土地整治項目水資源平衡分析

劉社堂

摘要? ? 水資源平衡分析是進行土地整治的前提和基礎，只有摸清整治土地的水資源狀況，才能因地制宜地對整治土地科學規劃有效實施，確保經濟、社會和生態效益最優與協調統一。以定邊縣鄭寨子村土地整治項目為例，通過計算項目區域地下水補給量、排泄量、地下水可開采量、需水資源、可供水資源，定量模擬分析了該區域水資源平衡狀況，結果表明，項目具有可實施性。實證分析的水資源平衡計算方法，為區域水資源均衡分析評價提供了可推廣的理論支持。

關鍵詞? ? 土地整治;水資源;平衡分析;陜西定邊;鄭寨子村

中圖分類號? ? S273? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）14-0203-04? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract? ? The balance analysis of water resource is the precondition and foundation for land consolidation and rehabilitation.The scientific planning for land consolidation and rehabilitation can only be effectively implemented in the manner of adjusting measures to local conditions on the base of finding out the water resources status of land consolidation and rehabilitation，and ensure the optimal and coordinated economic benefits，social benefits and ecological benefits.Taking the land consolidation and rehabilitation project of Zhengzhaizi Village in Dingbian County as an example，the quantitative simulation analysis of the water resources balance in the region was conducted by calculating the groundwater recharge，excretion，groundwater recoverable amount，water resource demand and water availability in the project area.The result revealed that the project is implementable.The empirical analysis of the calculation method of the water resources balance provided the propagable theoretical support for regional water resources equilibrium analysis and evaluation.

Key words? ? land consolidation and rehabilitation;water resources;balance analysis;Dingbian Shaanxi;Zhengzhaizi Village

土地整治工程是為改善農業生產條件，提高農業生產效率，運用工程技術、物理、化學、生物等手段對低效、退化、未利用土地進行整理、修復、改良，使其發揮效用的科學手段，包括土地平整、水利灌溉、田間道路、農田保護和生態環境工程等。其中，水利灌溉、農田保護和生態環境工程都是為了改善水土資源匹配，合理有效地利用水資源。水資源是影響農業生產的主要因素，無論是缺水造成的農田干旱，還是植被覆蓋率低造成的水土流失，都會影響生產發展收益。因此，解決水資源問題是土地整治工程的關鍵環節。水資源平衡分析可以防止出現地下水超采導致水位持續下降，或因過量開發利用地下水引發生態環境惡化現象[1]。因此，依據項目區地形地貌、水文地質、水土資源制約等，利用現狀及潛力分析，才能因地制宜地對水資源量化均衡情況進行科學規劃，確保項目綜合效益最優[2]。

本文以陜西省定邊縣鄭寨子村土地整治項目為例，運用定量模擬分析法對項目水資源狀況進行探討分析，以期為項目的水資源平衡分析提供借鑒。

1? ? 項目區水文水資源概況

定邊縣地處陜西省北部，榆林市西端，黃土高原北側與內蒙古草原過渡地帶，位于毛烏素沙漠的南側風沙灘區。項目區為半干旱地區，水資源特點是降水資源少，蒸發量大，地表徑流貧乏，水質較差。定邊縣石洞溝鄉鄭寨子村位于縣城東南方向22 km，區域內主要河流為八里河，河水含氮素高，灌溉石洞溝、安邊以及堆子梁等3個鄉鎮的灘地4 000 hm2，是當地重要的灌溉水源。

項目區位于祁呂賀山子型構造體系伊陜盾地與新華夏系第三沉降帶的復合部位，基底穩定，構造作用微弱，褶皺、斷裂不發育，巖層微傾向西北。區域內第四系最厚達到20～164 m。境內地下水分布極不均勻，富水性相差懸殊。其中，第四系松散層潛水水資源較豐富，水位淺，水質一般;區內下伏基巖潛水一般水資源較小，但水質好。項目區承壓水分布廣泛，水資源微弱。5 m左右的地下水含鹽量為1 518～1 640 mg/L，20～250 m的地下水含鹽量為604～740 mg/L，水質好，適宜農田灌溉。

2? ? 水資源平衡模擬分析計算

2.1? ? 水資源均衡分析法

水資源均衡法是全面研究一定地區在一定時間內地下水的補給量、儲存量和排泄量之間的數量轉化關系的平衡計算，即對一個均衡區或水資源系統，在補給和消耗的不平衡發展過程中，任一時間段Δt內的補給量和排泄量之差，恒等于該系統中水體積（嚴格地說是水質量），如承壓水的彈性釋放和儲存的變化量。分析評價主要依據是測定區域天然補給量和開采條件下的補給增量。

選擇有代表性的地段做小范圍均衡試驗，測定各項均衡要素數值，取計算所需參數，然后用以計算整個均衡區的各種補給量[3];如果某些消耗量在開采時仍然存在，不能完全截取，則應分別計算補給量的增加量（ΔQ補）與消耗量的減少量（ΔQ消）。

2.2? ? 分析要素及模擬計算

2.2.1? ? 分析基礎因素。一是目標含水層組和地下取水水源地的平面位置，根據水文地質條件、取水資源和區域地下水資源調查評價的成果等實際要求確定;二是目標含水層組的空間分布，根據必要的地質勘探孔資料確定;三是項目所在地區的實際情況，如農業生產對水質的要求、取水量、灌溉用水分布特征等[4]。

2.2.2? ? 定量模擬計算。將各項均衡要素值代入均衡方程式中，計算出各均衡區的各項補給量和各項排泄量，進而計算灌溉工程需要補充的開采量等。即：建立模型雛形來研究和掌握計算區域的地質和水文地質條件，包括含水層的介質條件、地下水的流動條件以及含水層的邊界條件等3個方面，從而明確水文地質概念模型。同時，根據生態狀況，對計算模型予以校驗，使模型雛形符合實際水文地質條件，并根據地下水水位動態資料檢驗模型是否正確，即數學運算中的解逆問題，經過校正的模型還要用不同時段的資料對該數學模型進行驗證（即模型檢驗階段）。在此基礎上，運用模型進行水位預報和資源評價。開采動態預報核算時，應綜合考察邊界條件和地下水的補給、排泄條件可能發生變化等因素。

3? ? 項目區灌溉水源總量核算

3.1? ? 地表水資源量分析

鄭寨子土地整治項目區位于八里河下游。八里河屬內流河，發源于境內白于山北麓，流至石洞溝鄉馬家梁以東消失，流長54.5 km，流域面積384 km2，常流量0.2～1.0 m3/s，年徑流量1 698萬m3。但由于項目距八里河約8 km，距離較遠，且八里河只有在春季時才有水通過。除此以外，項目區內無河流流經，地表水資源無法保障。可知，地表水源不能作為本項目灌溉水源。

3.2? ? 地下水水源分析

項目區內地下水按賦存條件、含水介質及水力特征，可分為第四系松散層孔隙潛水、下伏白堊系基巖孔隙—裂隙潛水、承壓水。地下水類型及補徑排條件具體如下。

3.2.1? ? 項目區第四系松散巖類孔隙水。根據《定邊縣風沙灘區地下水資源評價》《榆林市定邊縣地下水勘查報告》資料、陜西省1∶50萬水文地質圖等資料成果分析及實地調查結果分析，薩拉烏蘇組地下水在項目區分布[5]。巖性為褐黃色、淺棕黃色間夾灰綠色、灰白色粉土、粉質黏土和粉細砂，夾棕紅色泥土透鏡體，具水平層理及魚鱗狀結構。風沙灘地區厚度一般40～80 m，古河槽中部最厚可達160 m，近起伏梁崗及黃土斜坡地帶，厚度漸薄為0～20 m。區域最主要含水層為薩拉烏素組沉積細、中砂，含水巖組厚20～60 m，據調查和相關資料成果，水位埋深8～10 m，機井水位降深6 m，單井出水資源一般為10～20 m3/h，最大達46 m3/h，中等富水。

薩拉烏蘇組含水層地下水主要接受降雨入滲、灌溉回歸、側向徑流補給，降雨入滲補給約占總補給量的70%以上，沙漠灘地區地形開闊，呈舒緩狀起伏，上覆透水性強的現代風積砂，大氣降水不易形成地表徑流而易滲入地下補給潛水，是最主要的地下水補給源。潛水地下水總體上由西南向東北徑流，水力坡度1.5‰～12.5‰。

薩拉烏蘇組地下水水流系統水化學空間分布差異較大，主要為HCO3類型水。根據項目區附近機井調查，可作為灌溉使用。

3.2.2? ? 下伏白堊系基巖孔隙—裂隙潛水。項目區白堊系基巖孔隙—裂隙潛水主要為洛河組含水巖（組）（k1Z2），巖性為細砂巖，粉砂巖夾泥質粉砂巖。被第四系含水層覆蓋，鉆孔揭露含水層厚度80～1 000 m，頂板埋深一般在40～80 m之間，受含水層巖性及厚度、上覆地層有隔水層分布等因素的影響，含水層賦存條件、補給條件差，屬弱富水區。其中，在王灘子—白土崗子一線受上覆地層富水性等因素影響，富水性較弱，水位埋深4.4～20.0 m，單井出水資源500～1 000 m3/d。如B6號孔揭露白堊系厚度108.7 m、水位埋深4.4 m、降深22.59 m時，涌水資源870 m3/d，滲透系數為0.452 m/d。

白堊系地下水的補給主要有大氣降水入滲補給、地表水線狀入滲補給、農田灌溉水入滲補給和側向邊界的斷面徑流補給。接受補給后，白堊系地下水在白于山、子午嶺、四十里梁等地表分水嶺及馬蓮河、延河、明水湖（還有分布于區內西、北部等地的鹽湖）等排泄基準面控制下，沿分水嶺向河谷或鹽湖徑流排泄、人工開采和側向斷面徑流排泄。

白堊系地下水水流系統水化學空間分布差異較大，礦化度多為300～700 mg/L，總體表現為水平方向上水質差異大;垂向上受沉積相影響，水化學類型具有極其復雜的特征，水質情況較好。結合項目區的地形地貌、地質結構特點及成井結構調查分析，研究測定區域第四系和下伏白堊系之間未發育存在完整的隔水層，兩者之間互相貫通。上部第四系潛水水資源10～20 m3/h，水質可作為灌溉使用，項目區白堊系地下水為八里河地下水系統，屬弱富水區，水資源100～500 m3/d，水質較好。

綜合考慮到水資源、水質可靠性與可行性、項目實施的經濟性及保護項目區水資源的動態平衡等因素，設計灌溉水源井取水層以第四系和下伏白堊系砂巖孔隙—裂隙水為開采目的層。

3.3? ? 地下水資源評價

由于灌溉設計采用項目區第四系潛水和白堊系碎屑巖孔隙—裂隙潛水，所以應對項目區的四系和白堊系碎屑巖孔隙—裂隙地下水進行資源評價。計算公式為：

Q補-Q排=Δω

式中：Q—補給量（降雨入滲補給，側向徑流補給，凝結水補給），Q—排泄量（潛水蒸發，人工開采，下游斷面流出），Δω—儲量變化量。

3.3.1? ? 補給量計算。項目區主要是大氣降水入滲補給，側向徑流補給，灌溉入滲和凝結水補給。

（1）降雨入滲量。項目區多年平均降雨量根據降雨等值線圖和相鄰項目資料確定為316.9 mm，降雨入滲系數參考項目區附近已實施的同類項目計算值及《陜北能源化工基地地下水勘查報告》等資料[5]，α取0.23。水源地項目區白堊系地下水的補給主要是基巖裸露的梁岡區，補給量較小，第四系的補給面積根據水文地質圖確定，總匯水面積（均衡區計算面積）為1 433 854.8 m2。按下列公式計算降水入滲補給量：

Q降=a降·F·P

式中：Q降—降水入滲補給量（m3/a）;a降—降水入滲補給系數，取0.23;P—年降水資源（mm）;F—均衡區計算面積（m2）。

根據《榆林市水文手冊》，Cv=0.27，Cs/Cv=2.5，模比系數KP通過查P-Ⅲ曲線，則KP=75%=0.804。

（2）側向徑流補給量。項目區地下水接受來自西南邊界的地下水側向徑流補給。地下水側向徑流補給量主要是均衡區周邊對此均衡區內的補償量。計算公式如下：

Q側補=K·I·B·H

式中：Q側補—側向徑流補給量（104 m3/a）;I—水力坡度，按影響半徑的距離上的水位差，取0.2;K—滲透系數，取區域中值，8.54 m/d;H—含水層厚度，根據區域含水層厚度一般在40～80 m，本次取60 m;B—補給寬度，項目區西北補給方向邊長，取為2 700 m。

計算結果：側向徑流補給量Q側補=27.67×104 m3/a。

（3）凝結水補給量。計算公式如下：

Qn=C2·F·t

式中：Qn—凝結水補給量（m3/d）;C2—凝結水補給模數，127.94 mm/km2·d;F—均衡區計算面積（km2）;t—年補給天數，取95 d。

計算結果：凝結水補給量Qn=17.43×104 m3/a。

由上述計算結果可知，項目區的75%保證率總補給量為53.49×104 m3/a，多年平均總補給量為56.07 m3/a。

3.3.2? ? 排泄量計算。區內蒸發極限深度：參照地質礦產部地質工程勘查院在項目區同水文地質單元所做的均衡試驗場成果及其他均衡試驗場成果資料，所確定的粉細砂土蒸發極限深度為6 m。本項目區地下水埋深在7 m以下，因而不考慮蒸發排泄量。項目區只有側向徑流排泄量和潛水向下部承壓水的越流排泄量。

（1）側向徑流排泄量計算。計算區地下水側向徑流排泄自東北邊界的地下水側向排泄。計算公式如下：

Q側排=K·I·B·H

式中：水力坡度（I）為0.1，斷面寬度（B）為2 000 m。

經計算，項目區側向排泄量：Q側排=11.96×104 m3/a。

（2）越流排泄量計算。計算公式如下：

Q越排=K·T·F·ΔH/M

式中：K—下伏地層滲透系數，取0.115 m/d;M—含水層厚度，區域資料含水層厚度100～240 m，本次取150 m;ΔH—相鄰2個含水層的水頭差1 m;F—計算區面積（m2）;T—計算時間，365 d。

經計算，Q越排=40.12×104 m3/a。

項目區總排泄量：Q總排=E+Q側排+Q越排=52.08×104 m3/a。

項目區地下水多年平均總補給量56.07×104 m3/a，75%保證率總補給量53.49×104 m3/a，多年平均總排泄量52.08×104 m3/a，多年平均補排差2.58×104 m3/a，75%保證率補排差1.41×104 m3/a。可以看出，項目區補給量略大于排泄量，基本平衡。

（3）地下水可開采量計算。采用可開采系數法，

計算公式為：Q可=ρ·Wa

式中：Q可—可開采量（m3/a）;ρ—可開采系數，參考相類似地區取0.55;Wa—總補給量（m3/a）。

計算的項目區潛水多年平均可開采量為30.84×104 m3/a，75%保證率下可開采量為29.42×104 m3/a。

3.4? ? 供水資源總量確定

項目區灌溉水源為開采項目區地下水潛水，考慮項目區生態用水，生態年用水資源按可開采水資源的10%取值，年平均3.08萬m3/a，75%保證率下為2.94×104 m3/a。

項目區為天然牧草地、沙地及其他草地，由于未開發，所以沒有已建成的機井，也沒有其他用水戶。因此，本次設計項目區的可供水資源視同為地下水可開采量減去預留的生態用水資源。即：年平均地下水可供水資源為27.76×104 m3/a;75%保證率下可供水資源為26.48×104 m3/a。

4? ? 灌溉需水總量預測

4.1? ? 區域灌溉制度設計

依據《陜西省土地開發整理工程建設標準》，并考慮項目區自然和社會經濟情況，土地整治項目區設計水平年為一般干旱年，設計灌溉保證率為75%。

根據項目區地形及灌溉設施條件，結合當地群眾的意見，項目區田塊規劃為高效節水示范區，一部分發展中心支軸式噴灌，噴灌覆蓋不到的區域，則采用滴灌系統進行灌溉，即噴灌區和滴灌區兩大方面。

4.2? ? 作物種類及種植面積

項目區作物復種指數為1.0，噴灌區設計耕地面積24.130 4 hm2，滴灌區設計耕地面積30.686 9 hm2，總耕地面積為54.817 4 hm2，全部種植玉米。

4.3? ? 灌溉參數設計與定額

4.3.1? ? 利用系數。噴灌區噴灑水利用系數80%，設計灌溉保證率75%。滴灌區滴灌要求灌溉水利用系數不小于90%，取值為95%。

4.3.2? ? 灌溉定額確定。依據《陜西省作物需水資源與分區灌溉模式》中對玉米灌溉模式分析可知，玉米的生長階段為播前、育苗、拔節、抽穗及乳熟期。項目完成后，鹽堿土被改良為砂壤土，根據陜北地區測定土壤含水資源的經驗：田間持水率，根據項目區土壤特點，取25%;土壤計劃濕潤層深度，取40 cm;土壤適宜含水資源（重量百分比）上限，取90%;土壤適宜含水資源（重量百分比）下限，取64%;壤干容重取1.4 t/m3;水容重取1 t/m3。

核算：灌溉凈需水資源=10×1.4×40×25%×（90%-64%）=36.4 mm（折合364.5 m3/hm2），項目噴灌的噴灑水利用系數為80%。

4.4? ? 需水資源總量核定

根據需水資源公式W=m·A/η，毛需水資源為364.5/0.8=455.625 m3/hm2。

結合實際，確定項目噴灌灌水定額為450 m3/hm2，全生育期灌溉5次;滴灌灌水定額為330 m3/hm2，全生育期灌溉5次（表2）。

根據作物灌溉定額，噴灌區設計耕地面積24.130 4 hm2，需水資源為5.43×104 m3/a;滴灌區設計耕地面積30.686 9 hm2，需水資源為5.06×104 m3/a。

經計算，灌溉區域內玉米需水資源總量為10.49×104 m3/a。

5? ? 水資源供需平衡分析

5.1? ? 水資源平衡計算

項目實施后，井灌水對地下水有回歸補給，依據供需平衡差公式：

ΔQ=Q可-Q需

式中：ΔQ—供需平衡差（104 m3/a）;Q可—可供水資源（104 m3/a）;Q需—總需水資源（104 m3/a）。

項目區多年平均可供水資源27.76×104 m3/a，75%保證率可供水資源26.48×104 m3/a，項目區1、項目區2灌溉需水資源分別為10.49×104、10.3×104 m3/a，多年平均供需平衡差為6.96×104 m3/a，75%保證率供需平衡差為5.68×104 m3/a。可以看出，多年平均可供水資源、75%保證率可供水資源（已預留生態用水）均能滿足項目的灌溉用水資源。同時，項目實施后灌溉可產生農田灌溉回滲補給量，可進一步保障灌溉的供水保證率。

綜上所述，項目實施后無論多年平均或75%保證率下，項目區地下水可供水資源能滿足灌溉用水資源。

5.2? ? 結論與討論

通過對陜西省定邊縣鄭寨子村土地整治項目區水資源供需平衡的定量模擬計算，可以看出，項目區年均地下水可開采量能夠滿足灌溉水資源需求。同時，土地開發項目實施后，水資源供需平衡，并略有節余。水資源的綜合利用能夠實現區域補排平衡，項目的實施不會對水資源平衡體系和生態環境產生負面影響。

水資源平衡分析是土地整治規劃設計的重要組成部分，也是決定項目能否實施規劃設計的依據，是水資源高效利用的前提和基礎[6]。后期，在土地開發工程實踐中，應有效地運用科學的水資源平衡分析方法，合理規劃與設計，調整區域農業產業結構布局，真正實現土地工程經濟效益、社會效益和生態效益的統一協調。

6? ? 參考文獻

[1] 盛曉磊.土地整治項目水資源平衡分析：以陜西榆林榆陽區岔河則土地整治項目為例[J].農業經濟與科技，2018（17）：24-26.

[2] 徐燕，王軍，王海帆，等.土地整治規劃設計中的水資源平衡分析：以云南東川為例[J].安徽農業科學，2018（12）：191-193.

[3] 劉志峰.北方巖溶區建設項目地下水資源論證模式研究[D].泰安：山東農業大學，2008.

[4] 楊長健.雪峰山隧道址區地下水土壤環境影響評價分析[D].長沙：中南大學，2007.

[5] 羅林濤.毛烏素沙地砒砂巖與沙復配土土壤特性及可持續利用研究[D].西安：西安理工大學，2015.

[6] 雷楠.水資源約束下公草灣林場適宜開發規模研究[D].西安：西安理工大學，2015.