湖南大型灌區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)管理分析、評(píng)價(jià)

薛 麗

（湖南省水利水電科學(xué)研究所 長(zhǎng)沙市 410007）

湖南是個(gè)農(nóng)業(yè)大省和水利大省。我國(guó)南方存在季節(jié)干旱；全球氣候惡化，極端干旱氣候繼續(xù)發(fā)展，使南方灌區(qū)季節(jié)干旱及其管理問(wèn)題更日益突出。為確保灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉及人畜安全飲水等，及早對(duì)大型灌區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)管理作進(jìn)一步深入分析研究，找出對(duì)策，對(duì)灌區(qū)干旱氣候預(yù)防意義重大；為大型灌區(qū)今后搞好灌區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)管理，提高科學(xué)調(diào)度運(yùn)行、改造、續(xù)建、提供科學(xué)依據(jù)。湖南省大型灌區(qū)眾多,其灌區(qū)建設(shè)、運(yùn)行、管理、地理、氣候等情況大同小異;對(duì)典型灌區(qū)作研究，其它灌區(qū)可類推比照。

1 典型灌區(qū)概況

大圳灌區(qū)建于上1965年，1974年部分工程投入運(yùn)行，1979年主體工程建成并投入運(yùn)行。灌區(qū)骨干蓄、輸水工程由水庫(kù)、輸水渠道、抽水站及各種渠道建筑物等與基礎(chǔ)水利設(shè)施組成。涵蓋武岡、新寧、邵陽(yáng)、洞口、隆回等 5個(gè)縣（市）32個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），632個(gè)行政村；其設(shè)計(jì)灌溉面積3.57萬(wàn)hm2（53.56萬(wàn)畝），灌溉設(shè)計(jì)保證率90%；目前控制灌溉面積3.01萬(wàn)hm2（45.2 萬(wàn)畝），有效灌溉 2.51 萬(wàn) hm2（37.63 萬(wàn)畝），旱澇保豐收2.26萬(wàn)hm2（33.9萬(wàn)畝）。大圳灌區(qū)中型水庫(kù) 3 座（水源點(diǎn)）,?。á瘢┬退畮?kù) 43 座，?。á颍┬退畮?kù)161座，河壩1513座，塘25929口，泉井1654眼，抽水機(jī)127臺(tái)（1596kW），現(xiàn)總干渠1條，長(zhǎng)61.79 km，干渠 5條，長(zhǎng) 174.28km，支渠 184條，長(zhǎng) 930.16 km。灌區(qū)多年平均降雨量約1322.7mm左右；多年平均蒸發(fā)量1266mm；年內(nèi)降雨分配不均，汛期基本為每年的4月初到9月底；主要降水集中在5～6月份，占全年的30%左右；7～9月為農(nóng)作物的需水高峰期，而該段期間多年平均降水卻只有278mm，而多年平均蒸發(fā)為556mm。因此，常常形成夏秋旱或連冬旱的季節(jié)性干旱;甚至土地干裂，禾苗枯死，人畜飲水困難，被稱為衡邵干旱走廊地區(qū)的一部分。故選為典型。

2 灌區(qū)作物種植與變化分析評(píng)價(jià)

灌區(qū)建成后農(nóng)作物種植以雙季稻為主，兼有中稻、玉米等作物。從20世紀(jì)80年代雙季稻種植逐年減少，其變化已無(wú)案可查；現(xiàn)（即2000年后）調(diào)查種植雙季稻面積大幅下滑，中稻、玉米種植面積大幅上升。作物在2000年前后種植面積對(duì)比見(jiàn)表1。

灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水灌溉與續(xù)建配套前與現(xiàn)在灌溉面積無(wú)較大變化，種植結(jié)構(gòu)面積發(fā)生了較大變化。分析原因：

表1 大圳灌區(qū)2000年前后種植結(jié)構(gòu)對(duì)比表

（1）經(jīng)過(guò)近十幾年的續(xù)建配套與節(jié)水改造，灌區(qū)有效灌溉效益及灌溉能力得到恢復(fù)或提升；但隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)改革發(fā)展，農(nóng)村年輕勞動(dòng)力外出打工多，剩下老小無(wú)力耕種，土地部分季節(jié)荒蕪，復(fù)種率降低，或改種旱作物。

（2）城鎮(zhèn)化加聚，人們較片面重視短期、快速經(jīng)濟(jì)收入,不重視農(nóng)業(yè)種植是國(guó)計(jì)、民生的生存根本。

（3）國(guó)家能逐年配套資金較少，灌區(qū)無(wú)力全面維修或翻新；基礎(chǔ)水量也淤積衰減。

3 灌區(qū)運(yùn)行調(diào)度狀況分析與評(píng)價(jià)

灌區(qū)在實(shí)行“所有權(quán)、水權(quán)、規(guī)劃設(shè)計(jì)”三統(tǒng)一前提下，實(shí)行工程分級(jí)管理,改變了過(guò)去的混亂狀態(tài)。大圳管理局和各縣(市)管理的分干渠、支渠、斗渠分別成立了供水總公司及子公司。用水有計(jì)劃并計(jì)量與收費(fèi)。用水調(diào)度由灌區(qū)管理局調(diào)度室全面負(fù)責(zé)水利調(diào)度工作及安排。根據(jù)調(diào)度用水原則及管理模式，根據(jù)各縣和各用水協(xié)會(huì)報(bào)需水計(jì)劃和實(shí)際用水需求，調(diào)度室進(jìn)行每年的制定配水計(jì)劃和實(shí)際配水。灌區(qū)各渠道和建筑物的運(yùn)行管理及出險(xiǎn)應(yīng)急搶修主要有灌區(qū)管理局及各縣或各支渠委員會(huì)管理共同協(xié)商，分級(jí)管理或搶修。由于工程老化嚴(yán)重而投入資金有限，不少渠道末梢得不到修復(fù)處；仍存在一些工程或渠道不能正常運(yùn)行情況；不少農(nóng)田灌溉需水而配不到水。同時(shí)額外增加了可灌到水區(qū)的耗水量分?jǐn)偤陀盟杀?。出現(xiàn)水庫(kù)有水，部分田里缺水的怪事。另外，由于維修資金短缺問(wèn)題使基礎(chǔ)水量也衰減嚴(yán)重。國(guó)家和地方政府還需投資繼續(xù)進(jìn)行灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造。

灌區(qū)水資源總量為22.67億m3；可利用水4.621億 m3。 3個(gè)中型水庫(kù)興利總庫(kù)容水量為：1.048億m3；基礎(chǔ)水量由原來(lái)的2.169億m3（含小型水庫(kù)及河塘水量）已衰減至約1.446億m3。原設(shè)計(jì)規(guī)劃用水為3.678億m3，目前灌區(qū)能控制灌溉3.01萬(wàn)hm2（45.2萬(wàn)畝），有效灌溉2.51萬(wàn)hm2（37.63萬(wàn)畝），每年實(shí)際需用水約4億m3多。基礎(chǔ)水量嚴(yán)重衰減，使可供水不足。季節(jié)棄田不種植（不種雙季稻）現(xiàn)象存在。這在表面上和短期內(nèi)暫時(shí)掩蓋了灌區(qū)干旱缺水現(xiàn)象。

極端干旱氣候演變與季節(jié)性干旱發(fā)展使灌區(qū)農(nóng)業(yè)季節(jié)干旱缺水隱患問(wèn)題會(huì)日趨突出。用水結(jié)構(gòu)和用水量發(fā)生變化,需適時(shí)修正灌區(qū)用水調(diào)度圖和加強(qiáng)科學(xué)性季節(jié)性干旱管理。

4 灌區(qū)水文水資源分析與評(píng)價(jià)

大圳灌區(qū)地形地貌和土壤植被等下墊面情況無(wú)變化。依據(jù)降水、徑流和蒸發(fā)等觀測(cè)長(zhǎng)系列觀測(cè)資料，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法、分段線性回歸方法以及累積距平曲線聯(lián)合滑動(dòng)T檢驗(yàn)等方法，開(kāi)展了灌區(qū)水資源如：對(duì)降水、徑流演變趨勢(shì)及規(guī)律分析與評(píng)價(jià)研究等。揭示了大圳灌區(qū)降水量（徑流等）年內(nèi)分布規(guī)律及干旱產(chǎn)生原因如下：

（1）大圳灌區(qū)年平均降水量和年平均蒸發(fā)量增大而年平均徑流量減少。

（2）年內(nèi)分配的主要特點(diǎn)是汛期降水集中，四季分配很不均勻，最大和最小月降水量相差很大，降水量的年內(nèi)、年際分配不均，是發(fā)生季節(jié)干旱的主要原因。

（3）灌區(qū)內(nèi)每年7～9月蒸發(fā)量大也是季節(jié)干旱頻發(fā)的原因之一。

（4）大圳灌區(qū)干旱的形成最主要的原因就是灌區(qū)降水與農(nóng)作物需水時(shí)間不一致。

（5）水資源蘊(yùn)藏量較豐富；但由于降水的年內(nèi)及年際分布的十分不均勻性等，對(duì)灌區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)灌溉影響大,灌區(qū)骨干水庫(kù)更需統(tǒng)一﹑合理性調(diào)度與科學(xué)的季節(jié)性供水。

5 灌區(qū)干旱水量平衡計(jì)算與分析評(píng)價(jià)

5.1 灌區(qū)干旱水量平衡復(fù)核結(jié)果（表2～表4）

5.2 灌區(qū)歷次水量平衡對(duì)比分析表（表5）

表2 麻林站、大水江、東風(fēng)年均降水與徑流

表3 骨干水庫(kù)50%、75%、90%保證率年份入庫(kù)年徑流總量（108m3）

表4 大圳灌區(qū)可供水量成果表

5.3 灌區(qū)干旱水量平衡分析、評(píng)價(jià)與結(jié)論

（1）水文系列資料。

灌區(qū)曾三次水量平衡計(jì)算所采用水文資料系列長(zhǎng)、短均較符合當(dāng)時(shí)情況和要求；但以本次干旱復(fù)核所用水文系列資料最長(zhǎng)，也最可靠。

（2）保證率90%設(shè)計(jì)值差異。

近三次水量平衡計(jì)算，以本次保證率90%的徑流量設(shè)計(jì)值最小；本次保證率90%的設(shè)計(jì)值比1999年設(shè)計(jì)的少了4008萬(wàn)m3水量，比1992年設(shè)計(jì)少了523萬(wàn)m3水量。分析原因：由于所用水文資料系列長(zhǎng)、短不同，使其代表性不同而引起的不同。前兩次做水量平衡是為了向上面申請(qǐng)立項(xiàng)；而本次復(fù)核平衡計(jì)算純屬科研性質(zhì)，更追求接近真實(shí)。季節(jié)性干旱在逐步發(fā)展中，使近些年來(lái)本灌區(qū)水文系列加長(zhǎng)，多年平均降水量增大，而多年平均徑流量卻減少。

（3）灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)變化。

農(nóng)民外出打工，移居城市或輕農(nóng)等現(xiàn)象使灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)變化較大，復(fù)種指數(shù)減小，種雙季稻減少，種旱作物玉米增加，灌溉面積、灌溉用水量較以前減少很多。

表5 灌區(qū)水量平衡對(duì)比分析表

（4）所用參數(shù)不同。

本次干旱復(fù)核計(jì)算所用參數(shù)為目前灌區(qū)提供的實(shí)際值，如田間利用系數(shù)為0.89，渠道利用系數(shù)為0.62等：其較1992年復(fù)核時(shí)所用增大，但也小于到1999年規(guī)劃所用值。

（5）水庫(kù)之間補(bǔ)水（摻水）損耗不可忽視。

灌區(qū)近年實(shí)際增加了大圳水庫(kù)向東風(fēng)水庫(kù)補(bǔ)水及擬向大水江水庫(kù)的補(bǔ)水,其路途較遠(yuǎn)，輸水渠道水利利用系數(shù)并不很理想，途中有損耗水量；且其損耗較大不容忽略。只有本次該灌區(qū)干旱水量復(fù)核計(jì)算考慮了其補(bǔ)水途中損耗。

（6）水量平衡復(fù)核保證灌溉面積。

當(dāng)保證率為90%，設(shè)計(jì)面積為3.56萬(wàn)hm2（53.36萬(wàn)畝）時(shí)的灌溉用水及城鄉(xiāng)供水，本次干旱風(fēng)險(xiǎn)復(fù)核和1992年水量復(fù)核計(jì)算結(jié)果都是遭破壞；而1999年規(guī)劃試平衡結(jié)果是平衡。究其原因是：因1999年規(guī)劃設(shè)計(jì)值比本次復(fù)核設(shè)計(jì)水量偏大4008萬(wàn)m3，比1992年核算設(shè)計(jì)水量也偏大3485萬(wàn)m3；1999年規(guī)劃平衡計(jì)算其田間及渠系利用系數(shù)是規(guī)劃值，是虛值，使水利用率加大，損耗減少。

（7）灌溉定額。

本次干旱風(fēng)險(xiǎn)復(fù)核與1992年及1999年水量計(jì)算所用灌區(qū)保證率均為90%；所用綜合灌溉定額和1999年的相同，比1992年的小。分析原因是：灌區(qū)逐年續(xù)建配套提高了水利用率；灌區(qū)近些來(lái)年采取節(jié)水灌溉和用水計(jì)量收費(fèi)，灌水浪費(fèi)較少；種植結(jié)構(gòu)變化很大，雙季稻種植大幅較少，單季稻與旱作物玉米等種植率上升，使用水量大幅減少；本次所用綜合灌溉定額和1999年的相同是隨著續(xù)建配套于節(jié)水改造的繼續(xù)田間和渠系水利用系數(shù)會(huì)進(jìn)一步提高，浪費(fèi)用水減少。二是出于需用水安全考慮。

（8）用水結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

過(guò)去灌區(qū)用水主要以農(nóng)業(yè)灌溉為主，而發(fā)電用水與農(nóng)業(yè)灌溉用水是重復(fù)利用水量或錯(cuò)開(kāi)用水時(shí)段，首先保證農(nóng)業(yè)灌溉用水，其它用水極少。但是，現(xiàn)在隨著社會(huì)改革經(jīng)濟(jì)發(fā)展、變化和極端季節(jié)干旱氣候發(fā)展、環(huán)境污染、城市人口急增等原因，使鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活供水需求與工業(yè)用水需求逐年上升。加之近些年種植結(jié)構(gòu)不正常，農(nóng)業(yè)用水量減少，灌區(qū)只好把部分多余的水量轉(zhuǎn)讓給鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活供水與工業(yè)用水等。今后，隨著國(guó)家政策和策略調(diào)整，農(nóng)業(yè)種植會(huì)正?；蜣r(nóng)業(yè)發(fā)展種植多樣化，農(nóng)業(yè)灌溉用水正?；?。那時(shí)灌區(qū)除了要供給正常的農(nóng)業(yè)用水，又要增加鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活或工業(yè)供水，這會(huì)使今后灌區(qū)的供水負(fù)擔(dān)增大許多而不能擔(dān)負(fù)。

（9）干旱水量復(fù)核結(jié)果。

由干旱水量平衡復(fù)核知：當(dāng)前情況下，保證率90%時(shí)，有效灌溉面積3.01萬(wàn)hm2（45.2萬(wàn)畝）的灌溉用水及大圳水庫(kù)的城鄉(xiāng)供水有保證。其它方案當(dāng)前條件下遭破壞。建議解決方案：除繼續(xù)續(xù)建配套與節(jié)水改造外，灌區(qū)需要修改設(shè)計(jì)增供水多樣化目標(biāo)和增建供水水源點(diǎn)。若不提前看到這一點(diǎn)并做好充分準(zhǔn)備，到時(shí)則會(huì)迫于眉睫，措手不及。

6 灌區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

6.1 采用干旱指標(biāo)法及干旱級(jí)別計(jì)算法進(jìn)行灌區(qū)干旱管理﹑分析﹑評(píng)價(jià)

（1）氣象干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)。

（3）水文干旱指標(biāo)。

（4）社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱指標(biāo)。

（5）大圳灌區(qū)干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)及等級(jí)確定計(jì)算方法等。

6.2 灌區(qū)干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)及等級(jí)確定（表6）

表6 大圳灌區(qū)1980～2008年不同干旱等級(jí)發(fā)生頻度 %

不同的干旱指標(biāo)可以從不同的角度反映干旱的發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)旱情的嚴(yán)重程度可將干旱劃分為不旱、輕旱、重旱、特旱4個(gè)等級(jí)。不同指標(biāo)干旱等級(jí)閥值通常需要通過(guò)對(duì)灌區(qū)歷史旱情和損失的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定。

6.3 灌區(qū)歷史干旱風(fēng)險(xiǎn)頻度與時(shí)空分析

（1）農(nóng)作物干旱頻度分析。

大圳灌區(qū)作物發(fā)生特旱的頻度最高的為東風(fēng)灌片，最低的是大水江灌片；發(fā)生重旱的頻度最高的是大圳灌片，最低的是東風(fēng)灌片；發(fā)生輕旱頻度最高的是東風(fēng)灌片，最低的是大圳灌片。

就整個(gè)灌區(qū)來(lái)講，大圳灌片發(fā)生重旱的頻度最高，為40.7%，出現(xiàn)特旱的頻度為11.1%。

（2）作物受旱的時(shí)間過(guò)程分析。

通過(guò)對(duì)大圳灌區(qū)干旱成因分析，可以得知造成大圳灌區(qū)干旱頻繁發(fā)生的主要因素是降水和作物需水期的不同步。經(jīng)過(guò)對(duì)大圳灌區(qū)農(nóng)作物發(fā)生的缺水時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析，得知作物缺水的時(shí)間正是降水量少而蒸發(fā)量大的7～9月份。

7 灌區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)管理分析預(yù)警系統(tǒng)和其軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)

7.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目的與系統(tǒng)基本功能

大圳灌區(qū)是我國(guó)重要的產(chǎn)糧基地，為了預(yù)防和抵御旱災(zāi)對(duì)我國(guó)南方農(nóng)業(yè)的影響，采用先進(jìn)科學(xué)的技術(shù)和方法管理大圳灌區(qū)對(duì)干旱風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、預(yù)警管理及水利建設(shè)現(xiàn)代化階段性目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。農(nóng)業(yè)干旱是與氣象、水文、下墊面等自然因素和水利工程供水等人類活動(dòng)因素綜合作用的結(jié)果，對(duì)農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行評(píng)價(jià)管理首先應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。該系統(tǒng)完成了對(duì)大圳灌區(qū)水利水電工程信息的管理，還可以對(duì)歷史水文數(shù)據(jù)（降雨、蒸發(fā)、水庫(kù)蓄水量）進(jìn)行輸入、查詢及統(tǒng)計(jì)，并形成統(tǒng)計(jì)圖表。在此基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)分析并歸納了一系列的干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了一套有效的干旱評(píng)價(jià)系統(tǒng)，對(duì)干旱事件進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià)，從而為科學(xué)抗旱救災(zāi)提供決策支持。該系統(tǒng)具有以下三大主要功能：

（1）數(shù)據(jù)匯總查詢功能和數(shù)據(jù)維護(hù)統(tǒng)計(jì)功能。

建立水文氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，包括降水、蒸發(fā)、水庫(kù)蓄水量等數(shù)據(jù)（包括頻率計(jì)算成果），灌區(qū)概況；建立了包括中型水庫(kù)、小（I）型水庫(kù)、?。↖I）型水庫(kù)、水電站等水利水電工程的數(shù)據(jù)庫(kù)，將灌區(qū)各種信息匯總并統(tǒng)一管理。還有水量平衡計(jì)算成果等。系統(tǒng)提供對(duì)水文氣象及水利水電工程相關(guān)

數(shù)據(jù)的添加、修改、刪除、查找以及保存等維護(hù)功能，方便用戶及時(shí)更新數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)值，并繪制統(tǒng)計(jì)圖形結(jié)果。

（2）灌區(qū)干旱管理功能。

管區(qū)管理功能：灌區(qū)機(jī)構(gòu)設(shè)置及管理制度；灌區(qū)用水調(diào)度制度和配水圖；灌區(qū)自動(dòng)化設(shè)施配套布置與管理。

（3）灌區(qū)干旱風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估功能。

有歷年灌區(qū)干旱情況及預(yù)測(cè)；有在分析一系列干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，計(jì)算降水量距平百分率及作物缺水率等指標(biāo)，對(duì)農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

7.2 系統(tǒng)主要框架系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （附圖）

附圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖