高效節(jié)水灌溉項目地下水供需平衡及取水影響分析

王艷菊

(哈爾濱市水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，哈爾濱 150010)

0 引 言

高效節(jié)水灌溉項目是抵御農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收、農(nóng)村發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。水資源是高效節(jié)水灌溉項目建設(shè)生產(chǎn)的主要因素，無論是缺水造成的農(nóng)田干旱還是多水造成的水土流都會嚴重影響生產(chǎn)發(fā)展收益[1]。只有合理的對區(qū)域水資源量化均衡情況進行科學(xué)合理的規(guī)劃才能確保項目綜合效益最優(yōu)[2]。

水資源論證是高效節(jié)水灌溉項目實施的重要前期工作，對科學(xué)確定發(fā)展規(guī)模，合理利用有限水資源，緩解水資源供需矛盾，提高水資源利用效率，確保高效節(jié)水灌溉項目增效有重要意義[3]。水資源供需平衡和取水影響分析正是水資源論證工作的重要內(nèi)容，對項目是否具有可實施性起到至關(guān)重要的作用。文章以某高效節(jié)水灌溉項目為例，取水水源為地下水，對該項目區(qū)分片劃定水資源論證區(qū)，在此基礎(chǔ)上計算各區(qū)域地下水資源量及其可開采量，根據(jù)項目現(xiàn)狀用水及規(guī)劃需水情況，進行水資源供需平衡分析，同時對項目取水對區(qū)域地下水資源和地下水位產(chǎn)生的影響進行了預(yù)測，進而得出項目取水水源的可靠性和可行性，以及取水影響的相關(guān)結(jié)論和建議。對同類項目的水資源供需平衡和取水影響分析具有一定的參考價值，為水資源論證和水行政主管部門加強水資源管理提供一定的參考依據(jù)。

1 項目概況

本次高效節(jié)水灌溉項目區(qū)現(xiàn)狀均為旱田，主要種植玉米和水稻，工程設(shè)計新建高效節(jié)水灌溉工程9個片區(qū)，計0.09萬hm2，其中噴灌工程0.03萬hm2，微灌工程0.06萬hm2。主要種植作物為樹莓、藍靛果、沙棘、食用菌、特色玉米和果樹林果等。

項目區(qū)取水水源為地下水，取用第四系砂礫石孔隙潛水，開采方式為機電井取水，總需水量130.52×104m3/a，設(shè)計灌溉保證率P=90%。新建機井128眼，配套水泵128套和井房128座。

項目區(qū)布井方案綜合考慮水文地質(zhì)條件及節(jié)水灌溉設(shè)備情況等因素，水源井位置盡量位于地塊中央。移動管道式噴灌設(shè)計井深40～80m，井徑300mm，井間距240～340m，單井出水量15～30m3/h，單井控制面積為5.7～10.2hm2；滴灌設(shè)計井深20～80m，井徑300mm，井間距250～340m，單井出水量15～30m3/h，單井控制面積為6～10.5hm2；微噴設(shè)計井深40～50m，井徑300mm，井間距180～325m，單井出水量15～25m3/h，單井控制面積3.3～8hm2。

2 地下水資源量計算

2.1 計算方法

項目以開采淺層地下水-第四系孔隙水作為灌溉水源，根據(jù)設(shè)計灌溉區(qū)域分布情況和當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，考慮在地下水水位降深及其影響半徑的基礎(chǔ)上適當(dāng)外延，劃定24個取水水源論證區(qū)，總面積72.29km2。

本次地下水資源計算采用開采系數(shù)法，對論證區(qū)范圍內(nèi)的地下水資源天然補給量、可開采量進行計算。地下水天然補給量主要有降水入滲補給和地下水側(cè)向徑流補給，河流入滲補給量很小，本次不計算河流入滲補給量。

1)大氣降水入滲補給量(Q降補)，計算公式為：

Q降=F·α·P

(1)

式中：Q降補為大氣降水入滲量，104m3/a；F為降水入滲補給面積，m2；α為多年平均降水入滲系數(shù)；P為多年平均降水量，m。

2)側(cè)向徑流補給量(Q側(cè)徑)，計算公式為：

Q側(cè)徑=K·I·B·M·T

(2)

式中：Q側(cè)徑為地下水側(cè)向徑流流入量，104m3/a；K為含水層平均滲透系數(shù)，m/d；I為地下水水力坡度，‰；B為計算斷面寬度，m；M為計算斷面含水層厚度，m；T為地下水徑流補給時間，d/a。

3)地下水總補給量的計算公式為：

Q總=Q降補+Q側(cè)徑

(3)

2.2 計算結(jié)果

本次計算所采用的水文地質(zhì)參數(shù)主要依據(jù)本次鉆井抽水試驗成果，動態(tài)觀測及氣象、水文資料為依據(jù)。

1)大氣降水入滲補給量：

論證區(qū)多年平均大氣降水入滲補給量為1132.09×104m3，P=90%年份大氣降水入滲補給量為815.11×104m3。

2)側(cè)向徑流補給量：

論證區(qū)側(cè)向徑流補給總量為351.13×104m3。

3)地下水總補給量：

論證區(qū)多年平均地下水總補給量為1483.23×104m3，P=90%年份地下水總補給量為1166.24×104m3。

2.3 可開采量計算

可開采量計算采用開采系數(shù)法，《黑龍江省水資源綜合規(guī)劃地下水資源評價報告》中，項目所在區(qū)域地下水平原區(qū)可開采系數(shù)取為0.90，根據(jù)本項目論證區(qū)情況，考慮開采技術(shù)及開采難度等實際情況，本次論證區(qū)可開采系數(shù)取為0.70。

可開采量的計算公式為：

Q可開=Q總補·ρ

(4)

式中：Q可開為地下水可開采量，104m3/a；Q總補為計算區(qū)地下水總補給量，104m3/a；ρ為開采系數(shù)，本次取0.70。

本項目論證區(qū)多年平均地下水總可開采量為1038.26×104m3/a，P=90%年份地下水總可開采量為816.37×104m3/a。

3 供需平衡分析

3.1 現(xiàn)狀用水量

項目論證區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀用水主要是農(nóng)村生活用水、牲畜用水，無工業(yè)用水，另外有一部分農(nóng)田灌溉用水，根據(jù)相關(guān)資料并結(jié)合實際調(diào)查，項目論證區(qū)內(nèi)有農(nóng)業(yè)灌溉面積137.3hm2。農(nóng)村居民生活和牲畜用水總量為168.21×104m3/a，其中農(nóng)村生活用水量95.51×104m3/a，大牲畜用水量34.79×104m3/a，小牲畜用水量24.59×104m3/a，現(xiàn)狀農(nóng)田灌溉用水量13.33×104m3/a。

3.2 規(guī)劃需水量

根據(jù)論證區(qū)現(xiàn)狀基本情況以及 “十三五”規(guī)劃，參考項目區(qū)所涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)近年來農(nóng)村社會發(fā)展實際情況，確定論證區(qū)社會經(jīng)濟指標(biāo)增長率，結(jié)合近年來論證區(qū)域內(nèi)實際用水指標(biāo)情況，確定規(guī)劃水平年用水定額。規(guī)劃年論證區(qū)除了本工程新增設(shè)計旱田高效節(jié)水灌溉面積0.09萬hm2外，項目區(qū)沒有其他采用地下水灌溉的新灌溉面積。

根據(jù)以上預(yù)測規(guī)劃水平年農(nóng)村居民生活、牲畜需水和農(nóng)田灌溉需水總量為240.08.10×104m3/a，其中生活需水量138.63×104m3/a，大牲畜需水量48.27×104m3/a，小牲畜需水量39.85×104m3/a，農(nóng)田灌溉用水量為13.33×104m3/a。

3.3 供需平衡分析

根據(jù)上述項目論證區(qū)地下水可開采量和用水量需水量，項目區(qū)各論證區(qū)現(xiàn)狀年供需平衡分析成果表，見表1；項目區(qū)各論證區(qū)規(guī)劃水平年供需平衡分析成果表，見表2。

表1 項目區(qū)各論證區(qū)現(xiàn)狀年供需平衡分析成果表

表2 項目區(qū)各論證區(qū)規(guī)劃水平年供需平衡分析成果表

續(xù)表2 項目區(qū)各論證區(qū)規(guī)劃水平年供需平衡分析成果表

論證區(qū)多年平均地下水可開采量為1038.26×104m3， P=90%年份地下水可開采量為816.37×104m3。

現(xiàn)狀年區(qū)域地下水總用水量168.21×104m3，剩余多年平均地下水可供水量870.05×104m3，P=90%年份剩余可供水量648.16×104m3，項目需取用水量130.52×104m3，項目取水后多年平均余水量739.53×104m3，P=90%年份余水量517.64×104m3，各論證區(qū)地下水資源可供水量均能夠滿足本項目取用水要求。

規(guī)劃水平年區(qū)域地下水總需水量為240.08×104m3，剩余多年平均地下水可供水量798.18×104m3，P=90%年份剩余可供水量為576.29×104m3，項目需取用水量130.52×104m3，項目取水后多年平均余水量667.66×104m3，P=90%年份余水量445.77×104m3，規(guī)劃水平年各論證區(qū)地下水資源可供水量均能夠滿足本項目取用水要求。

綜上分析，論證區(qū)地下水資源可供水量比較充足，能夠滿足本項目90%保證率的取用水要求。

4 取水影響分析

4.1 開采后地下水位預(yù)測

4.4.1 地下水位降深預(yù)測

按照非穩(wěn)定流潛水完整井計算公式計算典型區(qū)內(nèi)的地下水位降深。計算公式為：

(1)

式中：S為水源井中心點水位下降值，m；H為含水層平均厚度，m；Qi為井流量，m3/d；K為滲透系數(shù)，m/d；W(ui)為泰斯井函數(shù)；ui為井函數(shù)自變量；ri為計算點至水源井中心點的距離，m；a為壓力傳導(dǎo)系數(shù)，m2/d；a=kH/μ；μ為給水度(無因次)。

本次計算根據(jù)不同的水文地質(zhì)單元單井出水量，按前述開采方案，計算各區(qū)機電井連續(xù)開采30d后的最大降深，經(jīng)計算水源地中心機井連續(xù)開采30天后最大水位降深4.29m，降深較小，取水后對地下水位的影響較小。

4.4.2 地下水位恢復(fù)時間預(yù)測

本項目按照機電井連續(xù)開采30d后計算其最大降深，片區(qū)地下水開采集中在5-8月，停止開采后以及進入豐水期得到補給，地下水位在水力坡度作用下逐漸上漲，在一定時間后恢復(fù)至初始狀態(tài)，項目區(qū)中心恢復(fù)水位計算公式為：

(2)

W(u)≈0.5772

(3)

式中：H為水源井中心恢復(fù)水位，m；k為滲透系數(shù)，m/d；m為含水層平均厚度，m；a為壓力傳導(dǎo)系數(shù)，m2/d；a=kH/μ；r為漏斗半徑，m；Q為單井出水量，m3/d；W(u)為泰斯井函數(shù)；tp為灌溉期抽水時間，d；t為抽水開始至水位恢復(fù)時刻的計算時間，d。

對水源井中心水位降深恢復(fù)時間進行預(yù)測，按照機電井連續(xù)開采30d、最大水位降深計算，地下水位從停止開采半小時內(nèi)動水位恢復(fù)較為迅速，60d左右基本接近初始狀態(tài)，90d后完全恢復(fù)至初始狀態(tài)。

項目區(qū)地下水開采屬于階段性開采，主要集中在作物生育期的5-8月，其中7-8月進入豐水季節(jié)，是地下水集中補給期，停止開采后，在補給和含水層調(diào)節(jié)作用下，地下水位逐漸恢復(fù)，項目取水不會引起地下水位連續(xù)大幅下降，對地下水的影響較小。

4.2 開采影響范圍預(yù)測

將開采井群概化為一眼大井，以平均日取水量開采，以預(yù)測開采井中心水位降深為大井的降深，采用庫薩金公式預(yù)測擬建地塊連續(xù)開采30d的影響范圍。

影響范圍的計算公式為：

(4)

式中：R為影響半徑，m；S為水位降深，m；H為含水層厚度，m；K為滲透系數(shù)，m/d。

R值取2～5倍，參考區(qū)域含水層巖性情況下影響半徑的經(jīng)驗值與用公式計算的影響半徑倍比關(guān)系，本次淺層水影響半徑取計算值的3倍。

計算結(jié)果表明因項目取水產(chǎn)生的影響半徑較小，取水井連續(xù)開采30d，其所產(chǎn)生的最大影響半徑為200～450m，個別最大為516m，根據(jù)項目開采井布置方案，因項目取水造成的地下水位下降基本局限在項目地塊內(nèi)，對地塊外的取水基本不產(chǎn)生影響。

5 結(jié) 語

通過對某高效節(jié)水灌溉項目水資源供需平衡和水資源影響分析，現(xiàn)狀年和規(guī)劃水平年論證區(qū)地下水資源量均能夠滿足項目設(shè)計保證率取用水要求。項目區(qū)布井和開采方案合理，對區(qū)域水資源量的影響很小，取水后對地下水位的影響較小，水位下降后在非取水期能夠得到補給和恢復(fù)。

水資源供需平衡分析和取水影響分析是項目水資源論證工作中的重要環(huán)節(jié)，文章以實際項目為例，根據(jù)項目規(guī)劃設(shè)計方案和取用水需求，有針對性的提出了水資源供需平衡和取水影響分析的方法和過程，較全面和客觀的給出了分析結(jié)論，為同類項目提供參考，對于合理規(guī)劃設(shè)計、提高水資源利用效率和調(diào)整該區(qū)域的農(nóng)業(yè)布局具有一定的指導(dǎo)意義。