水資源平衡分析

1、水資源平衡分析 國家投資實(shí)施的土地開發(fā)整理項(xiàng)目，為了提高耕地質(zhì)量，絕大多數(shù)都規(guī)劃了灌溉工程。為此，這樣的項(xiàng)目區(qū)地形圖灌區(qū)必須進(jìn)行水資源的平衡分析。灌區(qū)的水資源平衡分析，包含著水質(zhì)、水量和水位等方面內(nèi)容，水位的來用水平衡分析比較簡單，經(jīng)過對地形與取用水位相互關(guān)系的分析，結(jié)合取水工程的設(shè)置，劃定出自流區(qū)和揚(yáng)水區(qū)（揚(yáng)程大?。┘纯?。這里側(cè)重討論水量平衡分析的內(nèi)容。灌區(qū)的水土資源平衡分析是根據(jù)水源來水過程和灌區(qū)用水過程進(jìn)行的，這兩個(gè)過程是逐年變化的，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)必須先確定用哪個(gè)年份的水源來水過程和灌區(qū)用水過程進(jìn)行平衡計(jì)算，這個(gè)特定的水文年份叫設(shè)計(jì)典型年，簡稱設(shè)計(jì)年，而設(shè)計(jì)年又是根據(jù)灌溉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定的。一

2、、 灌溉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)計(jì)年所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)稱為灌溉設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。它綜合反映了水源對灌區(qū)用水的保證程度，關(guān)系到灌溉工程的規(guī)模、投資和效益。 國標(biāo)（GB50288-99）規(guī)定，設(shè)計(jì)灌溉工程時(shí)，應(yīng)首先確定灌溉設(shè)計(jì)保證率，南方小型水稻灌區(qū)的灌溉工程也可按抗旱天數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。（一） 灌溉設(shè)計(jì)保證率1定義：指灌區(qū)用水量在多年期間能夠得到充分滿足的機(jī)率，一般用得到滿足的年數(shù)占總年數(shù)的百分率表示。它綜合反映了用水和來水兩方面的情況。將多年（長系列）的年灌溉用水量按大小順序排列，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算并繪制年灌溉用水量頻率曲線，在此曲線上選用的頻率值即為灌溉設(shè)計(jì)保證率值。如灌溉設(shè)計(jì)保證率P80，則表示頻率P80對應(yīng)的灌溉用水

3、量出現(xiàn)的機(jī)會為P80，意味著每百年中有80年這樣的年灌溉用水量可以得到保證，只有20年供水不足或中斷，換一種說法（用重現(xiàn)期的語言）就是相當(dāng)于平均每五年出現(xiàn)一次（五年一遇）供水不足或中斷的情況。2灌溉用水保證率的確定國標(biāo)（GB50288-99）規(guī)定：灌水方法地區(qū)作物種類灌溉設(shè)計(jì)保證率（）地面灌溉干旱地區(qū)或水資源緊缺地區(qū)以旱作為主5075以水稻為主7080半濕潤、半干旱地區(qū)或水資源不穩(wěn)定地區(qū)以旱作為主7080以水稻為主7585濕潤地區(qū)或水資源豐富地區(qū)以旱作為主7585以水稻為主8095噴灌、微灌各類地區(qū)各類作物8595注：1、作物經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的地區(qū)，宜選用表中較大值；作物經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高的地區(qū)，可選用

4、表中較小值。 2、引洪淤灌系統(tǒng)的灌溉設(shè)計(jì)保證率可取3050。確定原則：低壓管道輸水灌區(qū)取大于75 豐水區(qū)比缺水區(qū)取值高些 提水區(qū)比自流區(qū)取值高些 大型灌區(qū)比小型灌區(qū)取值高些 經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)比經(jīng)濟(jì)后進(jìn)區(qū)取值高些 中遠(yuǎn)期（1020年）工程比近期（10年以內(nèi)）工程取值高些保證率取值過高，雖然保證率強(qiáng)，但是會使水源的灌溉能力不能充分發(fā)揮出來。反之，保證率取得過低，雖然可以擴(kuò)大灌溉面積，但是保證性較差，使工程費(fèi)用有不必要的增加。應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)條件、水源條件以及國家對當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求等因素綜合確定。3、保證率用法，指在規(guī)劃設(shè)計(jì)中如何體現(xiàn)選定的保證率值。由于年灌溉用水量值很難具有長系列的數(shù)值，所以灌溉設(shè)

5、計(jì)保證率對應(yīng)的設(shè)計(jì)年灌溉用水量值也不能由年灌溉用水量頻率曲線上查得，可以就需要用以下方法選擇設(shè)計(jì)年，進(jìn)行年灌溉用水量計(jì)算。最常用的方法是按降雨量選擇設(shè)計(jì)年法。介紹如下：由于：降雨量大，灌溉定額（用水量）就小， 降雨量小，灌溉定額（用水量）就大，而：降雨量頻率愈大，降雨量值愈小，灌溉用水保證率就愈大， 降雨量頻率愈小，降雨量值愈大，灌溉用水保證率就愈小，可見：降雨量與灌溉用水量存在相關(guān)關(guān)系。可以近似的用降雨量頻率曲線表灌溉用水量頻率曲線。用降雨頻率取代灌溉涉及保證率。即：中等年（降雨頻率P50相當(dāng)灌溉設(shè)計(jì)保證率P50）表示平均每兩年中就有一年供水不足或中斷。中旱年（降雨頻率P75相當(dāng)灌溉設(shè)計(jì)保證

6、率P75）表示平均每四年中就有一年供水不足或中斷。干旱年（降雨頻率P8590相當(dāng)灌溉設(shè)計(jì)保證率P8590）表示平均每610年中就有一年供水不足或中斷?，F(xiàn)降雨資料條件情況，具體做法有三：其一：按降雨量選擇。把歷年的年降雨量從大到小排列，進(jìn)行頻率計(jì)算，選擇降雨頻率和灌溉涉及保證率相同或相近的年份作為灌溉用水設(shè)計(jì)典型年。此法考慮年雨量的年內(nèi)分配情況及對作物用水的影響，按此年份計(jì)算出來的灌溉用水量和作物實(shí)際要求的灌溉用水量往往差別較大。其二：按作物生育期雨量選擇。統(tǒng)計(jì)歷年主要作物生育期的降雨量，進(jìn)行頻率計(jì)算，選擇設(shè)計(jì)年。此法能反映主要作物的用水要求，但仍未能解決作物生育期內(nèi)降雨量的分配及對作物用水的影

7、響，仍與實(shí)際有一定的差別。其三：按干旱年份雨量分配選擇。對歷史上出現(xiàn)旱情較重的一些年份雨量年內(nèi)分配進(jìn)行分析，選擇對作物生長不利的雨量分配作為設(shè)計(jì)雨型。再按第一種方法確定設(shè)計(jì)中降雨量，然后把設(shè)計(jì)中雨量按設(shè)計(jì)雨型進(jìn)行分配，作為設(shè)計(jì)年的降雨過程。這是一種比較好的方法。除按降雨量選設(shè)計(jì)年外還有按灌溉定額、按用水來水選擇設(shè)計(jì)年等方法，限于實(shí)用中資料來源困難，就不作介紹了。（二）抗旱天數(shù)：1定義：指抗旱期間，每天消耗的水量（騰發(fā)量和水田滲漏量）乘以抗旱的天數(shù)，作為單位面積上灌溉用水量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，即單位面積上灌溉用水量W值以下式表示：式中抗旱季節(jié)平均日耗水量，mm/d。湖北：稻別早稻中稻單季晚稻雙季晚稻(e

8、+d)( mm/d)6781081067生長天數(shù)(d)859513075浙江：土壤粘土壤土沙壤土(e+d)( mm/d)567南方許多省份e值、d值的實(shí)驗(yàn)資料可以對照選用。t抗旱天數(shù)，d。2標(biāo)準(zhǔn)：國標(biāo)（GB50288-99）規(guī)定：單季稻灌區(qū)可用3050d，雙季稻灌區(qū)可用5070d。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，可按上述標(biāo)準(zhǔn)提高1020d。目前我國采用的抗旱天數(shù)為50100d。豐水區(qū)和水稻為主的南方江蘇、廣東等省，多采用70100d。缺水區(qū)和旱作為主的北方陜西、寧夏等省多采用6090d。湖北：3040天不下雨為小旱，約相當(dāng)于灌溉設(shè)計(jì)保證率為5070，4070天不下雨為中旱，約相當(dāng)于灌溉設(shè)計(jì)保證率為7080，70

9、100天不下雨為大旱，約相當(dāng)于灌溉設(shè)計(jì)保證率為8095。3方法：灌溉庫容抗旱期平均每天畝耗水量×灌溉畝數(shù)×抗旱天數(shù)灌溉定額抗旱期平均每天每畝耗水量×抗旱天數(shù)例：某水稻灌區(qū)1000畝，連續(xù)下雨期為4月16日至6月24日計(jì)70天。已知：泡田期耗水量為160mm， 補(bǔ)水天數(shù)為抗旱天數(shù)減去10天，為60天， 日均騰發(fā)量為5.2mm/d， 日均滲漏量為3mm/d。求：所需灌溉定額（凈）和相應(yīng)庫容（灌溉用水總量）大小。解：生長期降水量492mm 灌溉定額（凈）435m3/畝 需灌溉庫容43.5萬m3二、灌溉用水量： 灌溉用水量的確定應(yīng)該在灌區(qū)土地利用規(guī)劃和作物種植結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基

10、礎(chǔ)上進(jìn)行。這里重點(diǎn)討論總量值計(jì)算，基本不涉及用水過程。（一） 灌溉原理：1 旱作物的灌溉定額如下式示： 生育期灌溉定額：式中：m2生育期灌溉定額，m3/畝 E生育期作物田間需水量，m3/畝 中國主要農(nóng)作物需水量等值成圖研究給出了詳盡的數(shù)值可供查用。 P0生育期有效降雨量，m3/畝 P0 這里，對應(yīng)灌溉設(shè)計(jì)保證率的生育期內(nèi)降雨量，（1/畝） 降雨入滲系數(shù)一次降雨量（）<55505010010015015020001.00.80.750.70N0，N-播前和生育期末土壤耕作層（計(jì)劃層）的儲水量，m3/畝K生育期內(nèi)作物對地下水的利用量，m3/畝一般情況下，N0、N、K值均較小（占比重?。珊?/p>

11、略不計(jì)，則上式變?yōu)椋簩τ谝环N作物而言，其豐產(chǎn)的作物需水量（E）可以視為是固定的。如此，M值的大小隨P0而變。 播前灌水定額：播前灌水定額如下式示：式中：m1-播前灌水定額，m3/畝 土壤干密度，t/m3 水的密度，t/m3 H計(jì)劃濕潤層，取0.81m ,田間持水率和播前土層內(nèi)土壤含水率（占干土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）如此，旱作物的灌溉定額（M）如下式示： M=m1+m2我國北方地區(qū)幾種主要旱作物的灌溉制度（調(diào)查）：作物生育期灌溉制度備注灌水次數(shù)灌水定額灌溉定額小麥364080200300干旱年份棉花24304080150玉米344060150250 2水稻的灌溉定額如下式示：生育期灌溉定額： 式中：m2生

12、育期灌溉定額，mm p對應(yīng)灌溉設(shè)計(jì)中保證率的生育期降雨量，mm c生育期內(nèi)排水量，mm e水稻的騰發(fā)量，mm/d d水田的滲漏量，mm/d t生育期累計(jì)時(shí)間，d t(e+d)生育期內(nèi)田間水量泡田定額如下式示： 式中：m1泡田定額，mm ，土壤飽和含水率和泡田前土壤含水率（以干土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)） ，飽和土層土壤干密度和泡田水的密度，t/m3 h插秧時(shí)要求的田面水層深度，mm；一般為3050mm s1泡田開始時(shí)至插秧時(shí)稻田滲漏強(qiáng)度，mm/d t1泡田期日期，d e1泡田期水田田面的蒸發(fā)強(qiáng)度，mm/d p1泡田期降雨量，mm泡田定額可參考下表給出數(shù)值。 單位：m3/畝土壤類別地下水埋深<2>

13、;2粘土和粘壤土5080中壤土和沙壤土7010080120輕沙壤土80130100160如此，水稻的灌溉定額（M）如下式示：湖北省水稻泡田定額及生育期灌溉定額調(diào)查成果表（中等干旱年） 單位：m3/畝項(xiàng)目早稻中稻一季晚稻雙季晚稻泡田定額70808010070803060灌溉定額200250250350350500240300總灌溉定額270330330450420580270360 這部分灌溉原理主要是講述了灌溉制度及作物灌溉的有關(guān)概念。在計(jì)算灌溉定額時(shí)，注意不要漏掉播前灌水定額和泡田定額值。（二）灌溉用水量 1各種作物（水稻、小麥、玉米、棉花）年灌溉用水總量（W）如下式示： = = =式中：M

14、1，M2，M3單種作物（水稻、小麥、玉米）的灌溉定額，m3/畝 A1，A2，A3單種作物（水稻、小麥、玉米）的種植面積，畝 ，單種作物（水稻、小麥、玉米）的種植比 A灌區(qū)耕地面積，畝 M綜各種作物的綜合灌溉定額，m3/畝 灌溉水利用系數(shù) 強(qiáng)制性規(guī)范規(guī)定：渠道（管道）系統(tǒng)水利用系數(shù)系統(tǒng)大型灌區(qū)（>30萬畝）中型灌區(qū)（<30萬畝）小型灌區(qū)（<1萬畝）井灌區(qū)渠道防滲管道輸水>0.55>0.65>0.75>0.9>0.95田間水利用系數(shù)灌區(qū)種植作物水稻旱作物>0.95>0.9灌溉水利用系數(shù)灌區(qū)類型大型灌區(qū)中型灌區(qū)小型灌區(qū)井灌區(qū)噴灌、微灌區(qū)滴灌

15、區(qū)>0.5>0.6>0.7>0.8>0.85>0.9井渠結(jié)合灌區(qū)：這里：，井灌水利用系數(shù)和地下水用量，m3 ，灌溉水利用系數(shù)和地表水用量，m3 井渠灌區(qū)總用水量，m3提示：A、上述系數(shù)內(nèi)容是國務(wù)院通令要各設(shè)計(jì)單位強(qiáng)制性執(zhí)行的指標(biāo)。 B、井灌區(qū)低壓管道輸水灌溉符合 水稻：0.95×0.95=0.9025 旱作物：0.95×0.9=0.8552 問題討論： 計(jì)算年灌溉用水總量還有一種方法：式中，Q灌溉引水流量，m3/s T灌溉引水歷時(shí)，s由于此法須借助于灌溉用水過程線等資料，實(shí)際操作比較麻煩，較少采用。 在土地開發(fā)整理規(guī)劃設(shè)計(jì)中，曾出現(xiàn)過如下

16、做法，請判別一下對錯(cuò)，為什么。 A = B M1指一種主要作物的灌溉定額 C D 如果項(xiàng)目區(qū)分成n片，則灌溉用水量也應(yīng)對n片分別計(jì)算。 同一項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的不同水源類型區(qū)或不同灌水方式區(qū)亦應(yīng)分別計(jì)算其灌溉用水量值。 灌溉用水量中一般不計(jì)入果園、林地、蔬菜（大棚）的用水量。三、水源來水量 可以作為灌溉水源的有地上水和地下水，主要水利設(shè)施有水庫、河流、塘壩、井等。（一） 地上水：1、水庫：類型中型水庫小（一）型水庫?。ǘ┬退畮鞄烊荩ㄈfm3）100010000100100010100主要接受庫區(qū)上游的來水，由水利部門的管理，可以通過協(xié)議確定可供水源數(shù)量。 2河流水源來水主要是區(qū)外的河川徑流量，也可能有部

17、分當(dāng)?shù)氐乇韽搅髁俊?式中：W河作物生育期內(nèi)可以引用的河流水量，m3 Q作物生育期內(nèi)渠道引用的河流流量，m3/s T作物生育期內(nèi)渠道實(shí)際引水時(shí)間，d 提示：從河流的引水是個(gè)過程線，并且應(yīng)該和用水過程線相匹配。 從河流引水的歷時(shí)不是全年的天數(shù)，而是渠道引水的實(shí)際天數(shù)。 北方一些中小河流春季經(jīng)常斷流，徑流資料極少，此水源不夠穩(wěn)定可靠；南方一些中小河流全流經(jīng)常不斷，水量雖少，但是比較穩(wěn)定可靠，是主要水源。 3塘壩：水源來水是當(dāng)?shù)氐乇韽搅?，塘壩容積一般小于10萬m3。 復(fù)蓄次數(shù)法： 式中：W塘塘壩在作物生育期內(nèi)可提供的水量，m3 V有效塘壩有效容積（指扣除墊底庫容水深1m的庫容），m3 v復(fù)蓄次數(shù)，即一

18、年中蓄滿次數(shù)，干旱年v1.0，中等干旱年v=1.5。塘壩類型湖南湖北孤立塘壩豐水或平水年中等干旱年干旱年結(jié)瓜塘壩比孤立塘大0.5-1.0倍按集雨面積估算法： 式中：塘壩可提供的水量，m3 P設(shè)計(jì)年的年降雨量，mm F塘壩集雨面積，畝（1mm0.667m3/畝）例：某灌溉區(qū)種水稻1200，棉花200畝，干旱年的年降雨量為500mm，年徑流系數(shù)為0.4，已分析計(jì)算確定水稻的總灌溉定額為435m3/畝，棉花灌溉定額為120 m3/畝，現(xiàn)狀水庫工程協(xié)議供給50萬m3水量，問：還需要新建塘壩工程嗎？新建多大集雨面積的塘壩？解：灌溉凈用水量為：W凈435×1200120×20054.6

19、萬m3尚缺水量：取干旱年復(fù)蓄次數(shù)N1，則有54.6-50×1=4.6萬m3（須新建塘壩凈容積）須新建塘壩容積：估取從塘壩至田間的輸水損失為20，則有：萬m3新建塘壩集雨面積：估取徑流利用系數(shù)為0.6，則有 F畝（0.48km2）提示：新建塘壩容積與用水量、設(shè)計(jì)年、降雨量和徑流系數(shù)、灌溉水利用系數(shù)、集雨面積等有關(guān)。 根據(jù)塘壩容積（集雨面積）選好具備條件的壩址。 抗旱天數(shù)法： 式中：須要塘壩提供的水量，m3 抗旱季節(jié)平均日耗水量，mm/d t抗旱天數(shù)，d A灌溉面積，畝（二） 地下水：1、原理：地下水的水源來水量取決于以下兩點(diǎn)： 地下水可開采的資源量，即允許開采量。 開采地下水的技術(shù)條件指單井出水量、井?dāng)?shù)及開采歷時(shí)等，即實(shí)際開采量。 實(shí)際開采量V實(shí)允許開采量V允 上述兩個(gè)條件應(yīng)同時(shí)滿足。 2、方法： 實(shí)際開采量，取灌區(qū)的年灌溉用水量值。 允許開采量，按系統(tǒng)方法及計(jì)算多項(xiàng)補(bǔ)給排泄量用到大量公式和參數(shù)，既繁瑣又不準(zhǔn)。 實(shí)踐表明：單井出水量值是可以集中