基于供需平衡指數(shù)法分析贛撫平原灌區(qū)水資源供需平衡狀況

張洪杰

（江西省贛撫平原水利工程管理局,江西 南昌 330000）

灌區(qū)需水包括河道外需水和河道內(nèi)需水。河道外需水主要包括城鄉(xiāng)居民生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和服務(wù)業(yè)等經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的需水,以及需要通過人工供水措施滿足的湖泊濕地補(bǔ)水等生態(tài)環(huán)境需水。河道內(nèi)生態(tài)需水指維系一定生態(tài)系統(tǒng)功能不被占用的河道最小水資源量,包括天然生態(tài)和人工生態(tài)。贛撫平原灌區(qū)強(qiáng)化用水需求管理,以水資源開發(fā)利用和節(jié)約保護(hù)控制性指標(biāo)為約束,在分析灌區(qū)水資源特點(diǎn)、用水結(jié)構(gòu)、種植結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,充分考慮相關(guān)行政區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局與調(diào)整,采用供需平衡指數(shù)對(duì)灌區(qū)需水量預(yù)測(cè)及供需平衡進(jìn)行研究[1]。

1 灌區(qū)概況

贛撫平原灌區(qū)位于贛中偏北地區(qū),是一座以撫河為水源、通過焦石、柴埠口引水樞紐引水的大型灌區(qū),承擔(dān)了城鎮(zhèn)工業(yè)、生活、環(huán)境供水及內(nèi)河船運(yùn)、發(fā)電等多項(xiàng)任務(wù)。灌區(qū)土地面積321.21 萬畝,耕地面積128.32 萬畝,設(shè)計(jì)灌溉面積119.30 萬畝,現(xiàn)狀有效灌溉面積117.36 萬畝,實(shí)際灌溉面積為116.4 萬畝。灌區(qū)在解決區(qū)域洪澇災(zāi)害、干旱缺水、水環(huán)境惡化等問題中起著不可替代的作用,在保障區(qū)域糧食安全、用水安全、生態(tài)環(huán)境安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中作出了巨大貢獻(xiàn)。

2 灌區(qū)水平衡分析

引入?yún)^(qū)域水資源供需平衡指數(shù)（RWRI）對(duì)贛撫平原灌區(qū)水資源供給與需求狀況進(jìn)行評(píng)估。RWRI 是指區(qū)域需水量和供水量比值,反映水資源供給和需求關(guān)系,計(jì)算式為：

式中：WD 為水資源需求量,WS 為水資源供給量。

當(dāng)WD＜WS,水資源需求量小于供給量,表現(xiàn)為水資源盈余；當(dāng)WD＞W(wǎng)S 時(shí),水資源需求量大于供給量,表現(xiàn)為水資源短缺；當(dāng)WS=WD 時(shí),水資源需求量等于供給量,表現(xiàn)為水資源供需平衡。

2.1 灌區(qū)需水量測(cè)算

2.1.1 灌溉需水量

灌溉需水量是指從水資源向田間說送的灌溉水量,計(jì)算式如下：

式中：WAt為第t 年的灌溉需水量；Fi,k為i 分區(qū)k 作物的種植面積；Ij,k為j 月k 作物的灌溉定額。

灌區(qū)經(jīng)過續(xù)建配套改造后,2025 年農(nóng)田灌溉面積為117.36 萬畝,改善灌溉面積63.9 萬畝,2035 年達(dá)到設(shè)計(jì)灌溉面積119.30 萬畝。根據(jù)最嚴(yán)格水資源制度要求,2025 年農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.538,2035 年提高至0.550。

根據(jù)贛撫平原灌區(qū)綜合畝均凈灌溉定額及灌溉發(fā)展規(guī)劃,計(jì)算各水平年灌溉用水量,見表1。

表1 贛撫平原灌區(qū)各水平年灌溉用水量

2.1.2 生活用水量分析

生活需水量按照下式計(jì)算：

式中：W 為綜合生活需水量；ci為i 區(qū)人口；di為i 區(qū)的生活用水定額。

現(xiàn)狀贛撫平原灌區(qū)的生活用水戶主要集中在進(jìn)賢縣城區(qū)、南昌縣老城區(qū)、向塘鎮(zhèn)等城鎮(zhèn)居民,供水人口約34.6 萬人。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃,預(yù)測(cè)2025 年,灌區(qū)總供水人口將達(dá)到79.6 萬,其中城鎮(zhèn)人口62 萬,農(nóng)村人口17.6 萬；2035 年,灌區(qū)總供水人口將達(dá)到73.67 萬,其中城鎮(zhèn)人口68.49 萬,農(nóng)村人口15.18 萬。根據(jù)近年江西省水資源公報(bào)人均生活用水量指標(biāo)判斷、城市居民生活用水量呈逐年上升趨勢(shì),而城鎮(zhèn)公共用水量上升趨勢(shì)明顯。經(jīng)綜合考慮,預(yù)測(cè)確定灌區(qū)城鎮(zhèn)居民最高日綜合生活用水定額2025 年為249/（人·d）,2035 年為250 L/（人·d）。農(nóng)村居民生活用水定額2025 年和2030 年均為100 L/（人·d）。測(cè)算規(guī)劃水平年灌區(qū)各行政區(qū)域生活需水量見表2。

表2 規(guī)劃水平年灌區(qū)各行政區(qū)域居民生活需水量

2.1.3 工業(yè)用水量分析

根據(jù)調(diào)查,贛撫平原灌區(qū)以農(nóng)田灌溉為主,工業(yè)用水較小,灌區(qū)主要工業(yè)用水戶主要有江氨、南鋼和南鐵。目前工業(yè)用水戶主要為南鋼。根據(jù)2013 年～2016 年灌區(qū)統(tǒng)計(jì)資料、工業(yè)年取水量均值為713 萬m3,主要用于廠區(qū)工業(yè)生產(chǎn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃,贛撫平原灌區(qū)為南昌市應(yīng)急備用水源,為保障南昌市區(qū)生活用水,不考慮贛撫平原內(nèi)工業(yè)用水增量。因此,本次規(guī)劃選取近年灌區(qū)工業(yè)用水量年平均值并適當(dāng)增長(zhǎng)作為規(guī)劃水平年工業(yè)取水量。規(guī)劃水平年灌區(qū)工業(yè)需水量見表3。

表3 各規(guī)劃水平年灌區(qū)工業(yè)需水量

2.1.4 環(huán)境用水量分析

環(huán)境需水量包括河道生態(tài)補(bǔ)水和綠地環(huán)衛(wèi)用水,采用下式計(jì)算：

式中：W 為生態(tài)需水量；ε為城鎮(zhèn)人口總數(shù)；η為需水定額。

贛撫平原灌區(qū)主要以農(nóng)業(yè)灌溉為主,其供水原則是在干旱、水源不足年份,首先保障城鎮(zhèn)居民生活用水,兼顧農(nóng)業(yè)、工業(yè)和環(huán)境用水；水電站、航運(yùn)、旅游等用水應(yīng)當(dāng)服從生活用水、生產(chǎn)用水的需要。考慮到灌區(qū)渠道內(nèi)水功能區(qū)及各干渠沒有需要特殊保護(hù)的水生生物等生態(tài)敏感對(duì)象,灌區(qū)灌溉、發(fā)電、生活、工業(yè)和城市環(huán)境用水及渠首多余的引水量可以滿足灌區(qū)各渠道自身生態(tài)環(huán)境需水的要求,同時(shí)由于渠道自身生態(tài)環(huán)境需水基本不消耗水量,從灌區(qū)各渠道流淌后仍然能夠供給灌區(qū)灌溉用水,因此只考慮南昌市環(huán)境用水,不考慮渠道自身生態(tài)環(huán)境需水。

贛撫平原灌區(qū)承擔(dān)著南昌市城區(qū)“八湖二河”（八湖為東湖、西湖、南湖、北湖、青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖,二河為撫河故道和玉帶河）的生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水任務(wù),主要是從西干渠和五干渠取水,還有部分城市環(huán)境用水取自六干渠和西總干。正常情況下,灌區(qū)需為南昌市環(huán)境補(bǔ)水2.4 億m3/a。從保障灌區(qū)糧食安全、用水安全和生態(tài)環(huán)境健康,以及最嚴(yán)格水資源管理對(duì)用水總量控制的要求等方面綜合考慮,規(guī)劃水平年灌區(qū)城市環(huán)境需水按近年年均正常補(bǔ)水并考慮適當(dāng)增長(zhǎng)。規(guī)劃水平年灌區(qū)城市環(huán)境需水量見表4。

表4 規(guī)劃水平年灌區(qū)生態(tài)需水量 單位：萬m3

2.1.5 灌區(qū)總需水量

根據(jù)上述預(yù)測(cè),2025 年多年平均,P=50%、P=75%、P=85%和P=90%。灌區(qū)總需水量分別為9.82 億m3、9.78 億m3、11.13 億m3、12.23 億m3和12.45 億m3。2035 年多年平均,P=50%、P=75%、P=85% 和P=90% 灌區(qū)總需水量分別為9.96 億m3、9.91 億m3、11.23 億m3、12.32 億m3和12.53 億m3。

2.2 灌區(qū)可供水量分析

2.2.1 灌區(qū)水資源量

根據(jù)焦石壩1958 年～2018 年月徑流量成果,排頻得到壩址多年平均,P=50%、P=75%、P=85%、P=90%,徑流量分別為484 m3/s、474 m3/s、349 m3/s、323 m3/s 和300 m3/s。進(jìn)而求得灌區(qū)多年平均,P=50%、P=75%、P=85%、P=90%的水資源量分別為153 億m3、149 億m3、110 億m3、102 億m3和95 億m3。

2.2.2 河道內(nèi)生態(tài)需水量

計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)基流的方法較多,根據(jù)本流域特點(diǎn),采用“最枯月均流量法”和“Tennant 法”計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)基流,并對(duì)比分析及采用。

（1）最枯月均流量法

李家渡站位于焦石壩下游約4 km 處,本次河道內(nèi)生態(tài)需水量采用李家渡站歷年各月實(shí)測(cè)徑流資料,按最小取樣法求得歷年最小月均流量,按從大到小排頻計(jì)算設(shè)計(jì)頻率為90%的流量作為最小生態(tài)流量。按“最枯月均流量法”得到河道內(nèi)生態(tài)需水量為20.6 m3/s。

（2）Tennant 法

統(tǒng)計(jì)李家渡站歷年實(shí)測(cè)平均流量,計(jì)算的李家渡站多年平均流量為410 m3/s。“Tennant 法”計(jì)算最小基流為多年平均流量的10%,即5.83 m3/s,也即按“Tennant 法”求得最小生態(tài)流量為41.0 m/s。

綜上分析計(jì)算,“最枯月均流量法”和“Tennant 法”計(jì)算河道內(nèi)生態(tài)基流分別為20.6 m3/s、41.0 m3/s,采用較小者作為河道內(nèi)生態(tài)需水量,即20.6 m3/s。

2.2.3 水資源可利用量分析

灌區(qū)水資源可利用水量指取水口處可以取用的水量,為來水扣除蒸發(fā)、滲漏和生態(tài)用水后的水量。以河流天然來水為水源的可利用水量,河道中來水難以通過人為控制,其可利用水量完全取決于實(shí)時(shí)來水量的大小。

由焦石壩址徑流量,扣除河道內(nèi)生態(tài)流量后,為焦石及柴埠口可引水流量,實(shí)際引水流量以設(shè)計(jì)引用流量167 m3/s為限,不足則按實(shí)際流量計(jì)算。

根據(jù)以上原則,采用焦石壩1958 年～2018 年逐月來水量分析,得到贛撫平原灌區(qū)多年平均、P=50%、P=75%、P=85%、P=90%的水資源可利用量分別為47.6 億m3、48.6 億m3、45.1 億m3、41.9 億m3和40.4 億m3。

2.3 灌區(qū)水資源供需平衡分析

2.3.1 現(xiàn)狀水平年供需平衡分析

灌區(qū)現(xiàn)狀年有效灌溉面積117.36 萬畝,灌溉水利用系數(shù)0.484。根據(jù)灌區(qū)現(xiàn)狀年用水過程,結(jié)合現(xiàn)有水源來水情況,選取典型年逐月進(jìn)行水量平衡分析、成果,水量供需平衡分析的總體原則為“以需定供”,即當(dāng)來水大于需水時(shí),按照需水量引水：當(dāng)來水小于需水時(shí),在預(yù)留河道生態(tài)用水前提下按照來水取水,見表5。

表5 現(xiàn)狀年用水過程水平衡分析 單位：m3

分析結(jié)果表明,由于焦石壩址來水豐富,灌區(qū)可利用水量充足,現(xiàn)狀年灌區(qū)所有供水時(shí)段均未破壞,RWRI 指數(shù)遠(yuǎn)小于1,證明水資源狀況為充分盈余,可滿足灌區(qū)需水要求。

2.3.2 灌區(qū)規(guī)劃水平年供需平衡分析

規(guī)劃至2025 年和2035 年,灌區(qū)有效灌溉面積分別為117.36 萬畝、119.30 萬畝,灌溉水利用系數(shù)分別達(dá)到0.538和0.550。根據(jù)灌區(qū)需水量預(yù)測(cè),結(jié)合水源來水情況,選取典型年逐月進(jìn)行水量平衡分析,見表6。分析結(jié)果表明,在現(xiàn)有水源條件下,規(guī)劃水平年灌區(qū)所有供水時(shí)段均未破壞,RWRI指數(shù)遠(yuǎn)小于1,證明水資源狀況為充分盈余,可滿足灌區(qū)需水要求。

表6 規(guī)劃年用水過程水平衡分析 單位：m3

3 結(jié)語

文章基于灌區(qū)現(xiàn)狀對(duì)各水平年的灌溉需水量、生活需水量、工業(yè)需水量和生態(tài)環(huán)境需水量進(jìn)行測(cè)算,分析灌區(qū)可利用水資源量并進(jìn)行水量平衡分析。結(jié)果表明,在現(xiàn)有水源條件下,規(guī)劃水平年灌區(qū)所有供水時(shí)段均未破壞,RWRI 指數(shù)遠(yuǎn)小于1,證明水資源狀況為充分盈余,可滿足灌區(qū)需水要求,其續(xù)建配套和節(jié)水改造項(xiàng)目不受水資源制約。