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        山區(qū)節(jié)水灌溉規(guī)劃的水資源與水量平衡分析

        2022-08-20 08:29:04孫麗麗梁再輝
        城鎮(zhèn)供水 2022年4期
        關(guān)鍵詞:供水量項(xiàng)目區(qū)用水量

        孫麗麗 李 娟 梁再輝 劉 佳 孫 穎

        (1湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院北京分院,北京100054;2北京市自來水集團(tuán)有限責(zé)任公司,北京 100031;3北京市門頭溝區(qū)水務(wù)局,北京 102300)

        1.引言

        門頭溝區(qū)為純山區(qū),水土資源均十分緊張,水資源與土地資源都是有限的自然資源,二者相輔相成又相互制約,水土資源不平衡將會導(dǎo)致水資源利用走上惡性循環(huán)的方向,直接或間接影響區(qū)域內(nèi)水資源利用的可持續(xù)性,而水資源是土地資源發(fā)揮自身生產(chǎn)優(yōu)勢的基本條件之一。項(xiàng)目區(qū)地表水由于近幾年連續(xù)干旱,供水量有所下降,地下水由于超量開采,水位下降,部分機(jī)井水位下降且出水量不足,項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀水源供水量日趨緊張,有部分地塊無法滿足灌溉要求,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。

        為深入貫徹落實(shí)《中共北京市委 北京市人民政府 關(guān)于調(diào)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)方式發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)的意見》、《北京市推進(jìn)“兩田一園”高效節(jié)水工作方案》,通過發(fā)展先進(jìn)的農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉設(shè)施,解決水資源短缺、農(nóng)業(yè)用水效率不高、管理不到位等問題。門頭溝區(qū)2018年實(shí)施 “兩田一園”高效節(jié)水灌溉工程(一期),發(fā)展及改善節(jié)水灌溉面積10143畝。為落實(shí)“用水總量控制”與“用水效率控制”的農(nóng)業(yè)用水管理制度,首先通過區(qū)域水資源平衡分析,對項(xiàng)目區(qū)水資源的數(shù)量、質(zhì)量、開發(fā)利用現(xiàn)狀和供需發(fā)展趨勢做出判斷,為項(xiàng)目區(qū)合理開發(fā)利用提供數(shù)據(jù)支撐。本項(xiàng)目在不增加灌溉用水量的情況下,確定灌溉面積為10143畝。其次逐個(gè)地塊進(jìn)行平衡分析,對于水源日來水量不足,不能滿足作物日需水量的地塊,結(jié)合利用蓄水工程,進(jìn)行多日調(diào)節(jié),使一個(gè)灌溉周期內(nèi)的總來水量大于等于作物的總需水量,滿足作物生長需求。

        2.項(xiàng)目區(qū)概況

        2.1 種植作物面積及灌溉方式

        項(xiàng)目建設(shè)高效節(jié)水灌溉面積10143畝,種植作物為果樹,遵循種植結(jié)構(gòu)、灌溉技術(shù)特點(diǎn)和當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的建議,采用不同灌溉方式進(jìn)行灌溉。

        (1)小管出流:地形復(fù)雜地區(qū),且分戶管理的地塊,選用小管出流的灌溉方式,面積5857畝。

        (2)微潤灌:水源水量不足,管理集中的地塊,推廣新型的微潤灌的灌溉方式,面積2716畝。

        (3)微噴帶:水源相對充分的地塊,根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn),選擇微噴帶灌溉,主要集中在齋堂鎮(zhèn)和妙峰山鎮(zhèn),面積1027畝。

        (4)微噴:清水鎮(zhèn)果園種植獼猴桃,根據(jù)種植經(jīng)驗(yàn),選擇微噴的灌溉方式,面積347畝。

        (5)滴灌:矮化蘋果選擇滴灌的灌溉方式,面積196畝。

        2.2 水源情況

        項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀灌溉水源包括地表水和地下水共46個(gè)地塊,其中35個(gè)地塊(7888畝)采用地下水灌溉,農(nóng)業(yè)灌溉井35眼;11個(gè)地塊(2255畝)采用地表水灌溉。

        (1)地下水

        項(xiàng)目區(qū)32個(gè)地塊采用機(jī)井(巖石井或四系井)灌溉,機(jī)井?dāng)?shù)量32眼,井深36~580m,出水量10~40m3/h;另有3個(gè)地塊采用礦井水灌溉,出水量15~50m3/h。地下水年可供水量共計(jì)為77.08萬m3,具體見表2-1。

        表2 -1 地下水可供水量統(tǒng)計(jì)表

        (2)地表水

        項(xiàng)目區(qū)11個(gè)地塊采用地表水為灌溉水源,其中永定鎮(zhèn)南區(qū)地塊為泉水水源,涌水量穩(wěn)定不斷流;齋堂鎮(zhèn)包括清水河、永定河為水源,均已建成塘壩或蓄水池;雁翅鎮(zhèn)主要地表水水源為永定河,永定河除冬季,其余季節(jié)均有河水可用于灌溉;妙峰山鎮(zhèn)地塊均已建成塘壩,主要依靠下葦?shù)樗畮旆潘喔?。地表水年可供水量共?jì)為50.50萬m3,具體見表2-2。

        表2 -2 地表水可供水量統(tǒng)計(jì)表

        3.水資源平衡分析

        3.1 現(xiàn)狀年灌溉用水量

        項(xiàng)目區(qū)地塊主要種植果樹,根據(jù)統(tǒng)計(jì),項(xiàng)目區(qū)內(nèi)微灌1246畝,管灌7309畝,其它1858畝,合計(jì)地塊面積10143畝,灌溉面積10082畝。

        工程設(shè)計(jì)選取2018年為現(xiàn)狀年,根據(jù)不同作物的計(jì)算確定灌溉定額,按不同灌溉方式選取灌溉水利用系數(shù),計(jì)算得出現(xiàn)狀年灌溉用水量為98.00萬m3,單位面積年灌溉用水量為96.62m3/畝,具體見表3-1。

        表3 -1 現(xiàn)狀年灌溉用水量計(jì)算表

        3.2 規(guī)劃年灌溉用水量

        項(xiàng)目區(qū)作物灌溉用水量采用定額法計(jì)算,作物凈灌溉用水量等于作物灌溉面積與作物凈灌溉定額的乘積。作物凈灌溉定額是指作物全生育期歷次灌水定額之和,即作物凈灌水定額與灌溉次數(shù)的乘積。作物毛灌溉水量等于凈灌溉水量除以灌溉水利用系數(shù)。

        項(xiàng)目區(qū)主要以果樹為主,根據(jù)北京市種植作物灌溉定額,并結(jié)合實(shí)際種植經(jīng)驗(yàn),小管出流最大凈灌水定額28.72mm,凈灌溉定額77.8m3/畝;滴灌最大凈灌水定額17.82mm,凈灌溉定額78m3/畝;微噴最大凈灌水定額19.01mm,凈灌溉定額86.7m3/畝;微噴帶最大凈灌水定額21.38mm,凈灌溉定額66m3/畝;微潤灌最大凈灌水定額36.55mm;凈灌溉定額73.1m3/畝。

        小管出流、滴灌、微潤灌的灌溉水利用系數(shù)0.9,微噴及微噴帶的灌溉水利用系數(shù)0.85。

        項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃年灌溉總需水量為85.57萬m3,單位面積年灌溉需水量為84.87m3/畝,具體見表3-2。

        表3 -2 規(guī)劃年灌溉需水量計(jì)算表

        3.3 項(xiàng)目區(qū)水資源平衡分析

        水資源可利用量分為地表水和地下水,并對二者重復(fù)部分進(jìn)行扣除。項(xiàng)目區(qū)中地表水為已建塘壩或水池,水量按其蓄水能力計(jì)取。項(xiàng)目區(qū)地塊分散,以區(qū)域水資源計(jì)算差別較大,故計(jì)算時(shí),暫不考慮扣除重復(fù)部分。

        經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì),項(xiàng)目區(qū)在作物生育期內(nèi)地下水可供水量為77.08萬m3,地表水可供水量為50.50萬m3,年可供水量合計(jì)為127.58萬m3。項(xiàng)目區(qū)灌溉面積10143畝,現(xiàn)狀年實(shí)際灌溉用水量為98.00萬m3,實(shí)施節(jié)水灌溉工程后,規(guī)劃水平年灌溉需水量為85.57萬m3。通過項(xiàng)目區(qū)水資源平衡分析評價(jià),在不增加灌溉用水量的情況下,工程規(guī)模確定為10143畝是合理、可行的。

        4.水量平衡分析

        項(xiàng)目區(qū)灌溉水源中,水資源不足更多的出現(xiàn)在地表水為水源的地塊,本次以某地塊為例,對現(xiàn)狀水源進(jìn)行水量平衡計(jì)算和分析,復(fù)核灌溉面積和蓄水調(diào)節(jié)水池的規(guī)模,制定灌溉制度。

        4.1 某地塊實(shí)例

        (1)基本情況

        本地塊面積為169畝,土壤主要為砂壤土,土壤干容重約1.35g/cm3,田間持水量約為22%。本地塊種植櫻桃樹,株行距為2.5m×3m?,F(xiàn)狀水源為塘壩的地表水,現(xiàn)有泵站提水,引水流量為8m3/h。該地區(qū)動力采用電力,灌溉季節(jié)基本保證24h供電,擬采用微噴帶的灌溉方式。

        (2)水量平衡計(jì)算

        根據(jù)灌溉面積和灌溉設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度,計(jì)算灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量,取水源每日供水時(shí)數(shù)C=22h。設(shè)計(jì)流量按下式計(jì)算。

        式中:

        Qmin—設(shè)計(jì)流量,m3/h;

        A—灌溉面積,畝;

        Ia—設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度,mm/d;

        C—水源每日供水時(shí)數(shù),h/d;

        η—灌溉水利用系數(shù),0.85。

        經(jīng)計(jì)算,設(shè)計(jì)流量17.07m3/h,水源供水量為8m3/h,水源供水能力不能滿足地塊灌溉水量要求。

        (3)水池日調(diào)節(jié)復(fù)核

        地塊內(nèi)現(xiàn)有70m3水池。當(dāng)來水流量小于用水流量,而晝夜來水量可滿足灌溉日用水量時(shí),可按日調(diào)節(jié)確定蓄水容積。日來水量按下式計(jì)算。

        式中:

        WL—日來水量,m3;

        QL—水源穩(wěn)定流量,m3/h。

        日用水量按下式計(jì)算。

        式中:

        Wg—日用水量,m3;

        Qg—灌溉用水流量,m3/h。

        經(jīng)計(jì)算,日來水量為192m3,日用水量為224.04m3,日用水量大于來水量,則日調(diào)節(jié)不能滿足灌溉需要。

        (4)多日調(diào)節(jié)計(jì)算

        因日調(diào)節(jié)已不能滿足灌溉需要,考慮利用灌水間隔時(shí)間蓄水。按照輪灌制度計(jì)算得輪灌周期為7d,經(jīng)計(jì)算仍不能滿足灌溉用水量。

        根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)驗(yàn),將灌水周期延長至12d計(jì)算,輪灌周期期間的來水量按下式計(jì)算。

        式中:

        TL—輪灌周期時(shí)間,d。

        一次灌水用水量按下式計(jì)算。

        式中:

        Wt—一次灌水用水量,m3。

        經(jīng)計(jì)算,輪灌周期期間的來水量2304m3,一次灌水用水量2496.20m3。

        蓄水池容積按下式計(jì)算。

        經(jīng)計(jì)算,蓄水池容積應(yīng)為211.42m3,地塊內(nèi)現(xiàn)有70m3水池,則新建水池容積不小于141.42m3,工程實(shí)際建設(shè)水池規(guī)模確定為150m3。

        本地塊灌溉面積169畝,按單日調(diào)節(jié)灌溉方式,作物灌溉日用水量224.04m3,日來水量為192m3,灌溉水源不滿足作物需要。利用地塊內(nèi)的調(diào)節(jié)水池(容積70 m3和150m3)對來水量進(jìn)行多日調(diào)節(jié),當(dāng)設(shè)計(jì)灌溉周期為12天時(shí),作物一次灌水用水量2496.20m3,輪灌周期期間的來水量2304m3,滿足灌溉需求。

        4.2 項(xiàng)目區(qū)各地塊水量平衡分析

        按照以上實(shí)例的計(jì)算方法,逐個(gè)地塊進(jìn)行水量平衡計(jì)算,對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,確定工程規(guī)模和建設(shè)內(nèi)容,包括灌溉面積、蓄水建筑物的容積等。

        按照水資源條件,結(jié)合作物的用水需求,經(jīng)計(jì)算,項(xiàng)目區(qū)35個(gè)地塊的灌溉用水水源為地下水,其中8個(gè)地塊供水量小于灌溉需水量,11個(gè)地塊為地表水水源,其中2個(gè)地塊的供水量小于灌溉需水量,項(xiàng)目區(qū)內(nèi)共計(jì)10個(gè)地塊需要延長灌水周期至12天完成灌溉。

        通過對項(xiàng)目區(qū)各地塊水量平衡分析,制定適宜、合理的灌溉制度,對作物進(jìn)行及時(shí)、適量的灌溉,實(shí)現(xiàn)提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量、增加種植戶收益的目標(biāo)。

        5.效益分析

        (1)經(jīng)濟(jì)效益。項(xiàng)目對用水總量進(jìn)行控制,在充分利用現(xiàn)有灌溉水源,不增加灌溉用水量的情況下,確定工程規(guī)模,門頭溝區(qū)2018年實(shí)施 “兩田一園”高效節(jié)水灌溉工程(一期)發(fā)展高效節(jié)水灌溉面積10143畝。通過實(shí)施節(jié)水措施,項(xiàng)目區(qū)年灌溉用水量由原來的98.00萬m3下降到85.57萬m3,年累計(jì)節(jié)電16.29萬度,并節(jié)約人工1.98萬人。項(xiàng)目區(qū)全部種植果樹,工程后期指導(dǎo)農(nóng)戶按照合理的灌溉制度進(jìn)行灌溉,有利于促進(jìn)果樹根系和枝條生長,提高果品固含量,改善水果口感,提升果品品質(zhì),為農(nóng)民創(chuàng)收創(chuàng)益。項(xiàng)目區(qū)可實(shí)現(xiàn)增收3486.1萬元,取水利分?jǐn)傁禂?shù)0.2,高效節(jié)水灌溉增產(chǎn)效益697.2萬元。

        (2)節(jié)水效益。充分利用農(nóng)業(yè)水資源,減少地下水的開采量。工程實(shí)施后,運(yùn)行高效節(jié)水設(shè)施,制定合理的灌溉制度,建立用水效率控制制度,進(jìn)行用水計(jì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理灌溉用水,提高了灌溉水利用系數(shù),灌溉用水量與現(xiàn)狀相比節(jié)約12.68%。

        (3)社會效益。項(xiàng)目實(shí)施后,節(jié)水效果顯著,提高了土地利用率,緩解了當(dāng)?shù)氐乃Y源供需矛盾,灌溉水平明顯提高,當(dāng)?shù)厣詈凸I(yè)用水的保證率也相應(yīng)提高。項(xiàng)目區(qū)采用了高起點(diǎn)、高質(zhì)量、高效益的節(jié)水工程模式,節(jié)省勞力,降低了勞動強(qiáng)度,農(nóng)業(yè)節(jié)水設(shè)施水平得到很大改善。依托優(yōu)越的生產(chǎn)條件,可以促進(jìn)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)布局和品種結(jié)構(gòu)調(diào)整,加快區(qū)域由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向優(yōu)質(zhì)、高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)換,增加農(nóng)產(chǎn)品的社會供給能力。同時(shí),發(fā)揮節(jié)水工程的作用,帶動周邊地區(qū)節(jié)水型農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

        (4)生態(tài)效益。項(xiàng)目區(qū)節(jié)水工程的建設(shè),減少了地下水的開采。由于節(jié)水灌溉具有灌水強(qiáng)度低的優(yōu)點(diǎn),可有效控制肥料及水土流失,減少環(huán)境污染。土地成方連片,種植結(jié)構(gòu)得到調(diào)整,作物豐收,創(chuàng)造了優(yōu)美的環(huán)境,水土資源的利用更趨平衡。

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