農田灌溉退水水量及水質平衡模型分析

□ 劉洪飛 □ 王 偉 □ 魏 歡

（1河南省水利勘測設計研究有限公司;2鄭州市水利建筑勘測設計院）

1 基本原理和方法

根據(jù)水量平衡原理和營養(yǎng)物質質量守恒定律，考慮作物生長過程中農田水循環(huán)和氮、磷循環(huán)特征，建立農田灌溉退水水量水質模型，模型從水量和營養(yǎng)物質量兩方面分析和預測農田灌溉退水的營養(yǎng)物質濃度變化，定量地評價灌溉退水對水質的影響。模型主要包括水量平衡模型和營養(yǎng)物質平衡模型2個部分。在水量平衡模型中，蒸散發(fā)作為一個重要影響因素，采用蒸散發(fā)模型進行估算。營養(yǎng)物質平衡模型具有統(tǒng)一形式，能夠適用于灌區(qū)各類營養(yǎng)物質的轉化和輸移。

1.1 水量平衡模型

式中:△V—農田時段蓄水量增量，m3；QI—時段平均灌溉流量，m3/s；Q0—時段平均退水流量，m3/s；Ph—時段降雨強度,mm/s；E—時段蒸發(fā)強度，mm/s；S—灌區(qū)灌溉面積，km2；L—時段平均下滲量，m3/s。其中:，E=kpE0—時段水面蒸發(fā)強度,mm/s，kp—折算系數(shù)，與地表植被類型有關的常數(shù)。

1.2 營養(yǎng)物質模型

式中:ΔCp—灌區(qū)營養(yǎng)物質濃度的增量,mg/L；V—時段蓄水量,m3；CI—灌區(qū)入流營養(yǎng)物質濃度,mg/L；C0—灌區(qū)出流營養(yǎng)物質濃度,mg/L；RP—降雨水質營養(yǎng)物質濃度,mg/L；F—為使用化肥或肥料對營養(yǎng)物質濃度貢獻量；GP—單位面積作物生長吸收營養(yǎng)物質的總量，t/s；其中:F=kcs，kc—化肥施用系數(shù)，t/（km2.s）；，GP=GfPer,Gf—時段糧食產量，t/s，Per—糧食中營養(yǎng)物質含量，%。上述其他符號同水量平衡模型。

2 實例分析

2.1 灌區(qū)基本情況

2.1.1 地理位置及范圍

灌區(qū)位于河南省舞陽縣東北部的澧河南岸，屬淮河流域，涉及舞陽縣的舞泉鎮(zhèn)、文峰鄉(xiāng)、吳城鎮(zhèn)及九街鄉(xiāng)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。灌區(qū)南起舞陽縣城及漯舞鐵路，北抵澧河，西至許泌公路，東抵舞陽縣界，東西長約19.70km，南北寬約8.50km，項目區(qū)總面積168.60km2，灌溉面積 1.16萬 hm2。

2.1.2 地形地貌

灌區(qū)位于伏牛山東麓山前坡洪積崗地向沖積平原過渡區(qū)，海拔高程在72.00～85.89m之間，地面起伏變化較大，地勢自西南向東北傾斜，地面自然平均坡降約為1/3000。

2.1.3 土壤、植被

灌區(qū)地表土層成土母質主要為第四系全新統(tǒng)沖積物及第三系上更新統(tǒng)坡洪積物，土壤以黃棕色沙壤土為主，分布在澧河兩側，其間還有黑土及粘土零星分布，土壤肥沃，富含氮、磷、鉀及有機物。

2.1.4 河流水系

灌區(qū)河流主要有澧河及其支流唐河，屬于淮河流域。澧河是淮河流域沙穎河右岸的一條支流，全長145km，河道平均比降約1/2500，流域面積2787km2。河道下游沿途主要匯入支流有唐河。唐河河道全長35km，河道平均比降1/3000，流域面積258km2。

2.1.5 灌溉工程布局

灌區(qū)利用在澧河上修建節(jié)制閘調節(jié)水量后引、提水，然后在通過澧唐干渠和文吳干渠向灌區(qū)供水，設計引水流量分別為3.50，3.80m3/s。兩干渠末端分別布置退水閘，灌區(qū)退水全部匯入澧河。

2.2 灌區(qū)退水系統(tǒng)

灌區(qū)灌溉年設計引水量為4042.60萬m3，采用節(jié)水型灌溉方式，灌溉回歸水量有限。本工程共布置3座退水閘，其中澧唐干渠1座，文吳干渠2座，渠道退水入唐河后再流入澧河。具體見圖1。

圖1 灌區(qū)退水系統(tǒng)組成圖

2.3 模型計算

2.3.1 水量平衡計算

灌區(qū)灌溉面積1.16萬hm2，選擇一個灌溉周期作為計算時段，農田蓄水量得凈增量取0，降雨采用舞陽站實測資料。水量損失及退水流量計算結果見表1。

表1 項目區(qū)灌溉退水流量計算表

2.3.2 氮、磷濃度計算

根據(jù)農田灌溉入流氮磷量（采用澧河水質監(jiān)測成果）、化肥中氮的使用量、植物吸收氮磷量計算農田氮、磷的總量，然后結合水量平衡計算結果得到灌溉退水中氮、磷的濃度。灌區(qū)以小麥、玉米及煙葉為主要作物，其對氮、磷吸收量通過灌區(qū)糧食產量和作物氮、磷含量來估算。農田化肥投入中總氮和總磷投入系數(shù)根據(jù)實際社會經(jīng)濟資料進行估算。各種作物氮、磷含量見表2，農田化肥投入中總氮和總磷投入系數(shù)見表3，根據(jù)營養(yǎng)物質模型計算的農田灌溉退水中氮、磷濃度成果見表4。

表2 主要作物氮、磷含量表 （單位:%）

表3 農田kc取值單位:10-8t/（hm2.a）

2.4 模型驗證

根據(jù)灌區(qū)運行后退水排入河道水質的監(jiān)測資料，按照平水期情況對磷濃度的計算結果進行驗證。結果見表5。從驗證結果來看，相對誤差絕對值小于10%，基本達到模型精度要求，這說明采用農田灌溉退水水量水質平衡模型預測灌溉退水營養(yǎng)物質濃度是可行的，可以作為灌區(qū)水資源論證中分析灌溉退水對河道水質影響的一種方法和手段。

表4 農田灌溉退水中氮、磷濃度成果表（單位:mg/L）

表5 河南某灌區(qū)農田灌溉退水磷濃度驗證表 單位:mg/L

3 結語

本文系統(tǒng)的對灌溉退水水量及水質進行了分析闡述，并結合實例，采用灌溉退水水量及水質模型對河南省某灌區(qū)退水水量及水質進行了分析研究。該模型計算簡便，結果合理，具有很強的可操作性，可以被應用于灌區(qū)水資源論證等實際工作中，模擬結果灌區(qū)水資源論證提供了科學依據(jù)，對灌區(qū)水資源論證分析具有很重要的意義。

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