何平如， 馬 韜， 丁繼輝， 王艷穎， 劉 奉， 俞雙恩

(1.河海大學農業(yè)科學與工程學院， 江蘇 南京 211100； 2.徐州市水務局， 江蘇 徐州 221018)

江蘇省東瀕黃海，地形平坦，河湖眾多，水網密布，主要河道 2 900多條，湖泊(湖蕩)526個，水庫952個。當前，江蘇省水域保護和利用過程中存在諸多問題，如水域占用情況突出，水域面積萎縮，資源數量減少等[1]。以江蘇省徐州市凌城灌區(qū)為例，灌區(qū)現狀灌溉保證率為55%，供水保證率為60%，供水保證率和灌溉保證率均偏低。隨著經濟社會的發(fā)展，農民增收的愿望越發(fā)迫切，種植蔬菜、水稻的積極性越來越高，對農業(yè)灌溉用水水量和水質的要求也越來越高。灌區(qū)供水現狀與當地農業(yè)經濟發(fā)展和對水的需求很不協調。流域性大洪水、局部強降雨、強臺風、城市內澇、區(qū)域干旱等災害時有發(fā)生，部分年份的旱澇災害暴露出抗旱防洪排澇減災體系仍存在不少薄弱環(huán)節(jié)，防汛抗旱仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。雖然灌區(qū)水系連通性較好，但由于部分河道淤積嚴重，調蓄能力降低，水環(huán)境質量較差，灌區(qū)內的重要河道均不滿足水質要求，超標項目以COD、NH3-N和TP為主。

對平原灌區(qū)而言，河流、溝道、湖泊和坑塘水面等水域是行洪除澇和抗旱等系統(tǒng)的重要組成部分。汛期，暴雨產生的洪水在區(qū)域內能夠得到滯蓄和防治，區(qū)域內部澇水能夠通過水域滯蓄、利用相關的水利工程等順利排除；旱季，這些坑塘水面滯蓄的水量又能夠滿足環(huán)境的需水要求[2]；并且溝渠濕地等水域可以有效降解農田退水中的氮、磷、COD等面源污染物，為生態(tài)系統(tǒng)的構建提供了基礎保障。因此，水域面積對灌區(qū)的良性循環(huán)發(fā)展至關重要，可以通過灌區(qū)水域的滯澇、抗旱以及水環(huán)境容量和水體納污能力來明確灌區(qū)適宜水面的大小。在灌區(qū)規(guī)劃中，灌區(qū)水面率(即灌區(qū)內河道、塘壩和溝道在設計水位或多年平均水位控制條件下具有的水面面積與灌區(qū)總面積的比例)是反映水域的一種直觀形式[3]，可以通過計算適宜水面率反映未來灌區(qū)水域功能的保障程度，分析未來階段水資源配置的合理性，為水功能區(qū)域的調整布局和水利工程建設提供參考。水面率作為一個管理工具，上海已提出“要像保護耕地一樣保護全市的水面率”，要將水面率列入最嚴格水資源管理考核指標中[4]。

部分學者也進行了水面率的研究[2-8]，徐翠蘭等[2]進行了平原區(qū)土地整理適宜水面率研究，但她只考慮了水環(huán)境容量和除澇2個方面，且在計算除澇水面率時將旱地和非耕地統(tǒng)一概化為旱地，而沒有細化建筑用地、交通運輸占地等硬化地面對蓄滯水深的影響，導致計算的水面率偏小。羅文兵等[9]考慮了建筑用地對蓄滯水深的影響。本文在此基礎上通過建立數學模型更深層次地研究了平原區(qū)適宜水面率，以凌城灌區(qū)為例計算了基于除澇、抗旱與水環(huán)境要求的適宜水面率，將適宜水面率作為管理目標，以期為灌區(qū)實施水域監(jiān)督檢查和管理、灌區(qū)續(xù)建配套與現代化改造建設提供參考。

1 灌區(qū)水面率分析模型

1.1 除澇適宜水面率

平均排除法是以排水面積上的設計凈雨在規(guī)定的排水時間內排除的平均排澇流量或平均排澇模數作為設計排澇流量或排澇模數的方法，即

(1)

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

如果區(qū)域內既有水田又有旱地，同時還有建筑物、道路和水域水面，則首先分別計算各區(qū)域的設計徑流深，然后按照各區(qū)域的面積比例加權平均，得到區(qū)域設計徑流深R區(qū)域，再用上式計算綜合排澇模數。計算過程如下：

R區(qū)域=?水田·R水田+?旱地·R旱地+?建筑·R建筑+?交通·R交通+?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、坑塘溝河的水面設計徑流深，mm。?水田為水田面積占排水區(qū)域面積的比例；?旱地為旱地面積占排水區(qū)域面積的比例，灌區(qū)內除去建筑物面積、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；?建筑為建筑物用地占排水區(qū)域面積的比例；?交通為交通運輸占地占排水區(qū)域面積的比例；?水面為坑塘溝河水面率。P為設計暴雨量，mm；h田蓄為水田滯蓄水深，mm；E為水田田間蒸發(fā)量，mm；f為水田田間滲漏量，mm；a為徑流系數；φ1為建筑用地產流系數；φ2為交通運輸用地產流系數；h蓄為坑塘溝河滯蓄水深，mm；E0為水面蒸發(fā)量，mm。

由此可見，當區(qū)域排澇模數和水面滯蓄水深一定時，水面面積也一定。因此可以通過平均排除法，首先確定區(qū)域除澇標準、設計排澇模數和河網水面的平均預降水深，反推平原區(qū)除澇適宜水面率。由上述公式可知，?水面即為所求的除澇適宜水面率，即，

A除澇=?水面=

(8)

約束條件：?水田+?旱地+?建筑+?交通+?水面=1。

1.2 水環(huán)境容量適宜水面率

根據國家對污染物總量控制的要求，選擇CODcr作為水環(huán)境容量計算的控制因子。結合項目區(qū)地表水環(huán)境的實際質量情況，執(zhí)行地表水環(huán)境質量標準GB 3838—2002，水質標準值見表1。

表1 地表水環(huán)境質量標準 COD標準限值 單位：mg/L

采用水環(huán)境容量的基本計算公式推導可得 ：

(9)

(10)

(1)在模型分析計算時，主要考慮非點源污染(如農田徑流等)帶入的CODcr量。單位時間內流入的CODcr量W1采用中國環(huán)境規(guī)劃院2003年編寫的《全國水環(huán)境容量核定技術指南》所提出使用農田源強系數估算農田徑流污染的方法：平原地區(qū)土壤類型是壤土、農作物為小麥，施肥量為 375～525 kg·hm-2·a-1，降水量400～800 mm為標準的農田源強系數為 COD150 kg·hm-2·a-1[2]。結合項目區(qū)實際情況進行調整，得到單位時間內流入的CODcr的量。

(2)水質綜合衰減系數K

本次計算K值采用中國環(huán)境規(guī)劃院在《全國地表水水環(huán)境容量核定技術復核要點》 (2004年)中規(guī)定的水質降解系數參考值[2]，見表4 。

(3)CODcr的水質標準值CsCOD

根據功能區(qū)的水質目標，參考表1取CsCOD標準限值。

表2 化肥施用量修正系數

表3 降雨量修正系數

表4 水質降解系數參考值(COD) 單位：d-1

綜上可得，灌區(qū)水環(huán)境容量適宜水面率：

(11)

1.3 抗旱水面率

根據凌城灌區(qū)的實際情況，在干旱發(fā)生時可通過合理調度進行灌溉補水，坑塘溝河的正常蓄水量應該能夠滿足抗旱期一次調度周期的灌溉用水量。因此，可以利用該方法確定灌區(qū)的抗旱適宜水面率：

W2≤V2

(12)

(13)

(14)

綜上可得 ，灌區(qū)的抗旱適宜水面率為

(15)

2 灌區(qū)水土資源信息

凌城灌區(qū)北部以新沂河為界，西南方向和南部以中運河為界，地勢西北高，東南低。凌城灌區(qū)的灌溉水源主要為降雨產生的地表徑流以及凌城站抽引徐洪河的河水；排水依靠各級排澇溝河逐級匯入經凌城閘排入徐洪河。為簡化計算，只分析項目區(qū)內部的產匯流情況，不考慮流入區(qū)域的外來水部分。

2.1 土地資源信息

(1)土地利用結構

根據2011年水利普查和全國第二次土地普查的GIS圖數據庫，凌城灌區(qū)土地面積509.34 km2，其中耕地面積311.33 km2，占總土地面積61.2%；園地20.00 km2，占總土地面積4%；林地8.67 km2，占總土地面積1.7%；城鎮(zhèn)及工礦用地81.33 km2，占總土地面積16%；特殊用地0.67 km2，占總土地面積0.1%；交通運輸用地14.67 km2，占總土地面積2.9%；水域及水利設施用地70.67 km2，占總土地面積13.8%；其他2 km2，占總土地面積0.4%。土地利用現狀結構表詳見表5。

表5 凌城灌區(qū)土地利用現狀地類面積統(tǒng)計結果

(2)作物種植面積

根據睢寧縣統(tǒng)計年鑒確定2018年灌區(qū)內農作物種植面積見表6，灌區(qū)內主要種植水稻、小麥、玉米、大豆、蔬菜等作物，綜合復種指數為1.82，作物日需水量見表7[10]。

表6 作物種植面積及比例

表7 江蘇省幾種主要作物日需水量

2.2 水文水資源信息

2.2.1 降水量信息

根據歷年降水量資料統(tǒng)計可知，睢寧縣歷史上是洪、澇、旱、雹等災害頻繁的多災縣，日降水量大于100 mm的大暴雨出現76次，約5年出現7次；日降水量大于200 mm的大暴雨出現5次，約 11年出現1次，且多數出現在7—8月份[11]。

2.2.3 水質狀況信息

凌城灌區(qū)灌溉水源來自于徐洪河，2016年徐洪河老張集橋斷面和小王莊斷面均達到地表水Ⅲ類標準，參評21項水質指標未出現超標現象。

3 計算結果分析

3.1 參數確定

根據灌區(qū)水土資源信息，得到灌區(qū)適宜水面率計算參數值如下 ：

(1)根據表3，凌城灌區(qū)總面積F為509.34 km2，其中，水田面積占排水區(qū)域的面積比例?水田為36.4%。建筑用地面積包括水工建筑用地、建制鎮(zhèn)、村莊和采礦用地面積，建筑用地面積占排水區(qū)域的面積比例?建筑為19.10%，交通運輸用地面積包括公路用地、農村道路、港口碼頭用地面積，交通運輸用地面積占排水區(qū)域的面積比例?交通為2.90%。為了滿足約束條件：?水田+?旱地+?建筑+?交通+?水面=1，則?旱地=41.60%-?水面。

(2)選取最大24 h設計暴雨重現期為10年時的設計雨量，設計暴雨量p取為200 mm?？紤]到未來灌區(qū)種植結構調整為“水稻～經濟作物”輪作模式 ，對于高價值的經濟作物，由于耐淹歷時短，遭受澇災后損失較大，要求暴雨從受淹起1 d排至田面無積水，排澇時間t取為 1 d 。

(3)根據灌區(qū)改造后水利設施狀況，在10年一遇排澇工況下，凌城閘過流能力為437.34 m3/s, 設計排澇模數為q=0.8586 m3/(s·km2)。

(4)由于p≤250 mm，徑流系數a取為0.5。建筑用地產流系數ψ1取為0.85[12]，交通運輸用地產流系數ψ2取為0.85。

(5)根據蒸發(fā)量實測成果，1 d水面蒸發(fā)量E0取為6 mm。根據當地實際，水田田間蒸發(fā)量E取為4 mm，水田田間滲漏量f取為3 mm；水田滯蓄水深h田蓄取為60 mm。

(7)計算單位時間內流入的 CODcr的量W1時，考慮到灌區(qū)實際，種植作物為水稻，年施肥量為畝均400～600 kg，年降水量>800 mm，根據表2和表3，化肥施用量修正系數取為1.3，降水量修正系數取為1.5，故這里估算的農田源強系數取為 COD29.25 t·km-2·a-1。故此處估算的W1=(29.25F)/(365×86400)。

(8)農業(yè)用水的水質要求為Ⅲ～Ⅳ，取水質要求為Ⅲ類，則水質標準值ρsCOD取為20 mg/L；根據河道水質綜合狀況，水質綜合衰減系數K取為0.04。

(9)計算抗旱水面率時分為兩種情況，3—5月以小麥、蔬菜為主；6—9月以水稻、玉米、大豆及蔬菜為主。

(10)灌區(qū)現狀年灌溉水利用系數為0.521，近期水平年灌溉水利用系數為0.571，遠期水平年灌溉水利用系數為0.590，計算時取灌區(qū)遠期水平年灌溉水利用系數作為灌溉水利用系數。

3.2 適宜水面率計算結果

將以上參數值分別帶入公式(9)、(12)和(16)，計算得到灌區(qū)除澇適宜水面率R除澇=10.52%；水環(huán)境容量適宜水面率R環(huán)境=10.02%；3、4、5月的抗旱適宜水面率為R抗旱=5.64%，6—9月的抗旱適宜水面率為R抗旱=7.16%。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10.52%。

4 結 論

根據凌城灌區(qū)土地利用現狀地類面積統(tǒng)計結果，灌區(qū)現狀水域面積比例約為10.7%，大于計算得到的灌區(qū)適宜水面率10.52%。其中，承擔水環(huán)境容量功能的主要是河流、坑塘、溝渠的水面，其水面比例約為9.9%，小于計算得到的灌區(qū)水環(huán)境容量適宜水面率10.02%；承擔抗旱引水功能的主要是溝渠的水面，比例約為5.2%，小于計算得到的抗旱適宜水面率5.64%和7.16%。

由此可見，灌區(qū)現狀水域及水利設施用地基本滿足灌區(qū)的防洪除澇要求，然而坑塘溝河的可引提水量無法滿足抗旱期間調度周期外的灌溉用水，承擔水環(huán)境容量功能的坑塘河流水域面積無法滿足灌區(qū)的水環(huán)境需求。針對以上問題，在灌區(qū)續(xù)建配套與現代化改造建設中，應逐步完善灌排系統(tǒng)布局、及時修復損毀渠道、破除阻水建筑物、提高渠系水利用系數，引進外來水進行灌溉；在河道或渠道的關鍵節(jié)點設置節(jié)制閘輔助調度運行，抬高河道和渠道蓄水水位；采取措施對坑塘溝河進行清淤擴容，增加坑塘濕地水域面積，提升灌區(qū)的水環(huán)境承載能力；適量減少化肥、農藥的施用，適度提高水稻田埂高度，增加稻田蓄水能力，并減少污染物的排放。