董秋風(fēng)

(洛陽(yáng)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

灌區(qū)改造工程建設(shè)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(shè)前準(zhǔn)確分析灌區(qū)可供水源，對(duì)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(nèi)，自流灌區(qū)內(nèi)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(nèi)，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(nèi)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(wàn)m3。多年平均水資源可利用總量為29 666.2萬(wàn)m3，其中地表水可利用量為25 149.6萬(wàn)m3，地下水可利用量為6666.3萬(wàn)m3，重復(fù)計(jì)算量為2149.7萬(wàn) 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(wàn)m3，即灌區(qū)內(nèi)地表水資源量為2463.5萬(wàn)m3。灌區(qū)內(nèi)地下水資源量經(jīng)計(jì)算為547.8萬(wàn)m3。渡洋河為灌區(qū)內(nèi)過(guò)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(nèi)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(wàn)m3，即灌區(qū)內(nèi)過(guò)境水資源量為3483.0萬(wàn)m3。通過(guò)以上分析計(jì)算，灌區(qū)多年平均水資源總量為6494.3萬(wàn)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(nèi)，除了大石澗水庫(kù)水源工程和現(xiàn)狀小型農(nóng)水設(shè)施建設(shè)的機(jī)井外，基本沒(méi)有可為灌區(qū)灌溉提供水源的坑塘和小型水庫(kù)設(shè)施。

目前渡洋河流域三門峽市境內(nèi)在建有“三門峽市大石澗水庫(kù)工程”，水庫(kù)位于三門峽市東南陜縣店子鄉(xiāng)境內(nèi)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(kù)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(cè)站情況。渡洋河流域內(nèi)無(wú)水文站，屬無(wú)資料地區(qū)，其匯入河流為洛河，鄰近流域有長(zhǎng)水、韓城和宜陽(yáng)水文站，其中長(zhǎng)水、宜陽(yáng)水文站屬于國(guó)家基本水文站，資料精度較高。測(cè)站情況見表2。

表2 測(cè)站情況

(3)水庫(kù)參證站的選取?？紤]與渡洋河上游三門峽市大石澗水庫(kù)徑流計(jì)算的協(xié)調(diào)一致，本工程按照三門峽市大石澗水庫(kù)徑流計(jì)算方法即采用青龍澗河上的澗里水庫(kù)作為參證站。洛寧縣渡洋河大石澗水庫(kù)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50288—2018)有關(guān)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(shè)計(jì)保證率取50%～75%，本水庫(kù)灌溉設(shè)計(jì)保證率取P=50%。

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

表3 澗里水庫(kù)年徑流系列 萬(wàn)m3

(5)澗里水庫(kù)徑流系列代表性分析。澗里水庫(kù)年徑流參數(shù)：均值1073.3萬(wàn)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(kù)年徑流分配見表4。

表4 澗里水庫(kù)年徑流量劃分 萬(wàn)m3

由澗里水庫(kù)年徑流豐枯段統(tǒng)計(jì)表，見表5，1968—2006年38年間，有一個(gè)豐、平、枯變化時(shí)段，變化段為38 a。根據(jù)澗里水庫(kù)年徑流系列分析可看出，澗里水庫(kù)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(guò)程，反映了年徑流量豐、枯變化規(guī)律，從澗里水庫(kù)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(gè)豐平枯變化時(shí)段，年徑流量豐枯絕對(duì)變幅較大。

表5 澗里水庫(kù)年徑流豐枯段統(tǒng)計(jì)

圖1 澗里水庫(kù)年徑流模比系數(shù)差積曲線

(6)水源工程壩址處設(shè)計(jì)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(kù)徑流系列推求，移用過(guò)程中用面積比加流域平均徑流深對(duì)徑流過(guò)程進(jìn)行修正，使修正后的水庫(kù)壩址徑流過(guò)程符合流域?qū)嶋H情況。澗里水庫(kù)流域面積79.3 km2，本水庫(kù)區(qū)間匯流面積85.0 km2。查《河南省水資源》(2007年)，澗里水庫(kù)、本水庫(kù)多年平均徑流深均在100～150 mm之間，且兩水庫(kù)距離較為接近，水庫(kù)流域中心徑流深在140 mm左右，考慮澗里水庫(kù)實(shí)測(cè)資料比較可靠，按澗里水庫(kù)徑流深135 mm，徑流深比R水庫(kù)/R澗=1.0。

由澗里水庫(kù)1968—2006年徑流量系列得到大石澗水庫(kù)徑流系列，用數(shù)學(xué)期望公式P=m/(n+1)×100%計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，用矩法公式計(jì)算統(tǒng)計(jì)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(jì)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(wàn)m3；P=25%時(shí)，年徑流量為1512.3萬(wàn)m3；P=50%時(shí)，年徑流量為837.5萬(wàn)m3；P=75%時(shí)，年徑流量為456.2萬(wàn)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(kù)年徑流頻率曲線

(7)水源工程壩址處設(shè)計(jì)徑流量年內(nèi)分配。水庫(kù)工程斷面設(shè)計(jì)年徑流量年內(nèi)分配，采用設(shè)計(jì)代表年法進(jìn)行，設(shè)計(jì)代表年年徑流量的年內(nèi)分配采用同倍比放大法用典型年推求。故本水庫(kù)設(shè)計(jì)徑流量年內(nèi)分配參照澗里水庫(kù)1968—2006年資料。根據(jù)頻率分析結(jié)果，在澗里水庫(kù)實(shí)測(cè)年徑流量系列中，選擇豐、平、枯水年頻率與設(shè)計(jì)頻率比較接近，年內(nèi)分配對(duì)工程供水較為不利即枯水期長(zhǎng)、枯水流量小，汛期短、徑流量大及徑流量與設(shè)計(jì)徑流量比較接近的年。

根據(jù)表7中計(jì)算數(shù)據(jù)，大石澗水源工程50%保證率年可供水量837.5萬(wàn)m3。實(shí)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(kù)設(shè)計(jì)年徑流量年內(nèi)分配 萬(wàn)m3

1.1.3 地下水供水

現(xiàn)狀灌區(qū)內(nèi)有小農(nóng)水項(xiàng)目、土地整理、煙水配套等項(xiàng)目建設(shè)的機(jī)井工程總計(jì)50處，單個(gè)機(jī)井工程的設(shè)計(jì)抽水能力為10 m3/h，折合每天為240 m3/d，每年為8.76萬(wàn)m3/a。灌區(qū)內(nèi)機(jī)井工程總計(jì)日可供水能力為1.2萬(wàn)m3/d，年可供水能力為438萬(wàn)m3/a。但灌區(qū)機(jī)井供水是按照作物需求進(jìn)行，灌區(qū)全年總計(jì)供水時(shí)間為157 d，機(jī)井實(shí)際供水能力為188.4萬(wàn)m3/a。

1.2 現(xiàn)狀需水分析

灌區(qū)現(xiàn)狀需水量?jī)H考慮農(nóng)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(nèi)。根據(jù)灌區(qū)調(diào)查及2016年年鑒統(tǒng)計(jì)，目前灌區(qū)種植的主要農(nóng)作物有小麥、玉米、谷子、紅薯、豆類等，主要經(jīng)濟(jì)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(nóng)作物復(fù)種指數(shù)平均為1.43。糧經(jīng)作物比例失調(diào)，復(fù)種指數(shù)及土地利用率較低。大石澗灌區(qū)3393.33 hm2灌溉農(nóng)田范圍內(nèi)，現(xiàn)狀已有小農(nóng)水項(xiàng)目、土地整理、煙水配套等項(xiàng)目，其主要灌溉方式為管灌輸水，水源主要為機(jī)井供水，控制灌溉面積約為166.67 hm2，其余3226.67 hm2無(wú)灌溉基礎(chǔ)條件，暫按照土渠輸水和自流引水方式來(lái)估算灌溉定額。灌溉定額的選取依照《農(nóng)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(wú)灌溉條件的3226.67 hm2耕地綜合灌溉定額為2475.0 m3/hm2，合計(jì)計(jì)算得灌區(qū)3393.33 hm2耕地總計(jì)農(nóng)業(yè)凈需水量為850萬(wàn)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(wàn)m3/a。

現(xiàn)狀灌區(qū)內(nèi)可提供農(nóng)業(yè)供水水源的水利工程僅為機(jī)井工程，年供水能力為188.4萬(wàn)m3/a。根據(jù)上節(jié)分析，現(xiàn)狀灌區(qū)農(nóng)業(yè)毛需水量為1299萬(wàn)m3/a。計(jì)算得現(xiàn)狀灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉缺水量約為1110.6萬(wàn)m3/a。

2 項(xiàng)目實(shí)施后灌區(qū)水量供需分析

2.1 設(shè)計(jì)水平年灌溉保證率

設(shè)計(jì)水平年的確定，既考慮灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，又結(jié)合灌區(qū)工程建設(shè)要求。本灌區(qū)現(xiàn)狀基準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)保證率取50%～75%，結(jié)合灌區(qū)現(xiàn)狀種植結(jié)構(gòu)，本次確定灌區(qū)規(guī)劃采用的灌溉設(shè)計(jì)保證率為50%。結(jié)合現(xiàn)狀區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)、未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)等，本次灌區(qū)工程對(duì)灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)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(chǎn)優(yōu)勢(shì)，并適當(dāng)增加蔬菜、經(jīng)果等經(jīng)濟(jì)作物種植比例。根據(jù)這一指導(dǎo)思想，確定本次灌區(qū)內(nèi)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(jīng)果林種植比例10%，即340 hm2。復(fù)種指數(shù)由1.43提高至1.65。本次灌區(qū)灌溉設(shè)計(jì)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(jīng)果1350 m3/hm2。

2.2 設(shè)計(jì)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(shí)間。灌區(qū)主要灌溉方式為高效節(jié)水灌溉，設(shè)計(jì)凈灌水率進(jìn)行計(jì)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(shí)間，d。

根據(jù)設(shè)計(jì)灌溉制度，依據(jù)灌水率計(jì)算公式，按作物設(shè)計(jì)種植比例計(jì)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(biāo)準(zhǔn)GB 50288—2018的要求對(duì)初步灌水圖進(jìn)行修正，修正后灌水率計(jì)算成果見表8。由此確定本次洛寧縣大石澗水庫(kù)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(shè)計(jì)灌水率計(jì)算成果

2.3 需水分析及設(shè)計(jì)年可供水量分析

在農(nóng)業(yè)供水保證率為50%時(shí)，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(wàn)m3。因此，考慮用水系數(shù)后，經(jīng)計(jì)算，灌區(qū)灌溉毛需水量830.3萬(wàn)m3。

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

(2)水源工程蒸發(fā)、滲漏。根據(jù)大石澗水庫(kù)設(shè)計(jì)資料，水庫(kù)工程設(shè)計(jì)蒸發(fā)、滲漏損失為平均蓄水量的2%，即8.56萬(wàn)m3。

(3)河道生態(tài)需水量。河道生態(tài)基流量是維持水庫(kù)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(jì)算非汛期(10月—次年4月)多年平均流量為430.5萬(wàn)m3，年生態(tài)泄流量為43.05萬(wàn)m3，月均泄流量為3.59萬(wàn)m3。

(4)可供水量計(jì)算。經(jīng)調(diào)查，灌區(qū)范圍內(nèi)除灌區(qū)農(nóng)業(yè)供水外，無(wú)其他用水戶，因而水庫(kù)天然來(lái)水量與機(jī)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(kù)可供水量。計(jì)算成果詳見表9，灌區(qū)P=50%保證率可供水量計(jì)算成果表。

表9 灌區(qū)P=50%保證率可供水量計(jì)算成果 萬(wàn)m3

2.4 供需水平衡分析

灌區(qū)水資源供需平衡分析調(diào)節(jié)計(jì)算原則：(1)P=50%保證率年調(diào)節(jié)，以月為單位時(shí)段調(diào)節(jié)。(2)據(jù)各時(shí)段的來(lái)水量和用水量之差，得各時(shí)段的余水量和水庫(kù)蓄水量。(3)時(shí)段引水量與供水量由調(diào)節(jié)庫(kù)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(shí)可考慮部分地下水。經(jīng)分析，灌區(qū)在保證率P=50%的情況下年可供水量974.29萬(wàn)m3，水資源平衡計(jì)算結(jié)果見表10。經(jīng)對(duì)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(wàn)m3?？晒┧繚M足灌區(qū)用水需求。

表10 大石澗水庫(kù)典型年調(diào)節(jié)計(jì)算(P=50%) 萬(wàn)m3

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)計(jì)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(wàn)m3，機(jī)井實(shí)際供水能力為188.4萬(wàn)m3/a。但灌區(qū)缺乏必要配套設(shè)施導(dǎo)致灌區(qū)用水較為短缺。

(2)完成節(jié)水配套改造工程后，設(shè)計(jì)年灌區(qū)灌溉毛需水量830.3萬(wàn)m3，水庫(kù)蒸發(fā)、滲漏量為8.56萬(wàn)m3，河道生態(tài)需水量為43.05萬(wàn)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(wàn)m3，可供水量滿足灌區(qū)用水需求。