基于供需平衡指数法分析赣抚平原灌区水资源供需平衡状况

张洪杰

（江西省赣抚平原水利工程管理局,江西 南昌 330000）

灌区需水包括河道外需水和河道内需水。河道外需水主要包括城乡居民生活、工业、农业和服务业等经济社会各行业的需水,以及需要通过人工供水措施满足的湖泊湿地补水等生态环境需水。河道内生态需水指维系一定生态系统功能不被占用的河道最小水资源量,包括天然生态和人工生态。赣抚平原灌区强化用水需求管理,以水资源开发利用和节约保护控制性指标为约束,在分析灌区水资源特点、用水结构、种植结构的基础上,充分考虑相关行政区域产业结构布局与调整,采用供需平衡指数对灌区需水量预测及供需平衡进行研究[1]。

1 灌区概况

赣抚平原灌区位于赣中偏北地区,是一座以抚河为水源、通过焦石、柴埠口引水枢纽引水的大型灌区,承担了城镇工业、生活、环境供水及内河船运、发电等多项任务。灌区土地面积321.21 万亩,耕地面积128.32 万亩,设计灌溉面积119.30 万亩,现状有效灌溉面积117.36 万亩,实际灌溉面积为116.4 万亩。灌区在解决区域洪涝灾害、干旱缺水、水环境恶化等问题中起着不可替代的作用,在保障区域粮食安全、用水安全、生态环境安全和农业可持续发展中作出了巨大贡献。

2 灌区水平衡分析

引入区域水资源供需平衡指数（RWRI）对赣抚平原灌区水资源供给与需求状况进行评估。RWRI 是指区域需水量和供水量比值,反映水资源供给和需求关系,计算式为：

式中：WD 为水资源需求量,WS 为水资源供给量。

当WD＜WS,水资源需求量小于供给量,表现为水资源盈余；当WD＞WS 时,水资源需求量大于供给量,表现为水资源短缺；当WS=WD 时,水资源需求量等于供给量,表现为水资源供需平衡。

2.1 灌区需水量测算

2.1.1 灌溉需水量

灌溉需水量是指从水资源向田间说送的灌溉水量,计算式如下：

式中：WAt为第t 年的灌溉需水量；Fi,k为i 分区k 作物的种植面积；Ij,k为j 月k 作物的灌溉定额。

灌区经过续建配套改造后,2025 年农田灌溉面积为117.36 万亩,改善灌溉面积63.9 万亩,2035 年达到设计灌溉面积119.30 万亩。根据最严格水资源制度要求,2025 年农田灌溉水利用系数达到0.538,2035 年提高至0.550。

根据赣抚平原灌区综合亩均净灌溉定额及灌溉发展规划,计算各水平年灌溉用水量,见表1。

表1 赣抚平原灌区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计算：

式中：W 为综合生活需水量；ci为i 区人口；di为i 区的生活用水定额。

现状赣抚平原灌区的生活用水户主要集中在进贤县城区、南昌县老城区、向塘镇等城镇居民,供水人口约34.6 万人。根据相关规划,预测2025 年,灌区总供水人口将达到79.6 万,其中城镇人口62 万,农村人口17.6 万；2035 年,灌区总供水人口将达到73.67 万,其中城镇人口68.49 万,农村人口15.18 万。根据近年江西省水资源公报人均生活用水量指标判断、城市居民生活用水量呈逐年上升趋势,而城镇公共用水量上升趋势明显。经综合考虑,预测确定灌区城镇居民最高日综合生活用水定额2025 年为249/（人·d）,2035 年为250 L/（人·d）。农村居民生活用水定额2025 年和2030 年均为100 L/（人·d）。测算规划水平年灌区各行政区域生活需水量见表2。

表2 规划水平年灌区各行政区域居民生活需水量

2.1.3 工业用水量分析

根据调查,赣抚平原灌区以农田灌溉为主,工业用水较小,灌区主要工业用水户主要有江氨、南钢和南铁。目前工业用水户主要为南钢。根据2013 年～2016 年灌区统计资料、工业年取水量均值为713 万m3,主要用于厂区工业生产。根据相关规划,赣抚平原灌区为南昌市应急备用水源,为保障南昌市区生活用水,不考虑赣抚平原内工业用水增量。因此,本次规划选取近年灌区工业用水量年平均值并适当增长作为规划水平年工业取水量。规划水平年灌区工业需水量见表3。

表3 各规划水平年灌区工业需水量

2.1.4 环境用水量分析

环境需水量包括河道生态补水和绿地环卫用水,采用下式计算：

式中：W 为生态需水量；ε为城镇人口总数；η为需水定额。

赣抚平原灌区主要以农业灌溉为主,其供水原则是在干旱、水源不足年份,首先保障城镇居民生活用水,兼顾农业、工业和环境用水；水电站、航运、旅游等用水应当服从生活用水、生产用水的需要。考虑到灌区渠道内水功能区及各干渠没有需要特殊保护的水生生物等生态敏感对象,灌区灌溉、发电、生活、工业和城市环境用水及渠首多余的引水量可以满足灌区各渠道自身生态环境需水的要求,同时由于渠道自身生态环境需水基本不消耗水量,从灌区各渠道流淌后仍然能够供给灌区灌溉用水,因此只考虑南昌市环境用水,不考虑渠道自身生态环境需水。

赣抚平原灌区承担着南昌市城区“八湖二河”（八湖为东湖、西湖、南湖、北湖、青山湖、象湖、艾溪湖、梅湖,二河为抚河故道和玉带河）的生态环境补水任务,主要是从西干渠和五干渠取水,还有部分城市环境用水取自六干渠和西总干。正常情况下,灌区需为南昌市环境补水2.4 亿m3/a。从保障灌区粮食安全、用水安全和生态环境健康,以及最严格水资源管理对用水总量控制的要求等方面综合考虑,规划水平年灌区城市环境需水按近年年均正常补水并考虑适当增长。规划水平年灌区城市环境需水量见表4。

表4 规划水平年灌区生态需水量 单位：万m3

2.1.5 灌区总需水量

根据上述预测,2025 年多年平均,P=50%、P=75%、P=85%和P=90%。灌区总需水量分别为9.82 亿m3、9.78 亿m3、11.13 亿m3、12.23 亿m3和12.45 亿m3。2035 年多年平均,P=50%、P=75%、P=85% 和P=90% 灌区总需水量分别为9.96 亿m3、9.91 亿m3、11.23 亿m3、12.32 亿m3和12.53 亿m3。

2.2 灌区可供水量分析

2.2.1 灌区水资源量

根据焦石坝1958 年～2018 年月径流量成果,排频得到坝址多年平均,P=50%、P=75%、P=85%、P=90%,径流量分别为484 m3/s、474 m3/s、349 m3/s、323 m3/s 和300 m3/s。进而求得灌区多年平均,P=50%、P=75%、P=85%、P=90%的水资源量分别为153 亿m3、149 亿m3、110 亿m3、102 亿m3和95 亿m3。

2.2.2 河道内生态需水量

计算河道内生态基流的方法较多,根据本流域特点,采用“最枯月均流量法”和“Tennant 法”计算河道内生态基流,并对比分析及采用。

（1）最枯月均流量法

李家渡站位于焦石坝下游约4 km 处,本次河道内生态需水量采用李家渡站历年各月实测径流资料,按最小取样法求得历年最小月均流量,按从大到小排频计算设计频率为90%的流量作为最小生态流量。按“最枯月均流量法”得到河道内生态需水量为20.6 m3/s。

（2）Tennant 法

统计李家渡站历年实测平均流量,计算的李家渡站多年平均流量为410 m3/s。“Tennant 法”计算最小基流为多年平均流量的10%,即5.83 m3/s,也即按“Tennant 法”求得最小生态流量为41.0 m/s。

综上分析计算,“最枯月均流量法”和“Tennant 法”计算河道内生态基流分别为20.6 m3/s、41.0 m3/s,采用较小者作为河道内生态需水量,即20.6 m3/s。

2.2.3 水资源可利用量分析

灌区水资源可利用水量指取水口处可以取用的水量,为来水扣除蒸发、渗漏和生态用水后的水量。以河流天然来水为水源的可利用水量,河道中来水难以通过人为控制,其可利用水量完全取决于实时来水量的大小。

由焦石坝址径流量,扣除河道内生态流量后,为焦石及柴埠口可引水流量,实际引水流量以设计引用流量167 m3/s为限,不足则按实际流量计算。

根据以上原则,采用焦石坝1958 年～2018 年逐月来水量分析,得到赣抚平原灌区多年平均、P=50%、P=75%、P=85%、P=90%的水资源可利用量分别为47.6 亿m3、48.6 亿m3、45.1 亿m3、41.9 亿m3和40.4 亿m3。

2.3 灌区水资源供需平衡分析

2.3.1 现状水平年供需平衡分析

灌区现状年有效灌溉面积117.36 万亩,灌溉水利用系数0.484。根据灌区现状年用水过程,结合现有水源来水情况,选取典型年逐月进行水量平衡分析、成果,水量供需平衡分析的总体原则为“以需定供”,即当来水大于需水时,按照需水量引水：当来水小于需水时,在预留河道生态用水前提下按照来水取水,见表5。

表5 现状年用水过程水平衡分析 单位：m3

分析结果表明,由于焦石坝址来水丰富,灌区可利用水量充足,现状年灌区所有供水时段均未破坏,RWRI 指数远小于1,证明水资源状况为充分盈余,可满足灌区需水要求。

2.3.2 灌区规划水平年供需平衡分析

规划至2025 年和2035 年,灌区有效灌溉面积分别为117.36 万亩、119.30 万亩,灌溉水利用系数分别达到0.538和0.550。根据灌区需水量预测,结合水源来水情况,选取典型年逐月进行水量平衡分析,见表6。分析结果表明,在现有水源条件下,规划水平年灌区所有供水时段均未破坏,RWRI指数远小于1,证明水资源状况为充分盈余,可满足灌区需水要求。

表6 规划年用水过程水平衡分析 单位：m3

3 结语

文章基于灌区现状对各水平年的灌溉需水量、生活需水量、工业需水量和生态环境需水量进行测算,分析灌区可利用水资源量并进行水量平衡分析。结果表明,在现有水源条件下,规划水平年灌区所有供水时段均未破坏,RWRI 指数远小于1,证明水资源状况为充分盈余,可满足灌区需水要求,其续建配套和节水改造项目不受水资源制约。