基于高效節(jié)水灌溉的水資源供需平衡分析

劉增進(jìn), 張彩玲, 黃艷, 張關(guān)超

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.許昌市水務(wù)局,河南 許昌 461000)

基于高效節(jié)水灌溉的水資源供需平衡分析

劉增進(jìn)1, 張彩玲1, 黃艷2, 張關(guān)超1

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045; 2.許昌市水務(wù)局,河南 許昌 461000)

長(zhǎng)葛市古橋鄉(xiāng)是個(gè)農(nóng)業(yè)大鄉(xiāng),農(nóng)業(yè)灌溉條件比較落后,農(nóng)田灌溉用水量較大,水資源供需矛盾較突出。根據(jù)古橋鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)灌溉及水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀,針對(duì)小型農(nóng)田水利工程建設(shè)項(xiàng)目,進(jìn)行了該區(qū)域的水資源供需平衡分析,提出了小型農(nóng)田水利工程項(xiàng)目的建設(shè)任務(wù)。高效節(jié)水灌溉方案的實(shí)施緩解了該區(qū)水資源供需矛盾,為水資源高效利用以及合理配置提供了有利條件。

供需平衡;高效節(jié)水灌溉;水利用系數(shù);灌溉設(shè)施;灌溉管理

近年來(lái)，我國(guó)水資源供需矛盾日益突出。有關(guān)數(shù)據(jù)表明,我國(guó)每年缺水城市高達(dá)400多座,每年國(guó)家工業(yè)產(chǎn)值因缺水造成的損失達(dá)2 300億元[1]。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者[2-4]對(duì)水資源供需問(wèn)題進(jìn)行了探索和研究,并取得了一定的研究成果。如范英英等[5]以北京市為例,指出提高水資源利用效率的前提是提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率;劉紅英等[6]采用二次水資源供需平衡分析,探討了解決榆林市水資源供需矛盾的工程措施。

本文從長(zhǎng)葛市古橋鄉(xiāng)的水資源供需現(xiàn)狀出發(fā),通過(guò)對(duì)古橋鄉(xiāng)水資源的供需平衡分析,論證了在古橋鄉(xiāng)實(shí)施高效節(jié)水灌溉試點(diǎn)的可行性,以期為大范圍高效節(jié)水灌溉的實(shí)施提供依據(jù)和指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

古橋鄉(xiāng)位于河南省長(zhǎng)葛市東部,距市區(qū)24 km。轄郭莊、崗李、傘李、郭梅等22個(gè)行政村28個(gè)自然村?？偼恋孛娣e34.08 km2,耕地面積23.60 km2,古橋鄉(xiāng)總?cè)丝?.16萬(wàn)人,其中農(nóng)業(yè)人口2.55萬(wàn)人。古橋鄉(xiāng)地屬平原,多年平均降水量為692 mm,年平均氣溫為14.3 ℃,多年平均積溫4 670 ℃,日照率為53.6%,無(wú)霜期214 d,能滿足農(nóng)作物一年二熟的需要。農(nóng)業(yè)種植以糧食作物為主,主要作物有小麥、玉米、紅薯、大豆、花生等,經(jīng)濟(jì)作物有石榴、葡萄、杏等,作物復(fù)種指數(shù)2.0。

古橋鄉(xiāng)是典型的農(nóng)業(yè)鄉(xiāng),農(nóng)業(yè)發(fā)展前提條件是農(nóng)業(yè)灌溉。在有限的水資源條件下,古橋鄉(xiāng)的灌溉條件也不容樂(lè)觀,存在的主要問(wèn)題包括:①灌溉工程建設(shè)較早,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低,配套不全,灌溉設(shè)備及技術(shù)落后,灌溉設(shè)施老化失修,保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力低,效益嚴(yán)重下降,部分工程報(bào)廢;②管理體制不規(guī)范[7],灌溉設(shè)施得不到有效的維修和養(yǎng)護(hù),導(dǎo)致抗御水旱災(zāi)害能力減弱。

2 灌溉設(shè)施建設(shè)

灌溉水利用系數(shù)是衡量灌溉技術(shù)水平和灌溉用水管理水平的一個(gè)重要的綜合性指標(biāo)[8]。要提高古橋鄉(xiāng)灌溉水利用系數(shù)需要從源頭和過(guò)程進(jìn)行控制,減少水量損失,提高灌溉水利用效率。而這一措施的實(shí)施需要加強(qiáng)和完善灌溉設(shè)施的建設(shè)。古橋鄉(xiāng)的灌溉水源以地下水為主,灌溉方式為機(jī)井灌溉，井深一般為30～35 m,單井出水量約25 m3/h,靜水位3～5 m,動(dòng)水位12～15 m[9]。農(nóng)田排澇體系已基本形成,但排澇溝淤積嚴(yán)重,需要清淤和疏浚。

古橋鄉(xiāng)小型農(nóng)田水利工程建設(shè)項(xiàng)目的建設(shè)任務(wù)主要包括以下4個(gè)方面:①小型水源工程。維修舊機(jī)井396眼,并在原有機(jī)井的基礎(chǔ)上新增機(jī)井201眼,配套150QJ20-72/11型潛水泵506套,150QJ20-85/13型潛水泵91套,并配置IC卡智能控制系統(tǒng)597套。②高效節(jié)水灌溉工程。工程建設(shè)面積2 200.00 hm2,其中安裝半固定噴灌設(shè)施1 866.67 hm2,安裝小型卷盤(pán)式移動(dòng)噴灌設(shè)施333.33 hm2。③小型排澇工程。開(kāi)挖疏浚排澇溝道145.20 km,新建橋梁27座,新建直徑0.6 m涵管橋290座,維修生產(chǎn)橋40座。④電力配套工程。購(gòu)置變壓器22臺(tái)、低壓控制箱60個(gè),并鋪設(shè)低壓輸電線路186.92 km。

3 水資源供需平衡分析

3.1 可利用水資源量分析

古橋鄉(xiāng)可用水源主要有地表水和淺層地下水。

地表水資源量計(jì)算采用式(1)，

W=0.1·α·x·A。

(1)

式中:W為地表水資源總量,萬(wàn)m3;α為徑流系數(shù),根據(jù)《水文手冊(cè)》一般取0.2～0.6,結(jié)合古橋鄉(xiāng)的實(shí)際情況,取α=0.55;x為多年平均降水量,mm;A為產(chǎn)流面積,km2,取A=34.08 km2。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，古橋鄉(xiāng)多年平均地表水資源總量為1 297.1萬(wàn)m3, 灌溉保證率按50%和75%計(jì)算時(shí)，地表水資源量及可利用量見(jiàn)表1。

表1 古橋鄉(xiāng)地表水資源量及可利用量

古橋鄉(xiāng)地下水含水層顆粒較細(xì),滲透性較弱,地下水面坡降平緩,忽略水平方向流入及流出量。淺層地下水綜合補(bǔ)給量(W地下)主要包括降水入滲補(bǔ)給量(W1)和灌溉回歸水補(bǔ)給量(W2)，

W地下=W1+W2。

(2)

降水入滲補(bǔ)給量采用式(3)計(jì)算,

W1=0.1·f·x·A。

(3)

式中:W1為降水入滲補(bǔ)給量,萬(wàn)m3;f為入滲系數(shù),取f=0.23;其他符號(hào)意義同上。

灌溉回歸水補(bǔ)給量采用式(4)計(jì)算，

W2=Q定·U·A灌。

(4)

式中:W2為灌溉回歸水補(bǔ)給量，m3；Q定為灌溉定額,m3/hm2;U為回歸系數(shù),取U=0.15;A灌為灌溉面積,hm2。

按灌溉保證率為50%和75%計(jì)算，2012年和2013年的地下水資源量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,水資源可利用總量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 古橋鄉(xiāng)地下水資源量

表3 古橋鄉(xiāng)可利用水資源總量

3.2 需水量分析

2012年,古橋鄉(xiāng)有農(nóng)業(yè)人口2.55萬(wàn)人,大牲畜1.707萬(wàn)頭;2013年人口同比增長(zhǎng)0.8%,大牲畜同比增長(zhǎng)3%。古橋鄉(xiāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 古橋鄉(xiāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

古橋鄉(xiāng)的主要農(nóng)作物包括小麥、玉米及其他作物,作物復(fù)種指數(shù)2.0,種植比例小麥占96%,玉米占89%,其他作物占15%。

古橋鄉(xiāng)灌溉以井灌為主,灌溉水源以地下水為主,農(nóng)作物凈灌溉定額見(jiàn)表5。

表5 古橋鄉(xiāng)農(nóng)作物凈灌溉定額

根據(jù)作物的種植比例、凈灌溉定額及灌溉水利用系數(shù), 按灌溉保證率為50%和75%分別進(jìn)行計(jì)算，2012年和2013年古橋鄉(xiāng)農(nóng)田毛灌溉定額及農(nóng)業(yè)灌溉需水量見(jiàn)表6。

表6 古橋鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)灌溉需水量

古橋鄉(xiāng)農(nóng)村生活用水以居民生活用水和大牲畜用水為主。居民生活用水定額按50 L/(人·d),大牲畜用水定額按20 L/(頭·d)計(jì)算。2012年和2013年的人、畜需水量結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 古橋鄉(xiāng)人、畜需水量 萬(wàn)m3

古橋鄉(xiāng)需水量主要包括農(nóng)業(yè)灌溉需水量和農(nóng)村生活需水量?jī)刹糠?，由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)無(wú)企業(yè)，故工業(yè)需水量不予考慮。取總需水量為W需,則

W需=W灌+W生。

(5)

式中:W需為總需水量,萬(wàn)m3;W灌為農(nóng)業(yè)灌溉需水量,萬(wàn)m3;W生為農(nóng)村生活需水量,萬(wàn)m3。

按灌溉保證率為50%和75%分別進(jìn)行計(jì)算,古橋鄉(xiāng)不同保證率條件下需水量情況見(jiàn)表8。

表8 古橋鄉(xiāng)不同保證率條件下需水總量

3.3 水資源供需平衡分析

水資源供需平衡分析是指在一定區(qū)域范圍內(nèi),就水資源的供給與需求以及它們之間的余缺關(guān)系進(jìn)行計(jì)算與分析的過(guò)程[10]。

根據(jù)研究區(qū)可利用水資源和需水量進(jìn)行水資源供需平衡分析，計(jì)算如下：

W余缺=W利-W需。

(6)

式中:W余缺為水資源余缺水量,萬(wàn)m3;W利為可利用水資源量,萬(wàn)m3;其他符號(hào)意義同上。

按灌溉保證率為50%和75%分別進(jìn)行計(jì)算,水資源供需平衡分析結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 水資源供需平衡分析

由表9可知,按灌溉保證率為50%計(jì)算時(shí),水資源尚有結(jié)余,2012年結(jié)余354.1萬(wàn)m3,2013年結(jié)余424.8萬(wàn)m3,較2012年度多結(jié)余70.7萬(wàn)m3;按灌溉保證率為75%計(jì)算時(shí)出現(xiàn)缺水現(xiàn)象,尤其是2012年,缺水量達(dá)95.5萬(wàn)m3,缺水率達(dá)10%。2013年古橋鄉(xiāng)采用高效節(jié)水灌溉后,有效控制了研究區(qū)的缺水現(xiàn)象,缺水量為0.2萬(wàn)m3,缺水率僅為0.02%,說(shuō)明高效節(jié)水方案是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

在水資源受限條件下,為增加糧食產(chǎn)量,應(yīng)從水資源供需平衡的角度出發(fā),合理規(guī)劃灌溉工程。通過(guò)加強(qiáng)灌溉工程建設(shè),制定合理的管理措施,提高水資源利用率。

應(yīng)根據(jù)地區(qū)實(shí)際情況種植作物,調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu),調(diào)減高耗水作物的種植面積，提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值。

灌溉管理部門(mén)要做好灌溉管理工作，完善灌溉管理制度,更新“重建輕管”的觀念, 逐步推行“灌溉節(jié)約獎(jiǎng)勵(lì)”的措施,鼓勵(lì)和引導(dǎo)灌水戶參與到維護(hù)灌溉設(shè)施的隊(duì)伍中來(lái)，提高灌溉水利用效率。

[1] 張基堯.我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)利用形勢(shì)與問(wèn)題[EB/OL]. http://www.cas.org.cn/xwdt/ztlml/zyfx/7711.htm.(2004-07-13)[2016-12-01].

[2] 邵東國(guó),李旭東,唐明,等.干旱條件下城市水資源應(yīng)急調(diào)配模型[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,35(1):1-6.

[3] 黃艷.長(zhǎng)葛市小型農(nóng)田水利暨高效節(jié)水灌溉試點(diǎn)縣建設(shè)方案研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué),2016.

[4] 張永永,黃強(qiáng),桑華.商洛市水資源供需分析及合理利用對(duì)策[J].長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境,2009,18(7):630-634.

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[8] 申佩佩，楊路華，謝曉彤，等.灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)內(nèi)涵及測(cè)定方法研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2013(6)：73-75.

[9] 陳鐘.長(zhǎng)三角新農(nóng)村建設(shè)中的農(nóng)村水利發(fā)展模式研究[D].南京：河海大學(xué),2007.

[10] 馬海波,董增川,李勝,等.考慮南水北調(diào)供水的濟(jì)南市水資源供需分析[J].水利水電科技進(jìn)展,2006,26(5):51-54.

AnalysisofWaterResourcesSupplyandDemandBalancebasedonEfficientWater-savingIrrigation

LIU Zengjin1, ZHANG Cailing1, HUANG Yan2, ZHANG Guanchao1

(1.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China;2.Xuchang Water Affairs Bureau, Xuchang 461000, China)

The Guqiao Town in Changge City is a big agricultural town. In this town, the agricultural irrigation conditions are backward, the irrigation water consumption is large, and the contradiction between supply and demand of water resources is prominent. According to the current situation of agricultural irrigation and water resources development and utilization in Guqiao Town, the water resources supply and demand balance of this area was analyzed and the construction tasks were put forward aiming at small-scale irrigation and water conservancy projects. The implementation of efficient water-saving irrigation scheme alleviates the contradiction between supply and demand of water resources in this area, which provides favorable conditions for efficient utilization and rational allocation of water resources.

supply and demand balance; efficient water-saving irrigation; water utilization coefficient; irrigation facility; irrigation management

宰松梅)

TV213.9

A

1002-5634(2017)06-0078-04

2016-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50849047)。

劉增進(jìn)(1961—),男,河北新樂(lè)人，教授,博士，從事農(nóng)田水利工程方面的研究。E-mail:liuzengjin@ncwu.edu.cn。

張彩玲(1991—),女，河北邯鄲人，碩士研究生，從事節(jié)水灌溉方面的研究。E-mail:zhanggnil@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.012