基于水量配置模型的江蘇省南水北調(diào)工程受水區(qū)缺水量探討

趙華清，常本春，楊樹灘，王臘春

(1.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇南京 210093;2.江蘇省水利廳水資源服務中心，江蘇南京 210029)

1 研究區(qū)范圍

研究范圍為南水北調(diào)主體工程規(guī)劃確定的江蘇省受水區(qū)范圍，包括淮安、宿遷、徐州、連云港等4市的所有轄區(qū)以及揚州市的江都、高郵、寶應縣和鹽城市阜寧縣各一部分，基本以現(xiàn)狀排灌體系和高程2.5 m等高線以上綜合確定，總面積約為4.31萬km2。受水區(qū)劃分采用江蘇水資源評價分區(qū)體系，如表1及圖1所示。

表1 江蘇省水資源分區(qū)與受水區(qū)的關系

圖1 江蘇省水資源四級分區(qū)分布示意圖

2 用水戶概化

2.1 數(shù)量統(tǒng)計

按照農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)、船閘5大類統(tǒng)計規(guī)劃年(2020年)的取水口和用水戶。概化前，2020規(guī)劃年受水區(qū)輸水干線共有用水戶364個，其中農(nóng)業(yè)用水戶106個，工業(yè)用水戶101個，生活用水戶73個，生態(tài)環(huán)境用水戶13個，船閘用水戶71個;受水區(qū)規(guī)劃年共有取水口912個，其中農(nóng)業(yè)取水口654個，工業(yè)取水口101個，生活取水口73個，生態(tài)環(huán)境取水口13個，船閘取水口71個。

2.2 概化方法

針對干線上用水戶和取水口較多的情況，且為了滿足模型計算的需要，采用“打包法”合并河網(wǎng)概化節(jié)點間的5類用水戶，將其概化為一個用水戶節(jié)點，用5位二進制編碼進行識別，如果概化的用水戶節(jié)點上有5類用水戶之一，則將該類用水戶對應的編碼位置賦值為1，否則為0。若為1，則在用水戶概化表中，找到該用水戶，并把概化圖中的該用水戶首末節(jié)點注明到該用水戶后面，以便模型程序讀取時方便查找[2]。

對于直接在干線上取水的，記為干線用水戶，其需水記為干線需水;不在干線取水的，按農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)、船閘5大類進行統(tǒng)計，將其概化到所在行政分區(qū)和水資源分區(qū)，記為面上用水戶，其需水量記為面上需水量。為了方便后文需水量計算的需要，用水戶概化的參數(shù)有用水戶名稱、年需水量、取水口門規(guī)模、取水河道的首末節(jié)點、所在水資源分區(qū)、所在行政區(qū)等。本文提到的取水干線是指概化的江蘇省南水北調(diào)受水區(qū)河網(wǎng)主干線，靠近干線的用水戶直接從干線取水，遠離干線的用水戶通過次級河道或者開挖河道等方式取水。林牧漁業(yè)與農(nóng)業(yè)的關系較緊密，林牧漁業(yè)需水作為面上需水，最后與農(nóng)業(yè)需水合在一起記為農(nóng)業(yè)需水。

2.3 概化成果

按照概化原則概化后，規(guī)劃年研究區(qū)共有取水口211個，其中農(nóng)業(yè)取水口111個，工業(yè)取水口32個，生活取水口34個，生態(tài)環(huán)境取水口11個，船閘取水口23個;共有用水戶174個，其中農(nóng)業(yè)用水戶92個，工業(yè)用水戶23個，生活用水戶25個，生態(tài)環(huán)境用水戶11個，船閘用水戶23個。

3 本地水資源量和供水量

3.1 本地產(chǎn)流量

水文模型只是對水文現(xiàn)象的一種簡單概括，因此叫做水文模擬[3]。考慮到農(nóng)業(yè)的需水特性，根據(jù)江蘇現(xiàn)狀實際灌溉保證率水平，分別選取50%保證率(平水年)、75%保證率(一般干旱年)、95%保證率(特殊干旱年)作為計算頻率。根據(jù)1956—2000年45a長系列年降雨量資料，排頻選擇不同降雨保證率年型對應的年份為:1983年(P=50%);1968年(P=75%);1966年(P=95%)。

按產(chǎn)流特點將下墊面劃分為城鎮(zhèn)建設用地、水域、水田、旱地等類型，分別建立產(chǎn)流模型。研究區(qū)下墊面總面積約為4.31萬km2(包括水面面積)。各水資源分區(qū)的產(chǎn)流量及產(chǎn)流系數(shù)見表2。本研究區(qū)主要為平原水網(wǎng)地區(qū)，水面、水田所占比重較大。研究區(qū)在汛期地下水埋深較淺，土壤含水量較高，且易得到補充，故采用單層蓄滿產(chǎn)流計算;參照文獻[4]，本文水田產(chǎn)流計算時把滲漏量的1/6作為回歸水量。

表2 水資源分區(qū)的產(chǎn)流量及產(chǎn)流系數(shù)

分析表2，豐沛區(qū)1968年的徑流系數(shù)比1966年的徑流系數(shù)小，其主要原因為1968年豐沛區(qū)的年降雨量與年蒸發(fā)量之比較1966年小。根據(jù)文獻[5]，3種年型下受水區(qū)產(chǎn)流量對比見表3。本次產(chǎn)流量計算值有誤差，但模擬結(jié)果在合理范圍內(nèi)。

同時，規(guī)范了吞咽障礙患者鼻飼管理方案方面，明確了鼻飼的目標適應證、禁忌證以及并發(fā)癥的監(jiān)測與管理等。同時，專門成立了鼻飼護理小組，對營養(yǎng)支持途徑、喂養(yǎng)方式及管理方案進行臨床決策，對參與鼻飼護理的工作人員進行教育和培訓。

表3 3種年型下受水區(qū)產(chǎn)流量對比

3.2 上游來水量

根據(jù)淮河(包括沂沭泗)上中游1956—2000年入境水量系列資料分析，淮河上中游入洪澤湖和駱馬湖水量之和多年平均為254.90億m3、P=75%、P=95%保證率下分別為111.8 億 m3、56.0 億 m3。

3.3 南水北調(diào)東線工程供水量

參考相關資料，按照當?shù)貜搅髁俊⑸嫌蝸硭?、工程?guī)模和需水量進行調(diào)節(jié)計算，2020規(guī)劃水平年，南水北調(diào)東線一期工程多年平均調(diào)水量為116.9億m3，一般干旱年份調(diào)水量為126.8億 m3，特殊干旱年份調(diào)水量為143.8億m3。最大年調(diào)水量約為155.0億m3，最小年調(diào)水量約為91.6億m3。

南水北調(diào)東線一期工程多年平均調(diào)水量中，計劃供應山東省13.53億 m3、安徽省3.51億 m3(不包括計算上游來水量中已經(jīng)扣除的安徽省用水量)，這部分供水的保證率幾乎達100%;供應江蘇省為:多年平均 98.9億 m3，一般干旱年 108.8 億m3，特殊干旱年 125.8 億 m3。

4 用水戶需水計算模型

灌溉水利用系數(shù)取值范圍為0.571～0.690，用水戶資料采用2020規(guī)劃水平年的，面雨量和蒸發(fā)量根據(jù)逐日降雨和蒸發(fā)計算得到。

4.1 水稻灌溉

產(chǎn)流部分建立的水田產(chǎn)流模型是平原流域產(chǎn)匯流模型的一個重要組成部分，用以計算流域內(nèi)水田部分的產(chǎn)水量，也應用于計算水稻田灌溉定額。對于確定流域水資源量、服務水資源配置和調(diào)度、指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及規(guī)劃農(nóng)田水利工程規(guī)模等有重要意義[6]。

文獻[7]擬定各分區(qū)水稻的整個生長期分為秧田期、泡田期、生育期。由于秧田期的歷時占水稻整個生長期歷時的比例較小，且秧田期的灌水定額占整個生長期灌溉定額的比例很小，秧田期灌水量取生育期用水量的1/10～1/12。旱育秧采用濕潤灌溉方式，取值則更小，今后將全面推廣，故本文分為泡田期和生育期兩個時期對水稻灌水定額進行推算。

a.水稻泡田期。水稻泡田定額根據(jù)土壤、地勢和耕作深度相似田塊上的實測資料確定，同時考慮地下水埋深的影響，再根據(jù)調(diào)查獲得的各分區(qū)土壤結(jié)構加權計算確定泡田定額。

b.水稻生育期。根據(jù)水稻各個生育期的適宜水深下限、最大耐淹水深、水稻田日滲透量以及當?shù)氐墓嗨?jīng)驗，由生育期的水量平衡方程進行逐日計算得到生育期的灌溉制度，結(jié)合水稻田的產(chǎn)流過程，建立受水區(qū)水稻田灌溉需水模型。土壤水深達到水稻耐淹水深時開始產(chǎn)流;土壤水深開始低于水稻適宜水深下限時開始灌溉，灌溉至水稻適宜水深。

水田產(chǎn)流過程R的推求過程為:式中:R為水稻田日產(chǎn)水量;mm;H1為時段初水稻田水深，mm;H2為時段末水稻田水深，mm;α為水稻各生長期的需水系數(shù);β為水面蒸發(fā)折算系數(shù);f為水稻田日滲透(漏)量，mm;HP為各生長期水稻耐淹水深，mm;Hu為各生長期水稻適宜水深，mm;Hd為各生長期水稻適宜下限水深，mm;

如果水稻田日產(chǎn)水量為負值，則代表需要灌溉;如果為正值，則代表水稻田產(chǎn)水，不需要灌溉[8]。根據(jù)生育期的灌溉制度逐日推算在節(jié)水灌溉方式下的水稻灌溉凈定額，分析獲得各水資源分區(qū)3種年型下水稻毛灌溉定額，然后推導出水稻整個生長期的灌溉定額，如表4所示。

表4 水稻生長期總灌溉定額 m3/hm2

4.2 旱地灌溉

研究區(qū)目前主要種植小麥、玉米、棉花、油料、蔬菜等旱作物。筆者把小麥、玉米、棉花、油料4種旱作物灌溉需水量記為水澆地灌溉需水量;蔬菜灌溉需水量記為菜地灌溉需水量。

4.3 需水量計算

干線需水量包括部分農(nóng)業(yè)需水量、工業(yè)需水量、生活需水量、生態(tài)需水量和船閘需水量。模型計算干線上農(nóng)業(yè)需水量包括水稻灌溉需水量和旱地灌溉需水量(水澆地和菜地灌溉需水量)，結(jié)果見表5。采用定額法計算得:在干線取水的非農(nóng)用水戶總需水量為30.26億m3，其中工業(yè)需水量為8.08億m3，生活需水量為9.49億m3，生態(tài)需水量(河道內(nèi)生態(tài)需水量)為4.84億 m3，船閘需水量為7.85億 m3。在此簡要說明:河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境需水量指為維持生態(tài)與環(huán)境功能和進行生態(tài)環(huán)境建設所需的最小水量;河道外生態(tài)環(huán)境需水指保護、修復或建設給定區(qū)域的生態(tài)環(huán)境需要人為補充的水量。本文中干線上的生態(tài)需水量是指河道內(nèi)生態(tài)需水量;面上的生態(tài)需水量是指河道外生態(tài)需水量[9]。

表5 水稻生長期和旱地灌溉需水量 億m3

同樣采用定額法計算面上總需水量為45.84億m3，其中包括林牧漁業(yè)需水量9.73億m3，工業(yè)需水量25.15 億m3，生活需水量9.20 億m3，生態(tài)需水量(河道外生態(tài)需水量)1.76億m3。

4.4 供需平衡分析

3種年型下分行業(yè)統(tǒng)計需水量(包括干線需水量和面上需水量)，結(jié)果見表6;把《江蘇省需水量預測報告》中預測的2020規(guī)劃年需水量作為參考值(表6)，該報告中需水量不包括河道內(nèi)生態(tài)需水量和船閘需水量。為了使本文的計算值與參考值具有可比性，把本文計算的總需水量減去部分生態(tài)需水量(即干線上生態(tài)需水量)和船閘需水量后再進行比較，則相對誤差分別為 -2.37%(P=95%)，2.64%(P=75%)，6.58%(P=50%)，對比結(jié)果見表7。本文計算值與參考值相比有一定誤差，誤差主要是由于參與計算的農(nóng)業(yè)面積不完全相同等造成的。但誤差最大僅為6.58%，說明本文建立的需水模型能較好的模擬研究區(qū)的需水量。

表6 年總需水量計算值與參考值 億m3

表7 年總需水量計算值與參考值對比

當前江蘇農(nóng)業(yè)水資源存在的主要問題包括資源型缺水、水質(zhì)型缺水和季節(jié)性干旱3個方面[10]。限于文章內(nèi)容，本文只分析資源型缺水量。參考相關資料，經(jīng)1956—2000年長系列供需平衡調(diào)節(jié)計算，南水北調(diào)東線一期工程實施后，2020規(guī)劃水平年江蘇省受水區(qū)缺水總量較現(xiàn)狀有較大幅度下降，P=95%年型缺水率為8.74%，缺水量為20.58億m3;P=75%年型缺水率為0.24%，缺水量為0.47億m3;P=50%年型缺水率為0.15%，缺水量為0.28億m3?？梢娔纤闭{(diào)東線一期工程實施后該區(qū)域水資源保障能力較強。

水資源利用率低、浪費嚴重是缺水原因之一，灌溉水源30%以上耗費在各級渠道上，建議加強渠道防滲化，提高輸水的有效利用率[11];部分地區(qū)缺水量較大是取水口門規(guī)模太小造成的，建議進行工程改造，加大取水口的規(guī)?；蛘邤?shù)量;前期所概化的河道的河寬和河長等也可能會影響缺水量。

5 結(jié)語

本文以南水北調(diào)東線一期工程即將全線通水為契機，結(jié)合江蘇省南水北調(diào)水量配置，建立江蘇省南水北調(diào)受水區(qū)的產(chǎn)流模型和需水模型，計算3種年型下受水區(qū)的產(chǎn)流量和需水量，簡要進行供需平衡分析。采用2020規(guī)劃水平年的用水戶數(shù)據(jù)，計算2020水平年受水區(qū)在P=50%、P=75%和P=95%3種年型下的缺水量分別為0.28億m3，0.47億m3和20.58億m3，相關部門可以參考受水區(qū)缺水量進行水資源調(diào)度。本文研究內(nèi)容根據(jù)江蘇省南水北調(diào)水量配置研究而來，有許多需要加深研究的地方。隨著經(jīng)濟的發(fā)展等，受水區(qū)的下墊面情況會發(fā)生變化，比如路面的硬質(zhì)化率增加等將影響產(chǎn)匯流過程的模擬;非農(nóng)需水(如生活需水等)會隨著季節(jié)的變化而發(fā)生變化，其需水過程是一個波動過程等問題，是需要進一步研究的地方。

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