農田灌溉退水水量及水質平衡模型分析

□ 劉洪飛 □ 王 偉 □ 魏 歡

（1河南省水利勘測設計研究有限公司;2鄭州市水利建筑勘測設計院）

1 基本原理和方法

根據水量平衡原理和營養物質質量守恒定律，考慮作物生長過程中農田水循環和氮、磷循環特征，建立農田灌溉退水水量水質模型，模型從水量和營養物質量兩方面分析和預測農田灌溉退水的營養物質濃度變化，定量地評價灌溉退水對水質的影響。模型主要包括水量平衡模型和營養物質平衡模型2個部分。在水量平衡模型中，蒸散發作為一個重要影響因素，采用蒸散發模型進行估算。營養物質平衡模型具有統一形式，能夠適用于灌區各類營養物質的轉化和輸移。

1.1 水量平衡模型

式中:△V—農田時段蓄水量增量，m3；QI—時段平均灌溉流量，m3/s；Q0—時段平均退水流量，m3/s；Ph—時段降雨強度,mm/s；E—時段蒸發強度，mm/s；S—灌區灌溉面積，km2；L—時段平均下滲量，m3/s。其中:，E=kpE0—時段水面蒸發強度,mm/s，kp—折算系數，與地表植被類型有關的常數。

1.2 營養物質模型

式中:ΔCp—灌區營養物質濃度的增量,mg/L；V—時段蓄水量,m3；CI—灌區入流營養物質濃度,mg/L；C0—灌區出流營養物質濃度,mg/L；RP—降雨水質營養物質濃度,mg/L；F—為使用化肥或肥料對營養物質濃度貢獻量；GP—單位面積作物生長吸收營養物質的總量，t/s；其中:F=kcs，kc—化肥施用系數，t/（km2.s）；，GP=GfPer,Gf—時段糧食產量，t/s，Per—糧食中營養物質含量，%。上述其他符號同水量平衡模型。

2 實例分析

2.1 灌區基本情況

2.1.1 地理位置及范圍

灌區位于河南省舞陽縣東北部的澧河南岸，屬淮河流域，涉及舞陽縣的舞泉鎮、文峰鄉、吳城鎮及九街鄉等6個鄉鎮。灌區南起舞陽縣城及漯舞鐵路，北抵澧河，西至許泌公路，東抵舞陽縣界，東西長約19.70km，南北寬約8.50km，項目區總面積168.60km2，灌溉面積 1.16萬 hm2。

2.1.2 地形地貌

灌區位于伏牛山東麓山前坡洪積崗地向沖積平原過渡區，海拔高程在72.00～85.89m之間，地面起伏變化較大，地勢自西南向東北傾斜，地面自然平均坡降約為1/3000。

2.1.3 土壤、植被

灌區地表土層成土母質主要為第四系全新統沖積物及第三系上更新統坡洪積物，土壤以黃棕色沙壤土為主，分布在澧河兩側，其間還有黑土及粘土零星分布，土壤肥沃，富含氮、磷、鉀及有機物。

2.1.4 河流水系

灌區河流主要有澧河及其支流唐河，屬于淮河流域。澧河是淮河流域沙穎河右岸的一條支流，全長145km，河道平均比降約1/2500，流域面積2787km2。河道下游沿途主要匯入支流有唐河。唐河河道全長35km，河道平均比降1/3000，流域面積258km2。

2.1.5 灌溉工程布局

灌區利用在澧河上修建節制閘調節水量后引、提水，然后在通過澧唐干渠和文吳干渠向灌區供水，設計引水流量分別為3.50，3.80m3/s。兩干渠末端分別布置退水閘，灌區退水全部匯入澧河。

2.2 灌區退水系統

灌區灌溉年設計引水量為4042.60萬m3，采用節水型灌溉方式，灌溉回歸水量有限。本工程共布置3座退水閘，其中澧唐干渠1座，文吳干渠2座，渠道退水入唐河后再流入澧河。具體見圖1。

圖1 灌區退水系統組成圖

2.3 模型計算

2.3.1 水量平衡計算

灌區灌溉面積1.16萬hm2，選擇一個灌溉周期作為計算時段，農田蓄水量得凈增量取0，降雨采用舞陽站實測資料。水量損失及退水流量計算結果見表1。

表1 項目區灌溉退水流量計算表

2.3.2 氮、磷濃度計算

根據農田灌溉入流氮磷量（采用澧河水質監測成果）、化肥中氮的使用量、植物吸收氮磷量計算農田氮、磷的總量，然后結合水量平衡計算結果得到灌溉退水中氮、磷的濃度。灌區以小麥、玉米及煙葉為主要作物，其對氮、磷吸收量通過灌區糧食產量和作物氮、磷含量來估算。農田化肥投入中總氮和總磷投入系數根據實際社會經濟資料進行估算。各種作物氮、磷含量見表2，農田化肥投入中總氮和總磷投入系數見表3，根據營養物質模型計算的農田灌溉退水中氮、磷濃度成果見表4。

表2 主要作物氮、磷含量表 （單位:%）

表3 農田kc取值單位:10-8t/（hm2.a）

2.4 模型驗證

根據灌區運行后退水排入河道水質的監測資料，按照平水期情況對磷濃度的計算結果進行驗證。結果見表5。從驗證結果來看，相對誤差絕對值小于10%，基本達到模型精度要求，這說明采用農田灌溉退水水量水質平衡模型預測灌溉退水營養物質濃度是可行的，可以作為灌區水資源論證中分析灌溉退水對河道水質影響的一種方法和手段。

表4 農田灌溉退水中氮、磷濃度成果表（單位:mg/L）

表5 河南某灌區農田灌溉退水磷濃度驗證表 單位:mg/L

3 結語

本文系統的對灌溉退水水量及水質進行了分析闡述，并結合實例，采用灌溉退水水量及水質模型對河南省某灌區退水水量及水質進行了分析研究。該模型計算簡便，結果合理，具有很強的可操作性，可以被應用于灌區水資源論證等實際工作中，模擬結果灌區水資源論證提供了科學依據，對灌區水資源論證分析具有很重要的意義。

[1]陳聆東，張曉燕.寧夏灌溉回歸水再利用的評價[J].寧夏農林科技,2000（01）34-36.

[2]肖素君，王煜，張新海,等.沿黃省區灌溉耗用黃河水量研究[J].灌溉排水,2002（2）60-62.

[3]于濤，何大偉，陳靜生.黃河流域灌溉農業的發展對黃河水量和水質的影響[J].農業環境科學學報，2003（6）664-665.