以引黃入冀補(bǔ)淀工程為水源的農(nóng)作物灌溉制度設(shè)計
——以衡水冀州市引黃灌溉工程為例

2017-07-05 14:45:52曹廣月

水利規(guī)劃與設(shè)計 2017年3期

曹廣月

曹廣月

(河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，河北石家莊050021)

隨著引黃等跨流域調(diào)水工程的實(shí)施，利用引調(diào)外來水源替代部分地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，從而緩解深層地下水超采，逐步實(shí)現(xiàn)地下水開采的動態(tài)平衡，改善地下水環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以冀州市引黃灌溉工程為例，對項(xiàng)目區(qū)農(nóng)作物灌溉制度進(jìn)行設(shè)計，計算了作物需水量及渠道蓄水量，分析了項(xiàng)目區(qū)水土資源平衡情況，對以引黃水作為灌溉水源的地表水灌溉工程的用水效率進(jìn)行分析并提出了合理建議。

引黃入冀補(bǔ)淀；冀州市；灌溉制度；水土資源平衡

1 研究區(qū)概況

冀州市隸屬河北省衡水市，轄區(qū)總面積918km2，為河北省沖積平原的一部分，地形地貌受歷代古河道黃河、漳河、滹沱河、滏陽河泛濫遷徙的影響，地勢平坦。全境東南部和西北部稍高，東北部較低，海拔高度為21.5～26.5m。冀州市引黃灌溉工程項(xiàng)目區(qū)位于冀南渠、冀呂渠沿線，分布在冀州市中南部的3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，包括冀州鎮(zhèn)、徐莊鄉(xiāng)及周村鎮(zhèn)。項(xiàng)目區(qū)共涉及31個村莊，灌溉面積3392.6hm2。

2 灌溉水源與引水時間

2.1 灌溉水源

冀州市引黃灌溉工程設(shè)計水源為引黃入冀補(bǔ)淀水，輸水線路均為現(xiàn)有河渠，自河南省濮陽縣濮清南干渠渠首引黃河水，在河南境內(nèi)穿衛(wèi)河入冀。入冀后進(jìn)入邯鄲市東風(fēng)渠后，流經(jīng)平鄉(xiāng)縣、任縣、巨鹿縣、隆堯縣，至寧晉孫家口涵洞，進(jìn)入滏東排河，流經(jīng)新河縣后通過冀碼渠進(jìn)水閘進(jìn)入冀州市［1］。

引黃入冀補(bǔ)淀工程為跨流域引水工程，其水源的顯著特點(diǎn)為季節(jié)性引水，即水源不能完全滿足適時灌溉的要求。

2.2 引水時間

根據(jù)已批復(fù)的河北省引黃入冀補(bǔ)淀工程初步設(shè)計報告成果，引黃輸水時間主要集中在冬4月。衡水市共安排2次集中引水時段，分別為11月17～20日、2月6～18日［2］。為縮短槽蓄時間，減小水量存蓄損失，增加引黃水利用效率，引黃輸水時間可主要集中在小麥冬灌期的11月下旬和2月下旬(為減少存蓄時間，輸水安排在引水末期)2個時間段。

結(jié)合作物灌溉時段，小麥冬灌時節(jié)與引黃第一次引水時段重合，小麥冬灌可利用引黃水源進(jìn)行直供；在第二次引水時段末期進(jìn)行蓄水，將冀碼渠、冀南渠和冀呂渠蓄水至設(shè)計水位，待小麥拔節(jié)時節(jié)，可利用槽蓄水量進(jìn)行蓄灌［3］。

3 灌溉制度設(shè)計及水土資源平衡分析

3.1 地表水灌溉利用系數(shù)

冀州市引黃灌溉工程自縣界至項(xiàng)目區(qū)地塊主要輸水渠道包括冀碼渠、冀南渠、冀呂渠。根據(jù)文獻(xiàn)［3］中的公式計算渠系水利用系數(shù)［3］。經(jīng)計算，冀碼渠渠道水利用系數(shù)為0.90，冀南渠渠道水利用系數(shù)為0.75，冀呂渠渠道水利用系數(shù)為0.84。根據(jù)文獻(xiàn)［3］，田間的低壓管道水利用系數(shù)統(tǒng)一采用0.95，田間水的利用系數(shù)采用0.90，則各級渠道的灌溉水利用系數(shù)計算成果見表1。

表1 灌溉水利用系數(shù)計算成果

3.2 灌溉面積及水土資源平衡分析

3.2.1 灌溉片區(qū)面積及作物種植結(jié)構(gòu)

冀州市引黃灌溉工程共改善灌溉面積為3392.6hm2.。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)灌溉經(jīng)驗(yàn)、當(dāng)?shù)貧夂?、土壤條件、水資源、作物種類、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式、近年實(shí)際種植作物比例及業(yè)主意見，確定作物種植結(jié)構(gòu)仍維持現(xiàn)狀［3］。項(xiàng)目區(qū)主要種植作物包括小麥、玉米、棉花。其中小麥種植面積2852.6hm2.，玉米2852.6hm2.，棉花540hm2，全項(xiàng)目區(qū)復(fù)種指數(shù)為1.84，見表2。

表2 項(xiàng)目區(qū)地塊基本情況統(tǒng)計

3.2.2 灌溉定額與灌溉制度

(1)灌溉定額。根據(jù)文獻(xiàn)［5］，并參照《河北省主要農(nóng)作物灌溉定額(修訂)》、文獻(xiàn)［3］和水資源條件，確定冀州市引黃灌溉工程渠灌灌溉保證率為50%。冀州市水資源短缺，地下水超采嚴(yán)重，現(xiàn)狀基本為非充分灌溉，即允許作物受一定的缺水和減產(chǎn)，但單位水量獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益［5］。本次工程設(shè)計目的是減少地下水用水量，故灌溉制度仍按現(xiàn)狀非充分灌溉原理確定。

經(jīng)調(diào)查，項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀主要種植作物為冬小麥、玉米和棉花。P=50%時，冬小麥灌溉定額為2325m3/hm2，玉米灌溉定額為825m3/hm2，棉花灌溉定額為750m3/hm2，種植比例分別為84%、84%和16%，復(fù)種指數(shù)為1.84，綜合灌溉凈定額為2760m3/hm2。

(2)灌溉制度。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)多年灌溉經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、土壤條件、水資源、作物種類及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式等制定作物灌溉制度，詳見表3。為與引黃放水時間相協(xié)調(diào)，同時參照當(dāng)?shù)貙?shí)際灌溉習(xí)慣，冬小麥不再考慮播前灌，增加一水冬灌。

表3 項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀灌溉制度（P=50%）

由表3可知，灌區(qū)中各作物灌水時間不重疊，單次灌水率最大的9.75×10-4m3/s/hm2，作為冀州引黃灌溉工程設(shè)計灌水率。

3.2.3 作物需水量計算

本次以各渠道控制地塊為控制單元，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)作物灌溉定額、灌溉制度及灌溉水利用系數(shù)，分析計算各地塊灌溉需水量。灌溉凈需水量直接按綜合灌溉定額與灌溉面積相乘得到，灌溉凈需水量與灌溉水利用系數(shù)的比值即為作物灌溉毛需水量。經(jīng)計算項(xiàng)目區(qū)3392.6hm2農(nóng)田灌溉凈需水量為427萬m3，毛需水量為712萬m3，詳見表4。

表4 項(xiàng)目區(qū)灌溉毛需水量成果

3.2.4 槽蓄量及損失量

由于引黃主要集中在冬四月輸水，不能按時灌溉，利用現(xiàn)狀冀碼渠、冀南渠、冀呂渠進(jìn)行槽蓄。為縮短槽蓄時間，減小水量存蓄損失，增加引黃水利用效率，引水時間主要集中在小麥冬灌期的11月下旬和2月中下旬(為減少存蓄時間，輸水安排在引水末期)2個時間段。

根據(jù)各渠道斷面設(shè)計情況計算，冀碼渠、冀南渠、冀呂渠的蓄水面積分別為104.4、117.7、38.4萬m2，槽蓄段河道長度分別為15.8、17.5、9.0km。考慮到水源條件，蓄供次數(shù)按1次計算，其蓄水損失參考以往類似河道整治蓄水工程的經(jīng)驗(yàn)，并考慮到渠道緊鄰衡水湖，受地下水頂托作用明顯，其蓄水滲漏損失系數(shù)綜合取30mm/d，則日滲漏量為蓄水水面面積乘以日蓄水損失系數(shù)和天數(shù)。蓄水損失天數(shù)根據(jù)引黃來水時間、蓄供時間及水面面積減小等情況，綜合考慮取為30d［6］。渠道蓄水損失計算成果見表5。

表5 渠道蓄水能力計算成果

經(jīng)以上分析，3條渠道在一次蓄供條件下扣除滲漏損失后的蓄水量為211.4萬m3。

3.2.5 水資源供需平衡分析

根據(jù)灌水定額及各作物種植比例計算求得灌溉范圍作物凈需水量427萬m3。根據(jù)來水過程及作物需水過程，小麥冬灌利用引黃水直灌；小麥拔節(jié)用引黃水進(jìn)行蓄灌［7］，引黃水2月下旬引水結(jié)束，小麥拔節(jié)3月底開始灌溉，需槽蓄30d左右，不足部分由地下水補(bǔ)充；棉花播前灌由地下水補(bǔ)充；小麥灌漿由地下水補(bǔ)充；玉米拔節(jié)由地下水灌溉。

根據(jù)前述分析的各渠道控制區(qū)毛需水量和項(xiàng)目區(qū)可供的地表水量和地下水供水量進(jìn)行水資源配置和供需平衡分析［8］。引黃直供小麥冬灌凈水量214萬m3，小麥拔節(jié)水河道槽蓄水量210萬m3，槽蓄水量基本滿足小麥拔節(jié)灌溉用水，不足部分由地下水補(bǔ)充。水資源供需分析成果見表6。

表6 水資源供需分析成果萬m3

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1)冀州市引黃灌溉工程引調(diào)黃河水量包括小麥冬灌直供水量、河道槽蓄水量(含蒸發(fā)滲漏損失)及槽蓄輸水過程中的水損失量。項(xiàng)目區(qū)單年度作物總需水量為1204萬m3，引黃灌溉工程單年度供給農(nóng)作物水量包括1水直供(356萬m3)和1水蓄供(211萬m3)，其引水利用量占作物總需水量的47.1%。由此可見，引調(diào)黃河水源進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，可在一定程度上緩解和改善當(dāng)?shù)氐叵滤蔂顩r。

(2)由上文引黃灌溉工程作物灌溉制度及水土資源平衡分析可見，由于引黃水源引水時間與作物灌溉季節(jié)不能完全匹配，地表水供水不能完全滿足作物全年灌溉用水需求。從全年農(nóng)作物灌溉情況來看，引黃灌溉工程可提供的水量不足作物總需水量的一半，總體來說地下水源仍是引黃灌區(qū)的必要補(bǔ)充。

4.2 建議

(1)由于引水時間的局限性，利用引黃入冀補(bǔ)淀水源作為灌溉水源的地表水灌溉工程，引水時間與作物灌溉季節(jié)不能完全匹配，致使受水區(qū)引黃水利用效率不高。水資源調(diào)度部門應(yīng)在滿足受水項(xiàng)目區(qū)灌溉保證率的基礎(chǔ)上，視項(xiàng)目區(qū)降水情況，合理安排引水時段，配水原則應(yīng)優(yōu)先保證農(nóng)作物適時灌溉，盡量減少槽蓄時間。

(2)由于引黃灌溉工程項(xiàng)目區(qū)普遍缺少比較完善的調(diào)蓄工程(尤其是蓄水工程)造成引黃水源綜合灌溉水利用效率不高。項(xiàng)目區(qū)應(yīng)積極發(fā)展諸如水庫、坑塘或渠道防滲等調(diào)蓄工程，增大蓄水容量并提高灌溉水利用系數(shù)，以更有效率地利用好引黃水源。

(3)引黃入冀補(bǔ)淀為跨流域調(diào)水工程，是河北省地下水壓采重要的替代水源工程，但由于其季節(jié)性引水的特殊性，如何用好引黃水源仍需在實(shí)踐中繼續(xù)摸索。

［1］黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司.引黃入冀補(bǔ)淀調(diào)水工程渠首段招標(biāo)文件［S］.

［2］河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院.引黃入冀補(bǔ)淀工程(河北段)初步設(shè)計報告［R］.2015.

［3］GB50288-99.灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司.引黃入冀補(bǔ)淀工程可行性研究報告［R］.2014.

［5］DB13/T1161-2016.河北省用水定額［S］.

［6］趙勐.河北省引黃輸水河段水文特性分析［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2012(06)：26-29.

［7］劉子英，劉保明.河北省冀州市水資源評價及農(nóng)業(yè)節(jié)水對策［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2003，11(04)：124-125.

［8］王漢文.淺談水生態(tài)文明建設(shè)理念［C］.2016第八屆全國河湖治理與水生態(tài)文明發(fā)展論壇文集.

［9］張永偉.引黃入冀補(bǔ)淀調(diào)水工程水資源利用分析［C］.2016中國國際水資源高效利用論壇文集.