濉汴河灌區(qū)適宜水面率分析

趙振江 曾廣泉 丁繼輝

(1.泗洪縣水利局,江蘇 宿遷 223900;2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100)

江蘇省位于我國大陸東部沿海的中心,地勢平坦,平原遼闊,河網(wǎng)眾多,平原區(qū)面積占江蘇省總面積的85.3%,雨量較豐沛,但時空分布不均。地域分布上自東南向西北遞減,南部多年平均降雨量1100m,向北逐漸減少至800m左右。目前,江蘇省水域現(xiàn)狀存在以下問題:湖泊納污能力衰減,污染嚴重,富營養(yǎng)化現(xiàn)象加劇;生物多樣性減少,生態(tài)系統(tǒng)功能衰退;過度開發(fā)利用,湖泊面積嚴重萎縮;洪澇災(zāi)害風(fēng)險增加等[1]。

水面率指區(qū)域水面面積占區(qū)域總面積的比率。對于灌區(qū)而言,灌區(qū)內(nèi)湖泊、河流、溝道、坑塘等水域具有為灌區(qū)提供汛期滯蓄、旱季供水的功能,水域中的濕地也能對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中排放的氮、磷、COD等污染物進行有效降解,因此通過計算確定適宜的水面率可以對灌區(qū)內(nèi)水利工程的建設(shè)、水資源調(diào)配的合理性提供有力指導(dǎo)。

此前已有學(xué)者[2-8]開展過水面率的研究:張志飛等[2]提出了區(qū)域綜合合理水面率的計算方式;劉文博等[3]進行了長株潭地區(qū)的水面率需求分析;王士武等[4]對于行洪除澇的合理水面率進行了研究;徐翠蘭等[8]進行了平原區(qū)土地整理方面的適宜水面率研究。本文通過數(shù)學(xué)模型的建立,以濉汴河灌區(qū)為例計算了區(qū)域內(nèi)排澇、抗旱及水生態(tài)保護的適宜水面率值,科學(xué)合理地確定維系蘇北地區(qū)可持續(xù)發(fā)展所需的綜合水面率,以期能對蘇北地區(qū)的灌區(qū)續(xù)建配套及現(xiàn)代化改造提供參考。

1 研究區(qū)基本情況

濉汴河灌區(qū)地處江蘇省宿遷市泗洪縣中部、淮河流域沂沭泗水系下游,位于東經(jīng)118°8′24″～118°25′48″和北緯33°16′12″～33°43′12″之間。泗洪縣內(nèi)河流縱橫,淮河、懷洪新河等7條行洪河道穿境入洪澤湖,有“洪水走廊”之稱。灌區(qū)位置見圖1。灌區(qū)屬東亞季風(fēng)區(qū),又屬亞熱帶和暖溫帶的過渡區(qū),水資源總量年際變化較大,年際間豐枯變化中等偏上。灌區(qū)多年平均過境水量4.2億m3,過境水資源豐富。灌區(qū)現(xiàn)狀有效灌溉面積48400hm2,現(xiàn)灌溉設(shè)計保證率為75%?，F(xiàn)狀灌溉用水量為5865m3/hm2。由于部分區(qū)域仍采用傳統(tǒng)的漫灌方式、田間用水管理不到位、用水計劃制定不精準(zhǔn)、用水調(diào)度沒有完全依據(jù)用水計劃實施等問題導(dǎo)致灌溉用水量較大。同時為了實現(xiàn)灌區(qū)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo),優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境,會進一步加大農(nóng)業(yè)灌溉所需的灌水量,提升經(jīng)濟作物種植時對用水水質(zhì)的要求。在水生態(tài)方面,灌區(qū)內(nèi)老汴河、攔山河等大部分河道基本得到整治,水質(zhì)基本能夠達到功能區(qū)要求,水生態(tài)環(huán)境狀況良好。但也存在部分河道有淤積嚴重、調(diào)蓄能力降低、水環(huán)境質(zhì)量較差的問題。

圖1 濉汴河灌區(qū)位置圖與水系示意圖

2 灌區(qū)水面率分析模型

2.1 排澇適宜水面率

平均排除法適用于平原地區(qū)計算排澇流量,采用設(shè)計凈雨推求排澇設(shè)計流量,即以排水面積上的設(shè)計凈雨在規(guī)定的時間內(nèi)排除的平均排澇流量作為設(shè)計排澇流量,計算公式為

(1)

式中:q為設(shè)計排澇模數(shù),m3/(s·km2);R區(qū)域為區(qū)域設(shè)計徑流深,mm;t為規(guī)定的排澇時間,d。

蘇北平原地區(qū),同時擁有水田、旱地、水域水面、建筑物以及道路,首先按照式(1)分別計算各區(qū)域的設(shè)計徑流深,然后按照比例加權(quán)平均,即得區(qū)域綜合設(shè)計徑流深,再用式(1)計算綜合排澇模數(shù),此時計算公式為

R區(qū)域=α水田R水田+α旱地R旱地+α建筑R建筑+α交通R交通

+α水面R水面

(2)

R水田=P-h田蓄-(E+f)t

(3)

R旱地=aP

(4)

R建筑=φ1P

(5)

R交通=φ2P

(6)

R水面=P-h蓄-E0

(7)

式中:R水田、R旱地、R建筑、R交通、R水面分別為水田、旱地、建筑物、坑塘溝河的水面設(shè)計徑流深,mm;α水田為水田面積占排水區(qū)域面積的比例;α旱地為旱地面積占排水區(qū)域面積的比例,灌區(qū)內(nèi)除去建筑物面積、交通運輸用地、水田面積、坑塘溝河等水面面積,旱地和非耕地一起概化為旱地;α建筑為建筑物用地占排水區(qū)域面積的比例;α交通為交通運輸占地占排水區(qū)域面積的比例;α水面為坑塘溝河水面率;P為設(shè)計暴雨量,mm;h田蓄為水田滯蓄水深,mm;E為水田田間騰發(fā)量,mm;f為水田田間滲漏量,mm;a為徑流系數(shù);φ1為建筑用地產(chǎn)流系數(shù);φ2為交通運輸用地產(chǎn)流系數(shù);h蓄為坑塘溝河滯蓄水深,mm;E0為水面蒸發(fā)量,mm。

根據(jù)式(1)和式(2)可得

(8)

則確定排澇模數(shù)及水面滯蓄水深后,即可確定水面面積,再通過平均排除法確定區(qū)域排澇標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計排澇模數(shù)和河面的平均預(yù)降水深后,即可推出平原區(qū)排澇適宜水面率,即

(9)

2.2 抗旱水面率

根據(jù)濉汴河灌區(qū)內(nèi)的水資源分布情況,在干旱發(fā)生時可通過對水坑、水塘、溝道的蓄水合理調(diào)度進行灌溉補水,在這種情況下,可以利用確定水面率的方法確定灌區(qū)的抗旱適宜水面率:

W2≤V2

(10)

(11)

V2=1000A抗旱h″蓄F

(12)

式中:W2為旱期灌區(qū)一次灌溉的需水量,m3;V2為區(qū)域內(nèi)溝塘蓄水量,m3;mi為旱期第i種作物的單日耗水量,mm;t2為一次灌水周期,取為7d;Fi為第i種作物的種植面積,hm2;h″蓄為溝塘可提水深度,mm;η為灌溉水利用系數(shù);其他符號意義同前。

通過式(9)的方法可得出,灌區(qū)的抗旱適宜水面率為

(13)

2.3 水生態(tài)保護適宜水面率

根據(jù)平原區(qū)水環(huán)境容量分析,選擇TN(總氮)作為控制因子。結(jié)合項目區(qū)地表水環(huán)境質(zhì)量的實際情況,執(zhí)行對應(yīng)類別標(biāo)準(zhǔn)[9],水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值見表1。

表1 地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)TN標(biāo)準(zhǔn)限值 單位:mg/L

采用水環(huán)境容量的基本計算公式推導(dǎo)可得:

(14)

V=1000R環(huán)境h′蓄1F

(15)

式中:W0為單位時間流入TN的量,g/s;V為滯蓄水量,m3;K為水質(zhì)綜合衰減系數(shù),d-1;CsTN為水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值,mg/L;R環(huán)境為水環(huán)境容量水面率,%;h′蓄1為水域正常蓄水深度,mm。

式中各參數(shù)的確定:

b.水質(zhì)綜合衰減系數(shù)K。水質(zhì)綜合衰減系數(shù)參考值見表2。

表2 水質(zhì)綜合衰減系數(shù)參考值(TN) 單位:d-1

c.TN的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)值CsTN。根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r,取對應(yīng)的CsTN值。

d.坑塘河溝平均蓄水深度h′蓄1。通過調(diào)查研究,結(jié)合項目區(qū)實際,分別確定溝道、河流、坑塘正常水深后取平均值。

綜上可得,區(qū)域水生態(tài)保護適宜水面率為

(16)

3 灌區(qū)水土資源信息

濉汴河灌區(qū)東隔徐洪河與安東河灌區(qū)相鄰,西隔老濉河與安徽泗縣相望,北與宿城區(qū)接壤,南抵洪澤湖,灌區(qū)地勢北高南低。濉汴河灌區(qū)水源主要通過地表徑流以及濉河閘站、老汴河閘站引洪澤湖水進行灌溉。在計算產(chǎn)匯流時,為方便計算,不考慮外來水流入?yún)^(qū)域內(nèi)的部分。

3.1 土地資源信息

a.土地利用結(jié)構(gòu)。根據(jù)全國第二次土地普查的GIS圖數(shù)據(jù)庫,濉汴河灌區(qū)土地總面積74721.33hm2,耕地面積49840hm2,占總土地面積的66.7%;園、林、草地面積3893.33hm2,占總土地面積的5.21%;交通運輸用地3214hm2,占總土地面積的4.3%;水域及水利設(shè)施用地11327.33hm2,占總土地面積的15.2%,見表3。

表3 濉汴河灌區(qū)土地利用現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)

b.作物種植面積。根據(jù)統(tǒng)計,從灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀來看,灌區(qū)內(nèi)以種植水稻、小麥為主,此外還有玉米、大豆、花生、蔬菜等作物。灌區(qū)內(nèi)主要農(nóng)作物種植面積和比例見表4,日需水量見表5[10]。

表4 灌區(qū)主要農(nóng)作物種植面積和比例

表5 江蘇省幾種主要作物日需水量

3.2 水文水資源信息

a.降雨量信息。根據(jù)歷年降水量資料統(tǒng)計可知,灌區(qū)年平均降水量為898.3mm。年降水量最多為1541.0mm,最少為582.8mm;年降水日數(shù)為105天;雨季一般在6—9月,降水量占全年的66.7%;月降水量最多為7月(205.1mm),最少為12月(15.8mm)。

b.水質(zhì)狀況信息。濉汴河灌區(qū)灌溉水源來自于洪澤湖,根據(jù)2019年監(jiān)測數(shù)據(jù),溧河李臺村斷面、老汴河汴河大橋斷面為Ⅳ類水;洪澤湖總體水質(zhì)為Ⅳ類水;新汴河、新濉河、溧河、老汴河、濉河、徐洪河、洪澤湖等32個斷面中,Ⅴ類及劣Ⅴ類水?dāng)嗝?個,占9.38%,超標(biāo)項目為氨氮、總磷和高錳酸鹽指數(shù)。詳細監(jiān)測情況見表6。

表6 濉汴河灌區(qū)水質(zhì)狀況分類

4 計算結(jié)果分析

4.1 參數(shù)確定

根據(jù)灌區(qū)水土資源信息,得到灌區(qū)抗旱、排澇、水生態(tài)保護的水面率計算參數(shù)值如下:

a.根據(jù)表3,濉汴河灌區(qū)總面積F為74721.33hm2,其中,水田面積占排水區(qū)域的面積比例α水田=53.61%。建筑用地包括工礦倉儲用地、住宅用地、公共管理與公共服務(wù)用地,其占排水區(qū)域的面積比例為α建筑=8.23%,交通運輸用地包括公路用地、農(nóng)村道路用地、港口碼頭用地,占排水區(qū)域的面積比例為α交通=4.27%。為了滿足條件:α水田+α旱地+α建筑+α交通+α水面=1,則α旱地=33.89%-α水面。

b.選取最大24h設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為10年時的設(shè)計雨量,設(shè)計暴雨量p取為200mm?？紤]到灌區(qū)內(nèi)種植有高價值的經(jīng)濟作物,由于其耐淹歷時短,遭受澇災(zāi)后損失較大,要求受淹時1d內(nèi)排至田面無積水,排澇時間t取為1d。

c.根據(jù)灌區(qū)水利設(shè)施狀況,在10年一遇排澇工況下,平原區(qū)設(shè)計排澇模數(shù)q=1.04m3/(s·km2)。

d.由于設(shè)計暴雨量p≤250mm,徑流系數(shù)a取為0.5。建筑用地產(chǎn)流系數(shù)φ1取為0.85[11],交通運輸用地產(chǎn)流系數(shù)φ2取為0.85。

e.根據(jù)蒸發(fā)量實測成果,1d水面蒸發(fā)量E0取為6mm。根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H,水田田間騰發(fā)量E取為3mm,水田田間滲漏量f取為3mm;水田滯蓄水深h田蓄取為60mm。

f.根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況,考慮坑塘溝河水深預(yù)降,坑塘溝河平均滯蓄水深h蓄取為600mm;坑塘溝河正常蓄水深度h′蓄取為1000mm;坑塘溝河可提水深度h″蓄取為500mm。

g.計算抗旱水面率時根據(jù)作物種植季節(jié)可分為:3—5月以小麥、蔬菜為主;6—9月則以水稻、玉米、大豆及蔬菜為主。

h.根據(jù)調(diào)查,灌區(qū)現(xiàn)狀年灌溉水利用系數(shù)η=0.570。

i.根據(jù)表2及表6的信息,將水質(zhì)綜合衰減系數(shù)K定為0.05。

j.根據(jù)表1及表6的信息,取CsTN為1.5mg/L。

4.2 適宜水面率計算結(jié)果

將以上參數(shù)值分別帶入式(9)、式(12)和式(16),計算得到灌區(qū)除澇適宜水面率R排澇=7.38%;水生態(tài)保護適宜水面率R環(huán)境=10.11%;3—5月的抗旱適宜水面率為R抗旱=4.83%,6—9月的抗旱適宜水面率為R抗旱=7.94%。由此得到灌區(qū)的適宜水面率為R適宜=R除澇∪R環(huán)境∪R抗旱,取三者最大值為10.11%。

5 結(jié) 語

根據(jù)表3中水域及水利設(shè)施用地數(shù)據(jù)可得出,灌區(qū)現(xiàn)狀水域面積占比約為15.16%,大于計算得到的灌區(qū)適宜水面率10.11%。在水生態(tài)環(huán)境方面,承擔(dān)水生態(tài)保護功能的主要是河流、坑塘、溝渠的水面面積,比例約為10.15%,大于計算得到的灌區(qū)水生態(tài)保護適宜水面率10.02%;在抗旱引水方面,承擔(dān)這部分功能的是溝渠的水面面積,比例約為6.85%,大于3—5月的抗旱適宜水面率4.83%,但小于6—9月的抗旱適宜水面率7.94%。

根據(jù)以上得出的數(shù)據(jù)可以看出,濉汴河灌區(qū)內(nèi)的水域與水利設(shè)施在汛期基本可以滿足灌區(qū)內(nèi)的防洪除澇要求;在水生態(tài)保護方面,承擔(dān)水生態(tài)保護功能的坑塘河流水域大致可以滿足灌區(qū)的水環(huán)境需求;在以種植小麥和蔬菜為主的3—5月灌區(qū)內(nèi)的水域可大致滿足抗旱期間的灌溉用水需求,但在6—9月若出現(xiàn)旱情,則可能會出現(xiàn)無法完全供給灌溉用水的情況。針對上述問題,在灌區(qū)后續(xù)配套建設(shè)及改造過程中,應(yīng)注意優(yōu)化水資源配置格局,增強生態(tài)經(jīng)濟帶水資源水環(huán)境承載能力;積極推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù),推廣農(nóng)機農(nóng)藝相結(jié)合的節(jié)水措施,提升水資源利用率,實現(xiàn)從輸配水到田間的全面節(jié)水;科學(xué)合理地使用化肥和農(nóng)藥,推廣環(huán)境友好型化肥、農(nóng)藥,減少污染物的排放,從根源上解決水生態(tài)問題。