水资源平衡分析

水资源平衡分析

国家投资实施的土地开发整理项目，为了提高耕地质量，绝大多数都规划了灌溉工程。为此，这样的项目区地形图灌区必须进行水资源的平衡分析。

灌区的水资源平衡分析，包含着水质、水量和水位等方面内容，水位的来用水平衡分析比较简单，经过对地形与取用水位相互关系的分析，结合取水工程的设置，划定出自流区和扬水区（扬程大小）即可。这里侧重讨论水量平衡分析的内容。

灌区的水土资源平衡分析是根据水源来水过程和灌区用水过程进行的，这两个过程是逐年变化的，在规划设计时必须先确定用哪个年份的水源来水过程和灌区用水过程进行平衡计算，这个特定的水文年份叫设计典型年，简称设计年，而设计年又是根据灌溉设计标准确定的。

一、灌溉设计标准

选择设计年所依据的标准称为灌溉设计标准。它综合反映了水源对灌区用水的保证程度，关系到灌溉工程的规模、投资和效益。

国标（GB50288-99）规定，设计灌溉工程时，应首先确定灌溉设计保证率，南方小型水稻灌区的灌溉工程也可按抗旱天数进行设计。

（一）灌溉设计保证率

1．定义：指灌区用水量在多年期间能够得到充分满足的机率，一般用得到满足的年数占总年数的百分率表示。它综合反映了用水和

来水两方面的情况。

将多年（长系列）的年灌溉用水量按大小顺序排列，用数理统计方法计算并绘制年灌溉用水量频率曲线，在此曲线上选用的频率值即为灌溉设计保证率值。

如灌溉设计保证率P＝80％，则表示频率P＝80％对应的灌溉用水量出现的机会为P＝80％，意味着每百年中有80年这样的年灌溉用水量可以得到保证，只有20年供水不足或中断，换一种说法（用重现期的语言）就是相当于平均每五年出现一次（五年一遇）供水不足或中断的情况。

2．灌溉用水保证率的确定

①国标（GB50288-99）规定：

灌水方法地区作物种类灌溉设计保证

率（％）

地面灌溉

干旱地区或水

资源紧缺地区

以旱作为主50－75

以水稻为主70－80 半湿润、半干旱

地区或水资源

不稳定地区

以旱作为主70－80

以水稻为主75－85

湿润地区或水

资源丰富地区

以旱作为主75－85

以水稻为主80－95

喷灌、微灌各类地区各类作物85－95 注：1、作物经济价值较高的地区，宜选用表中较大值；作物经

济价值不高的地区，可选用表中较小值。

2、引洪淤灌系统的灌溉设计保证率可取30％－50％。

②确定原则：低压管道输水灌区取大于75％

丰水区比缺水区取值高些

提水区比自流区取值高些

大型灌区比小型灌区取值高些

经济发达地区比经济后进区取值高些

中远期（10－20年）工程比近期（10年以内）工程取值高些

保证率取值过高，虽然保证率强，但是会使水源的灌溉能力不能充分发挥出来。反之，保证率取得过低，虽然可以扩大灌溉面积，但是保证性较差，使工程费用有不必要的增加。应当根据当地的经济条件、水源条件以及国家对当地农业生产的要求等因素综合确定。

3、保证率用法，指在规划设计中如何体现选定的保证率值。

由于年灌溉用水量值很难具有长系列的数值，所以灌溉设计保证率对应的设计年灌溉用水量值也不能由年灌溉用水量频率曲线上查得，可以就需要用以下方法选择设计年，进行年灌溉用水量计算。

最常用的方法是按降雨量选择设计年法。介绍如下：

由于：降雨量大，灌溉定额（用水量）就小，

降雨量小，灌溉定额（用水量）就大，

而：降雨量频率愈大，降雨量值愈小，灌溉用水保证率就愈大，降雨量频率愈小，降雨量值愈大，灌溉用水保证率就愈小，

可见：降雨量与灌溉用水量存在相关关系。可以近似的用降雨量频率曲线表灌溉用水量频率曲线。用降雨频率取代灌溉涉及保证率。即：

中等年（降雨频率P＝50％相当灌溉设计保证率P＝50％）表示平均每两年中就有一年供水不足或中断。

中旱年（降雨频率P＝75％相当灌溉设计保证率P＝75％）表示平均每四年中就有一年供水不足或中断。

干旱年（降雨频率P＝85－90％相当灌溉设计保证率P＝85－90％）表示平均每6－10年中就有一年供水不足或中断。

现降雨资料条件情况，具体做法有三：

其一：按降雨量选择。

把历年的年降雨量从大到小排列，进行频率计算，选择降雨频率和灌溉涉及保证率相同或相近的年份作为灌溉用水设计典型年。

此法考虑年雨量的年内分配情况及对作物用水的影响，按此年份计算出来的灌溉用水量和作物实际要求的灌溉用水量往往差别较大。

其二：按作物生育期雨量选择。

统计历年主要作物生育期的降雨量，进行频率计算，选择设计年。

此法能反映主要作物的用水要求，但仍未能解决作物生育期内降雨量的分配及对作物用水的影响，仍与实际有一定的差别。

其三：按干旱年份雨量分配选择。

对历史上出现旱情较重的一些年份雨量年内分配进行分析，选择对作物生长不利的雨量分配作为设计雨型。再按第一种方法确定设计

中降雨量，然后把设计中雨量按设计雨型进行分配，作为设计年的降雨过程。这是一种比较好的方法。

除按降雨量选设计年外还有按灌溉定额、按用水来水选择设计年等方法，限于实用中资料来源困难，就不作介绍了。

（二）抗旱天数：

1．定义：指抗旱期间，每天消耗的水量（腾发量和水田渗漏量）乘以抗旱的天数，作为单位面积上灌溉用水量的计算标准，即单位面积上灌溉用水量W值以下式表示：

()t d

=

W+

e

式中()d

e+－抗旱季节平均日耗水量，mm/d。

湖北：

稻别早稻中稻单季晚稻双季晚稻(e+d)( mm/d) 6－7 8－10 8－10 6－7

生长天数(d) 85 95 130 75 浙江：

土壤粘土壤土沙壤土

(e+d)( mm/d) 5 6 7 南方许多省份e值、d值的实验资料可以对照选用。

t－抗旱天数，d。

2．标准：

国标（GB50288-99）规定：

单季稻灌区可用30－50d，双季稻灌区可用50－70d。经济发达

地区，可按上述标准提高10－20d 。

目前我国采用的抗旱天数为50－100d 。丰水区和水稻为主的南方江苏、广东等省，多采用70－100d 。缺水区和旱作为主的北方陕西、宁夏等省多采用60－90d 。

湖北：

30－40天不下雨为小旱，约相当于灌溉设计保证率为50－70％， 40－70天不下雨为中旱，约相当于灌溉设计保证率为70－80％， 70－100天不下雨为大旱，约相当于灌溉设计保证率为80－95％。

3．方法：

灌溉库容＝抗旱期平均每天亩耗水量×灌溉亩数×抗旱天数 灌溉定额＝抗旱期平均每天每亩耗水量×抗旱天数

例：某水稻灌区1000亩，连续下雨期为4月16日至6月24日计70天。

已知：泡田期耗水量为160mm ，

补水天数为抗旱天数减去10天，为60天， 日均腾发量为d ， 日均渗漏量为3mm/d 。

求：所需灌溉定额（净）和相应库容（灌溉用水总量）大小。 解：生长期降水量＝()32.560+?＝492mm 灌溉定额（净）＝()4921603

2

+＝435m 3/亩 需灌溉库容＝1000435?＝万m 3

二、灌溉用水量：

灌溉用水量的确定应该在灌区土地利用规划和作物种植结构设计的基础上进行。这里重点讨论总量值计算，基本不涉及用水过程。

（一）灌溉原理：

1． 旱作物的灌溉定额如下式示： ① 生育期灌溉定额：

()K N N P E m ----=002

式中：m 2－生育期灌溉定额，m 3/亩 E －生育期作物田间需水量，m 3/亩

《中国主要农作物需水量等值成图研究》给出了详尽的数值可供查用。

P 0－生育期有效降雨量，m 3/亩 P 0＝P α

这里，P －对应灌溉设计保证率的生育期内降雨量，mm （133

2

m mm =/亩） α－降雨入渗系数

一次降雨量（mm ） <5 5－50 50－100 100－150 150－200

α

N 0，N-播前和生育期末土壤耕作层（计划层）的储水量，m 3/亩 K －生育期内作物对地下水的利用量，m 3/亩

一般情况下，N 0、N 、K 值均较小（占比重小），可忽略不计，则上式变为：02P E m -=

对于一种作物而言，其丰产的作物需水量（E ）可以视为是固定的。如此，M 值的大小随P 0而变。 ② 播前灌水定额： 播前灌水定额如下式示：

()水

土

γγ?

-??=0max 1667w w H m 式中：m 1-播前灌水定额，m 3/亩 土γ－土壤干密度，t/m 3 水γ－水的密度，t/m 3 H －计划湿润层，取－1m

m ax w ,0w －田间持水率和播前土层内土壤含水率（占干土质量百分数）

如此，旱作物的灌溉定额（M ）如下式示： M=m 1+m 2

我国北方地区几种主要旱作物的灌溉制度（调查）：

作物

生育期灌溉制度

备注

灌水次数

灌水定额 灌溉定额 小麦 3－6 40－80 200－300 干旱年份 棉花 2－4 30－40 80－150 玉米

3－4

40－60

150－250

2．水稻的灌溉定额如下式示：

①生育期灌溉定额：

()c p d e t m +-+=2

式中：m 2－生育期灌溉定额，mm

p －对应灌溉设计中保证率的生育期降雨量，mm c －生育期内排水量，mm e －水稻的腾发量，mm/d d －水田的渗漏量，mm/d t －生育期累计时间，d t(e+d)－生育期内田间水量

②泡田定额如下式示： ()

()111110'11000p t e t s h w w H m -+++-=水

土

饱γγ 式中：m 1’－泡田定额，mm

饱w ，0w －土壤饱和含水率和泡田前土壤含水率（以干土

质量百分数计）

土γ，水γ－饱和土层土壤干密度和泡田水的密度，t/m 3 h －插秧时要求的田面水层深度，mm ；一般为30－50mm s 1－泡田开始时至插秧时稻田渗漏强度，mm/d t 1－泡田期日期，d

e 1－泡田期水田田面的蒸发强度，mm/d p 1－泡田期降雨量，mm 泡田定额可参考下表给出数值。

单位：m 3/亩

土壤类别

地下水埋深

<2

>2 粘土和粘壤土 50－80 —— 中壤土和沙壤土 70－100 80－120 轻沙壤土

80－130

100－160

如此，水稻的灌溉定额（M ’）如下式示：

'

2'1'm m M +=

湖北省水稻泡田定额及生育期灌溉定额调查成果表（中等干旱年） 单位：m 3/亩 项目 早稻 中稻 一季晚稻 双季晚稻 泡田定额 70－80 80－100 70－80 30－60 灌溉定额 200－250 250－350 350－500 240－300 总灌溉定额

270－330

330－450

420－580

270－360

这部分灌溉原理主要是讲述了灌溉制度及作物灌溉的有关概念。在计算灌溉定额时，注意不要漏掉播前灌水定额和泡田定额值。 （二）灌溉用水量

1．各种作物（水稻、小麦、玉米、棉花…）年灌溉用水总量（W ）如下式示：

()

水

η1

...332211+++=A M A M A M W

=()

水

ηααα1

...332211+++A M A M A M

=()水

ηαααA

M M M ...332211+++

=水

综ηA

M ?

式中：M 1，M 2，M 3…－单种作物（水稻、小麦、玉米…）的灌溉定额，m 3/亩

A 1，A 2，A 3…－单种作物（水稻、小麦、玉米…）的种植面积，亩

1α，2α，3α…－单种作物（水稻、小麦、玉米…）的种植比 A －灌区耕地面积，亩

M 综－各种作物的综合灌溉定额，m 3/亩 水η－灌溉水利用系数 田系水ηηη?=

强制性规范规定：系η－渠道（管道）系统水利用系数

系统

大型灌区

（>30万亩） 中型灌区（<30万亩） 小型灌区（<1万亩） 井灌区渠道防渗

管道输水 系η

> > > >

>

田η－田间水利用系数

灌区种植作物

水稻 旱作物 田η

>

>

水η－灌溉水利用系数 灌区类型

大型灌区

中型灌区

小型灌区 井灌区 喷灌、微灌区 滴灌区

水η

> > > > > >

井渠结合灌区：()w

w w q q j j

ηη

η+≥

水

这里：j η，j w －井灌水利用系数和地下水用量，m 3

q η，q w －灌溉水利用系数和地表水用量，m

3

w －井渠灌区总用水量，m 3

提示：A 、上述系数内容是国务院通令要各设计单位强制性执行的指标。

B 、井灌区低压管道输水灌溉符合田管水ηηη?= 水稻：≥水η×= 旱作物：≥水η×= 2． 问题讨论：

① 计算年灌溉用水总量还有一种方法：

T Q w ?=

式中，Q －灌溉引水流量，m 3/s T －灌溉引水历时，s

由于此法须借助于灌溉用水过程线等资料，实际操作比较麻烦， 较少采用。

② 在土地开发整理规划设计中，曾出现过如下做法，请判别一 下对错，为什么。 A ．水总η/A M w ?=

=()水η/...321A M M M +++ B ．()

水

ηααα1

321...AM w +++=

M 1指一种主要作物的灌溉定额 C ．水η/1M A w ?= D ．1M A w ?=

③ 如果项目区分成n 片，则灌溉用水量也应对n 片分别计算。 ④ 同一项目区内的不同水源类型区或不同灌水方式区亦应分别 计算其灌溉用水量值。

⑤ 灌溉用水量中一般不计入果园、林地、蔬菜（大棚）的用水 量。

三、水源来水量

可以作为灌溉水源的有地上水和地下水，主要水利设施有水库、河流、塘坝、井等。

（一）地上水： 1、水库： 类型 中型水库 小（一）型水库 小（二）型水库 库容（万m 3）

1000－10000

100－1000

10－100

主要接受库区上游的来水，由水利部门的管理，可以通过协议确 定可供水源数量。

2．河流水源来水主要是区外的河川径流量，也可能有部分当地地表径流量。 QT W 86400=河

式中：W 河－作物生育期内可以引用的河流水量，m 3 Q －作物生育期内渠道引用的河流流量，m 3/s

T －作物生育期内渠道实际引水时间，d 提示：

①从河流的引水是个过程线，并且应该和用水过程线相匹配。 ②从河流引水的历时不是全年的天数，而是渠道引水的实际天数。

③北方一些中小河流春季经常断流，径流资料极少，此水源不够稳定可靠；南方一些中小河流全流经常不断，水量虽少，但是比较稳定可靠，是主要水源。

3．塘坝：水源来水是当地地表径流，塘坝容积一般小于10万m 3。 ①复蓄次数法： 有效塘vV W = 式中：

W 塘－塘坝在作物生育期内可提供的水量，m 3

V 有效－塘坝有效容积（指扣除垫底库容－水深1m 的库容），m 3 v －复蓄次数，即一年中蓄满次数，干旱年v ＝，中等干旱年v=。 塘坝类型

湖南

湖北

孤立塘坝

丰水或平水年

中等干旱年 干旱年

结瓜塘坝

比孤立塘大倍

②按集雨面积估算法： PCF W α667.0=塘

式中：塘W －塘坝可提供的水量，m 3 P －设计年的年降雨量，mm

α－年径流系数，一般取 C －径流利用系数（计入蒸发渗漏损失），一般为 F －塘坝集雨面积，亩（1mm ＝亩）

例：某灌溉区种水稻1200，棉花200亩，干旱年的年降雨量为500mm ，年径流系数为，已分析计算确定水稻的总灌溉定额为435m 3/亩，棉花灌溉定额为120 m 3/亩，现状水库工程协议供给50万m 3水量，问：还需要新建塘坝工程吗？新建多大集雨面积的塘坝？

解：

灌溉净用水量为：W 净＝435×1200＋120×200＝万m 3 尚缺水量：取干旱年复蓄次数N ＝1， 则有×1=万m 3（须新建塘坝净容积） 须新建塘坝容积：

估取从塘坝至田间的输水损失为20％，则有：

75.52

.016.4=-=

塘W 万m 3

新建塘坝集雨面积：估取径流利用系数为，则有 F 4.7186

.04.0500667.057500

=???≥

亩（）

提示：①新建塘坝容积与用水量、设计年、降雨量和径流系数、灌溉水利用系数、集雨面积等有关。

②根据塘坝容积（集雨面积）选好具备条件的坝址。 ③抗旱天数法：

=)

(

A

.0

+

667

t

W?

d

e

塘

式中：

W－须要塘坝提供的水量，m3

塘

e+－抗旱季节平均日耗水量，mm/d

)

(d

t－抗旱天数，d

A－灌溉面积，亩

（二）地下水：

1、原理：地下水的水源来水量取决于以下两点：

①地下水可开采的资源量，即允许开采量。

②开采地下水的技术条件指单井出水量、井数及开采历时等，即实际开采量。

实际开采量V实≤允许开采量V允

上述两个条件应同时满足。

2、方法：

①实际开采量，取灌区的年灌溉用水量值。

②允许开采量，按系统方法及计算多项补给排泄量用到大量公式和参数，既繁琐又不准。

实践表明：单井出水量值是可以集中的综合反映水文地质条件的一个指标。要求单井出水量值应满足两个条件：符合多年平均值情况，在灌区内具有代表性。

选定单井出水量的方法有三个：选已成井作简易抽水实验，测单井出水量和水位降深曲线；查阅有关技术中的单井出水量值；调查询问数据。

对上述三套数据综合分析论证后确定下来。 3．公式：地下水的可开采量V 允＝t n Q ?? Q －单井出水量，m 3/h n －开采井数

t －开采地下水历时（h ） V 允－地下水允许开采量，m 3 地下水的实际开采量V 实＝水

综ηA

M ?

如此有：

t n Q A

M ??≤?水

综η

式中仅n 为未知： Qt

A

M n 水综η?≥

确定开采井数n 后，可以求出单井控制灌溉面积值A 0 A 0＝n

A

4．讨论：

①地下水的水源来水量为Q 、n 、t ，n 大，来水量也大。 水利部文件规定：日开采地下水量达5万m 3者须经水利部组织专家论证，于是允许的最大开采井数为Q

Q n 2500

201054max

=?≤（日采水20h ，Q ＝40 m 3/h 时，5.62max ≤n ），为此，一般情况下，应该max n n ≤。 ②V 允值可能大于V 值，这是由于开采时，一方面开采区水位降深要袭夺周围地区的地下水量，另一方面，也会开采部分储存在含水层中的静储量。经过年调节或多年调节这些多采水量会得到补偿，因为Q 是近似的多年平均值。

③此方法简单，概念清楚，方便操作，可以试用。

四．水资源均衡分析

（一）原理：

1．一般情况下应该满足灌溉用水量≤水源来水量条件。

2．按不同水源类型分区（分片），实现来用水均衡。即多种水源来水应相互协调实现联合运用。

3．某些下，来用水不能实现均衡时应该提出解决的途径和措施，科学态度是实事求是。

（二）示例：

山东××县项目水土资源平衡分析内容较全面正确，可供参考。

杨振刚