基于高效节水灌溉的水资源供需平衡分析

刘增进, 张彩玲, 黄艳, 张关超

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.许昌市水务局,河南 许昌 461000)

基于高效节水灌溉的水资源供需平衡分析

刘增进1, 张彩玲1, 黄艳2, 张关超1

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450045; 2.许昌市水务局,河南 许昌 461000)

长葛市古桥乡是个农业大乡,农业灌溉条件比较落后,农田灌溉用水量较大,水资源供需矛盾较突出。根据古桥乡农业灌溉及水资源开发利用现状,针对小型农田水利工程建设项目,进行了该区域的水资源供需平衡分析,提出了小型农田水利工程项目的建设任务。高效节水灌溉方案的实施缓解了该区水资源供需矛盾,为水资源高效利用以及合理配置提供了有利条件。

供需平衡;高效节水灌溉;水利用系数;灌溉设施;灌溉管理

近年来，我国水资源供需矛盾日益突出。有关数据表明,我国每年缺水城市高达400多座,每年国家工业产值因缺水造成的损失达2 300亿元[1]。国内很多学者[2-4]对水资源供需问题进行了探索和研究,并取得了一定的研究成果。如范英英等[5]以北京市为例,指出提高水资源利用效率的前提是提高农业灌溉用水效率;刘红英等[6]采用二次水资源供需平衡分析,探讨了解决榆林市水资源供需矛盾的工程措施。

本文从长葛市古桥乡的水资源供需现状出发,通过对古桥乡水资源的供需平衡分析,论证了在古桥乡实施高效节水灌溉试点的可行性,以期为大范围高效节水灌溉的实施提供依据和指导。

1 研究区概况

古桥乡位于河南省长葛市东部,距市区24 km。辖郭庄、岗李、伞李、郭梅等22个行政村28个自然村。总土地面积34.08 km2,耕地面积23.60 km2,古桥乡总人口3.16万人,其中农业人口2.55万人。古桥乡地属平原,多年平均降水量为692 mm,年平均气温为14.3 ℃,多年平均积温4 670 ℃,日照率为53.6%,无霜期214 d,能满足农作物一年二熟的需要。农业种植以粮食作物为主,主要作物有小麦、玉米、红薯、大豆、花生等,经济作物有石榴、葡萄、杏等,作物复种指数2.0。

古桥乡是典型的农业乡,农业发展前提条件是农业灌溉。在有限的水资源条件下,古桥乡的灌溉条件也不容乐观,存在的主要问题包括:①灌溉工程建设较早,建设标准较低,配套不全,灌溉设备及技术落后,灌溉设施老化失修,保障农业生产能力低,效益严重下降,部分工程报废;②管理体制不规范[7],灌溉设施得不到有效的维修和养护,导致抗御水旱灾害能力减弱。

2 灌溉设施建设

灌溉水利用系数是衡量灌溉技术水平和灌溉用水管理水平的一个重要的综合性指标[8]。要提高古桥乡灌溉水利用系数需要从源头和过程进行控制,减少水量损失,提高灌溉水利用效率。而这一措施的实施需要加强和完善灌溉设施的建设。古桥乡的灌溉水源以地下水为主,灌溉方式为机井灌溉，井深一般为30～35 m,单井出水量约25 m3/h,静水位3～5 m,动水位12～15 m[9]。农田排涝体系已基本形成,但排涝沟淤积严重,需要清淤和疏浚。

古桥乡小型农田水利工程建设项目的建设任务主要包括以下4个方面:①小型水源工程。维修旧机井396眼,并在原有机井的基础上新增机井201眼,配套150QJ20-72/11型潜水泵506套,150QJ20-85/13型潜水泵91套,并配置IC卡智能控制系统597套。②高效节水灌溉工程。工程建设面积2 200.00 hm2,其中安装半固定喷灌设施1 866.67 hm2,安装小型卷盘式移动喷灌设施333.33 hm2。③小型排涝工程。开挖疏浚排涝沟道145.20 km,新建桥梁27座,新建直径0.6 m涵管桥290座,维修生产桥40座。④电力配套工程。购置变压器22台、低压控制箱60个,并铺设低压输电线路186.92 km。

3 水资源供需平衡分析

3.1 可利用水资源量分析

古桥乡可用水源主要有地表水和浅层地下水。

地表水资源量计算采用式(1)，

W=0.1·α·x·A。

(1)

式中:W为地表水资源总量,万m3;α为径流系数,根据《水文手册》一般取0.2～0.6,结合古桥乡的实际情况,取α=0.55;x为多年平均降水量,mm;A为产流面积,km2,取A=34.08 km2。

经过计算，古桥乡多年平均地表水资源总量为1 297.1万m3, 灌溉保证率按50%和75%计算时，地表水资源量及可利用量见表1。

表1 古桥乡地表水资源量及可利用量

古桥乡地下水含水层颗粒较细,渗透性较弱,地下水面坡降平缓,忽略水平方向流入及流出量。浅层地下水综合补给量(W地下)主要包括降水入渗补给量(W1)和灌溉回归水补给量(W2)，

W地下=W1+W2。

(2)

降水入渗补给量采用式(3)计算,

W1=0.1·f·x·A。

(3)

式中:W1为降水入渗补给量,万m3;f为入渗系数,取f=0.23;其他符号意义同上。

灌溉回归水补给量采用式(4)计算，

W2=Q定·U·A灌。

(4)

式中:W2为灌溉回归水补给量，m3；Q定为灌溉定额,m3/hm2;U为回归系数,取U=0.15;A灌为灌溉面积,hm2。

按灌溉保证率为50%和75%计算，2012年和2013年的地下水资源量计算结果见表2,水资源可利用总量计算结果见表3。

表2 古桥乡地下水资源量

表3 古桥乡可利用水资源总量

3.2 需水量分析

2012年,古桥乡有农业人口2.55万人,大牲畜1.707万头;2013年人口同比增长0.8%,大牲畜同比增长3%。古桥乡社会经济指标见表4。

表4 古桥乡社会经济指标

古桥乡的主要农作物包括小麦、玉米及其他作物,作物复种指数2.0,种植比例小麦占96%,玉米占89%,其他作物占15%。

古桥乡灌溉以井灌为主,灌溉水源以地下水为主,农作物净灌溉定额见表5。

表5 古桥乡农作物净灌溉定额

根据作物的种植比例、净灌溉定额及灌溉水利用系数, 按灌溉保证率为50%和75%分别进行计算，2012年和2013年古桥乡农田毛灌溉定额及农业灌溉需水量见表6。

表6 古桥乡农业灌溉需水量

古桥乡农村生活用水以居民生活用水和大牲畜用水为主。居民生活用水定额按50 L/(人·d),大牲畜用水定额按20 L/(头·d)计算。2012年和2013年的人、畜需水量结果见表7。

表7 古桥乡人、畜需水量 万m3

古桥乡需水量主要包括农业灌溉需水量和农村生活需水量两部分，由于乡镇内无企业，故工业需水量不予考虑。取总需水量为W需,则

W需=W灌+W生。

(5)

式中:W需为总需水量,万m3;W灌为农业灌溉需水量,万m3;W生为农村生活需水量,万m3。

按灌溉保证率为50%和75%分别进行计算,古桥乡不同保证率条件下需水量情况见表8。

表8 古桥乡不同保证率条件下需水总量

3.3 水资源供需平衡分析

水资源供需平衡分析是指在一定区域范围内,就水资源的供给与需求以及它们之间的余缺关系进行计算与分析的过程[10]。

根据研究区可利用水资源和需水量进行水资源供需平衡分析，计算如下：

W余缺=W利-W需。

(6)

式中:W余缺为水资源余缺水量,万m3;W利为可利用水资源量,万m3;其他符号意义同上。

按灌溉保证率为50%和75%分别进行计算,水资源供需平衡分析结果见表9。

表9 水资源供需平衡分析

由表9可知,按灌溉保证率为50%计算时,水资源尚有结余,2012年结余354.1万m3,2013年结余424.8万m3,较2012年度多结余70.7万m3;按灌溉保证率为75%计算时出现缺水现象,尤其是2012年,缺水量达95.5万m3,缺水率达10%。2013年古桥乡采用高效节水灌溉后,有效控制了研究区的缺水现象,缺水量为0.2万m3,缺水率仅为0.02%,说明高效节水方案是可行的。

4 结语

在水资源受限条件下,为增加粮食产量,应从水资源供需平衡的角度出发,合理规划灌溉工程。通过加强灌溉工程建设,制定合理的管理措施,提高水资源利用率。

应根据地区实际情况种植作物,调整作物种植结构,调减高耗水作物的种植面积，提高农产品的附加值。

灌溉管理部门要做好灌溉管理工作，完善灌溉管理制度,更新“重建轻管”的观念, 逐步推行“灌溉节约奖励”的措施,鼓励和引导灌水户参与到维护灌溉设施的队伍中来，提高灌溉水利用效率。

[1] 张基尧.我国水资源开发利用形势与问题[EB/OL]. http://www.cas.org.cn/xwdt/ztlml/zyfx/7711.htm.(2004-07-13)[2016-12-01].

[2] 邵东国,李旭东,唐明,等.干旱条件下城市水资源应急调配模型[J].华北水利水电大学学报(自然科学版),2014,35(1):1-6.

[3] 黄艳.长葛市小型农田水利暨高效节水灌溉试点县建设方案研究[D].郑州：华北水利水电大学,2016.

[4] 张永永,黄强,桑华.商洛市水资源供需分析及合理利用对策[J].长江流域资源与环境,2009,18(7):630-634.

[5] 范英英,刘永,郭怀成.北京市水资源供需平衡趋势预测及分析[J].安全与环境学报,2006,6(1):116-120.

[6] 刘红英,郑凌云,拜存有.榆林市水资源供需平衡分析[J].水资源与水工程学报,2010,21(3):130-133.

[7] 李文运.微咸水农田安全灌溉技术研究[D].天津：天津大学,2005.

[8] 申佩佩，杨路华，谢晓彤，等.灌区灌溉水有效利用系数内涵及测定方法研究[J].中国农村水利水电，2013(6)：73-75.

[9] 陈钟.长三角新农村建设中的农村水利发展模式研究[D].南京：河海大学,2007.

[10] 马海波,董增川,李胜,等.考虑南水北调供水的济南市水资源供需分析[J].水利水电科技进展,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

国家自然科学基金项目(50849047)。

刘增进(1961—),男,河北新乐人，教授,博士，从事农田水利工程方面的研究。E-mail:liuzengjin@ncwu.edu.cn。

张彩玲(1991—),女，河北邯郸人，硕士研究生，从事节水灌溉方面的研究。E-mail:zhanggnil@foxmail.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.06.012