技术应用-水资源平衡分析浅析

1水土资源平衡分析浅析杨振刚（国地土地整理规划设计研究院北京100081）国家投资实施的土地开发整理项目，为了提高耕地质量，绝大多数都规划了灌溉工程，项目水土资源平衡分析—即讨论水源来水量和灌溉用水量之间的均衡关系是规划灌溉工程的重要依据。水源来水量和灌溉用水量都是逐年变化的。在规划设计时，必须先确定用哪个年份的数值进行平衡计算，这个特定的水文年份叫设计典型年，简称设计年。而设计年又是根据灌溉设计标准确定的。以下将对土地开发整理水土资源平衡分析的常用概念及方法做一浅析。1．灌溉设计标准选择设计年所依据的标准称为灌溉设计标准。它综合反映了水源来水对灌溉用水的保证程度，关系到灌溉工程的规模、投资和效益。国标（GB50288-99）规定：设计灌溉工程时，应首先确定灌溉设计保证率。南方小型水稻灌区的灌溉工程也可按抗旱天数进行设计。1．1灌溉设计保证率1.1.1灌溉设计保证率定义：指灌区用水量在多年期间能够得到充分满足的机率，一般用得到满足的年数占总年数的百分率表示。它综合反映了用水和来水两方面的情况。将多年的年灌溉用水量按大小顺序排列，用数理统计方法计算并绘制年灌溉用水量频率曲线，在此曲线上选用的频率值即为灌溉设计保证率值。如灌溉设计保证率P＝80％，则表示频率P＝80％对应的灌溉用水量出现的机会为80％，就是相当于平均每五年出现一次（五年一遇）供水不足或中断的情况。1.1.2灌溉设计保证率确定①国标（GB50288-99）规定：灌溉设计保证率如下表所示：灌水方法地区作物种类灌溉设计保证率（％）地面灌溉干旱地区或水资源紧缺地区以旱作为主50－75以水稻为主70－80半湿润、半干旱地区或水资源不稳定地区以旱作为主70－80以水稻为主75－85湿润地区或水资源丰富地区以旱作为主75－85以水稻为主80－95喷灌、微灌各类地区各类作物85－95注：A、作物经济价值较高的地区，宜选用表中较大值；作物经济价值不高的地区，可选用表中较小值。B、引洪淤灌系统的灌溉设计保证率可取30％－50％。2②确定原则：低压管道输水灌区取大于75％；提水灌区比自流灌区取值高些；大型灌区比小型灌区取值高些；经济发达地区比经济后进地区取值高些；中远期工程比近期工程取值高些。保证率取值过高，虽然保证率强，但是会使水源的灌溉能力不能充分发挥出来。反之，保证率取值过低，虽然可以扩大灌溉面积，但是保证性较差，使工程费用有不必要的增加。应当根据当地的经济条件、水源条件以及国家对当地农业生产的要求等因素综合确定。1.1.3灌溉设计保证率标准的用法由于年灌溉用水量值很难具有长系列的数值，所以灌溉设计保证率对应的设计年灌溉用水量值也不能由年灌溉用水量频率曲线上查得，为此就需要用按降雨量选择设计年法，进行年灌溉用水量计算。①原理：降雨量与灌溉用水量之间存在着相关关系。可以近似的用降雨量频率曲线表征年灌溉用水量频率曲线。用降雨频率取代灌溉设计保证率。即：中等年的降雨频率P＝50％相当于灌溉设计保证率P＝50％；中旱年的降雨频率P＝75％相当于灌溉设计保证率P＝75％和干旱年的降雨频率P＝85－90％相当于灌溉设计保证率P＝85－90％。②方法：常用的方法是把历年的年降雨量从大到小排列，进行频率计算，绘频率曲线。选择降雨频率和灌溉设计保证率相同的年份作为灌溉设计典型年。用这个设计年对应的年降雨量进行年灌溉用水量计算，就得灌溉设计保证率条件下的年灌溉用水量值。此法没有考虑年降雨量的年内分配情况及对作物用水的影响。按此年份计算出来的年灌溉用水量和作物实际要求的年灌溉用水量往往差别较大。还可以统计历年主要作物生育期的降雨量，进行频率计算，选择设计年。此法能够反映主要作物的来用水总量关系。但是，仍未能解决作物生育期内降雨量的分配及对作物用水的影响。还可以对历史上出现旱情较重的一些年份降雨量年内分配进行分析，选择对作物生长不利的雨量分配作为设计雨型。再按第一种方法确定设计年降雨量，然后把设计年降雨量按设计雨型进行分配，作为设计年的降雨过程。这是一种比较好的方法。但是，所需资料较多，工作量较大。1．2抗旱天数1.2.1．抗旱天数定义指灌溉设施能够满足作物需水要求的天数。它反映了灌溉设施的抗旱能力。抗旱期间，每天消耗的水量（腾发量和水田渗漏量）乘以抗旱的天数，作为单位面积上灌溉用水量的计算标准，可以用下式表示：tdeW3式中：W－单位面积上灌溉用水量（生长期灌溉定额）值，mm；t－抗旱天数，d;de－抗旱季节单位面积上平均每日耗水量，mm/d。湖北：稻别早稻中稻单季晚稻双季晚稻de(mm/d)6－78－108－106－7浙江：土壤粘土壤土沙壤土de(mm/d)5671.2.2抗旱天数标准：国标（GB50288-99）规定：抗旱天数“单季稻灌区可用30－50d，双季稻灌区可用50－70d。经济发达地区，可按上述标准提高10－20d。”目前我国采用的抗旱天数为50－100d。丰水区和水稻为主的南方江苏、广东等省，多采用70－100d。缺水区和旱作为主的北方陕西、宁夏等省多采用60－90d。湖北认为：30－40天不下雨为小旱，约相当于灌溉设计保证率为50－70％；40－70天不下雨为中旱，约相当于灌溉设计保证率为70－80％；70－100天不下雨为大旱，约相当于灌溉设计保证率为80－95％。1.2.3抗旱天数标准的用法：灌溉库容＝抗旱期单位面积上平均每天耗水量×灌溉面积×抗旱天数2．灌溉用水量：灌溉用水量的确定应该在项目区（灌区）土地利用规划和作物种植结构设计的基础上进行。2．1旱作物灌溉定额2.1.1生育期灌溉定额：KNNPEm002式中：2m－生育期灌溉定额，m3/亩；E－生育期作物田间需水量，m3/亩。《中国主要农作物需水量和灌溉》一书给出了详尽的数值可供查用；0P－生育期有效降雨量，m3/亩。PP0P－对应灌溉设计保证率的生育期内有效降雨量，mm；－降雨入渗系数。其值与一次降雨总量,降雨强度,土壤性质,地面覆盖和地形坡度情况以及土壤计划湿润层深度等因素有关。应根据实测资料慎重选用。河南，山西等省资料＝0.7—0.8。黑龙江省的资料：4一次降雨量（mm）55－5050－100100－150150－20001.00.80.750.70，NN0-播前和生育期末土壤耕作层（计划层）的储水量，m3/亩；K－生育期内作物对地下水的利用量，m3/亩。一般情况下，，NN0,K值均较小，可忽略不计，则上式变为：02PEm对于一种作物而言，其丰产的作物需水量（E）可以视为是固定的。如此，2m值的大小随0P而变。2.1.2播前灌水定额：水土0max1667wwHm式中：1m-播前灌水定额，m3/亩；土，水－土壤和水的容重，t/m3；H－计划湿润层深度，可取0.8－1m；maxw,0w－田间持水率和播前土层内土壤含水率（占干土重的百分数）。如此，旱作物的灌溉定额（M）如下式示：M=1m+2m北方主要旱作物灌溉制度表作物生育期灌溉制度备注灌水次数灌水定额（m3/亩）灌溉定额（m3/亩）小麦3－640－80200－300干旱年份棉花2－430－4080－150玉米3－440－60150－2502．2水稻灌溉定额2.2.1生育期灌溉定额：cpdetm'2式中：'2m－生育期灌溉定额，mm；det－生育期内田间耗水量；p－对应灌溉设计保证率的生育期有效降雨量，mm；c－生育期内排水量，mm；de－水稻的腾发量和水田的渗漏量，mm/d；t－生育期累计时间，d；2.2.2泡田期灌溉定额：111110'11000ptetshwwHm水土饱式中：'1m－泡田定额，mm；1p－泡田期降雨量，mm；1t－泡田期日期，d；5饱w，0w－土壤饱和含水率和泡田前土壤含水率（以干土重的百分数计）；H－饱和土层深度，m；土，水－饱和土层土壤干容重和泡田水的容重，t/m3；h－插秧时要求的田面水层深度，mm；一般为30－50mm；11，es－泡田开始至插秧时稻田渗漏强度和水田田面平均蒸发强度，mm/d。泡田定额参考表单位：mm土壤类别地下水埋深(m)22粘土和粘壤土75-120——中壤土和沙壤土105-150120-180轻沙壤土120-195150-240如此，水稻的灌溉定额（'M）如下式示：'2'1'mmM湖北省水稻泡田定额及生育期灌溉定额调查成果表（中等干旱年）单位：mm项目早稻中稻一季晚稻双季晚稻泡田定额105-120120-150105-120450-900灌溉定额300-375375-525525-750360-450总灌溉定额405-495495-675630-870405-540上述水量平衡法是计算灌溉定额的基本方法。还需结合灌溉实验站成果和群众丰产经验最后确定。2.2.3年灌溉用水量各种作物（水稻、小麦、玉米、棉花…）年灌溉用水总量（W）如下式示：水综水332211水3322111...1...AMAMAMAMAMAMAMW式中：321、M、MM－单一种作物（水稻、小麦、玉米…）的灌溉定额，m3/亩；321、A，AA－单一种作物（水稻、小麦、玉米…）的种植面积，亩；1，2，3－单一种作物（水稻、小麦、玉米…）的种植比；A－灌区耕地面积，亩；综M－各种作物的综合灌溉定额，m3/亩；水－灌溉水利用系数；田系水。系－渠道（管道）系统水利用系数系统大型灌区中型灌区小型灌区井灌区渠道防渗管道输水系0.550.650.750.90.956田－田间水利用系数灌区种植作物水稻旱作物田0.950.9水－灌溉水利用系数灌区类型大型灌区中型灌区小型灌区井灌区喷灌、微灌区滴灌区水0.50.60.70.80.850.9注：A、上述系数内容是国务院通令要各设计单位强制性执行的规范指标。B、井灌区低压管道输水灌溉场合：田管水水稻水0.9025；旱作物水0.855C、井渠结合灌区：水式中：j，jw－井灌水利用系数和地下水用量m3；q，qw－渠灌水利用系数和地表水用量m3；W－井渠灌区总用水量m3计算年灌溉用水总量还有一种方法：WQT式中：Q－灌溉引水流量m3/s；T－灌溉引水历时s。由于此法须借助于灌溉用水过程线（灌水率图）等资料，实际操作比较麻烦，小型灌区很少采用。3．水源来水量可以作为灌溉水源的有地上水和地下水。工程设施有水库、河流、塘坝、井等。3.1地上水3.1.1水库土地开发整理项目区经常遇到的水库类型如下表所示水库类型中型水库小（一）型水库小（二）型水库库容（万m3）1000－10000100－100010－100水库主要接受库区上游的来水，其灌溉水源来水量可以和水库管理部门通过协议确定。3.1.2河流河流水源来水主要是区外的河川径流量，也可能有部分当地地表径流量。河流水源来水量可用下式表示：QTW86400河式中：河W－作物生育期内可以引用的河流水量m3；Q－作物生育期内渠道引用的河流流量m3/s；T－作物生育期内渠道实际引水时间d。从河流的引水是个过程线，并且应该和用水过程线相匹配。从河流引水的历时不是全年的天数，而是渠道引水的实际天数。北方一些中小河流春季经常断流，径流资料极少，不作为主要水源。南方一些中小河流基流经常不断，流量虽小，但是比较稳定可靠，是主要水7源之一。3.1.3塘坝塘坝水源来水主要是当地地表径流。塘坝容积一般小于10万m3。①复蓄次数法：有效塘vVW式中：塘W－塘坝可提供的来水量m3；有效V－塘坝有效容积（指扣除垫底库容――水深约1m的库容。）m3；v－复蓄次数，即一年中蓄满次数。复蓄次数值的选择要符合当地情况。湖南和湖北的复蓄次数表塘坝类型湖南湖北孤立塘坝0.7-1.2丰水或平水年1.5-2.0中等干旱年1.0-1.5干旱年0.5-1.0结瓜塘坝1.2-1.5比孤立塘大0.5-1.0倍山东省莒县不同保证率下塘坝复蓄次数表保证率多年平均5