施面向灌溉绿洲生态健康的水资源调控越来越重要和紧迫。
▲ 1998—2022年青铜峡灌区灌溉期与非灌溉期地下水埋深变化
考虑生态功效的引黄灌溉用水效率
宁蒙引黄灌区年均降水量不足200mm，引黄灌溉造就了自然水系与人工引排水渠系交织的绿洲水网，支撑着农业生产和绿洲生态格局。若考虑灌溉产生的生态服务功能，引黄灌区用水效率将显著提升。以宁夏引黄灌区为例，农田系统耗水量的74.7%依赖于人工灌溉补给，河湖湿地耗水量的73.7%也来自人工引水补给，而灌区林地耗水量的39.2%、草地耗水量的21%来自引黄灌溉水量的间接补给。如果认为河湖湿地及林草地耗水是生态系统的有效耗水，则意味着引黄灌溉水量对生态系统耗水的贡献率达到39.8%，是维持生态系统健康不可或缺的重要水源。
在灌溉用水效率传统计算方法基础上，将灌溉维持生态系统服务功能所消耗的水量也作为灌溉水的有效利用量，研究提出考虑灌溉生态效益的用水效率评价方法，将灌区林地、草地、河湖湿地蒸散消耗的灌溉水量定义为生态系统的有效利用量。按此定义及评价方法，进行宁夏引黄灌区灌溉用水效率评价，结果显示，考虑生态效益后的灌溉用水效率指标值平均提高了0.065，提升幅度达14.6%。其中，2022年宁夏引黄灌区灌溉水利用系数达到0.632，较现状评价的0.541提高0.09，提升幅度达16.7%。若将宁夏引黄灌区计算结果推算至宁夏全区，则2022年宁夏全区灌溉水利用系数达0.640，显著高于传统效率测算结果0.570，也高于全国平均水平，与普遍存在的宁夏用水效率偏低的认识截然不同。
▲宁夏引黄灌区考虑生态效益前后的灌溉用水效率比较
宁蒙河套引黄灌区土壤盐渍化及其长期累积效应
水分与盐分是干旱区灌溉农业的两个重要主题。土壤次生盐渍化是干旱、半干旱地区普遍存在的一种土地退化现象。一般情况下，如果地下水水位高、排水不畅，盐分就会逐渐在土壤表层累积，造成土壤次生盐渍化。根据遥感监测与实地调研统计，宁蒙河套引黄灌区的土壤盐渍化处于整体显著改善、局部仍较严重的状态，土壤盐渍化问题仍然不容忽视。
1990—2023年遥感卫星数据反演表明，宁蒙河套灌区地表盐渍化程度在时空尺度上均呈现显著下降趋势，其中宁夏引黄灌区下降程度略高于内蒙古河套灌区。宁夏引黄灌区2023年整体地表盐分指数较1990年下降了20.3%，空间上分别有88.4%和8.0%的土地面积地表盐分指数呈明显改善和轻微改善，仅1.9%的土地面积地表盐分指数呈增加趋势。内蒙古河套灌区与宁夏引黄灌区表现出一致的情况，2023年整体地表盐分指数较1990年下降了13.7%，空间上分别有68.3%和17.7%的土地面积地表盐分指数呈明显改善和轻微改善，仅6.4%的土地面积地表盐分指数呈增加趋势。
▲宁蒙河套引黄灌区地表盐分指数变化及分类统计
然而，地表盐渍化状态与灌区盐分累积状态是两个不同层面的问题，前者受气象条件、灌溉淋溶、潜水蒸发和植被等多重因素的影响，年际（年内）变异性极强，体现在土壤垂向剖面盐分的迁移过程，而后者更容易受地形、引排水量、地下水水位等条件的控制，更新速度较慢，体现在灌区土壤和地下水整体盐分的变化过程。宁蒙河套引黄灌区大规模节水导致浅层地下水埋深增加，潜水蒸发动力减弱，大规模灌溉将表层盐分淋洗至土壤深部或地下水，表层土壤盐渍化程度降低，这从遥感数据可以说明。但另一方面，由于部分地区地下水水位已下降至排水沟沟底高程以下，排水沟排水和排盐功能减弱，长期来看将导致盐分在土壤深部和地下水中累积，造成灌区总体积盐。宁蒙河套引黄灌区水盐均衡分析发现，2021年宁夏引黄灌区灌溉输入盐分171.9万t，排水沟排盐量141.5万t，灌区盐分累积30.4万t，盐分排引比为0.82。内蒙古河套引黄灌区2010—2019年平均输入盐量233.5万t/a，平均排盐量141.8万t/a，盐分排引比为0.61。宁蒙河套引黄灌区总体仍处于积盐状态。
因此，宁蒙河套引黄灌区土壤表层盐渍化程度虽呈减轻趋势，但并不意味着灌区处于脱盐状态，灌区局部仍较严重，灌区总体仍处于持续积盐状态。随着深度节水大规模实施和地下水水位持续下降，灌区盐分长期累积是否会造成累积效应亟须开展深入研究。
宁蒙河套引黄灌区秋浇冬灌问题
秋浇冬灌具有洗盐、保墒、补水、杀虫等综合效益，但是是否必要对非作物生长期进行大规模秋浇冬灌存在争议，仍然需要深入研究验证，目前研究认为不可高估秋浇冬灌的节水潜力。
现状宁夏引黄灌区冬灌水量约9亿~10亿m³，内蒙古河套引黄灌区秋浇水量约16亿m³，分别占全年引黄水量的17%和35%。由于秋浇冬灌时间一般在非作物生长期，灌溉形成大面积田间浅水面，有观点认为这种灌溉方式是对水资源的极大浪费，建议取消秋浇和冬灌。本文认为，需要从科学、客观的角度去认识和评价，重点厘清如下两方面问题。
1.秋浇冬灌对灌区生产、生态的作用
宁蒙河套引黄灌区秋浇冬灌制度已有上千年的历史，是千百年来灌区农业生产经验的总结。采用这一灌溉方式对灌区作物生长、维持生态健康有积极贡献。秋浇冬灌制度在我国华北、西北等广大区域普遍存在并沿用至今，说明秋浇冬灌的历史经验是具有普遍实际价值的，对于保障北方地区农业生产与粮食安全具有重要意义。近年来，随着宁蒙河套引黄灌区地下水水位持续下降，通过秋浇冬灌可有效恢复地下水水位。地下水监测显示，秋浇冬灌短期可促使灌区地下水水位回升0.7m，且随着埋深越大回升效果越明显，可保障次年植被返青及主要作物播种前（4—5月）地下水埋深维持在健康水位范围内。
2.秋浇冬灌的合理定额及耗水量
宁蒙河套引黄灌区秋浇冬灌的定额问题一直是关注的热点及争论的焦点，现状宁夏引黄灌区的秋浇定额约为166m³/亩，河套引黄灌区的冬灌定额约为250m³/亩，普遍认为具有较大的节水潜力。影响秋浇冬灌定额的因素很多，作物类型、土壤性质及地下水埋深等因素均密切相关。
通过模拟分析宁夏引黄灌区不同冬灌水量下水循环规律发现，冬灌引水减少的主要效应是降低了排水量，其占引水减小量的87%；当冬灌定额大于175m³/亩，通过减小冬灌定额获得的耗水减小量十分有限，仅占引水减小量的8.8%；当冬灌定额小于120m³/亩，减小冬灌定额获得的耗水减小量占比才逐步提升。
在内蒙古河套引黄灌区，通过不同作物的秋浇对比试验发现，秋浇在土壤盐分淋洗等方面具有显著作用。当秋浇定额不低于100m³/亩时，表层土壤的脱盐率可达32%。而秋浇定额低于80m³/亩时，次年土壤表层就会出现“返盐”现象。此外，对不同地下水矿化度和埋深条件下的秋浇定额对比分析发现，矿化度越高、地下水埋深越浅，所需秋浇水量通常越大。地下水矿化度每升高1.0g/L，秋浇水量需要增加47m³/亩；地下水埋深每增大0.1m，秋浇水量可减少16m³/亩。综合来看，秋浇冬灌既关乎农业生产，还与灌区生态健康及河湖生态平衡息息相关，亟须加强试验调查和模拟研究，全面考虑作物增产需求、用水成本、来水情况、生态效应等方面影响，科学确定秋浇冬灌的必要性及其适宜定额，在大规模实施节水灌溉的同时保持合理的秋浇冬灌制度，维持农田作物根层盐分平衡，支撑灌区水资源高效利用和高质量发展。
宁夏引黄灌区水稻种植规模及生态效应
水稻耗水量大，对于其是否适宜在干旱区大规模种植有不同的认识。水稻种植对于宁夏引黄灌溉绿洲的发展与稳定具有重要作用，其生态功能多样且特殊，如果只考虑单一节水目标，的确需要大规模压减水稻。但水稻规模与分布对于调节区域水系统补排关系、维持地下水依赖型生态系统格局具有重要作用，应多方面综合论证。
因光热条件好、引水灌溉便利，宁夏引黄灌区水稻种植已有1400多年的历史，是我国优质稻米的生产区之一。新中国成立初期，宁夏水稻种植面积为31万亩。随着灌区的开发建设，水稻种植区域逐步由南向北延伸，在地势低洼、湖泊湿地密布、土壤盐碱突出的灌区北部较为集中。2005年之后，宁夏引黄灌区水稻种植规模持续稳定在118万亩左右，2012年达到最高127万亩，2020年以后快速减少，到2022年仅剩44万亩。
干旱少雨缺水与水稻高灌溉定额、高耗水形成鲜明对比。反对宁夏大规模种植水稻的声音持续存在，认为水稻种植不符合宁夏基本水情，主张大幅度降低水稻种植规模。而赞同水稻种植的观点则认为：宁夏的水稻主要种植在地势低洼、地下水埋深浅的区域，这些地方土壤盐渍化较为严重，其他作物难以正常生长，通过种植水稻，可以有效淋洗土壤盐分，是改良盐碱地的有效措施之一；水稻田还兼具湿地的生态功能，能够调节局地小气候，维持地下水补排平衡，保障低洼地区河湖及植被生态系统健康持续，不宜大规模压减水稻种植面积，提倡综合考虑自然地理、水资源、地下水、生态保护以及水稻种植历史、农民增产增收等多种因素，合理确定水稻种植规模及分布。
围绕这一问题，研究团队基于自主研发的分布式水循环模型（WACM），模拟分析不同水稻种植规模对灌区引耗排、地下水水位等关键要素变化影响。结果显示：将基准年（122万亩）水稻全部替换为玉米的情景下（极限压减情景），宁夏引黄灌区年引水量将减少11.64亿m³，排水量减少7.58亿m³，耗水量减少3.54亿m³，农田灌溉水利用系数提高10.6%，水稻压减对于宁夏引黄灌区节水效果显著。同时，极限压减情景下，水稻种植区地下水水位将下降0.2~1.2m，7月地下水水位下降幅度最大。
▲宁夏引黄灌区水稻极限压减情景下不同月份地下水水位变化预测
水稻极限压减情景下，地下水水位下降，对地下水依赖型生态系统将产生影响。宁夏引黄灌区盐渍化主要分布在银北地区，这与银北地区处于灌区下游、水力坡度小（1/10000~1/6000）、地势低洼、地下水埋深浅有关。北部盐渍化地区现状平均地下水埋深为1.34m，当水稻全部压减后，北部盐渍化地区平均地下水埋深增加至1.61m，总体地下水水位下降幅度达0.2～1.0m。对于盐渍化地区，地下水水位下降，短期内有利于盐渍化的防治。但湖泊湿地主要分布在银川市和石嘴山市地下水埋深较浅的区域，现状湖泊湿地区域年平均地下水埋深为2.80m，80%的湖泊湿地由人工补给（引黄水）维持。当水稻全部压减后，湖泊湿地区域年平均地下水埋深将增加至2.92m，湖泊湿地与地下水水势梯度进一步增大，水面萎缩，水文连通性减弱，湖泊湿地景观破碎度加剧。如果地下水水位进一步下降，所有湖泊湿地都将演变成人工补给型，无法自然维持稳定的湖泊湿地格局。同时，地下水水位下降至2.5m以下时，其对灌丛和草本植物生长的补给作用显著减弱，这些植物仅依靠降水将难以维系，面临退化甚至消失的风险。同样，对湿生植物、水生植物等高度、密度及群落状态也将带来不利影响。
因此，大规模水稻压减后将会带来正、负两方面的效应：对减少取水、耗水起到有利影响，灌区灌溉水利用系数提高，对地下水埋深较浅的易盐渍化区域有缓解作用；但随着大规模水稻压减，区域地下水补排关系将发生改变，地下水水位显著下降，排水减少，地下水更新能力减弱，湖泊湿地将由潜水补给型演变为人工补给型。地下水依赖型的生态格局将随之受到影响。
宁蒙河套引黄灌区农业节水潜力
干旱区农业节水是有极限的。 为了评估宁蒙河套引黄灌区节水是否达到了极限，采用自主研发的灌溉绿洲分布式水循环模拟模型，以健康地下水水位阈值为约束，综合模拟评估现状水平年宁夏引黄灌区、内蒙古河套引黄灌区维持经济技术可行和生态健康的取水节水潜力、耗水节水潜力。
宁蒙河套引黄灌区千百年来已形成自然与人工交错的复杂引排水体系，七级引水渠系和排水沟道构成灌区水分循环转化的脉络，加速了地表水与地下水的交互转化，促进自然生态与人工生态的交融共生。因此，研究节水问题必须基于灌区水循环过程及生态演化规律，分析不同节水措施产生的水量变化、转化关系及生态效应，从系统思维来看待节水的利与弊，兼顾节水措施的经济成本与生态影响，这也是打破传统就节水论节水的关键。
科学评估干旱区灌溉绿洲的节水潜力涉及两个关键问题，一是确定灌溉绿洲节水潜力的控制性依据，二是科学描述灌溉绿洲水循环转化过程及其与节水响应的关系。针对第一个问题，从干旱区灌溉绿洲水系统基本特征出发，抓住农业节水直接影响地下水动态变化并间接影响绿洲生态系统这些关键点，提出合理的地下水埋深是评判灌溉绿洲农业节水潜力的关键因素。针对第二个问题，根据宁蒙河套引黄灌区特点，研究提出刻画灌溉绿洲典型特征的引排水耗散-汇合结构，实现了地表水-土壤水-地下水一体化模拟，解决了灌区地表水与地下水频繁交互的数学模拟问题，研发推出了一套完整的绿洲分布式水循环模型。将宁蒙河套引黄灌区按照不同的功能划分为引水灌域、排水域和网格单元，并建立不同单元的空间拓扑关系，经过蒸发、排水、地下水等多环节、多过程、多要素的率定及验证，定量模拟不同水资源开发利用措施伴生的生态水文效应，精准评估不同生态健康目标下的节水潜力。
在宁夏引黄灌区，通过模拟各项节水措施实施情境下的水循环过程，以平均2.5~3.0m适宜地下水埋深阈值为约束，考虑灌区引排水特征、粮食安全、用水习惯、节水经验、节水投资等因素，多情景综合评估认为：在2017年水平年，年均引黄水量50.83亿m³情景下，整个灌区耗水量为45.59亿m³，其中引黄耗水量23.98亿m³。在此基础上，同时实施银川都市圈供水工程、渠系水利用系数达到0.63、高效节水灌溉面积率控制在40%、水稻种植面积控制在100万亩等措施，则取水节水潜力可达到5.40亿m³，对应的耗水节水潜力为1.40亿m³，耗水节水占取水节水的25.9%，因此在开展节水工作时需要综合考虑取水节水与耗水节水关系，不能简单地将取水节水量等同于真实节水。近年，宁夏引黄灌区引黄水量进一步减少，2022年引黄水量减至44.5亿m³，与此同时，灌区水稻种植面积大幅度缩减至44.1万亩，年内水位最高的8月地下水埋深也持续增加至2.25m。在此背景条件下，综合评估认为现状节水潜力已经十分有限，取水节水潜力约为2.2亿m³，耗水节水潜力约0.6亿m³。
采用同样的方法，模拟评估不同情景下内蒙古河套引黄灌区的节水潜力及生态影响：在现状引黄水量42.4亿m³条件下，基于现有技术条件，实施适宜的种植结构调整、渠道衬砌防渗、田间高效节水灌溉以及灌溉制度优化等节水措施，考虑对农田和自然生态造成的影响，地下水埋深维持在适宜地下水埋深阈值内，且资金投入适中，经济上也较为合理，最大程度挖掘节水潜力，综合评估认为河套灌区的取水节水潜力约为2.8亿m³，耗水节水潜力约为2.2亿m³。
宁蒙河套引黄灌区深度节水路径与行动策略
宁蒙河套引黄灌区既有有利的引黄条件，也有独特的自然地理情况，要因地制宜提升用水效率，维护生态安全，全面贯彻落实“四水四定”原则，实施深度节水，制定切实可行的发展路径，促进高质量发展。研究提出宁蒙河套引黄灌区深度节水的四条路径、六大行动策略。
1.深度节水四条路径
一是坚持生态保护优先，实现科学节水。 严控灌溉节水对湖泊湿地、植被健康的影响，以生态安全管控为约束，合理划定绿洲区功能空间，确定灌溉面积发展上限，科学布局节水措施。
二是切实推进结构调整，追求效益节水。 推进规模化种植和种植结构适水性调整，形成区位特色突出的现代农业产业体系，降低高耗水产品出口规模，实施虚拟水战略，实现高质量发展。
三是持续强化工程措施，完善效率节水。 完善农业节水工程体系，逐步由渠系衬砌转向以田间节水为重点，发展喷灌、微灌等适宜高效节水灌溉工程，提升灌溉效率。
四是提升节水监管能力，落实精准节水。 强化灌区计量监控与精细化管理能力，以问题为导向，分片施策，逐步建设智慧灌区，实施科学监测、科学灌溉、科学计量，落实精准管理。
2.节水管控六大行动
一是面向耗水控制的灌溉面积红线管控行动。 基于灌区耗水总量控制及生态健康状态，灌溉面积控制在适宜规模以内。以最严格水资源管理制度为约束，严格落实农业水权分配，除移民搬迁外，不再新增农业灌溉水权。探索以产出效益为导向的水资源配置路径，在保障现有农业水权条件下，新增节水量优先配置于高效益、高附加值产业。
二是面向生态健康的地下水水位红线管控行动。 根据自然植被、河湖湿地、盐碱状态及城市分布，划定灌区适宜地下水水位上限与下限；加强地下水水位综合管控，合理规划地下水开采量及空间布局；强化地下水监管，加密布设地下水水位监测井，建设地下水水位自动监测站网及预警预报系统。
三是以结构调整为路径的灌溉效益提升行动。 推进集约化、规模化、专业化发展，促进产加销一体化经营；建立与水资源条件相适应的种植结构，控制高耗水作物的种植面积；压缩露天人工鱼池养殖规模，发展优质粮食和草畜、蔬菜、枸杞、葡萄、葵花等特色优势产业，形成适水的现代农业产业体系。
四是以工程节水为支撑的灌溉效率提升行动。 持续推进渠系和田间节水改造，提升灌区干支渠渠道砌护率，同时保障存量渠道的运行维护，因地制宜合理布局高效节水灌溉改造工程，特别对于膜下滴灌等高效节水灌溉技术应进行充分的试验论证，避免大规模集中连片布置造成生态问题，适度提升高效节灌率。
五是以政府和市场结合的集约节水管理行动。 探索第三方节水服务和村级农业灌溉管理权拍卖模式，创新农业节水社会化服务机制；探索灌区内、行业间、用水户间，甚至省域间等多种形式的水权交易；推进农业水价改革，创新有利于节水的农业水价形成机制。
六是面向精细化管理的智慧灌区建设行动。 依托现有信息化平台系统，基于智慧水利核心框架，完善灌区测控、水量调度、工程管理等业务功能，构建基础设施层、数据层、平台层、业务应用层、公共服务层、用户层以及标准规范和保障体系，通过“一张图”和统一门户实现灌区智慧高效管理与服务。
Abstract: The Ningxia-Inner Mongolia Hetao Yellow River irrigation district is a critical ecological security barrier in Northwest China and a core region for green barrier construction and high-quality development. Due to limited rainfall, water diverted from the Yellow River has long been the “lifeline” supporting the economic and social development and ecological security of the area. This study analyzes aspects such as water usage, irrigation efficiency, ecological evolution, groundwater changes, groundwater depth thresholds, autumn and winter irrigation, rice cultivation scale, water-salt balance, and water-saving potential, presenting the following insights: Over the past two decades, the Ningxia-Inner Mongolia Hetao Yellow River irrigation district has been one of the regions with the largest improvements in agricultural water use efficiency. Evaluations of water use efficiency should comprehensively consider regional drought and water scarcity conditions as well as the ecological functions of Yellow River irrigation. Continuous high-intensity water-saving measures have significantly reduced water diversion from the Yellow River, simultaneously decreasing groundwater recharge, leading to widespread and persistent groundwater level declines, which profoundly impact the area’s ecological security. Lakes and wetlands have shifted from natural replenishment to predominantly artificial replenishment, and natural vegetation is increasingly transitioning to artificial ecosystems. The study suggests that an average groundwater depth of 2.5 to 3.0 meters is optimal for maintaining ecological health. Although soil salinization in the area shows a general trend of alleviation, it remains in a state of continuous salt accumulation. There is room for optimizing autumn and winter irrigation quotas, though the water-saving potential should not be overestimated. Rice cultivation offers both economic and ecological benefits, but the scale of rice reduction and optimal planting areas require comprehensive evaluation based on practical conditions. Considering economic and technical feasibility and ecological health, the water-saving potential is estimated to be 60 million m³ in the Ningxia Yellow River irrigation district and 220 million m³ in the Inner Mongolia Hetao Yellow River irrigation district. Further water-saving measures would significantly impact the ecology of the irrigation district. This study proposes in-depth water-saving pathways and management strategies under the “defining city, land, population, and production by water” principle, providing a reference for the high-quality development of the Ningxia-Inner Mongolia Hetao Yellow River irrigation district.
Keywords: Ningxia-Inner Mongolia Hetao Yellow River irrigation district; water use efficiency; groundwater; ecological security; water-saving potential
本文引用格式：
赵勇，翟家齐，张鹏程，等.宁蒙河套引黄灌区节水与生态安全十点认识与判断[J].中国水利，2024（23）：26-35.
封面供图｜ 宁夏回族自治区水利厅
责编｜ 吕彩霞
校对｜ 熊璠
审核｜王慧
监制｜ 轩玮
热门跟贴