土地整治项目水资源平衡分析

刘社堂

摘要    水资源平衡分析是进行土地整治的前提和基础，只有摸清整治土地的水资源状况，才能因地制宜地对整治土地科学规划有效实施，确保经济、社会和生态效益最优与协调统一。以定边县郑寨子村土地整治项目为例，通过计算项目区域地下水补给量、排泄量、地下水可开采量、需水资源、可供水资源，定量模拟分析了该区域水资源平衡状况，结果表明，项目具有可实施性。实证分析的水资源平衡计算方法，为区域水资源均衡分析评价提供了可推广的理论支持。

关键词    土地整治;水资源;平衡分析;陕西定边;郑寨子村

中图分类号    S273        文獻标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）14-0203-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    The balance analysis of water resource is the precondition and foundation for land consolidation and rehabilitation.The scientific planning for land consolidation and rehabilitation can only be effectively implemented in the manner of adjusting measures to local conditions on the base of finding out the water resources status of land consolidation and rehabilitation，and ensure the optimal and coordinated economic benefits，social benefits and ecological benefits.Taking the land consolidation and rehabilitation project of Zhengzhaizi Village in Dingbian County as an example，the quantitative simulation analysis of the water resources balance in the region was conducted by calculating the groundwater recharge，excretion，groundwater recoverable amount，water resource demand and water availability in the project area.The result revealed that the project is implementable.The empirical analysis of the calculation method of the water resources balance provided the propagable theoretical support for regional water resources equilibrium analysis and evaluation.

Key words    land consolidation and rehabilitation;water resources;balance analysis;Dingbian Shaanxi;Zhengzhaizi Village

土地整治工程是为改善农业生产条件，提高农业生产效率，运用工程技术、物理、化学、生物等手段对低效、退化、未利用土地进行整理、修复、改良，使其发挥效用的科学手段，包括土地平整、水利灌溉、田间道路、农田保护和生态环境工程等。其中，水利灌溉、农田保护和生态环境工程都是为了改善水土资源匹配，合理有效地利用水资源。水资源是影响农业生产的主要因素，无论是缺水造成的农田干旱，还是植被覆盖率低造成的水土流失，都会影响生产发展收益。因此，解决水资源问题是土地整治工程的关键环节。水资源平衡分析可以防止出现地下水超采导致水位持续下降，或因过量开发利用地下水引发生态环境恶化现象[1]。因此，依据项目区地形地貌、水文地质、水土资源制约等，利用现状及潜力分析，才能因地制宜地对水资源量化均衡情况进行科学规划，确保项目综合效益最优[2]。

本文以陕西省定边县郑寨子村土地整治项目为例，运用定量模拟分析法对项目水资源状况进行探讨分析，以期为项目的水资源平衡分析提供借鉴。

1    项目区水文水资源概况

定边县地处陕西省北部，榆林市西端，黄土高原北侧与内蒙古草原过渡地带，位于毛乌素沙漠的南侧风沙滩区。项目区为半干旱地区，水资源特点是降水资源少，蒸发量大，地表径流贫乏，水质较差。定边县石洞沟乡郑寨子村位于县城东南方向22 km，区域内主要河流为八里河，河水含氮素高，灌溉石洞沟、安边以及堆子梁等3个乡镇的滩地4 000 hm2，是当地重要的灌溉水源。

项目区位于祁吕贺山子型构造体系伊陕盾地与新华夏系第三沉降带的复合部位，基底稳定，构造作用微弱，褶皱、断裂不发育，岩层微倾向西北。区域内第四系最厚达到20～164 m。境内地下水分布极不均匀，富水性相差悬殊。其中，第四系松散层潜水水资源较丰富，水位浅，水质一般;区内下伏基岩潜水一般水资源较小，但水质好。项目区承压水分布广泛，水资源微弱。5 m左右的地下水含盐量为1 518～1 640 mg/L，20～250 m的地下水含盐量为604～740 mg/L，水质好，适宜农田灌溉。

2    水资源平衡模拟分析计算

2.1    水资源均衡分析法

水資源均衡法是全面研究一定地区在一定时间内地下水的补给量、储存量和排泄量之间的数量转化关系的平衡计算，即对一个均衡区或水资源系统，在补给和消耗的不平衡发展过程中，任一时间段Δt内的补给量和排泄量之差，恒等于该系统中水体积（严格地说是水质量），如承压水的弹性释放和储存的变化量。分析评价主要依据是测定区域天然补给量和开采条件下的补给增量。

选择有代表性的地段做小范围均衡试验，测定各项均衡要素数值，取计算所需参数，然后用以计算整个均衡区的各种补给量[3];如果某些消耗量在开采时仍然存在，不能完全截取，则应分别计算补给量的增加量（ΔQ补）与消耗量的减少量（ΔQ消）。

2.2    分析要素及模拟计算

2.2.1    分析基础因素。一是目标含水层组和地下取水水源地的平面位置，根据水文地质条件、取水资源和区域地下水资源调查评价的成果等实际要求确定;二是目标含水层组的空间分布，根据必要的地质勘探孔资料确定;三是项目所在地区的实际情况，如农业生产对水质的要求、取水量、灌溉用水分布特征等[4]。

2.2.2    定量模拟计算。将各项均衡要素值代入均衡方程式中，计算出各均衡区的各项补给量和各项排泄量，进而计算灌溉工程需要补充的开采量等。即：建立模型雏形来研究和掌握计算区域的地质和水文地质条件，包括含水层的介质条件、地下水的流动条件以及含水层的边界条件等3个方面，从而明确水文地质概念模型。同时，根据生态状况，对计算模型予以校验，使模型雏形符合实际水文地质条件，并根据地下水水位动态资料检验模型是否正确，即数学运算中的解逆问题，经过校正的模型还要用不同时段的资料对该数学模型进行验证（即模型检验阶段）。在此基础上，运用模型进行水位预报和资源评价。开采动态预报核算时，应综合考察边界条件和地下水的补给、排泄条件可能发生变化等因素。

3    项目区灌溉水源总量核算

3.1    地表水资源量分析

郑寨子土地整治项目区位于八里河下游。八里河属内流河，发源于境内白于山北麓，流至石洞沟乡马家梁以东消失，流长54.5 km，流域面积384 km2，常流量0.2～1.0 m3/s，年径流量1 698万m3。但由于项目距八里河约8 km，距离较远，且八里河只有在春季时才有水通过。除此以外，项目区内无河流流经，地表水资源无法保障。可知，地表水源不能作为本项目灌溉水源。

3.2    地下水水源分析

项目区内地下水按赋存条件、含水介质及水力特征，可分为第四系松散层孔隙潜水、下伏白垩系基岩孔隙—裂隙潜水、承压水。地下水类型及补径排条件具体如下。

3.2.1    项目区第四系松散岩类孔隙水。根据《定边县风沙滩区地下水资源评价》《榆林市定边县地下水勘查报告》资料、陕西省1∶50万水文地质图等资料成果分析及实地调查结果分析，萨拉乌苏组地下水在项目区分布[5]。岩性为褐黄色、浅棕黄色间夹灰绿色、灰白色粉土、粉质黏土和粉细砂，夹棕红色泥土透镜体，具水平层理及鱼鳞状结构。风沙滩地区厚度一般40～80 m，古河槽中部最厚可达160 m，近起伏梁岗及黄土斜坡地带，厚度渐薄为0～20 m。区域最主要含水层为萨拉乌素组沉积细、中砂，含水岩组厚20～60 m，据调查和相关资料成果，水位埋深8～10 m，机井水位降深6 m，单井出水资源一般为10～20 m3/h，最大达46 m3/h，中等富水。

萨拉乌苏组含水层地下水主要接受降雨入渗、灌溉回归、侧向径流补给，降雨入渗补给约占总补给量的70%以上，沙漠滩地区地形开阔，呈舒缓状起伏，上覆透水性强的现代风积砂，大气降水不易形成地表径流而易渗入地下补给潜水，是最主要的地下水补给源。潜水地下水总体上由西南向东北径流，水力坡度1.5‰～12.5‰。

萨拉乌苏组地下水水流系统水化学空间分布差异较大，主要为HCO3类型水。根据项目区附近机井调查，可作为灌溉使用。

3.2.2    下伏白垩系基岩孔隙—裂隙潜水。项目区白垩系基岩孔隙—裂隙潜水主要为洛河组含水岩（组）（k1Z2），岩性为细砂岩，粉砂岩夹泥质粉砂岩。被第四系含水层覆盖，钻孔揭露含水层厚度80～1 000 m，顶板埋深一般在40～80 m之间，受含水层岩性及厚度、上覆地层有隔水层分布等因素的影响，含水层赋存条件、补给条件差，属弱富水区。其中，在王滩子—白土岗子一线受上覆地层富水性等因素影响，富水性较弱，水位埋深4.4～20.0 m，单井出水资源500～1 000 m3/d。如B6号孔揭露白垩系厚度108.7 m、水位埋深4.4 m、降深22.59 m时，涌水资源870 m3/d，渗透系数为0.452 m/d。

白垩系地下水的补给主要有大气降水入渗补给、地表水线状入渗补给、农田灌溉水入渗补给和侧向边界的断面径流补给。接受补给后，白垩系地下水在白于山、子午岭、四十里梁等地表分水岭及马莲河、延河、明水湖（还有分布于区内西、北部等地的盐湖）等排泄基准面控制下，沿分水岭向河谷或盐湖径流排泄、人工开采和侧向断面径流排泄。

白垩系地下水水流系统水化学空间分布差异较大，矿化度多为300～700 mg/L，总体表现为水平方向上水质差异大;垂向上受沉积相影响，水化学类型具有极其复杂的特征，水质情况较好。结合项目区的地形地貌、地质结构特点及成井结构调查分析，研究测定区域第四系和下伏白垩系之间未发育存在完整的隔水层，两者之间互相贯通。上部第四系潜水水资源10～20 m3/h，水质可作为灌溉使用，项目区白垩系地下水为八里河地下水系统，属弱富水区，水资源100～500 m3/d，水质较好。

综合考虑到水资源、水质可靠性与可行性、项目实施的经济性及保护项目区水资源的动态平衡等因素，设计灌溉水源井取水层以第四系和下伏白垩系砂岩孔隙—裂隙水为开采目的层。

3.3    地下水资源评价

由于灌溉设计采用项目区第四系潜水和白垩系碎屑岩孔隙—裂隙潜水，所以应对项目区的四系和白垩系碎屑岩孔隙—裂隙地下水进行资源评价。计算公式为：

Q补-Q排=Δω

式中：Q—补给量（降雨入渗补给，侧向径流补给，凝结水补给），Q—排泄量（潜水蒸发，人工开采，下游断面流出），Δω—储量变化量。

3.3.1    补给量计算。项目区主要是大气降水入渗补给，侧向径流补给，灌溉入渗和凝结水补给。

（1）降雨入渗量。项目区多年平均降雨量根据降雨等值线图和相邻项目资料确定为316.9 mm，降雨入渗系数参考项目区附近已实施的同类项目计算值及《陕北能源化工基地地下水勘查报告》等资料[5]，α取0.23。水源地项目区白垩系地下水的补给主要是基岩裸露的梁冈区，补给量较小，第四系的补给面积根据水文地质图确定，总汇水面积（均衡区计算面积）为1 433 854.8 m2。按下列公式计算降水入渗补给量：

Q降=a降·F·P

式中：Q降—降水入渗补给量（m3/a）;a降—降水入渗补给系数，取0.23;P—年降水资源（mm）;F—均衡区计算面积（m2）。

根据《榆林市水文手册》，Cv=0.27，Cs/Cv=2.5，模比系数KP通过查P-Ⅲ曲线，则KP=75%=0.804。

（2）侧向径流补给量。项目区地下水接受来自西南边界的地下水侧向径流补给。地下水侧向径流补给量主要是均衡区周边对此均衡区内的补偿量。计算公式如下：

Q侧补=K·I·B·H

式中：Q侧补—侧向径流补给量（104 m3/a）;I—水力坡度，按影响半径的距离上的水位差，取0.2;K—渗透系数，取区域中值，8.54 m/d;H—含水层厚度，根据区域含水层厚度一般在40～80 m，本次取60 m;B—补给宽度，项目区西北补给方向边长，取为2 700 m。

計算结果：侧向径流补给量Q侧补=27.67×104 m3/a。

（3）凝结水补给量。计算公式如下：

Qn=C2·F·t

式中：Qn—凝结水补给量（m3/d）;C2—凝结水补给模数，127.94 mm/km2·d;F—均衡区计算面积（km2）;t—年补给天数，取95 d。

计算结果：凝结水补给量Qn=17.43×104 m3/a。

由上述计算结果可知，项目区的75%保证率总补给量为53.49×104 m3/a，多年平均总补给量为56.07 m3/a。

3.3.2    排泄量计算。区内蒸发极限深度：参照地质矿产部地质工程勘查院在项目区同水文地质单元所做的均衡试验场成果及其他均衡试验场成果资料，所确定的粉细砂土蒸发极限深度为6 m。本项目区地下水埋深在7 m以下，因而不考虑蒸发排泄量。项目区只有侧向径流排泄量和潜水向下部承压水的越流排泄量。

（1）侧向径流排泄量计算。计算区地下水侧向径流排泄自东北边界的地下水侧向排泄。计算公式如下：

Q侧排=K·I·B·H

式中：水力坡度（I）为0.1，断面宽度（B）为2 000 m。

经计算，项目区侧向排泄量：Q侧排=11.96×104 m3/a。

（2）越流排泄量计算。计算公式如下：

Q越排=K·T·F·ΔH/M

式中：K—下伏地层渗透系数，取0.115 m/d;M—含水层厚度，区域资料含水层厚度100～240 m，本次取150 m;ΔH—相邻2个含水层的水头差1 m;F—计算区面积（m2）;T—计算时间，365 d。

经计算，Q越排=40.12×104 m3/a。

项目区总排泄量：Q总排=E+Q侧排+Q越排=52.08×104 m3/a。

项目区地下水多年平均总补给量56.07×104 m3/a，75%保证率总补给量53.49×104 m3/a，多年平均总排泄量52.08×104 m3/a，多年平均补排差2.58×104 m3/a，75%保证率补排差1.41×104 m3/a。可以看出，项目区补给量略大于排泄量，基本平衡。

（3）地下水可开采量计算。采用可开采系数法，

计算公式为：Q可=ρ·Wa

式中：Q可—可开采量（m3/a）;ρ—可开采系数，参考相类似地区取0.55;Wa—总补给量（m3/a）。

计算的项目区潜水多年平均可开采量为30.84×104 m3/a，75%保证率下可开采量为29.42×104 m3/a。

3.4    供水资源总量确定

项目区灌溉水源为开采项目区地下水潜水，考虑项目区生态用水，生态年用水资源按可开采水资源的10%取值，年平均3.08万m3/a，75%保证率下为2.94×104 m3/a。

项目区为天然牧草地、沙地及其他草地，由于未开发，所以没有已建成的机井，也没有其他用水户。因此，本次设计项目区的可供水资源视同为地下水可开采量减去预留的生态用水资源。即：年平均地下水可供水资源为27.76×104 m3/a;75%保证率下可供水资源为26.48×104 m3/a。

4    灌溉需水总量预测

4.1    区域灌溉制度设计

依据《陕西省土地开发整理工程建设标准》，并考虑项目区自然和社会经济情况，土地整治项目区设计水平年为一般干旱年，设计灌溉保证率为75%。

根据项目区地形及灌溉设施条件，结合当地群众的意见，项目区田块规划为高效节水示范区，一部分发展中心支轴式喷灌，喷灌覆盖不到的区域，则采用滴灌系统进行灌溉，即喷灌区和滴灌区两大方面。

4.2    作物种类及种植面积

项目区作物复种指数为1.0，喷灌区设计耕地面积24.130 4 hm2，滴灌区设计耕地面积30.686 9 hm2，总耕地面积为54.817 4 hm2，全部种植玉米。

4.3    灌溉参数设计与定额

4.3.1    利用系数。喷灌区喷洒水利用系数80%，设计灌溉保证率75%。滴灌区滴灌要求灌溉水利用系数不小于90%，取值为95%。

4.3.2    灌溉定额确定。依据《陕西省作物需水资源与分区灌溉模式》中对玉米灌溉模式分析可知，玉米的生长阶段为播前、育苗、拔节、抽穗及乳熟期。项目完成后，盐碱土被改良为砂壤土，根据陕北地区测定土壤含水资源的经验：田间持水率，根据项目区土壤特点，取25%;土壤计划湿润层深度，取40 cm;土壤适宜含水资源（重量百分比）上限，取90%;土壤适宜含水资源（重量百分比）下限，取64%;壤干容重取1.4 t/m3;水容重取1 t/m3。

核算：灌溉净需水资源=10×1.4×40×25%×（90%-64%）=36.4 mm（折合364.5 m3/hm2），项目喷灌的喷洒水利用系数为80%。

4.4    需水资源总量核定

根据需水资源公式W=m·A/η，毛需水资源为364.5/0.8=455.625 m3/hm2。

结合实际，确定项目喷灌灌水定额为450 m3/hm2，全生育期灌溉5次;滴灌灌水定额为330 m3/hm2，全生育期灌溉5次（表2）。

根据作物灌溉定额，喷灌区设计耕地面积24.130 4 hm2，需水资源为5.43×104 m3/a;滴灌区设计耕地面积30.686 9 hm2，需水資源为5.06×104 m3/a。

经计算，灌溉区域内玉米需水资源总量为10.49×104 m3/a。

5    水资源供需平衡分析

5.1    水资源平衡计算

项目实施后，井灌水对地下水有回归补给，依据供需平衡差公式：

ΔQ=Q可-Q需

式中：ΔQ—供需平衡差（104 m3/a）;Q可—可供水资源（104 m3/a）;Q需—总需水资源（104 m3/a）。

项目区多年平均可供水资源27.76×104 m3/a，75%保证率可供水资源26.48×104 m3/a，项目区1、项目区2灌溉需水资源分别为10.49×104、10.3×104 m3/a，多年平均供需平衡差为6.96×104 m3/a，75%保证率供需平衡差为5.68×104 m3/a。可以看出，多年平均可供水资源、75%保证率可供水资源（已预留生态用水）均能满足项目的灌溉用水资源。同时，项目实施后灌溉可产生农田灌溉回渗补给量，可进一步保障灌溉的供水保证率。

综上所述，项目实施后无论多年平均或75%保证率下，项目区地下水可供水资源能满足灌溉用水资源。

5.2    结论与讨论

通过对陕西省定边县郑寨子村土地整治项目区水资源供需平衡的定量模拟计算，可以看出，项目区年均地下水可开采量能够满足灌溉水资源需求。同时，土地开发项目实施后，水资源供需平衡，并略有节余。水资源的综合利用能够实现区域补排平衡，项目的实施不会对水资源平衡体系和生态环境产生负面影响。

水资源平衡分析是土地整治规划设计的重要组成部分，也是决定项目能否实施规划设计的依据，是水资源高效利用的前提和基础[6]。后期，在土地开发工程实践中，应有效地运用科学的水资源平衡分析方法，合理规划与设计，调整区域农业产业结构布局，真正实现土地工程经济效益、社会效益和生态效益的统一协调。

6    参考文献

[1] 盛晓磊.土地整治项目水资源平衡分析：以陕西榆林榆阳区岔河则土地整治项目为例[J].农业经济与科技，2018（17）：24-26.

[2] 徐燕，王军，王海帆，等.土地整治规划设计中的水资源平衡分析：以云南东川为例[J].安徽农业科学，2018（12）：191-193.

[3] 刘志峰.北方岩溶区建设项目地下水资源论证模式研究[D].泰安：山东农业大学，2008.

[4] 杨长健.雪峰山隧道址区地下水土壤环境影响评价分析[D].长沙：中南大学，2007.

[5] 罗林涛.毛乌素沙地砒砂岩与沙复配土土壤特性及可持续利用研究[D].西安：西安理工大学，2015.

[6] 雷楠.水资源约束下公草湾林场适宜开发规模研究[D].西安：西安理工大学，2015.