山区节水灌溉规划的水资源与水量平衡分析

孙丽丽 李 娟 梁再辉 刘 佳 孙 颖

（1湖北省水利水电规划勘测设计院北京分院，北京100054；2北京市自来水集团有限责任公司，北京 100031；3北京市门头沟区水务局，北京 102300）

1.引言

门头沟区为纯山区，水土资源均十分紧张，水资源与土地资源都是有限的自然资源，二者相辅相成又相互制约，水土资源不平衡将会导致水资源利用走上恶性循环的方向，直接或间接影响区域内水资源利用的可持续性，而水资源是土地资源发挥自身生产优势的基本条件之一。项目区地表水由于近几年连续干旱，供水量有所下降，地下水由于超量开采，水位下降，部分机井水位下降且出水量不足，项目区现状水源供水量日趋紧张，有部分地块无法满足灌溉要求，给农业生产造成严重影响。

为深入贯彻落实《中共北京市委 北京市人民政府 关于调结构转方式发展高效节水农业的意见》、《北京市推进“两田一园”高效节水工作方案》，通过发展先进的农业高效节水灌溉设施，解决水资源短缺、农业用水效率不高、管理不到位等问题。门头沟区2018年实施 “两田一园”高效节水灌溉工程（一期），发展及改善节水灌溉面积10143亩。为落实“用水总量控制”与“用水效率控制”的农业用水管理制度，首先通过区域水资源平衡分析，对项目区水资源的数量、质量、开发利用现状和供需发展趋势做出判断，为项目区合理开发利用提供数据支撑。本项目在不增加灌溉用水量的情况下，确定灌溉面积为10143亩。其次逐个地块进行平衡分析，对于水源日来水量不足，不能满足作物日需水量的地块，结合利用蓄水工程，进行多日调节，使一个灌溉周期内的总来水量大于等于作物的总需水量，满足作物生长需求。

2.项目区概况

2.1 种植作物面积及灌溉方式

项目建设高效节水灌溉面积10143亩，种植作物为果树，遵循种植结构、灌溉技术特点和当地农户的建议，采用不同灌溉方式进行灌溉。

（1）小管出流：地形复杂地区，且分户管理的地块，选用小管出流的灌溉方式，面积5857亩。

（2）微润灌：水源水量不足，管理集中的地块，推广新型的微润灌的灌溉方式，面积2716亩。

（3）微喷带：水源相对充分的地块，根据当地经验，选择微喷带灌溉，主要集中在斋堂镇和妙峰山镇，面积1027亩。

（4）微喷：清水镇果园种植猕猴桃，根据种植经验，选择微喷的灌溉方式，面积347亩。

（5）滴灌：矮化苹果选择滴灌的灌溉方式，面积196亩。

2.2 水源情况

项目区现状灌溉水源包括地表水和地下水共46个地块，其中35个地块（7888亩）采用地下水灌溉，农业灌溉井35眼；11个地块（2255亩）采用地表水灌溉。

（1）地下水

项目区32个地块采用机井（岩石井或四系井）灌溉，机井数量32眼，井深36～580m，出水量10～40m3/h；另有3个地块采用矿井水灌溉，出水量15～50m3/h。地下水年可供水量共计为77.08万m3，具体见表2-1。

表2 -1 地下水可供水量统计表

（2）地表水

项目区11个地块采用地表水为灌溉水源，其中永定镇南区地块为泉水水源，涌水量稳定不断流；斋堂镇包括清水河、永定河为水源，均已建成塘坝或蓄水池；雁翅镇主要地表水水源为永定河，永定河除冬季，其余季节均有河水可用于灌溉；妙峰山镇地块均已建成塘坝，主要依靠下苇甸水库放水灌溉。地表水年可供水量共计为50.50万m3，具体见表2-2。

表2 -2 地表水可供水量统计表

3.水资源平衡分析

3.1 现状年灌溉用水量

项目区地块主要种植果树，根据统计，项目区内微灌1246亩，管灌7309亩，其它1858亩，合计地块面积10143亩，灌溉面积10082亩。

工程设计选取2018年为现状年，根据不同作物的计算确定灌溉定额，按不同灌溉方式选取灌溉水利用系数，计算得出现状年灌溉用水量为98.00万m³，单位面积年灌溉用水量为96.62m³/亩，具体见表3-1。

表3 -1 现状年灌溉用水量计算表

3.2 规划年灌溉用水量

项目区作物灌溉用水量采用定额法计算，作物净灌溉用水量等于作物灌溉面积与作物净灌溉定额的乘积。作物净灌溉定额是指作物全生育期历次灌水定额之和，即作物净灌水定额与灌溉次数的乘积。作物毛灌溉水量等于净灌溉水量除以灌溉水利用系数。

项目区主要以果树为主，根据北京市种植作物灌溉定额，并结合实际种植经验，小管出流最大净灌水定额28.72mm，净灌溉定额77.8m3/亩；滴灌最大净灌水定额17.82mm，净灌溉定额78m3/亩；微喷最大净灌水定额19.01mm，净灌溉定额86.7m3/亩；微喷带最大净灌水定额21.38mm，净灌溉定额66m3/亩；微润灌最大净灌水定额36.55mm；净灌溉定额73.1m3/亩。

小管出流、滴灌、微润灌的灌溉水利用系数0.9，微喷及微喷带的灌溉水利用系数0.85。

项目区规划年灌溉总需水量为85.57万m³，单位面积年灌溉需水量为84.87m³/亩，具体见表3-2。

表3 -2 规划年灌溉需水量计算表

3.3 项目区水资源平衡分析

水资源可利用量分为地表水和地下水，并对二者重复部分进行扣除。项目区中地表水为已建塘坝或水池，水量按其蓄水能力计取。项目区地块分散，以区域水资源计算差别较大，故计算时，暂不考虑扣除重复部分。

经调查统计，项目区在作物生育期内地下水可供水量为77.08万m³，地表水可供水量为50.50万m³，年可供水量合计为127.58万m3。项目区灌溉面积10143亩，现状年实际灌溉用水量为98.00万m³，实施节水灌溉工程后，规划水平年灌溉需水量为85.57万m³。通过项目区水资源平衡分析评价，在不增加灌溉用水量的情况下，工程规模确定为10143亩是合理、可行的。

4.水量平衡分析

项目区灌溉水源中，水资源不足更多的出现在地表水为水源的地块，本次以某地块为例，对现状水源进行水量平衡计算和分析，复核灌溉面积和蓄水调节水池的规模，制定灌溉制度。

4.1 某地块实例

（1）基本情况

本地块面积为169亩，土壤主要为砂壤土，土壤干容重约1.35g/cm³，田间持水量约为22%。本地块种植樱桃树，株行距为2.5m×3m。现状水源为塘坝的地表水，现有泵站提水，引水流量为8m3/h。该地区动力采用电力，灌溉季节基本保证24h供电，拟采用微喷带的灌溉方式。

（2）水量平衡计算

根据灌溉面积和灌溉设计供水强度，计算灌溉系统的设计流量，取水源每日供水时数C=22h。设计流量按下式计算。

式中：

Qmin—设计流量，m3/h；

A—灌溉面积，亩；

Ia—设计供水强度，mm/d；

C—水源每日供水时数，h/d；

η—灌溉水利用系数，0.85。

经计算，设计流量17.07m3/h，水源供水量为8m³/h，水源供水能力不能满足地块灌溉水量要求。

（3）水池日调节复核

地块内现有70m3水池。当来水流量小于用水流量，而昼夜来水量可满足灌溉日用水量时，可按日调节确定蓄水容积。日来水量按下式计算。

式中：

WL—日来水量，m3；

QL—水源稳定流量，m3/h。

日用水量按下式计算。

式中：

Wg—日用水量，m3；

Qg—灌溉用水流量，m3/h。

经计算，日来水量为192m3，日用水量为224.04m3，日用水量大于来水量，则日调节不能满足灌溉需要。

（4）多日调节计算

因日调节已不能满足灌溉需要，考虑利用灌水间隔时间蓄水。按照轮灌制度计算得轮灌周期为7d，经计算仍不能满足灌溉用水量。

根据当地种植经验，将灌水周期延长至12d计算，轮灌周期期间的来水量按下式计算。

式中：

TL—轮灌周期时间，d。

一次灌水用水量按下式计算。

式中：

Wt—一次灌水用水量，m3。

经计算，轮灌周期期间的来水量2304m3，一次灌水用水量2496.20m3。

蓄水池容积按下式计算。

经计算，蓄水池容积应为211.42m3，地块内现有70m3水池，则新建水池容积不小于141.42m3，工程实际建设水池规模确定为150m3。

本地块灌溉面积169亩，按单日调节灌溉方式，作物灌溉日用水量224.04m3，日来水量为192m3，灌溉水源不满足作物需要。利用地块内的调节水池（容积70 m3和150m3）对来水量进行多日调节，当设计灌溉周期为12天时，作物一次灌水用水量2496.20m3，轮灌周期期间的来水量2304m3，满足灌溉需求。

4.2 项目区各地块水量平衡分析

按照以上实例的计算方法，逐个地块进行水量平衡计算，对计算结果进行分析，确定工程规模和建设内容，包括灌溉面积、蓄水建筑物的容积等。

按照水资源条件，结合作物的用水需求，经计算，项目区35个地块的灌溉用水水源为地下水，其中8个地块供水量小于灌溉需水量，11个地块为地表水水源，其中2个地块的供水量小于灌溉需水量，项目区内共计10个地块需要延长灌水周期至12天完成灌溉。

通过对项目区各地块水量平衡分析，制定适宜、合理的灌溉制度，对作物进行及时、适量的灌溉，实现提高作物的产量和质量、增加种植户收益的目标。

5.效益分析

（1）经济效益。项目对用水总量进行控制，在充分利用现有灌溉水源，不增加灌溉用水量的情况下，确定工程规模，门头沟区2018年实施 “两田一园”高效节水灌溉工程（一期）发展高效节水灌溉面积10143亩。通过实施节水措施，项目区年灌溉用水量由原来的98.00万m³下降到85.57万m³，年累计节电16.29万度，并节约人工1.98万人。项目区全部种植果树，工程后期指导农户按照合理的灌溉制度进行灌溉，有利于促进果树根系和枝条生长，提高果品固含量，改善水果口感，提升果品品质，为农民创收创益。项目区可实现增收3486.1万元，取水利分摊系数0.2，高效节水灌溉增产效益697.2万元。

（2）节水效益。充分利用农业水资源，减少地下水的开采量。工程实施后，运行高效节水设施，制定合理的灌溉制度，建立用水效率控制制度，进行用水计量实时监控和管理灌溉用水，提高了灌溉水利用系数，灌溉用水量与现状相比节约12.68%。

（3）社会效益。项目实施后，节水效果显著，提高了土地利用率，缓解了当地的水资源供需矛盾，灌溉水平明显提高，当地生活和工业用水的保证率也相应提高。项目区采用了高起点、高质量、高效益的节水工程模式，节省劳力，降低了劳动强度，农业节水设施水平得到很大改善。依托优越的生产条件，可以促进项目区农业生产布局和品种结构调整，加快区域由传统农业向优质、高效的现代农业转换，增加农产品的社会供给能力。同时，发挥节水工程的作用，带动周边地区节水型农业的发展。

（4）生态效益。项目区节水工程的建设，减少了地下水的开采。由于节水灌溉具有灌水强度低的优点，可有效控制肥料及水土流失，减少环境污染。土地成方连片，种植结构得到调整，作物丰收，创造了优美的环境，水土资源的利用更趋平衡。