Influence mechanism and ecological effect of water saving irrigation on water balance in the Yellow River irrigation area of Ningxia
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摘要:研究目的
宁夏引黄灌区是中国重要的粮食生产基地之一，自实施节水灌溉以来，渠系衬砌、田间节水等节水工程影响了区域水平衡状况，研究节水灌溉对水平衡的影响机制及其生态效应对于区域水资源优化管理具有重要意义。
研究方法通过构建宁夏引黄灌区“水-土-气-生”多元化数据库，运用秩相关分析和Spearman相关分析方法，研究了2000—2020年宁夏引黄灌区的水平衡要素演变趋势、水平衡演化机制及其生态效应。
研究结果宁夏引黄灌区社会经济发展主要依赖过境黄河水，节水灌溉后水循环通量显著减少，2000—2020年农业用水量减少21.38×108 m3，引黄水量减少19.52×108 m3，排水量减少19.11×108 m3；节水灌溉是水平衡演化的主要驱动因子，农业用水量减少直接导致引黄水量与地表水体补给地下水资源量减少（P < 0.01）；节水灌溉后地表水体补给地下水量减少8.68×108 m3，地下水资源量减少8.89×108 m3，地下水位普遍下降，盐渍化程度有所减轻，但改变了湖泊和地下水的水力联系，导致生态需水量增加。
结论节水灌溉后农业用水效率得到提高，水循环通量显著减少，地下水位下降对生态环境造成一定影响，建议以生态安全为底线进一步优化节水方案，相关研究成果为区域自然资源管理及生态保护修复提供支撑。
创新点：（1）基于水文循环要素的长时间序列资料，运用多种统计学方法，分析了节水灌溉后水平衡要素的演变趋势，厘清了节水灌溉对水平衡演化的驱动机制；（2）以节水灌溉后地下水位埋深下降为主线，分析节水灌溉对生态环境的多重影响，为区域水资源优化管理提供借鉴。
Abstract:This paper is the result of hydrogeological survey engineering.
ObjectivesThe Yellow River irrigation area of Ningxia is one of the important grain production bases in China. Since the implementation of water-saving irrigation, projects such as canal lining and field water-saving have affected the regional water balance. It is of great significance to study the influence mechanism and ecological effect of water-saving irrigation on water balance for the optimal management of regional water resources.
MethodsBy constructing the water-soil-gas-generation diversified database of the Yellow River irrigation area of Ningxia, adopting rank correlation analysis and Spearman correlation analysis methods, the evolution trend of water balance elements, water balance evolution mechanism and ecological effect of the Yellow River irrigation area of Ningxia from 2000 to 2020 were studied.
ResultsThe economic development of the Yellow River irrigation area of Ningxia mainly depends on the Yellow River water. Since the implementation of water-saving irrigation, the water circulation flux decreased significantly. From 2000 to 2020, the amount of agricultural water intake, water diversion and water discharge decreased by 21.38×108 m3, 19.52×108 m3 and 19.11×108 m3, respectively. Water-saving irrigation is the main driving factor of water balance evolution, and the decrease of agricultural water intake directly leads to the decrease of the amount of water diversion and groundwater recharged by surface water (P < 0.01). After the implementation of water-saving irrigation, the amount of groundwater recharged by surface water decreased by 8.68×108 m3, and the amount of groundwater resources decreased by 8.89×108 m3. The groundwater table decreased, and the degree of salinization reduced. In addition, the decline of the groundwater table changed hydraulic connection between lakes and groundwater, resulting in an increase in ecological water demand.
ConclusionsAfter the implementation of water-saving irrigation, the utilization efficiency of agricultural water has been improved, water circulation flux has been significantly reduced, and the decline of groundwater table has affected the ecological environment. It is suggested to further optimize the water-saving scheme based on ecological security. Relevant research results provide support for regional natural resource management and ecological protection and restoration.
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1. 引言
宁夏引黄灌区位于黄河上游干旱区，包括银川平原和卫宁平原，在2000多年的引黄灌溉过程中形成了以人工植被为主体的绿洲生态系统。引黄灌区年均降水量不足200 mm，自产地表水资源匮乏，区域社会经济发展主要依赖引用过境黄河水，形成了独特的水资源取-用-耗-排格局，是中国重要的粮食生产基地。近年来，黄河来水持续偏枯，社会经济发展水资源刚性需求量不断增大，缺水导致水资源供需失衡。水问题是制约宁夏经济社会发展的根本所在，1997年黄河断流达226 d，为历时最长断流，为有效缓解水资源需求与供给之间的矛盾，宁夏引黄灌区开始实行节水灌溉，采用了渠系衬砌、田间节水等多种节水措施后，区域引黄水量大幅减少（张金萍等，2010）。
引黄灌区是维系区域生产生活的重要场所，但这些地区往往毗邻荒漠，生态环境极为脆弱。引黄河水除了满足灌区日常生产、生活所需以外，还兼具调节盐分、维持自然生态平衡的作用（韩双宝等，2021）。虽然宁夏引黄灌区自产地表水资源匮乏，但受引黄灌溉入渗补给的地下水资源相对丰富，是地表生态环境演变的主控因子之一，地下水位埋深过浅时容易引起次生盐渍化、地下水位埋深过深时容易引起植被退化（刘圣等，2014；Liu et al., 2016；徐英等，2019；王晓玮等，2020）。随着节水灌溉工程地推进，主要受田间灌溉补给的地下水资源减少，地下水位埋深下降，对地表生态环境产生一定影响。因此，引黄水量减少不但对水平衡产生显著影响，还进一步影响了区域生态格局（Chen et al., 2021；Song et al., 2021）。探究节水灌溉对宁夏引黄灌区水平衡的影响机制及其生态效应对于区域水资源优化管理具有重要意义。
目前，国内外大多数研究都集中在天然状态下的流域水平衡方面（张腾等，2016；Beran et al., 2019；Imran and Mostafa, 2019；Prǎvǎlie et al., 2019；甘月云等，2019），尤其是气候变化对干旱区水量平衡的影响（Zhong et al., 2016），主要采用的方法有统计分析与模型模拟等。然而以往研究较少关注人类活动对水平衡的影响（Beran et al., 2019；Prǎvǎlie et al., 2019；宋博等，2021）。宁夏引黄灌区是一个受人类活动干扰强烈的地区，其水平衡要素演变及水平衡机制与天然状态有别，它受到人类活动和天然环境的双重影响，属于典型的自然-社会二元水循环系统，节水灌溉不但对区域水平衡产生显著影响，还影响了生态环境格局。开展以节水灌溉为背景的干旱区水平衡演化机制研究对水资源管理及生态保护修复具有重要意义。
本文以黄河流域宁夏引黄灌区为研究区，以大型节水灌溉工程建设为背景，获取了“水-土-气- 生”多元化数据库，结合多种统计学方法，根据水文循环要素的长时间序列资料，从历史演进的角度着手，分析节水灌溉后水平衡要素的演变趋势，厘清水平衡要素演变的驱动机制，探究水平衡演变引发的生态效应，为区域水资源优化管理提供借鉴。
2. 研究区概况
宁夏引黄灌区（地理坐标105°1′24′′E~106°52′ 23′′E，37°26′32′′N~39°12′20′′N）位于宁夏回族自治区的北部，沿着黄河两岸呈“J”形分布，总面积达6573 km2（孙玉芳，2019）（图 1）。以青铜峡水利枢纽分界，北部为青铜峡灌区，南部为卫宁灌区。引黄灌区由黄河冲积形成，具有土壤深厚、地势平坦的特点，利于进行自流灌溉。黄河年均过境水量达到300×108 m3，具有良好的光、热、水、土配置，为发展灌溉农业提供了极其有利的条件。宁夏引黄灌区位于中温带干旱区，多年平均降水量不足200 mm，蒸发量高达1000 mm以上，自产水资源贫乏，社会经济发展主要依赖过境黄河水。悠久的灌溉历史推动农业发展的同时，也因排水不畅抬升地下水位加剧盐渍化，制约了引黄灌区的农业发展。近年来，节水工程推进导致引黄水量减少，对区域水循环及生态环境产生一定影响，节水灌溉对水平衡的影响机制及其生态效应成为国内外学者关注的热点问题之一。
3. 研究方法与数据来源
3.1 研究方法
3.1.1 引黄灌区自然-社会二元水循环水平衡方程构建
水平衡包括输入量和输出量两个重要部分，对闭合流域来讲，输入量为降水量，输出量为腾发量，两者差值为径流量与蓄变量。然而宁夏引黄灌区不是闭合流域，引黄灌区水循环系统为由天然水循环和以作物灌溉为目标的“取水-引水-用水-排水”水分运动过程共同构成的自然-人工复合型的陆面二元水循环系统（岳勇等，2008）。该区域降水量较少，引用黄河水为主要水源，外加微量山前侧渗补给，经生产、生活、生态等腾发后通过排水渠进入黄河。在参考相关文献（阮本清等，2008；张金萍等，2010；张亮，2010；翟家齐等，2016）的基础上，构建宁夏引黄灌区自然-人工二元水平衡方程如下：
(1) 其中，P为降水量，D为引水量，M为山前侧渗补给量，E为腾发量，F为排水量，△R为蓄变量。
3.1.2 Spearman秩相关分析
一个水平衡要素会随着时间推移表现出一定趋势性，Spearman秩相关检验法主要是通过分析水文要素与时序的相关性而检验该水文要素演化是否具有趋势性。为判断节水灌溉后水平衡要素演变是否具有一定趋势，对其开展了Spearman秩相关分析，具体公式（朱红兵和卢纹岱，2011）：
(2) 其中，r为秩相关系数，n为序列长度，Ri为水文序列的秩，Si为时间序列的秩。
3.1.3 Pearson相关分析
当两个变量x和y均服从或者近似服从正态分布的时候，两个连续变量间的线性相关性用Pearson相关系数来衡量。为了阐释水平衡演化机制，首先需厘清各个水平衡要素间的相关关系，因此开展了Pearson相关分析，计算公式（朱红兵和卢纹岱，2011）为：
(3) 其中，xi与yi分别是变量x与y的第i个观测值；x与y分别是变量x与y的平均值。由以上公式，Sxy的范围介于-1至1之间，当Sxy >0时，则称为正相关，反之则称为负相关，其绝对值越大则表明变量x与y的线性相关程度越高。
3.1.4 相关分析检验
由于变量x、y来自某个总体的样本值，据此得到的相关系数，只是总体相关系数的估计值，所以，从同一个总体抽取的不同样本会得到不同的相关系数，即相关系数间存在变异性。因此，须对相关系数进行检验。设定检验的原假设H0为总体样本中两个变量的相关系数为0，用来进行检验的统计量为：
(4) 其中，r是样本的相关系数，n是样本的观测量。在原假设下，如果观测的显著性水平P < 0.05，则拒绝原假设，认为两个变量之间存在显著相关性，否则不能拒绝原假设，即认为两个变量之间不存在相关性。
3.2 数据来源
水资源数据来自《宁夏水资源公报》（宁夏回族自治区水利厅，2000—2020），下垫面数据来自GlobeLand30(http://www.globallandcover.com/)，经济数据来自《宁夏统计年鉴》（宁夏回族自治区统计局，2000—2020），地下水位埋深数据来自项目组2020年地下水统测数据。
4. 结果与分析
4.1 水平衡要素及其变化
宁夏引黄灌区多年平均降水量不足200 mm，年际间波动较大。2000—2020年宁夏引黄灌区年均降水量为184.05 mm（折合资源量为12.10×108 m3），相较于1956—2000年多年平均值178.50 mm增长5.55 mm。此外，宁夏引黄灌区降水量年际间波动较大，如2012年降水量为265 mm，是2005年的3倍有余。Spearman的秩相关分析结果表明2000—2020年区域降水量未呈现显著的变化趋势（P>0.05）（表 1）。
表 1 宁夏引黄灌区水平衡要素的Spearman相关系数Table 1. Spearman correlation coefficients of water balance elements in the Yellow River irrigation area of Ningxia
黄河引水是维持灌区农业发展的命脉，随着节水灌溉的稳步推进，近年来黄河引水量呈现下降趋势。黄河引水经过先增后减两个阶段：受1997年黄河断流超过200 d的影响，灌区开始逐步推进节水灌溉，2000年引水量为78.30×108 m3，至2020年引水量已不足60×108 m3，其中2003年引水量仅为55.69×108 m3，主要与2003年为枯水年有关。Spearman的秩相关分析结果表明区域引水量随时间呈现显著下降趋势（P < 0.01）（表 1）。
本文将腾发量分为两个部分：①自然腾发量（未进入社会水循环系统中的水资源腾发量），即降水量除下渗补给含水层、转化为地表径流外的量；②社会腾发量（进入社会水循环系统中的水资源腾发量），主要分为四部分：农业腾发量（耕地、林地、园地、鱼塘补水、牲畜用水等产生的腾发量）、生活腾发量（城镇和农村居民生活用水及公共用水产生的腾发量）、工业腾发量（工矿企业用于制造、加工、冷却、净化等方面的用水产生的腾发量）、其他腾发量（人为供给河湖、湿地补水等所产生的腾发量）（宁夏回族自治区水利厅，2000—2020）。2000— 2020年宁夏引黄灌区由降水产生的年均自然腾发量为9.79×108 m3；年均社会腾发量为33.94×108 m3，其中农业腾发量占比高达93.87%。2000—2020年年均社会腾发量总体较为稳定，但其结构发生转变：随着节水灌溉推进，农业腾发量呈下降趋势；随着产业结构的调整，城镇生活腾发量呈现增加趋势。Spearman的秩相关分析结果表明社会腾发量呈现显著的下降趋势（P < 0.05），其中农业腾发量下降趋势更为显著（P < 0.01）（表 1，图 2）。
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图 2 宁夏引黄灌区社会腾发量变化Figure 2. Changes in social evapotranspiration in the Yellow River irrigation area of Ningxia宁夏引黄灌区排水量主要受引水量的影响，约占引水量的一半左右。2000—2020年年均排水量为32.27×108 m3，随着引水量的减少，排水量由2000年的43.90×108 m3下降为2020年的24.79×108 m3。由于节水灌溉后农业用水效率提升，排水量占引水量的比例逐渐下降，由2000年的56.03%下降为2020年的42.13%。Spearman的秩相关分析结果表明区域排水量呈现显著的下降趋势（P < 0.01），但其秩相关系数低于引水量（表 1）。
4.2 水平衡演变趋势
降水和引黄河水为区域主要的水资源输入量，蒸散和排泄为灌区主要的水资源输出量，据此构建宁夏引黄灌区水平衡模型，2000—2020年宁夏引黄灌区多年平均降水量仅为12.10×108 m3，引黄水量是区域主要的水源，高达64.44×108 m3，排水量为32.27×108 m3，其他则以腾发形式消失，其中自然腾发量为9.79×108 m3，社会腾发量为33.94×108 m3，蓄变量为0.54×108 m3。2000—2020年区域水循环通量呈现下降趋势，引水量减少24.91%，农业腾发量减少15.08%，排水量减少43.53%，表明随着节水灌溉的实施，农业水资源利用效率得到显著提高（表 2）。
表 2 宁夏引黄灌区水平衡要素变化Table 2. Changes in water balance elements in the Yellow River irrigation area of Ningxia
4.3 水平衡要素演变的驱动机制
4.3.1 气候变化
由于宁夏引黄灌区2000—2020年温度变化较小，而降水量年际间变幅较大，因此以降水量衡量气候变化对水平衡要素演变的驱动机制。Pearson相关分析结果表明降水量与农业腾发量间相关系数为-0.53（P < 0.05），表明两者呈中等负相关关系，即当降水量较多时，农业腾发量较少；降水量与引水量的Pearson相关系数为-0.31，但该系数未通过显著性检验，表明两者无显著相关性（图 3）。由以上不难看出，降水量虽然对区域水平衡产生一定影响，但是其影响程度较小。
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图 3 降水量、引水量与社会腾发量变化Figure 3. Changes in the amount of precipitation, water diversion and social evapotranspiration4.3.2 人类活动
人类活动主要通过改变下垫面格局及实施节水灌溉工程等影响区域水平衡：2000—2020年宁夏引黄灌区下垫面变化显著（图 4），其中建设用地和河湖湿地面积显著增加，建设用地面积增加了437.07 km2，增长率高达112.39%，主要来源于耕地（表 3）。由于硬化的地面入渗能力削弱，地下水接受降水入渗补给的能力降低，2000年降雨入渗补给系数为0.08，至2020年时则降为0.05（图 5）。此外，人工造湖、鱼塘养殖等促使湿地和水体面积快速增长，2000—2020年引黄灌区湿地面积由10.67 km2增长至41.29 km2，水体面积由292.13 km2增长至332.10 km2，均主要来源于耕地；湿地和水体面积增长致使生态需水量增加。近10年来，引黄水量表现出减小趋势，生态用水量急剧增加与引黄量减少叠加，水资源分配捉襟见肘，加剧地区用水矛盾。
表 3 2000—2020年土地利用转移矩阵Table 3. Land-use transfer matrix from 2000 to 2020
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图 5 引水量、农业用水量和地表水体补给地下水量变化Figure 5. Changes in the amount of water diversion, agricultural water intake, and groundwater recharged by surface water人类活动主要从用水结构和用水效率两个方面影响区域水平衡。一方面，随着经济社会发展和科学技术水平提升，区域用水结构有所调整。2000—2020年引黄灌区第一产业比重下降，第二、第三产业比重上升，工业制造水平的提升使得万元工业增加值用水量呈现显著下降趋势，工业用水量从2000年的2.82×108 m3降为2020年的1.65×108 m3。同时随着第三产业比重的提升，生活用水量从2001年的0.83×108 m3增长至2020年的2.75×108 m3。
近年来宁夏不断改善灌溉设施条件，采取小畦灌溉、水稻节水、激光平地等多种措施推进节水灌溉，对区域水平衡产生显著影响。节水灌溉是影响农业用水量的主要因子，因此以农业用水量表征节水灌溉对水平衡的影响。Pearson相关分析结果表明农业用水量和引水量之间的相关程度较高（S=0.99，P < 0.01）（图 5，图 6），表明随着农业用水量下降，引黄水量下降，区域水循环通量减少。此外，地表水体补给占地下水总补给量的90%以上，农业用水量下降后，地表水体补给地下水资源量减少（S=0.87，P < 0.01），地下水资源量大幅降低（图 6）。以上表明节水灌溉是影响区域水平衡的主控因子，节水灌溉后地下水资源量减少，地下水位下降，地下水是区域地表生态演变的主控因子之一，地下水对地表生态环境造成一定影响。
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图 6 宁夏引黄灌区水平衡演变机制Figure 6. Water balance evolution mechanism in the Yellow River irrigation area of Ningxia5. 讨论
节水灌溉显著减少了宁夏引黄灌区水循环通量，对区域水平衡和生态环境造成了一定影响。节水灌溉后，农业用水效率提高，农业用水量减少，地表水体（渠系、田间灌溉入渗）补给地下水资源量减少。引黄灌区地下水除了接受大气降水补给和少量山前洪水侧渗补给外，地表水体补给占补给总量的90%以上，Pearson相关分析表明两者间高度相关（S=0.99，P < 0.01），2000—2020年地表水体补给地下水量减少了8.68×108 m3，地下水资源量减少了8.89×108 m3，地下水位普遍下降1~2 m，大部分区域地下水位埋深由小于2 m增大到2~4 m（靳晓辉等，2021）。地下水是干旱区地表生态演变的主控因子之一，地下水位下降对区域生态环境产生多重影响（图 6）（Zhang and Wang, 2020）。
首先，在干旱区地下水位与盐渍化分布密切相关。由于宁夏引黄灌区气候干旱，土壤蒸发作用强烈（Liu et al., 2016），潜水蒸发是地下水排泄的主要方式之一，地下水在向上运移时也带来了溶解在地下水中的盐分。因降水稀少，很难将这些盐分通过下渗淋滤作用带回地下水，造成盐分不断在土壤浅表层积累形成盐渍化，成为影响农业生产的最大障碍（徐英等，2019；Zhang et al., 2022b）。地下水位埋深越浅，区域盐渍化程度越严重。近20年来，引黄灌区地下水位埋深普遍由小于2 m增大至2~4 m，减少了潜水蒸发向地表携带的盐分积累，区域盐渍化程度减轻，重度盐渍化转轻，无盐渍化面积增加，内蒙古河套灌区在推进节水灌溉后盐渍化程度同样有所减轻（翟家齐等，2016；郭姝姝，2018；孙玉芳，2019）。
同时，由于干旱区降水稀少，植被主要依靠根系吸收地下毛细水，地下水位埋深同样控制着干旱区植被的分布格局，当地下水位埋深过大时，毛细水带能够提供给植被根系的水分较少，天然植被发生退化，为周围沙漠的扩张创造了条件（刘圣等，2014；Jin et al., 2021；Wang et al., 2021）。Zhang et al.（2022a）基于多种生态指标构建模型确定内蒙古引黄灌区最适宜地下水位为1.87 m；金晓媚等（2009）通过地下水位模拟和植被覆盖率的对应关系研究得出银川平原最适宜天然植被生长的水位埋深是3.0 m左右，水位埋深大于4.0 m时地下水对植被补给能力变弱，不利于植被生长，大于8.0 m时天然植被无法生长。当前区域地下水位埋深虽尚未处于生态灾变水位以下，但进一步下降后可能导致植被退化。
此外，地下水位下降改变了湖泊和地下水间的水力联系，部分湖泊与地下水形成脱节或半脱节状态，湖泊由天然地下水补给向人工输水补给转变，甚至逆转成为地下水的补给源（黄小琴等，2019；罗杰，2020；Fan et al., 2022）（图 7）。当前河湖湿地水量平衡和生态健康主要依靠人工补水维系，2020年生态补水量达到3.20×108 m3。因此，建议以生态环境底线约束为前提，统筹考虑节水效益与生态安全的关系，进一步优化区域水资源管理方案。
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图 7 湿地地表水-地下水交互模式简图（据罗杰，2020修改）Figure 7. The interaction model between surface water and groundwater in wetland (modified from Luo Jie, 2020)6. 结论
本文综合运用多种统计学方法，分析了节水灌溉后宁夏引黄灌区水平衡要素的演变规律，探究了水平衡要素演变的驱动机制，分析了水平衡要素演变对生态环境的影响，主要得到以下结论：
（1）宁夏引黄灌区自产水资源量少，主要依靠过境黄河水维持经济社会发展。节水灌溉后区域水循环通量减少，通过渠系衬砌、田间节水等措施提升农业用水效率、减少农业用水量，引黄水量、排水量随之减少。农业用水量减少后，主要受灌溉补给的地下水资源量随之减少。
（2）宁夏引黄灌区水平衡主要受气候变化和人类活动的影响，其中降水量主要影响农业腾发量，建设用地面积增长主要影响降雨入渗补给量，科技发展、经济结构转变主要影响工业和生活用水量。由于灌区农业用水占比超过85%，节水灌溉后农业用水量下降成为影响灌区水平衡演化的主要因子。
（3）引黄水量减少后，主要受灌溉入渗补给的地下水资源量减少，地下水位埋深增加。地下水位埋深增加后潜水蒸发量减少，盐渍化程度减轻，但同时导致了湖水和地下水脱节等问题，水位埋深进一步下降将可能引发植被退化，因此，建议以生态安全为底线，统筹考虑水资源的经济效益和生态效益，进一步优化节水方案。
注释：
❶宁夏回族自治区水利厅. 2000—2020. 宁夏水资源公报[R]. 银川: 宁夏回族自治区水利厅.
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图 2 宁夏引黄灌区社会腾发量变化
Figure 2. Changes in social evapotranspiration in the Yellow River irrigation area of Ningxia
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图 3 降水量、引水量与社会腾发量变化
Figure 3. Changes in the amount of precipitation, water diversion and social evapotranspiration
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图 5 引水量、农业用水量和地表水体补给地下水量变化
Figure 5. Changes in the amount of water diversion, agricultural water intake, and groundwater recharged by surface water
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图 6 宁夏引黄灌区水平衡演变机制
Figure 6. Water balance evolution mechanism in the Yellow River irrigation area of Ningxia
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图 7 湿地地表水-地下水交互模式简图（据罗杰，2020修改）
Figure 7. The interaction model between surface water and groundwater in wetland (modified from Luo Jie, 2020)
表 1 宁夏引黄灌区水平衡要素的Spearman相关系数
Table 1 Spearman correlation coefficients of water balance elements in the Yellow River irrigation area of Ningxia
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表 2 宁夏引黄灌区水平衡要素变化
Table 2 Changes in water balance elements in the Yellow River irrigation area of Ningxia
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