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平原地区水资源开发利用模式范文

时间:2022-06-07 11:01:05

平原地区水资源开发利用模式

摘要:

传统的平原地区水资源开发利用模式造价高、能耗大,极易造成地下水开采过度并引发一系列的环境生态负效应。对此,通过分析柬埔寨及其周边地区水资源开发现状和理论研究进展,结合研究区气候特征及储水构造特点,提出了一种“地表水、地下水就地转化取用”的流域水资源开发利用新模式。典型设计分析表明,该模式充分体现了因地制宜、自然和谐的治水理念,是实现柬埔寨滨海平原地区水资源高效利用、可持续发展的有益尝试。

关键词:

柬埔寨;平原地区;水资源开发利用;地表水;地下水;就地转化取用

1引言

柬埔寨位于东南亚中南半岛南部,地势三面高中间低,江河众多,水资源丰富。农业是柬埔寨第一大支柱产业,但全国绝大部分地区农田水利基础设施薄弱[1]。近年来,柬埔寨政府加强了农田灌排水利设施建设,但由于财政拮据,且缺乏相应的技术、人才,水资源尚未得到合理开发和利用。近30年来,随着水危机问题的不断凸显,针对东南亚地区水资源问题的研究主要集中在水资源配置与保护及水电能源开发等领域,而关于水资源开发模式,特别是针对柬埔寨境内问题的研究相对滞后。本文以柬埔寨茶胶省得朗县农田水利规划为例,通过分析柬埔寨滨海平原地区气候特征及储水构造特点,探讨建立一种经济节能、自然和谐的区域水资源开发利用新模式。

2水资源开发利用模式建立

2.1联合开发思路柬埔寨南部滨海平原地区背海一侧多为低山丘陵,汇水面积大,地层中分布有一定厚度的砂层,地下水资源量丰富,但水资源开发利用尚面临诸多问题:①水资源年内分配不均,年降雨80%集中在雨季。②该地区农田水利基础设施薄弱,仅有不到20%的水利设施可以正常运行[1]。③水利工程设施缺失,雨季时大量水资源无法蓄积,地表水利用率极低,而旱季缺水严重,难以保障供水需求。④地表拦蓄工程匮乏,雨季大量洪水流往下游,增加了下游河道的防洪压力,引发了不同程度的涝害。⑤区域地下水资源丰富,地下水补给、排泄及径流条件相对良好,赋水条件优越,但缺乏科学的开发规划,地下水资源尚未得到充分利用,含水层无法发挥多年调蓄功能。由于当地人民认识上的偏差,长期以来,在水资源开发利用时,单一考虑水量开发而不注重水源补给的传统模式,已不能满足现代水资源开发的需求,而地表水与地下水联合开发,是柬埔寨滨海平原地区合理开发利用水资源的优先选择[2]。

2.2模式构建结合当地特殊的地形构造条件,本文提出一种“地表水、地下水就地转化取用”的流域水资源开发利用新模式,其概念模式见图1。该模式首先设计改造灌区渠道,将年内雨季洪水通过渠道引入地表水库并就地转入地下,缓解涝灾的同时积蓄水资源。旱季初期库水位较高,依靠水头差实现自流灌溉;水库蓄水减少时,通过水泵抽水灌溉满足作物需水要求。当灌区处于丰水年时,地表水量丰富,多余地表水大量补给渗入地下,同时减少地下水开采,抬升地下水位;枯水年时,地表来水少,适当增加地下水开采量,提高供水保证率。

2.3模式特点区别于传统方法,该模式将地表水经水库就地补给进入地下含水层,抬高灌区整体地下水位。当水库水位下降时,地下含水层经岩体释水,就地向上补给流入水库,从而增大水库的兴利库容,最大程度地实现“以丰补歉”。与传统方法相比,此开发模式优点[3]如下:①造价低,能耗小,在对灌区河道合理规划设计的基础上,可达到与传统方式相近的水资源开发效果,符合自然和谐治水理念。②稳定水源,提高了供水保证率。③地下含水层空间大,年际调节能力强,通过“以补定采,多年平衡”的开发模式,可有效避免地下水抽取过度,实现水资源可持续利用。④将地下含水层作为储水空间,一定程度上减少了地表水体蒸发损失,提高了水资源的有效利用率。

3水资源开发利用模式分析

3.1研究区概况研究区位于柬埔寨茶胶省中南部得朗县,面积约1667ha,区内总体地势低平,由西北倾向东南,水资源丰富,地表水系不发育,多年平均降雨量1300mm,属于典型的滨海平原地区。区内地表水资源主要为季节性河流,分布有三条天然干渠,水流整体由西北向东南流入灌区,中部有一面积约110ha的地表水库,研究区规划种植三季稻,种植面积约1533ha,平面概化见图2,其中阴影部分为种植区域。

3.2设计方案依据“地表水、地下水就地转化”的水资源开发模式思路,确定典型设计总体原则为以丰补歉、供需平衡、以补定采、多年平衡,其运行规则如下:①优先利用地表径流。②地表水就地补给。③保证地下水开采量与补给量的平衡,实现水资源的可持续利用。详细设计方案见图3,图中箭头表示水流方向。在渠系改造的同时,进一步开挖区内地表水库以增加库容,初步拟定深度开挖至8m,以原水库轴线为中心向两侧开挖,水平开挖距离16m。水库坝型为均质碾压土坝,拟定坝高2.5m,坝顶宽6m,坝坡坡比为1∶2。在大量挖方的基础上,于水库中部开挖一块50m×30m的土方块直至不透水层,连通水库与地下含水层,形成“地下水库”。水库开挖剖面及平面图见图4。为保证水库与地下含水层的连通性,提高水资源转化的运作效率,每年旱季水库水位降低至死水位时进行清淤工作。

3.3水资源计算数学模型水资源系统是一个综合整体,主要由来水储水系统、用水系统及排水系统三部分组成。计算模型以水量平衡原理为基础,对区域水资源进行供需平衡分析。

3.3.1模型变量(1)地表水库水量平衡。水量平衡表达式为:St=S0+W1+W2-W3-W4-W5-W6(1)式中,St为时段末水库库容;S0为时段初水库库容;W1为库面降雨量;W2为水库净入库水量;W3为水库供水量;W4为地表水就地补给量;W5为水库蒸发量、渗漏损失量;W6为水库弃水量。(2)地下水水量平衡。水量平衡表达式为:Vt=V0+G1+G2+G3+G4-G5-G6(2)式中,Vt为时段末地下贮水量;V0为时段初地下贮水量;G1为大气降水入渗补给量;G2为地表水入渗补给水量;G3为地表水就地补给量;G4为地下径流侧向补给量;G5为地下水就地开采量;G6为地下水侧向排泄量。(3)研究区水资源总量供需平衡。供需平衡表达式。

3.3.3约束条件约束条件包括地表水库容限制、地下水最大开采量限制、灌区渠系过水能力限制以及地下水最大补给量限制等。

3.4计算结果分析

3.4.1典型年选取研究区5~10月为雨季,11月~次年4月为旱季,多年平均降雨量为1300mm。由于当地缺乏长期的水文气象资料,故选取2003、2004年为设计典型年进行水资源供需平衡分析,其中2003年的降雨量、蒸发量分别为1358、1568mm,降雨频率为50%,2004年对应为1038、1221mm,降雨频率为75%。

3.4.2需水预测以2004年为例,其实测降雨量、蒸发量年内分配见表1。研究区规划种植“早、中、晚”三季稻,种植面积约1533ha。由于中稻种植时间处于雨季,该时段降雨量大于蒸发量,无需灌溉。依实测数据,根据农田水量平衡原理分析制定早、晚稻生育期灌溉制度,计算各阶段水面蒸发量及灌水定额,由此得2004年灌溉需水量,结果见表2。同理可得2003年灌溉需水量为0.134×108m3。

3.4.3供水分析农作物耗水量主要来自灌溉、降雨与地下水补给,对于某一灌区来说,降雨量年际变化较大,而地下水补给相对稳定。由于雨季降雨量可满足作物需水,故仅对旱季进行供水分析。旱季供水量主要由水库有效供水量、水库区域地下水可开采量及河道蓄水量三部分组成。其中水库有效供水量取决于库容设计;地下水可开采量受含水层给水能力限制而相对恒定;旱季河道蓄水蒸发量大,可供灌溉水量小,供水分析时可忽略。水库有效库容由体积法计算,考虑到年内水体的渗漏蒸发,在有效库容基础上乘以折减系数,得到旱季水库有效供水量。现场调研资料显示,研究区潜水含水层平均厚度为2m,埋深5~20m分布有细砂层,个别地段为中砂和粗砂,重力给水度μ为0.15~0.25,结合研究区土质情况,取μ=0.2。潜水含水层直接承受大气降水、地表水入渗补给、区外地下径流侧向补给和人工补给,对水库区域而言,大气降水、地表水入渗补给及人工就地补给是地下水补给的主要来源。大气降水、地表水入渗补给量依地下水动力学法估算,就地补给量依年降水径流关系法估算入库洪水得到。由于地下水资源丰富,补给充分,可开采量不受降雨量变化影响,因此旱季供水量取决于水库蓄水。2004年供水分析结果见表3。由表3可知,2004年水库满足有效蓄水要求,研究区供水保证率达到75%,典型设计供水方案满足地下水开采量与补给量的平衡要求,实现了水资源可持续利用。

3.4.4供需平衡分析水资源供需平衡分析结果见表4。由表4可知,通过改造工程的实施,研究区每年旱季可增加水资源供给量0.153×108m3,满足典型年的灌溉要求,供水保证率为75%,兴利效果显著。地下水开采量与补给量平衡,实现了水资源的可持续利用。

3.5开发模式分析

3.5.1效益评价经初步概算,研究区典型开发改造工程共耗资800万元,较传统方法节约资金1200万元。工程建成使用后,将改善灌溉面积1533ha,改善除涝面积1133ha,新增节水灌溉面积887ha,年内新增水资源供给量0.153×108m3。按新增灌溉面积效益6000元/ha计算,每年新增工程灌溉效益为919.6万元。水利基础设施建设不仅提高了农业综合生产能力,灌区林、路、网的构建还优化了区域自然环境,为生态旅游开发奠定了基础。可见“地表水、地下水就地转化取用”的水资源开发利用模式对当地农村经济发展、调整地区收入、促进充分就业等具有重要意义。

3.5.2发展前景当前,中国正积极推进“一带一路”建设,由于柬埔寨是计划中的重要沿线国家,作为柬埔寨国民支柱产业,也是中柬全面战略合作重点领域的农业,将面临重要历史机遇。同时,中国“一带一路”计划还能为柬埔寨经济、人文、安全各方面带来积极影响。再加之柬埔寨享有进出口通关零关税最惠国待遇,未来柬埔寨滨海平原地区灌区建设发展前景广阔。

3.5.3合理性检验从开发规模看,现状水资源供应基本满足农业灌溉用水需求,供水保证率为75%,较大程度改善了旱季作物缺水状况。从开发强度看,地下水开采量与补给量平衡,不存在超采问题;地表水资源利用率适宜,满足河流最小生态需水量要求。从开局看,将该模式应用于柬埔寨滨海平原地区,较好地引导了国民经济与社会发展的合理布局,符合农业可持续发展政策。从开发效益看,该模式有效促进了当地农业经济发展,改善了居民的生活条件,同时带来了良好的生态效益,发展前景广阔。综上所述,该模式与水资源禀赋条件相匹配,满足经济社会发展需求,符合人与自然协调发展理念,是一种科学、合理的水资源开发利用新模式。

4结论

本文以柬埔寨茶胶省得朗县农田水利典型设计为例,针对柬埔寨滨海平原地区特殊的河流地貌单元、储水构造特征,建立了一种“地表水、地下水就地转化取用”的流域水资源开发利用新模式。分析证明,该模式兼备除涝、兴利的作用,在保证投资经济性的同时,大幅提高了农业综合生产能力,是适合于柬埔寨滨海平原地区水资源开发利用的一种创新模式。

作者:林思 张伟锋 戴豪 丛沛桐 单位:华南农业大学 水利与土木工程学院

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