大石澗灌區(qū)改造工程水資源供需平衡分析

董秋風

(洛陽水利勘測設計有限責任公司，河南 洛陽 471000)

灌區(qū)改造工程建設有利于改善灌區(qū)水資源利用效率低下的現(xiàn)狀。在節(jié)水配套工程建設前準確分析灌區(qū)可供水源，對做好灌區(qū)規(guī)劃具有十分重要的意義[1-4]。

大石澗灌區(qū)工程位于洛寧縣東北部，灌區(qū)分為東南部自流灌區(qū)、北部提水灌區(qū)和南部提水灌區(qū)三部分。東南部自流灌區(qū)位于水源工程下游東宋鎮(zhèn)境內，自流灌區(qū)內土地面積61.1 km2，耕地面積2446.67 hm2，灌溉面積1173.33 hm2；北部提水灌區(qū)位于水源工程北岸屬于東宋鎮(zhèn)，北部提灌灌區(qū)土地面積43.1 km2，耕地面積1506.67 hm2，灌溉面積673.33 hm2；南部提水灌區(qū)位于水源工程南岸小界鄉(xiāng)境內，南部提灌灌區(qū)土地面積85.3 km2，耕地面積3360.00 hm2，灌溉面積1546.67 hm2。灌區(qū)范圍內耕地面積7313.33 hm2，灌區(qū)灌溉面積3393.33 hm2。

1 現(xiàn)狀供需水平衡分析

1.1 現(xiàn)狀可供水量分析

1.1.1 多年平均水資源量

洛寧縣多年平均水資源總量為45 774.9萬m3。多年平均水資源可利用總量為29 666.2萬m3，其中地表水可利用量為25 149.6萬m3，地下水可利用量為6666.3萬m3，重復計算量為2149.7萬 m3；灌區(qū)范圍土地面積為189.5 km2，按照多年平均徑流深等值線，該地區(qū)多年平均徑流深為130 mm，灌區(qū)范圍多年平均徑流量為2463.5萬m3，即灌區(qū)內地表水資源量為2463.5萬m3。灌區(qū)內地下水資源量經計算為547.8萬m3。渡洋河為灌區(qū)內過境河流，灌區(qū)水源工程位于渡洋河上，控制上游流域面積258 km2，根據(jù)上游流域內平均徑流深為135 mm，灌區(qū)水源工程位置多年平均徑流量為3483.0萬m3，即灌區(qū)內過境水資源量為3483.0萬m3。通過以上分析計算，灌區(qū)多年平均水資源總量為6494.3萬m3。

1.1.2 灌區(qū)水利工程供水能力

(1)水利工程概況。在灌區(qū)范圍內，除了大石澗水庫水源工程和現(xiàn)狀小型農水設施建設的機井外，基本沒有可為灌區(qū)灌溉提供水源的坑塘和小型水庫設施。

目前渡洋河流域三門峽市境內在建有“三門峽市大石澗水庫工程”，水庫位于三門峽市東南陜縣店子鄉(xiāng)境內石澗河中上游，流域面積173 km2，擬建壩址距離上游“三門峽市大石澗水庫工程”壩址約9.5 km，區(qū)間流域面積85 km2。流域特征參數(shù)見表1。

(2)測站情況。渡洋河流域內無水文站，屬無資料地區(qū)，其匯入河流為洛河，鄰近流域有長水、韓城和宜陽水文站，其中長水、宜陽水文站屬于國家基本水文站，資料精度較高。測站情況見表2。

表2 測站情況

(3)水庫參證站的選取。考慮與渡洋河上游三門峽市大石澗水庫徑流計算的協(xié)調一致，本工程按照三門峽市大石澗水庫徑流計算方法即采用青龍澗河上的澗里水庫作為參證站。洛寧縣渡洋河大石澗水庫水源工程徑流量全部為本區(qū)徑流量，根據(jù)《灌溉與排水工程設計標準》(GB 50288—2018)有關規(guī)定，干旱地區(qū)或水資源緊缺地區(qū)，種植種類以旱作物為主，灌溉設計保證率取50%～75%，本水庫灌溉設計保證率取P=50%。

(4)計算途徑。選取鄰近青龍澗河上的澗里水庫徑流系列作為本次分析計算的主要依據(jù)。在本次徑流計算中考慮上游正在建設的“三門峽市大石澗水庫工程”，徑流區(qū)為區(qū)間流域。澗里水庫于1959年10月建成，1963年設站觀測，有1968—2006年徑流資料，水文年共計38 a，見表3，采用庫水位反推，進行了還原，經過整編刊印，資料系列具有一定精度，成果可靠。

表3 澗里水庫年徑流系列 萬m3

(5)澗里水庫徑流系列代表性分析。澗里水庫年徑流參數(shù)：均值1073.3萬m3，Cv=0.94，Cs=2.5Cv；P特豐≤5%，P豐=5%～20%，P偏豐=20%～50%，P偏枯=50%～75%，P枯=75%～95%，P特枯≥95%。依此劃分澗里水庫年徑流分配見表4。

表4 澗里水庫年徑流量劃分 萬m3

由澗里水庫年徑流豐枯段統(tǒng)計表，見表5，1968—2006年38年間，有一個豐、平、枯變化時段，變化段為38 a。根據(jù)澗里水庫年徑流系列分析可看出，澗里水庫的年徑流系列具有豐、平、枯的變化規(guī)律。年徑流的差積曲線變化過程，反映了年徑流量豐、枯變化規(guī)律，從澗里水庫年徑流差積曲線(圖1)可以看出，曲線形狀為單峰型，具有一個豐平枯變化時段，年徑流量豐枯絕對變幅較大。

表5 澗里水庫年徑流豐枯段統(tǒng)計

圖1 澗里水庫年徑流模比系數(shù)差積曲線

(6)水源工程壩址處設計年徑流量。洛寧縣渡洋河大石澗水源工程斷面徑流量系列，用水文比擬法移用澗里水庫徑流系列推求，移用過程中用面積比加流域平均徑流深對徑流過程進行修正，使修正后的水庫壩址徑流過程符合流域實際情況。澗里水庫流域面積79.3 km2，本水庫區(qū)間匯流面積85.0 km2。查《河南省水資源》(2007年)，澗里水庫、本水庫多年平均徑流深均在100～150 mm之間，且兩水庫距離較為接近，水庫流域中心徑流深在140 mm左右，考慮澗里水庫實測資料比較可靠，按澗里水庫徑流深135 mm，徑流深比R水庫/R澗=1.0。

由澗里水庫1968—2006年徑流量系列得到大石澗水庫徑流系列，用數(shù)學期望公式P=m/(n+1)×100%計算經驗頻率，用矩法公式計算統(tǒng)計參數(shù)作為初試值，用適線法(以皮爾遜P—Ⅲ型曲線為理論頻率曲線)確定統(tǒng)計參數(shù)，成果列表6，頻率曲線見圖2。大石澗水源工程壩址處年均徑流量為1150.4萬m3；P=25%時，年徑流量為1512.3萬m3；P=50%時，年徑流量為837.5萬m3；P=75%時，年徑流量為456.2萬m3。

表6 大石澗水源工程壩址處徑流系列成果

圖2 大石澗水庫年徑流頻率曲線

(7)水源工程壩址處設計徑流量年內分配。水庫工程斷面設計年徑流量年內分配，采用設計代表年法進行，設計代表年年徑流量的年內分配采用同倍比放大法用典型年推求。故本水庫設計徑流量年內分配參照澗里水庫1968—2006年資料。根據(jù)頻率分析結果，在澗里水庫實測年徑流量系列中，選擇豐、平、枯水年頻率與設計頻率比較接近，年內分配對工程供水較為不利即枯水期長、枯水流量小，汛期短、徑流量大及徑流量與設計徑流量比較接近的年。

根據(jù)表7中計算數(shù)據(jù)，大石澗水源工程50%保證率年可供水量837.5萬m3。實際由于未配套末端渠系，灌區(qū)水利工程地表水現(xiàn)狀可供量為零。

表7 大石澗水庫設計年徑流量年內分配 萬m3

1.1.3 地下水供水

現(xiàn)狀灌區(qū)內有小農水項目、土地整理、煙水配套等項目建設的機井工程總計50處，單個機井工程的設計抽水能力為10 m3/h，折合每天為240 m3/d，每年為8.76萬m3/a。灌區(qū)內機井工程總計日可供水能力為1.2萬m3/d，年可供水能力為438萬m3/a。但灌區(qū)機井供水是按照作物需求進行，灌區(qū)全年總計供水時間為157 d，機井實際供水能力為188.4萬m3/a。

1.2 現(xiàn)狀需水分析

灌區(qū)現(xiàn)狀需水量僅考慮農業(yè)用水的需水量，其他用水包括生活、工業(yè)、生態(tài)等用水量不在本次考慮范圍內。根據(jù)灌區(qū)調查及2016年年鑒統(tǒng)計，目前灌區(qū)種植的主要農作物有小麥、玉米、谷子、紅薯、豆類等，主要經濟作物有蔬菜、瓜類、煙葉、油菜等，主要果林有蘋果、梨、石榴、葡萄、桃、草莓等，現(xiàn)狀種植比例小麥0.49，玉米0.43，煙葉0.30，其他0.21，農作物復種指數(shù)平均為1.43。糧經作物比例失調，復種指數(shù)及土地利用率較低。大石澗灌區(qū)3393.33 hm2灌溉農田范圍內，現(xiàn)狀已有小農水項目、土地整理、煙水配套等項目，其主要灌溉方式為管灌輸水，水源主要為機井供水，控制灌溉面積約為166.67 hm2，其余3226.67 hm2無灌溉基礎條件，暫按照土渠輸水和自流引水方式來估算灌溉定額。灌溉定額的選取依照《農業(yè)用水定額》(DB41/T 958—2014)。有灌溉條件的166.67 hm2耕地綜合灌溉定額為1726.5 m3/hm2，無灌溉條件的3226.67 hm2耕地綜合灌溉定額為2475.0 m3/hm2，合計計算得灌區(qū)3393.33 hm2耕地總計農業(yè)凈需水量為850萬m3/a。按照管道和渠系水利用系數(shù)的不同，管道灌溉綜合系數(shù)取0.80，渠道灌溉綜合系數(shù)取0.65，灌區(qū)毛需水量為1299萬m3/a。

現(xiàn)狀灌區(qū)內可提供農業(yè)供水水源的水利工程僅為機井工程，年供水能力為188.4萬m3/a。根據(jù)上節(jié)分析，現(xiàn)狀灌區(qū)農業(yè)毛需水量為1299萬m3/a。計算得現(xiàn)狀灌區(qū)內農業(yè)灌溉缺水量約為1110.6萬m3/a。

2 項目實施后灌區(qū)水量供需分析

2.1 設計水平年灌溉保證率

設計水平年的確定，既考慮灌區(qū)經濟發(fā)展的需要，又結合灌區(qū)工程建設要求。本灌區(qū)現(xiàn)狀基準年采用2016年。本次規(guī)劃灌區(qū)范圍北起洛寧縣北部邊界，南至洛寧縣城北，西起小界鄉(xiāng)，東至渡洋河鄭盧高速。灌區(qū)地處洛寧縣東北部丘陵區(qū)，氣候劃分為溫和干旱區(qū)，以種植旱作物為主，按照標準GB 50288—2018規(guī)定：干旱地區(qū)或水資源緊缺地區(qū)，種植種類以旱作物為主，灌溉設計保證率取50%～75%，結合灌區(qū)現(xiàn)狀種植結構，本次確定灌區(qū)規(guī)劃采用的灌溉設計保證率為50%。結合現(xiàn)狀區(qū)域土地利用結構、未來農業(yè)發(fā)展趨勢等，本次灌區(qū)工程對灌區(qū)內農業(yè)種植結構進行相應調整，維持基本谷物類種植面積，充分保障區(qū)域糧食安全，繼續(xù)保持特色煙葉的生產優(yōu)勢，并適當增加蔬菜、經果等經濟作物種植比例。根據(jù)這一指導思想，確定本次灌區(qū)內小麥種植比例50%，即1700 hm2；玉米等其他作物種植比例50%，即1700 hm2，煙業(yè)種植比例為35%，即1190 hm2；蔬菜種植比例20%，即680 hm2；經果林種植比例10%，即340 hm2。復種指數(shù)由1.43提高至1.65。本次灌區(qū)灌溉設計保證率為50%，各類作物的灌水定額，取小麥1575 m3/hm2，玉米1200 m3/hm2，煙業(yè)600 m3/hm2，蔬菜1125 m3/hm2，經果1350 m3/hm2。

2.2 設計灌水率

灌水率的大小取決于灌區(qū)作物組成、灌溉定額和灌水延續(xù)時間。灌區(qū)主要灌溉方式為高效節(jié)水灌溉，設計凈灌水率進行計算,見式(1)：

(1)

式中：qik為第i種作物第k次灌水的凈灌水率，m3/(s·hm2)；mik為第i種作物第k次灌水的凈灌水定額，m3/m2；αi為第i種作物的種植比例；Tik為第i種作物第k次灌水的灌水延續(xù)時間，d。

根據(jù)設計灌溉制度，依據(jù)灌水率計算公式，按作物設計種植比例計算代表作物凈灌水率。將同期各種作物灌水率相加，繪制初步灌水率圖，并按標準GB 50288—2018的要求對初步灌水圖進行修正，修正后灌水率計算成果見表8。由此確定本次洛寧縣大石澗水庫節(jié)水灌區(qū)工程灌水率為4.965×10-4m3/(s·hm2)。

表8 修正后的設計灌水率計算成果

2.3 需水分析及設計年可供水量分析

在農業(yè)供水保證率為50%時，本次工程規(guī)劃灌溉面積為3393.33 hm2，2030年灌區(qū)多年平均灌溉凈需水量為664.2萬m3。因此，考慮用水系數(shù)后，經計算，灌區(qū)灌溉毛需水量830.3萬m3。

(1)現(xiàn)狀機井及蓄水設施。根據(jù)大石澗灌區(qū)現(xiàn)狀灌溉條件，現(xiàn)狀具有小農水、煙水配套、土地整理蓄水池，其水源為機井供水，年可供水量為188.4 m3，供需平衡計算時可按需提水。

(2)水源工程蒸發(fā)、滲漏。根據(jù)大石澗水庫設計資料，水庫工程設計蒸發(fā)、滲漏損失為平均蓄水量的2%，即8.56萬m3。

(3)河道生態(tài)需水量。河道生態(tài)基流量是維持水庫下游河道基本功能的最小生態(tài)需水量，北方地區(qū)水資源量四季分配不均，多以非汛期多年平均流量的10%作為下游河道的生態(tài)流量，根據(jù)計算非汛期(10月—次年4月)多年平均流量為430.5萬m3，年生態(tài)泄流量為43.05萬m3，月均泄流量為3.59萬m3。

(4)可供水量計算。經調查，灌區(qū)范圍內除灌區(qū)農業(yè)供水外，無其他用水戶，因而水庫天然來水量與機井供水之和減去蒸發(fā)、滲漏損失及河道的生態(tài)基流，便是水庫可供水量。計算成果詳見表9，灌區(qū)P=50%保證率可供水量計算成果表。

表9 灌區(qū)P=50%保證率可供水量計算成果 萬m3

2.4 供需水平衡分析

灌區(qū)水資源供需平衡分析調節(jié)計算原則：(1)P=50%保證率年調節(jié)，以月為單位時段調節(jié)。(2)據(jù)各時段的來水量和用水量之差，得各時段的余水量和水庫蓄水量。(3)時段引水量與供水量由調節(jié)庫容確定，并由供水量控制。(4)優(yōu)先使用地表水作為灌溉水源，不足時可考慮部分地下水。經分析，灌區(qū)在保證率P=50%的情況下年可供水量974.29萬m3，水資源平衡計算結果見表10。經對50%保證率條件下，灌區(qū)水資源供需平衡分析得出，灌區(qū)規(guī)劃水平年需水量為830.3萬m3。可供水量滿足灌區(qū)用水需求。

表10 大石澗水庫典型年調節(jié)計算(P=50%) 萬m3

3 結 論

(1)通過計算，大石澗灌區(qū)現(xiàn)狀可供水量較為充足。其中，大石澗水源工程50%保證率年可供水量837.5萬m3，機井實際供水能力為188.4萬m3/a。但灌區(qū)缺乏必要配套設施導致灌區(qū)用水較為短缺。

(2)完成節(jié)水配套改造工程后，設計年灌區(qū)灌溉毛需水量830.3萬m3，水庫蒸發(fā)、滲漏量為8.56萬m3，河道生態(tài)需水量為43.05萬m3，灌區(qū)可供水量與現(xiàn)狀年一致，在保證率P=50%的情況下年可供水量974.29萬m3，可供水量滿足灌區(qū)用水需求。