基于供需平衡指數法分析贛撫平原灌區水資源供需平衡狀況

張洪杰

（江西省贛撫平原水利工程管理局,江西 南昌 330000）

灌區需水包括河道外需水和河道內需水。河道外需水主要包括城鄉居民生活、工業、農業和服務業等經濟社會各行業的需水,以及需要通過人工供水措施滿足的湖泊濕地補水等生態環境需水。河道內生態需水指維系一定生態系統功能不被占用的河道最小水資源量,包括天然生態和人工生態。贛撫平原灌區強化用水需求管理,以水資源開發利用和節約保護控制性指標為約束,在分析灌區水資源特點、用水結構、種植結構的基礎上,充分考慮相關行政區域產業結構布局與調整,采用供需平衡指數對灌區需水量預測及供需平衡進行研究[1]。

1 灌區概況

贛撫平原灌區位于贛中偏北地區,是一座以撫河為水源、通過焦石、柴埠口引水樞紐引水的大型灌區,承擔了城鎮工業、生活、環境供水及內河船運、發電等多項任務。灌區土地面積321.21 萬畝,耕地面積128.32 萬畝,設計灌溉面積119.30 萬畝,現狀有效灌溉面積117.36 萬畝,實際灌溉面積為116.4 萬畝。灌區在解決區域洪澇災害、干旱缺水、水環境惡化等問題中起著不可替代的作用,在保障區域糧食安全、用水安全、生態環境安全和農業可持續發展中作出了巨大貢獻。

2 灌區水平衡分析

引入區域水資源供需平衡指數（RWRI）對贛撫平原灌區水資源供給與需求狀況進行評估。RWRI 是指區域需水量和供水量比值,反映水資源供給和需求關系,計算式為：

式中：WD 為水資源需求量,WS 為水資源供給量。

當WD＜WS,水資源需求量小于供給量,表現為水資源盈余；當WD＞WS 時,水資源需求量大于供給量,表現為水資源短缺；當WS=WD 時,水資源需求量等于供給量,表現為水資源供需平衡。

2.1 灌區需水量測算

2.1.1 灌溉需水量

灌溉需水量是指從水資源向田間說送的灌溉水量,計算式如下：

式中：WAt為第t 年的灌溉需水量；Fi,k為i 分區k 作物的種植面積；Ij,k為j 月k 作物的灌溉定額。

灌區經過續建配套改造后,2025 年農田灌溉面積為117.36 萬畝,改善灌溉面積63.9 萬畝,2035 年達到設計灌溉面積119.30 萬畝。根據最嚴格水資源制度要求,2025 年農田灌溉水利用系數達到0.538,2035 年提高至0.550。

根據贛撫平原灌區綜合畝均凈灌溉定額及灌溉發展規劃,計算各水平年灌溉用水量,見表1。

表1 贛撫平原灌區各水平年灌溉用水量

2.1.2 生活用水量分析

生活需水量按照下式計算：

式中：W 為綜合生活需水量；ci為i 區人口；di為i 區的生活用水定額。

現狀贛撫平原灌區的生活用水戶主要集中在進賢縣城區、南昌縣老城區、向塘鎮等城鎮居民,供水人口約34.6 萬人。根據相關規劃,預測2025 年,灌區總供水人口將達到79.6 萬,其中城鎮人口62 萬,農村人口17.6 萬；2035 年,灌區總供水人口將達到73.67 萬,其中城鎮人口68.49 萬,農村人口15.18 萬。根據近年江西省水資源公報人均生活用水量指標判斷、城市居民生活用水量呈逐年上升趨勢,而城鎮公共用水量上升趨勢明顯。經綜合考慮,預測確定灌區城鎮居民最高日綜合生活用水定額2025 年為249/（人·d）,2035 年為250 L/（人·d）。農村居民生活用水定額2025 年和2030 年均為100 L/（人·d）。測算規劃水平年灌區各行政區域生活需水量見表2。

表2 規劃水平年灌區各行政區域居民生活需水量

2.1.3 工業用水量分析

根據調查,贛撫平原灌區以農田灌溉為主,工業用水較小,灌區主要工業用水戶主要有江氨、南鋼和南鐵。目前工業用水戶主要為南鋼。根據2013 年～2016 年灌區統計資料、工業年取水量均值為713 萬m3,主要用于廠區工業生產。根據相關規劃,贛撫平原灌區為南昌市應急備用水源,為保障南昌市區生活用水,不考慮贛撫平原內工業用水增量。因此,本次規劃選取近年灌區工業用水量年平均值并適當增長作為規劃水平年工業取水量。規劃水平年灌區工業需水量見表3。

表3 各規劃水平年灌區工業需水量

2.1.4 環境用水量分析

環境需水量包括河道生態補水和綠地環衛用水,采用下式計算：

式中：W 為生態需水量；ε為城鎮人口總數；η為需水定額。

贛撫平原灌區主要以農業灌溉為主,其供水原則是在干旱、水源不足年份,首先保障城鎮居民生活用水,兼顧農業、工業和環境用水；水電站、航運、旅游等用水應當服從生活用水、生產用水的需要。考慮到灌區渠道內水功能區及各干渠沒有需要特殊保護的水生生物等生態敏感對象,灌區灌溉、發電、生活、工業和城市環境用水及渠首多余的引水量可以滿足灌區各渠道自身生態環境需水的要求,同時由于渠道自身生態環境需水基本不消耗水量,從灌區各渠道流淌后仍然能夠供給灌區灌溉用水,因此只考慮南昌市環境用水,不考慮渠道自身生態環境需水。

贛撫平原灌區承擔著南昌市城區“八湖二河”（八湖為東湖、西湖、南湖、北湖、青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖,二河為撫河故道和玉帶河）的生態環境補水任務,主要是從西干渠和五干渠取水,還有部分城市環境用水取自六干渠和西總干。正常情況下,灌區需為南昌市環境補水2.4 億m3/a。從保障灌區糧食安全、用水安全和生態環境健康,以及最嚴格水資源管理對用水總量控制的要求等方面綜合考慮,規劃水平年灌區城市環境需水按近年年均正常補水并考慮適當增長。規劃水平年灌區城市環境需水量見表4。

表4 規劃水平年灌區生態需水量 單位：萬m3

2.1.5 灌區總需水量

根據上述預測,2025 年多年平均,P=50%、P=75%、P=85%和P=90%。灌區總需水量分別為9.82 億m3、9.78 億m3、11.13 億m3、12.23 億m3和12.45 億m3。2035 年多年平均,P=50%、P=75%、P=85% 和P=90% 灌區總需水量分別為9.96 億m3、9.91 億m3、11.23 億m3、12.32 億m3和12.53 億m3。

2.2 灌區可供水量分析

2.2.1 灌區水資源量

根據焦石壩1958 年～2018 年月徑流量成果,排頻得到壩址多年平均,P=50%、P=75%、P=85%、P=90%,徑流量分別為484 m3/s、474 m3/s、349 m3/s、323 m3/s 和300 m3/s。進而求得灌區多年平均,P=50%、P=75%、P=85%、P=90%的水資源量分別為153 億m3、149 億m3、110 億m3、102 億m3和95 億m3。

2.2.2 河道內生態需水量

計算河道內生態基流的方法較多,根據本流域特點,采用“最枯月均流量法”和“Tennant 法”計算河道內生態基流,并對比分析及采用。

（1）最枯月均流量法

李家渡站位于焦石壩下游約4 km 處,本次河道內生態需水量采用李家渡站歷年各月實測徑流資料,按最小取樣法求得歷年最小月均流量,按從大到小排頻計算設計頻率為90%的流量作為最小生態流量。按“最枯月均流量法”得到河道內生態需水量為20.6 m3/s。

（2）Tennant 法

統計李家渡站歷年實測平均流量,計算的李家渡站多年平均流量為410 m3/s。“Tennant 法”計算最小基流為多年平均流量的10%,即5.83 m3/s,也即按“Tennant 法”求得最小生態流量為41.0 m/s。

綜上分析計算,“最枯月均流量法”和“Tennant 法”計算河道內生態基流分別為20.6 m3/s、41.0 m3/s,采用較小者作為河道內生態需水量,即20.6 m3/s。

2.2.3 水資源可利用量分析

灌區水資源可利用水量指取水口處可以取用的水量,為來水扣除蒸發、滲漏和生態用水后的水量。以河流天然來水為水源的可利用水量,河道中來水難以通過人為控制,其可利用水量完全取決于實時來水量的大小。

由焦石壩址徑流量,扣除河道內生態流量后,為焦石及柴埠口可引水流量,實際引水流量以設計引用流量167 m3/s為限,不足則按實際流量計算。

根據以上原則,采用焦石壩1958 年～2018 年逐月來水量分析,得到贛撫平原灌區多年平均、P=50%、P=75%、P=85%、P=90%的水資源可利用量分別為47.6 億m3、48.6 億m3、45.1 億m3、41.9 億m3和40.4 億m3。

2.3 灌區水資源供需平衡分析

2.3.1 現狀水平年供需平衡分析

灌區現狀年有效灌溉面積117.36 萬畝,灌溉水利用系數0.484。根據灌區現狀年用水過程,結合現有水源來水情況,選取典型年逐月進行水量平衡分析、成果,水量供需平衡分析的總體原則為“以需定供”,即當來水大于需水時,按照需水量引水：當來水小于需水時,在預留河道生態用水前提下按照來水取水,見表5。

表5 現狀年用水過程水平衡分析 單位：m3

分析結果表明,由于焦石壩址來水豐富,灌區可利用水量充足,現狀年灌區所有供水時段均未破壞,RWRI 指數遠小于1,證明水資源狀況為充分盈余,可滿足灌區需水要求。

2.3.2 灌區規劃水平年供需平衡分析

規劃至2025 年和2035 年,灌區有效灌溉面積分別為117.36 萬畝、119.30 萬畝,灌溉水利用系數分別達到0.538和0.550。根據灌區需水量預測,結合水源來水情況,選取典型年逐月進行水量平衡分析,見表6。分析結果表明,在現有水源條件下,規劃水平年灌區所有供水時段均未破壞,RWRI指數遠小于1,證明水資源狀況為充分盈余,可滿足灌區需水要求。

表6 規劃年用水過程水平衡分析 單位：m3

3 結語

文章基于灌區現狀對各水平年的灌溉需水量、生活需水量、工業需水量和生態環境需水量進行測算,分析灌區可利用水資源量并進行水量平衡分析。結果表明,在現有水源條件下,規劃水平年灌區所有供水時段均未破壞,RWRI 指數遠小于1,證明水資源狀況為充分盈余,可滿足灌區需水要求,其續建配套和節水改造項目不受水資源制約。