山區(qū)節(jié)水灌溉規(guī)劃的水資源與水量平衡分析

孫麗麗 李 娟 梁再輝 劉 佳 孫 穎

（1湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院北京分院，北京100054；2北京市自來水集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100031；3北京市門頭溝區(qū)水務(wù)局，北京 102300）

1.引言

門頭溝區(qū)為純山區(qū)，水土資源均十分緊張，水資源與土地資源都是有限的自然資源，二者相輔相成又相互制約，水土資源不平衡將會導(dǎo)致水資源利用走上惡性循環(huán)的方向，直接或間接影響區(qū)域內(nèi)水資源利用的可持續(xù)性，而水資源是土地資源發(fā)揮自身生產(chǎn)優(yōu)勢的基本條件之一。項目區(qū)地表水由于近幾年連續(xù)干旱，供水量有所下降，地下水由于超量開采，水位下降，部分機(jī)井水位下降且出水量不足，項目區(qū)現(xiàn)狀水源供水量日趨緊張，有部分地塊無法滿足灌溉要求，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

為深入貫徹落實《中共北京市委 北京市人民政府 關(guān)于調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)方式發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的意見》、《北京市推進(jìn)“兩田一園”高效節(jié)水工作方案》，通過發(fā)展先進(jìn)的農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉設(shè)施，解決水資源短缺、農(nóng)業(yè)用水效率不高、管理不到位等問題。門頭溝區(qū)2018年實施 “兩田一園”高效節(jié)水灌溉工程（一期），發(fā)展及改善節(jié)水灌溉面積10143畝。為落實“用水總量控制”與“用水效率控制”的農(nóng)業(yè)用水管理制度，首先通過區(qū)域水資源平衡分析，對項目區(qū)水資源的數(shù)量、質(zhì)量、開發(fā)利用現(xiàn)狀和供需發(fā)展趨勢做出判斷，為項目區(qū)合理開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐。本項目在不增加灌溉用水量的情況下，確定灌溉面積為10143畝。其次逐個地塊進(jìn)行平衡分析，對于水源日來水量不足，不能滿足作物日需水量的地塊，結(jié)合利用蓄水工程，進(jìn)行多日調(diào)節(jié)，使一個灌溉周期內(nèi)的總來水量大于等于作物的總需水量，滿足作物生長需求。

2.項目區(qū)概況

2.1 種植作物面積及灌溉方式

項目建設(shè)高效節(jié)水灌溉面積10143畝，種植作物為果樹，遵循種植結(jié)構(gòu)、灌溉技術(shù)特點和當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的建議，采用不同灌溉方式進(jìn)行灌溉。

（1）小管出流：地形復(fù)雜地區(qū)，且分戶管理的地塊，選用小管出流的灌溉方式，面積5857畝。

（2）微潤灌：水源水量不足，管理集中的地塊，推廣新型的微潤灌的灌溉方式，面積2716畝。

（3）微噴帶：水源相對充分的地塊，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，選擇微噴帶灌溉，主要集中在齋堂鎮(zhèn)和妙峰山鎮(zhèn)，面積1027畝。

（4）微噴：清水鎮(zhèn)果園種植獼猴桃，根據(jù)種植經(jīng)驗，選擇微噴的灌溉方式，面積347畝。

（5）滴灌：矮化蘋果選擇滴灌的灌溉方式，面積196畝。

2.2 水源情況

項目區(qū)現(xiàn)狀灌溉水源包括地表水和地下水共46個地塊，其中35個地塊（7888畝）采用地下水灌溉，農(nóng)業(yè)灌溉井35眼；11個地塊（2255畝）采用地表水灌溉。

（1）地下水

項目區(qū)32個地塊采用機(jī)井（巖石井或四系井）灌溉，機(jī)井?dāng)?shù)量32眼，井深36～580m，出水量10～40m3/h；另有3個地塊采用礦井水灌溉，出水量15～50m3/h。地下水年可供水量共計為77.08萬m3，具體見表2-1。

表2 -1 地下水可供水量統(tǒng)計表

（2）地表水

項目區(qū)11個地塊采用地表水為灌溉水源，其中永定鎮(zhèn)南區(qū)地塊為泉水水源，涌水量穩(wěn)定不斷流；齋堂鎮(zhèn)包括清水河、永定河為水源，均已建成塘壩或蓄水池；雁翅鎮(zhèn)主要地表水水源為永定河，永定河除冬季，其余季節(jié)均有河水可用于灌溉；妙峰山鎮(zhèn)地塊均已建成塘壩，主要依靠下葦?shù)樗畮旆潘喔?。地表水年可供水量共計?0.50萬m3，具體見表2-2。

表2 -2 地表水可供水量統(tǒng)計表

3.水資源平衡分析

3.1 現(xiàn)狀年灌溉用水量

項目區(qū)地塊主要種植果樹，根據(jù)統(tǒng)計，項目區(qū)內(nèi)微灌1246畝，管灌7309畝，其它1858畝，合計地塊面積10143畝，灌溉面積10082畝。

工程設(shè)計選取2018年為現(xiàn)狀年，根據(jù)不同作物的計算確定灌溉定額，按不同灌溉方式選取灌溉水利用系數(shù)，計算得出現(xiàn)狀年灌溉用水量為98.00萬m3，單位面積年灌溉用水量為96.62m3/畝，具體見表3-1。

表3 -1 現(xiàn)狀年灌溉用水量計算表

3.2 規(guī)劃年灌溉用水量

項目區(qū)作物灌溉用水量采用定額法計算，作物凈灌溉用水量等于作物灌溉面積與作物凈灌溉定額的乘積。作物凈灌溉定額是指作物全生育期歷次灌水定額之和，即作物凈灌水定額與灌溉次數(shù)的乘積。作物毛灌溉水量等于凈灌溉水量除以灌溉水利用系數(shù)。

項目區(qū)主要以果樹為主，根據(jù)北京市種植作物灌溉定額，并結(jié)合實際種植經(jīng)驗，小管出流最大凈灌水定額28.72mm，凈灌溉定額77.8m3/畝；滴灌最大凈灌水定額17.82mm，凈灌溉定額78m3/畝；微噴最大凈灌水定額19.01mm，凈灌溉定額86.7m3/畝；微噴帶最大凈灌水定額21.38mm，凈灌溉定額66m3/畝；微潤灌最大凈灌水定額36.55mm；凈灌溉定額73.1m3/畝。

小管出流、滴灌、微潤灌的灌溉水利用系數(shù)0.9，微噴及微噴帶的灌溉水利用系數(shù)0.85。

項目區(qū)規(guī)劃年灌溉總需水量為85.57萬m3，單位面積年灌溉需水量為84.87m3/畝，具體見表3-2。

表3 -2 規(guī)劃年灌溉需水量計算表

3.3 項目區(qū)水資源平衡分析

水資源可利用量分為地表水和地下水，并對二者重復(fù)部分進(jìn)行扣除。項目區(qū)中地表水為已建塘壩或水池，水量按其蓄水能力計取。項目區(qū)地塊分散，以區(qū)域水資源計算差別較大，故計算時，暫不考慮扣除重復(fù)部分。

經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計，項目區(qū)在作物生育期內(nèi)地下水可供水量為77.08萬m3，地表水可供水量為50.50萬m3，年可供水量合計為127.58萬m3。項目區(qū)灌溉面積10143畝，現(xiàn)狀年實際灌溉用水量為98.00萬m3，實施節(jié)水灌溉工程后，規(guī)劃水平年灌溉需水量為85.57萬m3。通過項目區(qū)水資源平衡分析評價，在不增加灌溉用水量的情況下，工程規(guī)模確定為10143畝是合理、可行的。

4.水量平衡分析

項目區(qū)灌溉水源中，水資源不足更多的出現(xiàn)在地表水為水源的地塊，本次以某地塊為例，對現(xiàn)狀水源進(jìn)行水量平衡計算和分析，復(fù)核灌溉面積和蓄水調(diào)節(jié)水池的規(guī)模，制定灌溉制度。

4.1 某地塊實例

（1）基本情況

本地塊面積為169畝，土壤主要為砂壤土，土壤干容重約1.35g/cm3，田間持水量約為22%。本地塊種植櫻桃樹，株行距為2.5m×3m?，F(xiàn)狀水源為塘壩的地表水，現(xiàn)有泵站提水，引水流量為8m3/h。該地區(qū)動力采用電力，灌溉季節(jié)基本保證24h供電，擬采用微噴帶的灌溉方式。

（2）水量平衡計算

根據(jù)灌溉面積和灌溉設(shè)計供水強(qiáng)度，計算灌溉系統(tǒng)的設(shè)計流量，取水源每日供水時數(shù)C=22h。設(shè)計流量按下式計算。

式中：

Qmin—設(shè)計流量，m3/h；

A—灌溉面積，畝；

Ia—設(shè)計供水強(qiáng)度，mm/d；

C—水源每日供水時數(shù)，h/d；

η—灌溉水利用系數(shù)，0.85。

經(jīng)計算，設(shè)計流量17.07m3/h，水源供水量為8m3/h，水源供水能力不能滿足地塊灌溉水量要求。

（3）水池日調(diào)節(jié)復(fù)核

地塊內(nèi)現(xiàn)有70m3水池。當(dāng)來水流量小于用水流量，而晝夜來水量可滿足灌溉日用水量時，可按日調(diào)節(jié)確定蓄水容積。日來水量按下式計算。

式中：

WL—日來水量，m3；

QL—水源穩(wěn)定流量，m3/h。

日用水量按下式計算。

式中：

Wg—日用水量，m3；

Qg—灌溉用水流量，m3/h。

經(jīng)計算，日來水量為192m3，日用水量為224.04m3，日用水量大于來水量，則日調(diào)節(jié)不能滿足灌溉需要。

（4）多日調(diào)節(jié)計算

因日調(diào)節(jié)已不能滿足灌溉需要，考慮利用灌水間隔時間蓄水。按照輪灌制度計算得輪灌周期為7d，經(jīng)計算仍不能滿足灌溉用水量。

根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)驗，將灌水周期延長至12d計算，輪灌周期期間的來水量按下式計算。

式中：

TL—輪灌周期時間，d。

一次灌水用水量按下式計算。

式中：

Wt—一次灌水用水量，m3。

經(jīng)計算，輪灌周期期間的來水量2304m3，一次灌水用水量2496.20m3。

蓄水池容積按下式計算。

經(jīng)計算，蓄水池容積應(yīng)為211.42m3，地塊內(nèi)現(xiàn)有70m3水池，則新建水池容積不小于141.42m3，工程實際建設(shè)水池規(guī)模確定為150m3。

本地塊灌溉面積169畝，按單日調(diào)節(jié)灌溉方式，作物灌溉日用水量224.04m3，日來水量為192m3，灌溉水源不滿足作物需要。利用地塊內(nèi)的調(diào)節(jié)水池（容積70 m3和150m3）對來水量進(jìn)行多日調(diào)節(jié)，當(dāng)設(shè)計灌溉周期為12天時，作物一次灌水用水量2496.20m3，輪灌周期期間的來水量2304m3，滿足灌溉需求。

4.2 項目區(qū)各地塊水量平衡分析

按照以上實例的計算方法，逐個地塊進(jìn)行水量平衡計算，對計算結(jié)果進(jìn)行分析，確定工程規(guī)模和建設(shè)內(nèi)容，包括灌溉面積、蓄水建筑物的容積等。

按照水資源條件，結(jié)合作物的用水需求，經(jīng)計算，項目區(qū)35個地塊的灌溉用水水源為地下水，其中8個地塊供水量小于灌溉需水量，11個地塊為地表水水源，其中2個地塊的供水量小于灌溉需水量，項目區(qū)內(nèi)共計10個地塊需要延長灌水周期至12天完成灌溉。

通過對項目區(qū)各地塊水量平衡分析，制定適宜、合理的灌溉制度，對作物進(jìn)行及時、適量的灌溉，實現(xiàn)提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量、增加種植戶收益的目標(biāo)。

5.效益分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益。項目對用水總量進(jìn)行控制，在充分利用現(xiàn)有灌溉水源，不增加灌溉用水量的情況下，確定工程規(guī)模，門頭溝區(qū)2018年實施 “兩田一園”高效節(jié)水灌溉工程（一期）發(fā)展高效節(jié)水灌溉面積10143畝。通過實施節(jié)水措施，項目區(qū)年灌溉用水量由原來的98.00萬m3下降到85.57萬m3，年累計節(jié)電16.29萬度，并節(jié)約人工1.98萬人。項目區(qū)全部種植果樹，工程后期指導(dǎo)農(nóng)戶按照合理的灌溉制度進(jìn)行灌溉，有利于促進(jìn)果樹根系和枝條生長，提高果品固含量，改善水果口感，提升果品品質(zhì)，為農(nóng)民創(chuàng)收創(chuàng)益。項目區(qū)可實現(xiàn)增收3486.1萬元，取水利分?jǐn)傁禂?shù)0.2，高效節(jié)水灌溉增產(chǎn)效益697.2萬元。

（2）節(jié)水效益。充分利用農(nóng)業(yè)水資源，減少地下水的開采量。工程實施后，運行高效節(jié)水設(shè)施，制定合理的灌溉制度，建立用水效率控制制度，進(jìn)行用水計量實時監(jiān)控和管理灌溉用水，提高了灌溉水利用系數(shù)，灌溉用水量與現(xiàn)狀相比節(jié)約12.68%。

（3）社會效益。項目實施后，節(jié)水效果顯著，提高了土地利用率，緩解了當(dāng)?shù)氐乃Y源供需矛盾，灌溉水平明顯提高，當(dāng)?shù)厣詈凸I(yè)用水的保證率也相應(yīng)提高。項目區(qū)采用了高起點、高質(zhì)量、高效益的節(jié)水工程模式，節(jié)省勞力，降低了勞動強(qiáng)度，農(nóng)業(yè)節(jié)水設(shè)施水平得到很大改善。依托優(yōu)越的生產(chǎn)條件，可以促進(jìn)項目區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和品種結(jié)構(gòu)調(diào)整，加快區(qū)域由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向優(yōu)質(zhì)、高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)換，增加農(nóng)產(chǎn)品的社會供給能力。同時，發(fā)揮節(jié)水工程的作用，帶動周邊地區(qū)節(jié)水型農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

（4）生態(tài)效益。項目區(qū)節(jié)水工程的建設(shè)，減少了地下水的開采。由于節(jié)水灌溉具有灌水強(qiáng)度低的優(yōu)點，可有效控制肥料及水土流失，減少環(huán)境污染。土地成方連片，種植結(jié)構(gòu)得到調(diào)整，作物豐收，創(chuàng)造了優(yōu)美的環(huán)境，水土資源的利用更趨平衡。