CN113657811B - 一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,包括:基于作物产量、水分生产率、耗水控制最优目标下,确定灌区所在地区的作物灌溉用水净定额的初始值;基于地区农业取水红线确定各作物灌溉用水净定额的最终值;获取灌区的地表水田间节水量、渠系节水量与地表水总节水量;对实现地表水总节水量后的灌区进行地下水灌溉零超采校验;利用基于地下水灌溉零超采节水潜力分析方法,对检验结果为地下水灌溉超采的灌区进行节水量的重新计算。
Description
技术领域
本发明涉及灌区节水技术领域,更具体的说是涉及一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法。
背景技术
在“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期治水思路指导下,深挖节水潜力无疑是水利工作的关键环节。而农业作为用水大户,势必拥有着巨大的节水潜力。
目前关于计算农业节水潜力的研究方法较多,往往多从减少耗水量或减少取水量角度,推求资源性节水或工程性节水潜力大小,但对于实现节水潜力后地下水是否超采等问题都未涉及,特别是对于井渠结合灌区,若因过度节水造成地下水超采,势必会威胁到灌区生态安全,也不利于灌区水资源持续有效利用。
因此,如何提供一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,通过引入地下水零超采检验对节水潜力进行再分析,建立了基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,包括:
(1)基于作物产量、水分生产率、耗水控制最优目标下,确定灌区所在地区的作物灌溉用水净定额的初始值;
(2)基于地区农业取水红线确定各作物灌溉用水净定额的最终值;
(3)获取灌区的地表水田间节水量、渠系节水量与地表水总节水量;
(4)对实现地表水总节水量后的灌区进行地下水灌溉零超采校验;
(5)利用基于地下水灌溉零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,对检验结果为地下水灌溉超采的灌区进行节水量的重新计算。
优选的,步骤(1)具体包括:
(1-1)利用作物生长模型模拟获取灌区所在地区典型年条件下的作物全生育期用水量-产量关系的二次函数关系表达式:
y=aET2+bET+c
式中,y为作物产量,单位为kg/亩;ET为作物全生育用水量,单位为mm;a、b、c为回归系数;
(1-2)根据模拟得到的作物全生育期用水量-产量关系,得到作物产量最大值y最大、作物产量最大值对应的作物用水量值ET产大(ET产大=-b/2a)与水分生产率最大值WUE大 选取产量不低于80%y最大、耗水量低于ET产大、水分生产率不低于70%WUE大情景下各作物灌溉用水净定额作为该作物灌溉用水净定额的初始值。
优选的,步骤(2)具体包括:
(2-1)根据该地区各作物灌溉用水净定额的初始值计算该地区作物的综合灌溉净定额,具体表达式为:
式中,I地净综为该地区作物的综合灌溉净定额,单位为m3/亩;ei为第i种作物的种植结构比例系数;I初i为该地区第i种作物灌溉用水净定额的初始值,单位为m3/亩;
(2-2)计算该地区的综合灌溉水利用系数η综,具体表达式为:
η综=η地区地表水·ω地表水+η地区机井·ω地下水
式中,η综为该地区作物的综合灌溉水利用系数;η地区地表水为该地区的地表水灌溉水利用系数;ω地表水为该地区农业地表取水占农业总取水的多年平均值;η地区机井为该地区的机井灌溉水利用系数;ω地下水为该地区农业地下取水占农业总取水的多年平均值;
(2-3)基于灌溉用水净定额初始值计算该灌区所在地区的综合毛定额及农业取用水量W,具体表达式为:
I地毛综=I地净综/η综
W=I地毛综*S
式中,I地毛综为该地区基于灌溉用水净定额初始值的综合毛定额,单位为m3/亩;I地净综为该地区作物的综合灌溉净定额,单位为m3/亩;η综为该地区作物的综合灌溉水利用系数;W为该地区基于灌溉用水净定额初始值的农业取用水量,单位为万m3;S为该地区的农业灌溉面积,单位为万亩;
若估算的该地区农业取用水量W小于地区农业取水红线,则初次复核满足地区农业取水红线要求,否则不能;
初次复核不能满足地区农业取水红线要求时,按照该地区作物的灌溉用水量由高到低排序,依次选择第一作物、第二作物及第三作物等,在满足产量-水分生产率-耗水控制三元目标下依次降低所述第一作物、所述第二作物及所述第三作物的净灌溉用水定额值,并再次进行灌溉用水供需平衡分析,当满足农业取水红线要求时,则停止对作物灌溉用水净定额调整,以此为基础确定各作物净灌溉定额的最终值。
优选的,步骤(3)具体包括:
假设现状种植结构、现状井渠结合灌溉面积与现状井渠结合灌溉范围内的地下水灌溉水量保持不变;
当灌区的现状田间灌溉用水定额I0大于理论综合净定额I净综时,
规划作物灌溉综合净定额I规划以理论综合净定额I净综为准,地表水田间节水量、渠系节水量与地表水总节水量计算公式如下:
ΔQ田间=Q0-Q1
ΔQ渠系=Q1-Q2
Q1=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η0+Q地下水
Q2=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η1+Q地下水
ΔQ地表水=Q0-Q2
式中,ΔQ田间为地表水田间节水量,单位为万m3;ΔQ渠系为渠系节水量,单位为万m3;Q0为现状灌溉用水量,单位为万m3;Q1为保持现状灌溉水有效利用系数条件下的规划灌溉用水量,单位为万m3;Q2为提升灌溉水利用系数后规划的灌溉用水量,单位为万m3;I规划为规划作物灌溉综合净定额,单位为m3/亩;A为地表水实灌面积,单位为万亩;Q地下水为地下水灌溉用水量,单位为万m3;η机井为井灌的灌溉水利用系数;η0、η1分别为灌区现状管理水平下与续建配套节水改造后的地表水灌溉水利用系数;ΔQ地表水为地表水总节水量,单位为万m3;
当现状田间灌溉用水定额I0小于理论综合净定额I净综时:
规划作物灌溉综合净定额I规划以现状田间灌溉用水定额I0为准,地表水田间节水量与渠系节水量计算公式如下:
ΔQ田间=0
ΔQ渠系=Q0-Q3
Q3=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η1+Q地下水
ΔQ地表水=Q0-Q3
式中,Q3为亏缺灌溉条件下提升灌溉水利用系数后规划的灌溉用水量,单位为万m3。
优选的,步骤(4)具体包括:
(4-1)获取该灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量,具体表达式为:
Q补=Q地表水·(1-η地表水)
式中,Q补为地表水灌溉对地下水的补给量,单位为万m3;Q地表水是地表水灌溉量,单位为万m3;η地表水是地表水灌溉水利用系数;
(4-2)获取该灌区实现节水量后的地下水净消耗量,具体表达式为:
Q耗=Q地下水·η机井
式中,Q耗为地下水灌溉的净消耗量,单位为万m3;Q地下水是地下水灌溉量,单位为万m3;η机井为井灌的灌溉水利用系数;
(4-3)当该灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量Q补大于地下水灌溉的净消耗量Q耗时,且由于未考虑降水与河道侧渗等对地下水补给,因此灌区不存在地下水超采问题;
当该灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量Q补小于地下水灌溉的净消耗量Q耗时,表明灌区存在地下水超采问题的风险增加。
优选的,步骤(5)具体包括:
针对实现地表水总节水潜力后地下水灌溉超采的灌区,需对其灌溉水量进行调整,使调整后的地表灌溉水与地下灌溉水既满足作物用水需要,也满足灌区灌溉对地下水净补给量(Q补-Q耗)为非负数,具体表达式为:
Q’地表水·η地表水+Q’地下水·η机井=A·I规划
Q’地表水·(1-η地表水)-Q’地下水·η机井≥0
式中,Q’地表水为调整后的地表水灌溉量,单位为万m3;η地表水为地表水灌溉水利用系数;Q’地下水为调整后的地下水灌溉量,单位为万m3;η机井为机井灌溉水利用系数;A为地表水实灌面积,单位为万亩;I规划为规划作物灌溉综合净定额,单位为m3/亩;通过联立上述两式,得到调整后的地表水灌溉水量为:
Q’地表水≥A·I规划
则基于地下水灌溉零超采的灌区地表水总节水潜力为:
ΔQ地表水=Q0-Q地下水-Q’地表水
式中,ΔQ地表水为地表水总节水量,单位为万m3;Q’地表水为调整后的地表水灌溉量,单位为万m3;Q0为现状灌溉用水量,单位为万m3;Q地下水是现状地下水灌溉量,单位为万m3。
经由上述的技术方案可知,与现有技术相比,本发明公开提供了一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,基于产量-水分生产率-耗水控制等多元目标与农业取水红线下确定作物的灌溉用水定额,计算灌区的地表水节水潜力并引入地下水安全性检验对节水潜力进行再分析,为井渠结合灌区的节水潜力科学评价、灌溉工程规划和建设等提供支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法的流程图;
图2为本发明实施例1提供的作物产量、水分生产率与耗水量关系图;
图3为本发明实施例1提供的现状田间灌溉用水量I0大于理论净定额I净时的曲线图;
图4为本发明实施例1提供的现状田间灌溉用水量I0小于理论净定额I净时的曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
参见附图1所示,本发明实施例1提供了一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,包括:
(1)基于作物产量、水分生产率、耗水控制最优目标下,确定灌区所在地区的各作物灌溉用水净定额的初始值;
(2)基于地区农业取水红线确定各作物灌溉用水净定额的最终值;
(3)获取灌区的地表水田间节水量、渠系节水量与地表水总节水量;
(4)对实现地表水总节水量后的灌区进行地下水灌溉零超采校验;
(5)利用基于地下水灌溉零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,对检验结果为地下水灌溉超采的灌区进行节水量的重新计算。
在一个具体的实施例中,步骤(1)具体包括:
(1-1)利用作物生长模型模拟获取灌区所在地区典型年条件下的作物全生育期用水量-产量关系的二次函数关系表达式:
y=aET2+bET+c
式中,y为作物产量,单位为kg/亩;ET为作物全生育用水量,单位为mm;a、b、c为回归系数;
(1-2)根据模拟得到的作物全生育期用水量-产量关系,得到作物产量最大值y最大、作物产量最大值对应的作物用水量值ET产大(ET产大=-b/2a)与水分生产率最大值WUE大 选取产量不低于80%y最大、耗水量低于ET产大、水分生产率不低于70%WUE大情景下各作物灌溉用水净定额作为该作物灌溉用水净定额的初始值。
在一个具体的实施例中,步骤(2)具体包括:
(2-1)根据该地区该作物灌溉用水净定额的初始值计算该地区作物的综合灌溉净定额,具体表达式为:
式中,I地净综为该地区作物的综合灌溉净定额,单位为m3/亩;ei为第i种作物的种植结构比例系数;I初i为该地区第i种作物灌溉用水净定额的初始值,单位为m3/亩;
(2-2)计算该地区的综合灌溉水利用系数η综,具体表达式为:
η综=η地区地表水·ω地表水+η地区机井·ω地下水
式中,η综为该地区作物的综合灌溉水利用系数;η地区地表水为该地区的地表水灌溉水利用系数;ω地表水为该地区农业地表取水占农业总取水的多年平均值;η地区机井为该地区的机井灌溉水利用系数;ω地下水为该地区农业地下取水占农业总取水的多年平均值;
(2-3)基于灌溉用水净定额初始值计算该灌区所在地区的综合毛定额及农业取用水量W,具体表达式为:
I地毛综=I地净综/η综
W=I地毛综*S
式中,I地毛综为该地区基于灌溉用水净定额初始值的综合毛定额,单位为m3/亩;I地净综为该地区作物的综合灌溉净定额,单位为m3/亩;η综为该地区作物的综合灌溉水利用系数;W为该地区基于灌溉用水净定额初始值的农业取用水量,单位为万m3;S为该地区的农业灌溉面积,单位为万亩;
若估算的该地区农业取用水量W小于地区农业取水红线,则初次复核满足地区农业取水红线要求,否则不能;
初次复核不能满足地区农业取水红线要求时,按照该区域作物的灌溉用水量由高到低排序,依次选择第一作物、第二作物及第三作物等,在满足产量-水分生产率-耗水控制三元目标下依次降低所述第一作物、所述第二作物及所述第三作物的净灌溉用水定额值,并再次进行灌溉用水供需平衡分析,当满足农业取水红线要求时,则停止对作物灌溉用水净定额调整,以此为基础确定各作物净灌溉定额的最终值。
在一个具体的实施例中,步骤(3)具体包括:
假设现状种植结构、现状井渠结合灌溉面积与现状井渠结合灌溉范围内的地下水灌溉水量保持不变;
当灌区的现状田间灌溉用水定额I0大于理论综合净定额I净综时:
规划作物灌溉综合净定额I规划以理论综合净定额I净综为准,地表水田间节水量、渠系节水量与地表水总节水量计算公式如下:
ΔQ田间=Q0-Q1
ΔQ渠系=Q1-Q2
Q1=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η0+Q地下水
Q2=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η1+Q地下水
ΔQ地表水=Q0-Q2
式中,ΔQ田间为地表水田间节水量,单位为万m3;ΔQ渠系为渠系节水量,单位为万m3;Q0为现状灌溉用水量,单位为万m3;Q1为保持现状灌溉水有效利用系数条件下的规划灌溉用水量,单位为万m3;Q2为提升灌溉水利用系数后规划的灌溉用水量,单位为万m3;I规划为规划作物灌溉综合净定额,单位为m3/亩;A为地表水实灌面积,单位为万亩;Q地下水为地下水灌溉用水量,单位为万m3;η机井为井灌的灌溉水利用系数;η0、η1分别为灌区现状管理水平下与续建配套节水改造后的地表水灌溉水利用系数;ΔQ地表水为地表水总节水量,单位为万m3;
当现状田间灌溉用水定额I0小于理论综合净定额I净综时:
规划作物灌溉综合净定额I规划以现状田间灌溉用水定额I0为准,地表水田间节水量与渠系节水量计算公式如下:
ΔQ田间=0
ΔQ渠系=Q0-Q3
Q3=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η1+Q地下水
ΔQ地表水=Q0-Q3
式中,Q3为亏缺灌溉条件下提升灌溉水利用系数后规划的灌溉用水量,单位为万m3。
在一个具体的实施例中,步骤(4)具体包括:
(4-1)获取该灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量,具体表达式为:
Q补=Q地表水·(1-η地表水)
式中,Q补为地表水灌溉对地下水的补给量,单位为万m3;Q地表水是地表水灌溉量,单位为万m3;η地表水是地表水灌溉水利用系数;
(4-2)获取该灌区实现节水量后的地下水净消耗量,具体表达式为:
Q耗=Q地下水·η机井
式中,Q耗为地下水灌溉的净消耗量,单位为万m3;Q地下水是地下水灌溉量,单位为万m3;η机井为井灌的灌溉水利用系数;
(4-3)当该灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量Q补大于地下水灌溉的净消耗量Q耗时,且由于未考虑降水与河道侧渗等对地下水补给,因此灌区不存在地下水超采问题;
当该灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量Q补小于地下水灌溉的净消耗量Q耗时,表明灌区存在地下水超采问题的风险增加。
在一个具体的实施例中,步骤(5)具体包括:
针对实现地表水总节水潜力后地下水灌溉超采的灌区,需对其灌溉水量进行调整,使调整后的地表灌溉水与地下灌溉水既满足作物用水需要,也满足灌区灌溉对地下水净补给量(Q补-Q耗)为非负数,具体表达式为:
Q’地表水·η地表水+Q’地下水·η机井=A·I规划
Q’地表水·(1-η地表水)-Q’地下水·η机井≥0
式中,Q’地表水为调整后的地表水灌溉量,单位为万m3;η地表水为地表水灌溉水利用系数;Q’地下水为调整后的地下水灌溉量,单位为万m3;η机井为机井灌溉水利用系数;A为地表水实灌面积,单位为万亩;I规划为规划作物灌溉综合净定额,单位为m3/亩;通过联立上述两式,得到调整后的地表水灌溉水量为:
Q’地表水≥A·I规划
则基于地下水灌溉零超采的灌区地表水总节水潜力为:
ΔQ地表水=Q0-Q地下水-Q’地表水
式中,ΔQ地表水为地表水总节水量,单位为万m3;Q’地表水为调整后的地表水灌溉量,单位为万m3;Q0为现状灌溉用水量,单位为万m3;Q地下水是现状地下水灌溉量,万m3。
实施例2
具体应用本发明实施例1提供的方法的过程如下:
张家口市地处河北省西北部,属于温带大陆性季风气候,一年四季分明,冬季长而寒冷干燥,夏季短且炎热,多年平均降水量为393.2mm,且年内与年际降水量均变化较大。全年降雨主要集中在6-8月,约占全年降水量的80%。根据张家口年鉴显示,2017年张家口地区的作物种植结构如表1所示,全市进行灌溉的耕地面积为309.24万亩。
张家口市实施最严格的水资源管理制度,坚持总量控制与定额管理相结合。按照以水定产、以水定市的原则,在保障经济社会发展和改善生态环境用水需求的基础下,张家口2020年全市用水总量控制在9.02亿m3以内。根据2017年张家口年鉴显示,张家口市年农业用水占年总用水量的70.7%,因此在本实例中,通过张家口地区总用水红线分配计算得到地区农业取水红线为6.38亿m3。
表1 2017年张家口地区的作物种植结构
基于产量、水分生产率、耗水控制最优目标下,确定灌区所在地区的作物灌溉用水净定额的初始值;
利用历史气象数据,采用有效降水计算模型,计算作物的生育期有效降水量;以75%水文年的有效降水量选取典型年,利用作物生长模型模拟获取灌区所在地区典型年条件下的作物全生育期用水量-产量关系的二次函数关系表达式:
y=aET2+bET+c
式中,y为作物产量,单位为kg/亩;ET为作物全生育用水量,单位为mm;a、b、c为回归系数;
根据模拟得到的作物全生育期用水量-产量关系,得到作物产量最大值y最大、作物产量最大值对应的作物用水量值ET产大(ET产大=-b/2a)与水分生产率最大值WUE大 选取产量不低于80%y最大、耗水量低于ET产大、水分生产率不低于70%WUE大情景下各作物灌溉用水净定额作为该作物灌溉用水净定额的初始值。通过模拟得到张家口地区基于产量-水分生产率-耗水控制三元目标下各作物灌溉用水净定额的初始值见表2。
表2张家口地区基于农业取水红线确定各作物灌溉用水净定额的初始值
基于地区农业取水红线确定各作物灌溉用水净定额的最终值,具体过程如下:
计算张家口地区作物的综合灌溉净定额I综:
计算张家口地区的综合灌溉水利用系数η综:
η综=η地区地表水·ω地表水+η地区机井·ω地下水=0.685×0.27+0.82×0.73=0.7836
因未搜集到完整数据,式中ω地表水替换代入的是张家口地区2017年地表水取水量占地表水地下水总取水总量的值,ω地下水替换代入的是张家口地区2017年地下水取水量占地表水地下水总取水总量的值;
基于灌溉用水净定额初始值计算该地区的综合毛定额及农业取用水量W:
I地毛综=I地净综/η综=163.8623/0.7836=209.1147m3/亩
W=I地毛综*S=209.1147*309.24万m3=6.47亿/m3
估算的该地区农业取用水量W大于地区农业取水红线,因此张家口地区作物灌溉用水净定额初次复核不能满足地区农业取水红线要求前提。
通过按照该区域作物的灌溉用水量由高到低排序,依次选择第一作物、第二作物及第三作物等,在满足产量-水分生产率-耗水控制三元目标下依次降低所述第一作物、所述第二作物及所述第三作物的净灌溉用水定额值,并再次进行灌溉用水供需平衡分析,当满足农业取水红线要求时,则停止对作物灌溉用水净定额调整,以此为基础确定各作物净灌溉定额的最终值。通过调整,张家口地区基于农业取水红线确定各作物灌溉用水净定额的最终值如表3所示。
表3张家口地区基于农业取水红线确定各作物灌溉用水净定额的最终值
获取永定河流域张家口地区各大中型灌区的地表水田间节水量、渠系节水量与总节水量,具体过程如下:
假定现状种植结构、现状地表水灌溉面积与现状地表水灌溉范围内的地下水灌溉水量保持不变;
当灌区的现状田间灌溉用水定额I0大于理论综合净定额I净综时:
规划作物灌溉综合净定额I规划以理论综合净定额I净综为准,地表水田间节水量、渠系节水量与地表水总节水量计算公式如下:
ΔQ田间=Q0-Q1
ΔQ渠系=Q1-Q2
Q1=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η0+Q地下水
Q2=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η1+Q地下水
ΔQ地表水=Q0-Q2
式中,ΔQ田间为地表水田间节水量,单位为万m3;ΔQ渠系为渠系节水量,万m3;Q0为现状灌溉用水量,单位为万m3;Q1为保持现状灌溉水有效利用系数条件下的规划灌溉用水量,单位为万m3;Q2为提升灌溉水利用系数后规划的灌溉用水量,单位为万m3;I规划为规划作物灌溉综合净定额,单位为m3/亩;A为地表水实灌面积,单位为万亩;Q地下水为地下水灌溉用水量,单位为万m3;η机井为井灌的灌溉水利用系数;η0、η1分别为灌区现状管理水平下与续建配套节水改造后的地表水灌溉水利用系数;ΔQ地表水为地表水总节水量,单位为万m3;
当现状田间灌溉用水定额I0小于理论综合净定额I净综时:
规划作物灌溉综合净定额I规划以现状田间灌溉用水定额I0为准,地表水田间节水量与渠系节水量计算公式如下:
ΔQ田间=0
ΔQ渠系=Q0-Q3
Q3=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η1+Q地下水
ΔQ地表水=Q0-Q3
式中,Q3为亏缺灌溉条件下提升灌溉水利用系数后规划的灌溉用水量,单位为万m3;其余字母代表意义同上。
分别对各个灌区进行上述计算,得到永定河流域张家口段各大中型灌区的地表水田间节水量、渠系节水量与总节水量如表4所示。
表4永定河流域张家口段各大中型灌区节水量
对实现地表水总节水量后的各灌区进行地下水零超采校验,具体过程如下:
获取各灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量,如下公式:
Q补=Q地表水·(1-η地表水)
式中,Q补为地表水灌溉对地下水的补给量,单位为万m3;Q地表水是地表水灌溉量,单位为万m3;η地表水是地表水灌溉水利用系数;
获取各灌区实现节水量后的地下水净消耗量,如下公式:
Q耗=Q地下水·η机井
式中,Q耗为地下水灌溉的净消耗量,单位为万m3;Q地下水是地下水灌溉量,单位为万m3;η机井为井灌的灌溉水利用系数;
当该灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量Q补大于地下水灌溉的净消耗量Q耗时,表明灌区满足地下水零超采,否则,该灌区存在地下水超采问题的风险增加。
经过代入校核,永定河流域张家口段近年进行地表水灌溉的17个大中型灌区中,有5个灌区实现节水潜力后存在地下水灌溉超采问题,分别是洪塘河灌区、小洋河灌区、惠民北灌区、洋河南灌区和龙洋河灌区。其中,洪塘河灌区灌溉对地下水净补给量为-40.62万m3;小洋河灌区灌溉对地下水净补给量为-4.75万m3;惠民北灌区灌溉对地下水净补给量为-1.78万m3;洋河南灌区灌溉对地下水净补给量为-0.80万m3;龙洋河灌区灌溉对地下水净补给量为-16.34万m3。因此,为避免灌区出现地下水灌溉超采问题,需通过调整地表水与地下水灌溉水量对节水潜力进行再分析。
针对实现地表水总节水潜力后存在地下水灌溉超采问题的灌区,需对其灌溉水量进行调整,使调整后的地表灌溉水与地下灌溉水既满足作物用水需要,也满足灌区灌溉对地下水净补给量(Q补-Q耗)为非负数。即:
Q’地表水·η地表水+Q’地下水·η机井=A·I规划
Q’地表水·(1-η地表水)-Q’地下水·η机井≥0
式中,Q’地表水为调整后的地表水灌溉量,单位为万m3;η地表水为地表水灌溉水利用系数;Q’地下水为调整后的地下水灌溉量,单位为万m3;η机井为机井灌溉水利用系数;A为地表水实灌面积,单位为万亩;I规划为规划作物灌溉综合净定额,单位为m3/亩;通过联立两式,得到调整后的地表水灌溉水量为:
Q地,表水≥A·I规划
则,基于地下水灌溉零超采的灌区地表水总节水潜力为:
ΔQ地表水=Q0-Q地下水-Q’地表水
式中,ΔQ地表水为地表水总节水量,单位为万m3;Q’地表水为调整后的地表水灌溉量,单位为万m3;Q0为现状灌溉用水量,单位为万m3;Q地下水是现状地下水灌溉量,单位为万m3。
本实例中选取Q’地表水=A·I规划的情况对存在地下水灌溉超采问题的灌区进行调整。洪塘河灌区地表水灌溉水量由549.70万m3调增到590.32万m3;小洋河灌区地表水灌溉水量由210.91万m3调增到215.66万m3;惠民北灌区地表水灌溉水量由293.09万m3调增到334.88万m3;洋河南灌区地表水灌溉水量由185.87万m3调增到186.67万m3;龙洋河灌区地表水灌溉水量由188.99万m3调增到205.33万m3。通过调整,使得上述5个灌区满足地下水灌溉零超采条件。
考虑地下水安全的永定河流域张家口段各大中型灌区节水量及灌区灌溉对地下水净补给量如表5所示。考虑地下水安全的永定河流域张家口段灌区的地表水总节水量为7954.40万m3,较未考虑地下水安全的地表水总节水量8058.69万m3仅减少104.30万m3,占比1.29%,变幅不大,但却避免了地下水超采现象的发生,保证了研究区的地下水安全,维持了水资源的可持续利用发展。
表5考虑地下水安全的永定河流域张家口段各大中型灌区节水量及灌区灌溉对地下水净补给量
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (5)
1.一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,其特征在于,包括:
(1)基于作物产量、水分生产率、耗水控制最优目标下,确定灌区所在地区的各作物灌溉用水净定额的初始值;
(2)基于地区农业取水红线确定各作物灌溉用水净定额的最终值;
(3)获取灌区的地表水田间节水量、渠系节水量与地表水总节水量;
(4)对实现地表水总节水量后的灌区进行地下水灌溉零超采校验;
(5)利用基于地下水灌溉零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,对检验结果为地下水灌溉超采的灌区进行节水量的重新计算;
所述步骤(2)的具体过程包括:
(2-1)根据该地区该作物灌溉用水净定额的初始值计算该地区作物的综合灌溉净定额,具体表达式为:
式中,I地净综为该地区作物的综合灌溉净定额,单位为m3/亩;ei为第i种作物的种植结构比例系数;I初i为该地区第i种作物灌溉用水净定额的初始值,单位为m3/亩;
(2-2)计算该地区的综合灌溉水利用系数η综,具体表达式为:
η综=η地区地表水·ω地表水+η地区机井·ω地下水
式中,η综为该地区作物的综合灌溉水利用系数;η地区地表水为该地区的地表水灌溉水利用系数;ω地表水为该地区农业地表取水占农业总取水的多年平均值;η地区机井为该地区的机井灌溉水利用系数;ω地下水为该地区农业地下取水占农业总取水的多年平均值;
(2-3)基于灌溉用水净定额初始值计算该灌区所在地区的综合毛定额及农业取用水量W,具体表达式为:
I地毛综=I地净综/η综
W=I地毛综*S
式中,I地毛综为该地区基于灌溉用水净定额初始值的综合毛定额,单位为m3/亩;I地净综为该地区作物的综合灌溉净定额,单位为m3/亩;η综为该地区作物的综合灌溉水利用系数;W为该地区基于灌溉用水净定额初始值的农业取用水量,单位为万m3;S为该地区的农业灌溉面积,单位为万亩;
若估算的该地区农业取用水量W小于地区农业取水红线,则初次复核满足地区农业取水红线要求,否则不能;
初次复核不能满足地区农业取水红线要求时,按照该地区作物的灌溉用水量由高到低排序,依次选择第一作物、第二作物及第三作物,在满足产量-水分生产率-耗水控制三元目标下依次降低所述第一作物、所述第二作物及所述第三作物的净灌溉用水定额值,并再次进行灌溉用水供需平衡分析,当满足农业取水红线要求时,则停止对作物灌溉用水净定额调整,以此为基础确定各作物净灌溉定额的最终值。
2.根据权利要求1所述的一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,其特征在于,步骤(1)具体包括:
(1-1)利用作物生长模型模拟获取灌区所在地区典型年条件下的作物全生育期用水量-产量关系的二次函数关系表达式:
y=aET2+bET+c
式中,y为作物产量,单位为kg/亩;ET为作物全生育用水量,单位为mm;a、b、c为回归系数;
3.根据权利要求1所述的一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,其特征在于,步骤(3)具体包括:
假设现状种植结构、现状井渠结合灌溉面积与现状井渠结合灌溉范围内的地下水灌溉水量保持不变;
当灌区的现状田间灌溉用水定额I0大于理论综合净定额I净综时:
规划作物灌溉综合净定额I规划以理论综合净定额I净综为准,地表水田间节水量、渠系节水量与地表水总节水量计算公式如下:
ΔQ田间=Q0-Q1
ΔQ渠系=Q1-Q2
Q1=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η0+Q地下水
Q2=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η1+Q地下水
ΔQ地表水=Q0-Q2
式中,ΔQ田间为地表水田间节水量,单位为万m3;ΔQ渠系为渠系节水量,单位为万m3;Q0为现状灌溉用水量,单位为万m3;Q1为保持现状灌溉水有效利用系数条件下的规划灌溉用水量,单位为万m3;Q2为提升灌溉水利用系数后规划的灌溉用水量,单位为万m3;I规划为规划作物灌溉综合净定额,单位为m3/亩;A为地表水实灌面积,单位为万亩;Q地下水为地下水灌溉用水量,单位为万m3;η机井为井灌的灌溉水利用系数;η0、η1分别为灌区现状管理水平下与续建配套节水改造后的地表水灌溉水利用系数;ΔQ地表水为地表水总节水量,单位为万m3;
当现状田间灌溉用水定额I0小于理论综合净定额I净综时:
规划作物灌溉综合净定额I规划以现状田间灌溉用水定额I0为准,地表水田间节水量与渠系节水量计算公式如下:
ΔQ田间=0
ΔQ渠系=Q0-Q3
Q3=(I规划·A-Q地下水·η机井)/η1+Q地下水
ΔQ地表水=Q0-Q3
式中,Q3为亏缺灌溉条件下提升灌溉水利用系数后规划的灌溉用水量,单位为万m3。
4.根据权利要求1所述的一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,其特征在于,步骤(4)具体包括:
(4-1)获取该灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量,具体表达式为:
Q补=Q地表水·(1-η地表水)
式中,Q补为地表水灌溉对地下水的补给量,单位为万m3;Q地表水是地表水灌溉量,单位为万m3;η地表水是地表水灌溉水利用系数;
(4-2)获取该灌区实现节水量后的地下水净消耗量,具体表达式为:
Q耗=Q地下水·η机井
式中,Q耗为地下水灌溉的净消耗量,单位为万m3;Q地下水是地下水灌溉量,单位为万m3;η机井为井灌的灌溉水利用系数;
(4-3)当该灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量Q补大于地下水灌溉的净消耗量Q耗时,且由于未考虑降水与河道侧渗对地下水补给,因此灌区不存在地下水超采问题;
当该灌区实现节水量后的地表水灌溉对地下水补给量Q补小于地下水灌溉的净消耗量Q耗时,表明灌区存在地下水超采问题的风险增加。
5.根据权利要求4所述的一种基于地下水零超采的井渠结合灌区节水潜力分析方法,其特征在于,步骤(5)具体包括:
针对实现地表水总节水潜力后地下水灌溉超采的灌区,需对其灌溉水量进行调整,使调整后的地表灌溉水与地下灌溉水既满足作物用水需要,也满足灌区灌溉对地下水净补给量(Q补-Q耗)为非负数,具体表达式为:
Q’地表水·η地表水+Q’地下水·η机井=A·I规划
Q’地表水·(1-η地表水)-Q’地下水·η机井≥0
式中,Q’地表水为调整后的地表水灌溉量,单位为万m3;η地表水为地表水灌溉水利用系数;Q’地下水为调整后的地下水灌溉量,单位为万m3;η机井为机井灌溉水利用系数;A为地表水实灌面积,单位为万亩;I规划为规划作物灌溉综合净定额,单位为m3/亩;通过联立上述两式,得到调整后的地表水灌溉水量为:
Q’地表水≥A·I规划
则基于地下水灌溉零超采的灌区地表水总节水潜力为:
ΔQ地表水=Q0-Q地下水-Q’地表水
式中,ΔQ地表水为地表水总节水量,单位为万m3;Q’地表水为调整后的地表水灌溉量,单位为万m3;Q0为现状灌溉用水量,单位为万m3;Q地下水是现状地下水灌溉量,万m3。
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