大石涧灌区改造工程水资源供需平衡分析

董秋风

(洛阳水利勘测设计有限责任公司，河南 洛阳 471000)

灌区改造工程建设有利于改善灌区水资源利用效率低下的现状。在节水配套工程建设前准确分析灌区可供水源，对做好灌区规划具有十分重要的意义[1-4]。

大石涧灌区工程位于洛宁县东北部，灌区分为东南部自流灌区、北部提水灌区和南部提水灌区三部分。东南部自流灌区位于水源工程下游东宋镇境内，自流灌区内土地面积61.1 km2，耕地面积2446.67 hm2，灌溉面积1173.33 hm2；北部提水灌区位于水源工程北岸属于东宋镇，北部提灌灌区土地面积43.1 km2，耕地面积1506.67 hm2，灌溉面积673.33 hm2；南部提水灌区位于水源工程南岸小界乡境内，南部提灌灌区土地面积85.3 km2，耕地面积3360.00 hm2，灌溉面积1546.67 hm2。灌区范围内耕地面积7313.33 hm2，灌区灌溉面积3393.33 hm2。

1 现状供需水平衡分析

1.1 现状可供水量分析

1.1.1 多年平均水资源量

洛宁县多年平均水资源总量为45 774.9万m3。多年平均水资源可利用总量为29 666.2万m3，其中地表水可利用量为25 149.6万m3，地下水可利用量为6666.3万m3，重复计算量为2149.7万 m3；灌区范围土地面积为189.5 km2，按照多年平均径流深等值线，该地区多年平均径流深为130 mm，灌区范围多年平均径流量为2463.5万m3，即灌区内地表水资源量为2463.5万m3。灌区内地下水资源量经计算为547.8万m3。渡洋河为灌区内过境河流，灌区水源工程位于渡洋河上，控制上游流域面积258 km2，根据上游流域内平均径流深为135 mm，灌区水源工程位置多年平均径流量为3483.0万m3，即灌区内过境水资源量为3483.0万m3。通过以上分析计算，灌区多年平均水资源总量为6494.3万m3。

1.1.2 灌区水利工程供水能力

(1)水利工程概况。在灌区范围内，除了大石涧水库水源工程和现状小型农水设施建设的机井外，基本没有可为灌区灌溉提供水源的坑塘和小型水库设施。

目前渡洋河流域三门峡市境内在建有“三门峡市大石涧水库工程”，水库位于三门峡市东南陕县店子乡境内石涧河中上游，流域面积173 km2，拟建坝址距离上游“三门峡市大石涧水库工程”坝址约9.5 km，区间流域面积85 km2。流域特征参数见表1。

(2)测站情况。渡洋河流域内无水文站，属无资料地区，其汇入河流为洛河，邻近流域有长水、韩城和宜阳水文站，其中长水、宜阳水文站属于国家基本水文站，资料精度较高。测站情况见表2。

表2 测站情况

(3)水库参证站的选取。考虑与渡洋河上游三门峡市大石涧水库径流计算的协调一致，本工程按照三门峡市大石涧水库径流计算方法即采用青龙涧河上的涧里水库作为参证站。洛宁县渡洋河大石涧水库水源工程径流量全部为本区径流量，根据《灌溉与排水工程设计标准》(GB 50288—2018)有关规定，干旱地区或水资源紧缺地区，种植种类以旱作物为主，灌溉设计保证率取50%～75%，本水库灌溉设计保证率取P=50%。

(4)计算途径。选取邻近青龙涧河上的涧里水库径流系列作为本次分析计算的主要依据。在本次径流计算中考虑上游正在建设的“三门峡市大石涧水库工程”，径流区为区间流域。涧里水库于1959年10月建成，1963年设站观测，有1968—2006年径流资料，水文年共计38 a，见表3，采用库水位反推，进行了还原，经过整编刊印，资料系列具有一定精度，成果可靠。

表3 涧里水库年径流系列 万m3

(5)涧里水库径流系列代表性分析。涧里水库年径流参数：均值1073.3万m3，Cv=0.94，Cs=2.5Cv；P特丰≤5%，P丰=5%～20%，P偏丰=20%～50%，P偏枯=50%～75%，P枯=75%～95%，P特枯≥95%。依此划分涧里水库年径流分配见表4。

表4 涧里水库年径流量划分 万m3

由涧里水库年径流丰枯段统计表，见表5，1968—2006年38年间，有一个丰、平、枯变化时段，变化段为38 a。根据涧里水库年径流系列分析可看出，涧里水库的年径流系列具有丰、平、枯的变化规律。年径流的差积曲线变化过程，反映了年径流量丰、枯变化规律，从涧里水库年径流差积曲线(图1)可以看出，曲线形状为单峰型，具有一个丰平枯变化时段，年径流量丰枯绝对变幅较大。

表5 涧里水库年径流丰枯段统计

图1 涧里水库年径流模比系数差积曲线

(6)水源工程坝址处设计年径流量。洛宁县渡洋河大石涧水源工程断面径流量系列，用水文比拟法移用涧里水库径流系列推求，移用过程中用面积比加流域平均径流深对径流过程进行修正，使修正后的水库坝址径流过程符合流域实际情况。涧里水库流域面积79.3 km2，本水库区间汇流面积85.0 km2。查《河南省水资源》(2007年)，涧里水库、本水库多年平均径流深均在100～150 mm之间，且两水库距离较为接近，水库流域中心径流深在140 mm左右，考虑涧里水库实测资料比较可靠，按涧里水库径流深135 mm，径流深比R水库/R涧=1.0。

由涧里水库1968—2006年径流量系列得到大石涧水库径流系列，用数学期望公式P=m/(n+1)×100%计算经验频率，用矩法公式计算统计参数作为初试值，用适线法(以皮尔逊P—Ⅲ型曲线为理论频率曲线)确定统计参数，成果列表6，频率曲线见图2。大石涧水源工程坝址处年均径流量为1150.4万m3；P=25%时，年径流量为1512.3万m3；P=50%时，年径流量为837.5万m3；P=75%时，年径流量为456.2万m3。

表6 大石涧水源工程坝址处径流系列成果

图2 大石涧水库年径流频率曲线

(7)水源工程坝址处设计径流量年内分配。水库工程断面设计年径流量年内分配，采用设计代表年法进行，设计代表年年径流量的年内分配采用同倍比放大法用典型年推求。故本水库设计径流量年内分配参照涧里水库1968—2006年资料。根据频率分析结果，在涧里水库实测年径流量系列中，选择丰、平、枯水年频率与设计频率比较接近，年内分配对工程供水较为不利即枯水期长、枯水流量小，汛期短、径流量大及径流量与设计径流量比较接近的年。

根据表7中计算数据，大石涧水源工程50%保证率年可供水量837.5万m3。实际由于未配套末端渠系，灌区水利工程地表水现状可供量为零。

表7 大石涧水库设计年径流量年内分配 万m3

1.1.3 地下水供水

现状灌区内有小农水项目、土地整理、烟水配套等项目建设的机井工程总计50处，单个机井工程的设计抽水能力为10 m3/h，折合每天为240 m3/d，每年为8.76万m3/a。灌区内机井工程总计日可供水能力为1.2万m3/d，年可供水能力为438万m3/a。但灌区机井供水是按照作物需求进行，灌区全年总计供水时间为157 d，机井实际供水能力为188.4万m3/a。

1.2 现状需水分析

灌区现状需水量仅考虑农业用水的需水量，其他用水包括生活、工业、生态等用水量不在本次考虑范围内。根据灌区调查及2016年年鉴统计，目前灌区种植的主要农作物有小麦、玉米、谷子、红薯、豆类等，主要经济作物有蔬菜、瓜类、烟叶、油菜等，主要果林有苹果、梨、石榴、葡萄、桃、草莓等，现状种植比例小麦0.49，玉米0.43，烟叶0.30，其他0.21，农作物复种指数平均为1.43。粮经作物比例失调，复种指数及土地利用率较低。大石涧灌区3393.33 hm2灌溉农田范围内，现状已有小农水项目、土地整理、烟水配套等项目，其主要灌溉方式为管灌输水，水源主要为机井供水，控制灌溉面积约为166.67 hm2，其余3226.67 hm2无灌溉基础条件，暂按照土渠输水和自流引水方式来估算灌溉定额。灌溉定额的选取依照《农业用水定额》(DB41/T 958—2014)。有灌溉条件的166.67 hm2耕地综合灌溉定额为1726.5 m3/hm2，无灌溉条件的3226.67 hm2耕地综合灌溉定额为2475.0 m3/hm2，合计计算得灌区3393.33 hm2耕地总计农业净需水量为850万m3/a。按照管道和渠系水利用系数的不同，管道灌溉综合系数取0.80，渠道灌溉综合系数取0.65，灌区毛需水量为1299万m3/a。

现状灌区内可提供农业供水水源的水利工程仅为机井工程，年供水能力为188.4万m3/a。根据上节分析，现状灌区农业毛需水量为1299万m3/a。计算得现状灌区内农业灌溉缺水量约为1110.6万m3/a。

2 项目实施后灌区水量供需分析

2.1 设计水平年灌溉保证率

设计水平年的确定，既考虑灌区经济发展的需要，又结合灌区工程建设要求。本灌区现状基准年采用2016年。本次规划灌区范围北起洛宁县北部边界，南至洛宁县城北，西起小界乡，东至渡洋河郑卢高速。灌区地处洛宁县东北部丘陵区，气候划分为温和干旱区，以种植旱作物为主，按照标准GB 50288—2018规定：干旱地区或水资源紧缺地区，种植种类以旱作物为主，灌溉设计保证率取50%～75%，结合灌区现状种植结构，本次确定灌区规划采用的灌溉设计保证率为50%。结合现状区域土地利用结构、未来农业发展趋势等，本次灌区工程对灌区内农业种植结构进行相应调整，维持基本谷物类种植面积，充分保障区域粮食安全，继续保持特色烟叶的生产优势，并适当增加蔬菜、经果等经济作物种植比例。根据这一指导思想，确定本次灌区内小麦种植比例50%，即1700 hm2；玉米等其他作物种植比例50%，即1700 hm2，烟业种植比例为35%，即1190 hm2；蔬菜种植比例20%，即680 hm2；经果林种植比例10%，即340 hm2。复种指数由1.43提高至1.65。本次灌区灌溉设计保证率为50%，各类作物的灌水定额，取小麦1575 m3/hm2，玉米1200 m3/hm2，烟业600 m3/hm2，蔬菜1125 m3/hm2，经果1350 m3/hm2。

2.2 设计灌水率

灌水率的大小取决于灌区作物组成、灌溉定额和灌水延续时间。灌区主要灌溉方式为高效节水灌溉，设计净灌水率进行计算,见式(1)：

(1)

式中：qik为第i种作物第k次灌水的净灌水率，m3/(s·hm2)；mik为第i种作物第k次灌水的净灌水定额，m3/m2；αi为第i种作物的种植比例；Tik为第i种作物第k次灌水的灌水延续时间，d。

根据设计灌溉制度，依据灌水率计算公式，按作物设计种植比例计算代表作物净灌水率。将同期各种作物灌水率相加，绘制初步灌水率图，并按标准GB 50288—2018的要求对初步灌水图进行修正，修正后灌水率计算成果见表8。由此确定本次洛宁县大石涧水库节水灌区工程灌水率为4.965×10-4m3/(s·hm2)。

表8 修正后的设计灌水率计算成果

2.3 需水分析及设计年可供水量分析

在农业供水保证率为50%时，本次工程规划灌溉面积为3393.33 hm2，2030年灌区多年平均灌溉净需水量为664.2万m3。因此，考虑用水系数后，经计算，灌区灌溉毛需水量830.3万m3。

(1)现状机井及蓄水设施。根据大石涧灌区现状灌溉条件，现状具有小农水、烟水配套、土地整理蓄水池，其水源为机井供水，年可供水量为188.4 m3，供需平衡计算时可按需提水。

(2)水源工程蒸发、渗漏。根据大石涧水库设计资料，水库工程设计蒸发、渗漏损失为平均蓄水量的2%，即8.56万m3。

(3)河道生态需水量。河道生态基流量是维持水库下游河道基本功能的最小生态需水量，北方地区水资源量四季分配不均，多以非汛期多年平均流量的10%作为下游河道的生态流量，根据计算非汛期(10月—次年4月)多年平均流量为430.5万m3，年生态泄流量为43.05万m3，月均泄流量为3.59万m3。

(4)可供水量计算。经调查，灌区范围内除灌区农业供水外，无其他用水户，因而水库天然来水量与机井供水之和减去蒸发、渗漏损失及河道的生态基流，便是水库可供水量。计算成果详见表9，灌区P=50%保证率可供水量计算成果表。

表9 灌区P=50%保证率可供水量计算成果 万m3

2.4 供需水平衡分析

灌区水资源供需平衡分析调节计算原则：(1)P=50%保证率年调节，以月为单位时段调节。(2)据各时段的来水量和用水量之差，得各时段的余水量和水库蓄水量。(3)时段引水量与供水量由调节库容确定，并由供水量控制。(4)优先使用地表水作为灌溉水源，不足时可考虑部分地下水。经分析，灌区在保证率P=50%的情况下年可供水量974.29万m3，水资源平衡计算结果见表10。经对50%保证率条件下，灌区水资源供需平衡分析得出，灌区规划水平年需水量为830.3万m3。可供水量满足灌区用水需求。

表10 大石涧水库典型年调节计算(P=50%) 万m3

3 结 论

(1)通过计算，大石涧灌区现状可供水量较为充足。其中，大石涧水源工程50%保证率年可供水量837.5万m3，机井实际供水能力为188.4万m3/a。但灌区缺乏必要配套设施导致灌区用水较为短缺。

(2)完成节水配套改造工程后，设计年灌区灌溉毛需水量830.3万m3，水库蒸发、渗漏量为8.56万m3，河道生态需水量为43.05万m3，灌区可供水量与现状年一致，在保证率P=50%的情况下年可供水量974.29万m3，可供水量满足灌区用水需求。