基于灌溉損失量分析的遼渾太河農(nóng)灌期水平衡測試研究

李帥瑩

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

遼寧省人均占有量占全國人均占有量的比例為30%，屬于北方地區(qū)水資源嚴(yán)重缺水的省份之一[1]。全省城市人口和工礦企業(yè)比重大，使得缺水問題十分嚴(yán)重。遼寧省據(jù)史料記載從1101—2017年出現(xiàn)大范圍旱災(zāi)的次數(shù)多達122次之多[2]。遼寧省在1999—2017年連續(xù)4年出現(xiàn)較為嚴(yán)重的干旱情況，2000年和2001年分別出現(xiàn)全省建國以來較為嚴(yán)重的干旱受災(zāi)損失。合理利用有限水資源需要進行水平衡測試，建立節(jié)水型社會和全面實行節(jié)約用水的重要工作基礎(chǔ)，也是社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和水科學(xué)重要的研究課題[3]。通過水平衡測試分析可以對供需水現(xiàn)狀進行分析，對節(jié)水潛力進行深度挖掘和用水水平進行正確有效的評價。確定節(jié)水、用水的規(guī)劃方向，并未制定節(jié)水規(guī)劃和節(jié)水技術(shù)措施提供重要的參考。水平衡測試可以為年度用水審驗和用水許可制度的實時提供重要的保障[4- 14]。因此對農(nóng)灌期水量進行平衡測試分析時在河流、排水渠、引水渠水量分析的基礎(chǔ)上，對用水、來水以及水量的損失進行分析，為水量分配和調(diào)度過程提供科學(xué)有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[15]。

1 遼渾太供水、灌區(qū)工程概況

遼河上共有清河水庫、柴河水庫兩座省管大型水庫作為本次水平衡測試遼河水源水庫，總控制流域面積為3731 km2，占遼河干流總面積40944 km2的9.1%，通過配合區(qū)間來水，進行聯(lián)合補充調(diào)節(jié)水量，基本實現(xiàn)了水資源控制運用和優(yōu)化配置?，F(xiàn)有清河灌區(qū)、楊木灌區(qū)、城郊灌區(qū)、開西灌區(qū)、柴河灌區(qū)、石佛寺灌區(qū)、毓寶臺灌區(qū)、祝家灌區(qū)的有8處引水工程。

渾河上有省管大型水庫大伙房水庫作為本次水平衡測試渾河水源水庫，流域總的集水面積為占渾河總面積的47.4%，為5437 km2，通過配合區(qū)間來水，進行聯(lián)合補充調(diào)節(jié)水量，基本實現(xiàn)了水資源控制運用和優(yōu)化配置。渾河流域在各支流還建有中小水庫28座，庫容合計為1.38億m3，其中6座中型水庫的庫容合計為1.69億m3，流域控制面積占渾河流域面積的比例達到5.3%，為610 km2?，F(xiàn)有沈撫灌區(qū)、渾北灌區(qū)、渾南灌區(qū)、渾蒲灌區(qū)、八一灌區(qū)、渾沙灌區(qū)的6處主要引水工程。

太子河上共有觀音閣水庫、葠窩水庫、湯河水庫三座省管大型水庫作為本次水平衡測試太子河水源水庫，總控制面積為7403 km2，占太子河流域總面積13883 km2的53.3%，形成本流域水庫梯級開發(fā)的模式，通過配合區(qū)間來水，進行聯(lián)合補充調(diào)節(jié)水量，基本實現(xiàn)了水資源控制運用和優(yōu)化配置。太子河4座中型水庫的庫容合計總量為1.62億m3，流域控制面積占太子河流域總面積的2.6%，為362 km2。現(xiàn)有燈塔灌區(qū)、遼陽灌區(qū)、紅光灌區(qū)的3處引水工程。

大遼河現(xiàn)有灌區(qū)主要引水工程主要有5處，分別為大石橋市灌區(qū)、新生農(nóng)場灌區(qū)、花英臺灌區(qū)、大洼灌區(qū)、盤山灌區(qū)。

2 農(nóng)灌水量損失分析方法

2.1 蒸發(fā)損失計算

壩、閘蓄水面積較大，蒸發(fā)量較大時應(yīng)計算蒸發(fā)增損量ΔW蒸損(m3)：

ΔW蒸損=1000E水F

(1)

式中，E水—水面蒸發(fā)，E水=η·E皿，當(dāng)為蒸發(fā)采用E601觀測時，η可取1，當(dāng)為φ20時，根據(jù)當(dāng)?shù)卅侨∮脭?shù)值(參照遼寧省水資源評價水量調(diào)查技術(shù)規(guī)定)；F—某時段平均水面面積，如壩、閘已有水位—面積關(guān)系線，可查得，否則可按標(biāo)準(zhǔn)形狀河段求得(如矩形等)，蒸發(fā)值利用附近的蒸發(fā)站實際觀測值進行計算。

2.2 滲漏損失計算方法

壩、閘面積較大時，應(yīng)計算滲漏損失量。

方法一：實測法。當(dāng)計算時段內(nèi)沒有降水，用壩、閘進出水量平衡估算。

W滲損=WI-WO±ΔW-WE

(2)

式中，W滲損—計算時段滲漏量，WI、WO—計算時段入、出水量；ΔW—計算時段蓄變量；WE—計算時段內(nèi)水體蒸發(fā)。

方法二：ΔW滲損=K*F

(3)

式中，ΔW滲損—滲漏損失量；F—時段平均水面面積；K—滲透系數(shù)(可找資料查，如橡膠壩設(shè)計部門或管理部門，一般為(1～10)×10-3～-4，堤防基礎(chǔ)好時為-4次冪)。

方法三：滲漏損失按蓄水容積的一定百分?jǐn)?shù)來近似估算(水庫標(biāo)準(zhǔn))。

(1)河床地下水面與蓄水面接近為基本不透水層，這類型地質(zhì)為水文地質(zhì)條件優(yōu)良，取(0～1)%/月。

(2)透水性條件中等，取(1～1.5)%/月。

(3)水文地質(zhì)條件較差，取(1.5～3)%/月。

2.3 河道蒸發(fā)、滲漏損失計算

(1)河道水面蒸發(fā)損失。對于蒸發(fā)損失中水面面積的選取可在兩個控制站間按近似的標(biāo)準(zhǔn)的矩形處理，蒸發(fā)量可參照閘(壩)對蒸發(fā)方法進行計算。

(2)滲漏損失。在河道巖性調(diào)查和分類的基礎(chǔ)上，根據(jù)各河段水位與地下水位及河底高程的相互關(guān)系，把地下水位低于河底高程的屬自由滲漏型；把河水位高于地下水位時，河水補給地下水稱外側(cè)滲；地下水位高于河水位時，地下水補給河道稱內(nèi)側(cè)滲。

自由滲漏型河道滲漏損失計算，可分析單位河長輸水損失量，可考慮以河道水面面積比法進行近似計算。

側(cè)滲型河道滲漏損失計算，一般用達西公式計算?？蓞⒖奸l(壩)站滲漏計算方法。

一般公式：

ΔW滲損=ΔW下-ΔW上±ΔW區(qū)間-ΔWE

(4)

式中，ΔW滲損—滲漏損失量，m3；ΔW下、ΔW上—河道上下斷面水量，m3；ΔW區(qū)間—河段間入流、出流水量，m3；ΔWE—河段水體蒸發(fā)，m3。

3 遼渾太農(nóng)灌水量損失分析成果

3.1 農(nóng)灌總水量損失分析

結(jié)合灌溉水量損失分析方法對遼渾太河水庫放水后河道蒸發(fā)、滲漏損失水量進行分析計算，各河段農(nóng)灌期水量分析結(jié)果見表1。

表1 遼渾太河農(nóng)灌期河段水量統(tǒng)計表 單位：108m3

從分析結(jié)果可看出，遼渾太河2016年蒸滲損失量為2.460億m3，2017年蒸滲損失量為3.841億m3，2016年蒸發(fā)損失量為2.313億m3，2017年蒸發(fā)損失量為2.251億m3，年平均總損失量為2.717億m3，通過對比分析，遼渾太三河及大遼河農(nóng)灌期灌溉總損失占比分別為18%、29%、19%、34%，大遼河受到下游潮水影響，農(nóng)灌期當(dāng)水體鹽度低于5‰時才可以引水，使得其農(nóng)灌期農(nóng)業(yè)灌溉損失率最高為34%，其次為渾河，其灌溉損失率為29%，渾河農(nóng)業(yè)灌溉損失主要消耗于蒸發(fā)和河段滲漏損失，沿程河段地下水位較低，使得河流補給地下水的損失量較大。遼河和太子河水量損失較為接近，主要消耗于蒸發(fā)損失。

3.2 農(nóng)灌河段水量損失分析

在農(nóng)灌期總水量損失分析的基礎(chǔ)上，對遼渾太河劃分為12個典型河段，對農(nóng)灌期各典型河段水量損失分析，結(jié)果見表2。

表2 2016年遼渾太河農(nóng)灌期河段水量統(tǒng)計表 單位：108m3

2016年灌溉調(diào)水期遼河鐵嶺站至六間房站、渾河大伙房水庫至河口、太子河葠窩水庫至河口，總流入水量為13.17億m3，支流等匯入水量為3.051億m3，總用水量為11.67億m3，損失水量為2.313億m3(由于受河流橡膠攔河閘壩和測驗誤差影響，損失量計算有一定誤差)，總流出量為1.682億m3。2017年灌溉調(diào)水期遼河鐵嶺站至六間房站、渾河大伙房水庫至河口、太子河葠窩水庫至河口，總流入水量為11.75億m3，支流等匯入水量為2.908億m3，總用水量為11.78億m3，損失水量為2.251億m3(由于受河流橡膠攔河閘壩和測驗誤差影響，損失量計算有一定誤差)，總流出量為0.2339億m3。通過對比分析，各河段灌溉損失占比分別為15.6%、16.0%、18.5%、50.0%。

表3 2017年遼渾太河農(nóng)灌期河段水量統(tǒng)計表 單位：108m3

3.3 農(nóng)灌用水量分析

對遼渾太河2016年和2017年農(nóng)灌期引水量和用水量進行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果見表4—5。

表4 遼渾太河農(nóng)灌期主要灌區(qū)引水量統(tǒng)計表

從表4可看出，遼渾太河農(nóng)灌期2016年遼河引用水量為3.3533億m3，渾河引用水量為2.798億m3(其中包括工業(yè)用水0.004億m3)，太子河引用水量為1.538億m3，大遼河引用水量為3.99億m3，總引用水量為11.67億m3；2017年遼河引用水量為2.831億m3，渾河引用水量為2.609億m3，太子河引用水量為1.526億m3，大遼河引用水量為4.81億m3，總引用水量為11.78億m3億m3。從表5遼渾太河較大型灌區(qū)用水量分析結(jié)果可看出，對于農(nóng)灌期遼渾太河18處較大型灌區(qū)而言，各灌區(qū)總灌溉面積為2033hm2，2016年引用水量為8.750億m3；2017年引用水量為9.316億m3。

年平均引用水量為8.212億m3。

4 分析結(jié)論

(1)遼渾太河大型水庫農(nóng)灌期用水保證率可達到 85%左右，通過節(jié)水措施增加的灌溉面積和灌溉水量分別為 3.4 萬 hm2以及2.9 億m3，如每hm2產(chǎn)量增加9 000 kg，依據(jù)2.0 元/kg進行測算，每年可以增加的經(jīng)濟效益為6.12億元。

(2)農(nóng)灌期引、排水量一般在逐日間比較穩(wěn)定，其計算方法按水平衡實測數(shù)據(jù)計算；若無實際監(jiān)測數(shù)據(jù)只要有調(diào)查數(shù)據(jù)，可采用水量調(diào)查計算方法。計算要素為引水量、排水量、耗水量。

(3)水質(zhì)尤其是水田灌溉，對于灌溉水體鹽度要求較高，在進行水平衡測試分析時，本文未考慮水質(zhì)對水量損失的影響，以后還需結(jié)合水質(zhì)數(shù)據(jù)進行綜合水平衡測試分析。