农田灌溉退水水量及水质平衡模型分析

2015-08-21刘洪飞

河南水利与南水北调 2015年5期

□ 刘洪飞 □ 王伟 □ 魏欢

（1河南省水利勘测设计研究有限公司;2郑州市水利建筑勘测设计院）

1 基本原理和方法

根据水量平衡原理和营养物质质量守恒定律，考虑作物生长过程中农田水循环和氮、磷循环特征，建立农田灌溉退水水量水质模型，模型从水量和营养物质量两方面分析和预测农田灌溉退水的营养物质浓度变化，定量地评价灌溉退水对水质的影响。模型主要包括水量平衡模型和营养物质平衡模型2个部分。在水量平衡模型中，蒸散发作为一个重要影响因素，采用蒸散发模型进行估算。营养物质平衡模型具有统一形式，能够适用于灌区各类营养物质的转化和输移。

1.1 水量平衡模型

式中:△V—农田时段蓄水量增量，m3；QI—时段平均灌溉流量，m3/s；Q0—时段平均退水流量，m3/s；Ph—时段降雨强度,mm/s；E—时段蒸发强度，mm/s；S—灌区灌溉面积，km2；L—时段平均下渗量，m3/s。其中:，E=kpE0—时段水面蒸发强度,mm/s，kp—折算系数，与地表植被类型有关的常数。

1.2 营养物质模型

式中:ΔCp—灌区营养物质浓度的增量,mg/L；V—时段蓄水量,m3；CI—灌区入流营养物质浓度,mg/L；C0—灌区出流营养物质浓度,mg/L；RP—降雨水质营养物质浓度,mg/L；F—为使用化肥或肥料对营养物质浓度贡献量；GP—单位面积作物生长吸收营养物质的总量，t/s；其中:F=kcs，kc—化肥施用系数，t/（km2.s）；，GP=GfPer,Gf—时段粮食产量，t/s，Per—粮食中营养物质含量，%。上述其他符号同水量平衡模型。

2 实例分析

2.1 灌区基本情况

2.1.1 地理位置及范围

灌区位于河南省舞阳县东北部的澧河南岸，属淮河流域，涉及舞阳县的舞泉镇、文峰乡、吴城镇及九街乡等6个乡镇。灌区南起舞阳县城及漯舞铁路，北抵澧河，西至许泌公路，东抵舞阳县界，东西长约19.70km，南北宽约8.50km，项目区总面积168.60km2，灌溉面积 1.16万 hm2。

2.1.2 地形地貌

灌区位于伏牛山东麓山前坡洪积岗地向冲积平原过渡区，海拔高程在72.00～85.89m之间，地面起伏变化较大，地势自西南向东北倾斜，地面自然平均坡降约为1/3000。

2.1.3 土壤、植被

灌区地表土层成土母质主要为第四系全新统冲积物及第三系上更新统坡洪积物，土壤以黄棕色沙壤土为主，分布在澧河两侧，其间还有黑土及粘土零星分布，土壤肥沃，富含氮、磷、钾及有机物。

2.1.4 河流水系

灌区河流主要有澧河及其支流唐河，属于淮河流域。澧河是淮河流域沙颖河右岸的一条支流，全长145km，河道平均比降约1/2500，流域面积2787km2。河道下游沿途主要汇入支流有唐河。唐河河道全长35km，河道平均比降1/3000，流域面积258km2。

2.1.5 灌溉工程布局

灌区利用在澧河上修建节制闸调节水量后引、提水，然后在通过澧唐干渠和文吴干渠向灌区供水，设计引水流量分别为3.50，3.80m3/s。两干渠末端分别布置退水闸，灌区退水全部汇入澧河。

2.2 灌区退水系统

灌区灌溉年设计引水量为4042.60万m3，采用节水型灌溉方式，灌溉回归水量有限。本工程共布置3座退水闸，其中澧唐干渠1座，文吴干渠2座，渠道退水入唐河后再流入澧河。具体见图1。

图1 灌区退水系统组成图

2.3 模型计算

2.3.1 水量平衡计算

灌区灌溉面积1.16万hm2，选择一个灌溉周期作为计算时段，农田蓄水量得净增量取0，降雨采用舞阳站实测资料。水量损失及退水流量计算结果见表1。

表1 项目区灌溉退水流量计算表

2.3.2 氮、磷浓度计算

根据农田灌溉入流氮磷量（采用澧河水质监测成果）、化肥中氮的使用量、植物吸收氮磷量计算农田氮、磷的总量，然后结合水量平衡计算结果得到灌溉退水中氮、磷的浓度。灌区以小麦、玉米及烟叶为主要作物，其对氮、磷吸收量通过灌区粮食产量和作物氮、磷含量来估算。农田化肥投入中总氮和总磷投入系数根据实际社会经济资料进行估算。各种作物氮、磷含量见表2，农田化肥投入中总氮和总磷投入系数见表3，根据营养物质模型计算的农田灌溉退水中氮、磷浓度成果见表4。

表2 主要作物氮、磷含量表（单位:%）

表3 农田kc取值单位:10-8t/（hm2.a）

2.4 模型验证

根据灌区运行后退水排入河道水质的监测资料，按照平水期情况对磷浓度的计算结果进行验证。结果见表5。从验证结果来看，相对误差绝对值小于10%，基本达到模型精度要求，这说明采用农田灌溉退水水量水质平衡模型预测灌溉退水营养物质浓度是可行的，可以作为灌区水资源论证中分析灌溉退水对河道水质影响的一种方法和手段。