鄱陽湖區(qū)灌溉取水保證率變化的定量評估

鄒大勝，陳 龍，劉小東

(江西省水利規(guī)劃設計研究院，江西 南昌 330029)

鄱陽湖區(qū)是江西省糧食主產區(qū)和重要商品糧基地。湖區(qū)農業(yè)以種植業(yè)為主，農田主要分布在“五河”(贛、撫、信、饒、修)及其他入湖河流尾閭區(qū)域或臨湖崗地，主要種植早稻、晚稻等，現(xiàn)狀農田基本有圩堤保護。湖區(qū)農田已建成了較完善的灌排體系，主要灌溉水源為鄱陽湖及入湖尾閭河道，灌溉方式主要為泵站提水或涵閘自流引水，灌溉水源水量豐沛、水質優(yōu)良，灌溉取水保證率直接受外河(湖)水位高低影響。湖區(qū)農田灌溉期為4-10月，其中：4-8月外河(湖)水位較高，灌溉基本能滿足，9-10月灌溉易受外河(湖)水位下降影響。

2003年以來，鄱陽湖區(qū)枯水位降低、枯水期提前、枯水歷時加長的情況呈常態(tài)化趨勢[1-3]，引起湖區(qū)灌溉取水困難，給湖區(qū)農業(yè)造成了較嚴重的影響[4]。湖區(qū)枯水位變化對農業(yè)灌溉的影響在9-10月灌溉用水高峰期表現(xiàn)尤為突出[5]。有關研究表明，湖區(qū)枯水位變化發(fā)生在三峽工程運行后[6-8]，其原因主要包括三峽水庫蓄水、河(湖)床沖淤變化、天然降雨徑流減少以及流域用水量的增加等[9]，其中：三峽水庫蓄水與河(湖)床沖淤變化是主要原因。三峽水庫2003年進入圍堰發(fā)電期，按135 m蓄水，2007年進行入初期運行，蓄水至156 m，2009年抬高至175 m正常蓄水位[10]。三峽水庫蓄水期為9-11月，三峽水庫蓄水降低了長江中下游水位，導致鄱陽湖與長江干流的水力坡度加大、鄱陽湖出流加快，降低了鄱陽湖蓄水量，使鄱陽湖應對枯水期問題的能力降低[11-13]。鄱陽湖水位與長江干流水位關系密切[14]，隨著長江干支流控制性水庫的不斷建設，清水下泄引起長江中下游河道沖刷[15,16]，對鄱陽湖水位降低的影響將更大，對鄱陽湖區(qū)水資源利用的影響將也進一步增大[17]。目前，有關鄱陽湖區(qū)農業(yè)灌溉水源條件變化及其影響的研究，大多采用定性方法研究[4,18]，已有的定量研究也僅限于局部典型區(qū)域[5]，而對湖區(qū)農業(yè)灌溉取水保證率總體變化的定量研究，還未有相關的成果。

為定量評估三峽水庫蓄水后鄱陽湖區(qū)灌溉水源條件的變化，將湖區(qū)的水文序列按時間劃分為三峽水庫蓄水前(簡稱“三峽前”，1956-2002年，無三峽蓄水與河(湖)床下切影響)、三峽水庫蓄水后(簡稱“三峽后”，2007-2014年，三峽水庫初期運行后，有三峽蓄水與河(湖)床下切影響)兩種情形，基于兩種情形的水位數(shù)據(jù)，定量分析湖區(qū)灌溉取水保證率的變化，旨在為解決湖區(qū)水資源利用問題提供一定的科學決策依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)選擇

1.1 水文數(shù)據(jù)

本文所采用的水位數(shù)據(jù)為長江委水文局和江西省水文局水文觀測整編資料。根據(jù)鄱陽湖區(qū)水系特征及區(qū)域附近測站分布情況，從鄱陽湖入江水道、湖盆區(qū)、五河尾閭共選取了22處資料序列較長、可靠性較高的水文(位)站作為代表站。研究所選取的測站均為國家基本測站，可以滿足水文分析的要求。測站位置示意見圖1。

1.2 研究對象選擇

鄱陽湖區(qū)圩區(qū)(千畝以上)共有278座，總耕地面積22.73 萬hm2，其中：主要圩區(qū)(萬畝以上)49座，總耕地面積20.32 萬hm2，占湖區(qū)總面積89.4%。由于主要圩區(qū)所占耕地面積比例相對較大，可代表湖區(qū)農業(yè)灌溉情況，且主要圩區(qū)水利設施等資料齊全，故將主要圩區(qū)作為研究對象。主要圩區(qū)基本情況見表1，分布示意見圖1。

表1 鄱陽湖區(qū)主要圩區(qū)基本情況Tab. 1 Characteristics of main polder in the Poyang Lake area

圖1 測站及主要圩區(qū)分布示意圖Fig.1 Distribution of the hydrological stations and main polder

1.3 取水設施數(shù)據(jù)

取水設施數(shù)據(jù)主要有各取水設施最低取水位和各取水設施所承擔的灌溉面積。取水設施主要有：取水泵站或穿堤涵閘。取水泵站最低取水位采用泵站設計外水位的最低運行水位；穿堤涵閘最低取水位采用涵閘底板高程加9-10月灌溉設計引水流量相應的最小閘前堰頂水頭。各泵站設計水位及涵閘底板高程由湖區(qū)各縣(區(qū)、市)水利(務)局提供。各取水設施承擔的灌溉面積，依據(jù)各圩區(qū)灌溉渠系布置及地形進行劃分。部分取水設施最低取水位見表2。

2 分析方法

2.1 水位還現(xiàn)方法

為獲得具有較高可比性的水位序列，將三峽前(無三峽水庫蓄水與河(湖)床下切影響)1956-2002年的水位序列進行了還現(xiàn)處理，得到三峽后(有三峽水庫蓄水與河(湖)床下切影響)1956-2002年水位序列。

(1)湖口站水位還現(xiàn)2006年汛后，三峽水庫進入初期運行期。三峽水庫蓄水期在9月中旬至10月末，部分年份可延長至11月初。根據(jù)國務院批準實施的《三峽水庫優(yōu)化調度方案》，三峽水庫蓄水開始時間為9月15日。三峽水庫2008、2009年試驗性蓄水均未蓄至175 m，而后以《三峽水庫優(yōu)化調度方案》為基礎，根據(jù)來水預報、上游水庫蓄水等情況，動態(tài)調整調度方式，蓄水開始時間提前至9月10日[19]。三峽水庫蓄水期，出庫流量減小，使長江中下游河段水位不同程度降低。2016年，長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司在編制《鄱陽湖水利樞紐工程建設必要性專題研究報告》時，針對三峽水庫蓄水對湖口站的水位影響，采用長江中下游水文徑流數(shù)學模型進行了模擬研究，經(jīng)分析，三峽水庫蓄水期湖口站水位平均降低值為0.87 m。

表2 部分取水設施最低取水位Tab.2 Minimum operating water level of partial water intake facilities

湖口站水位還現(xiàn)采用近似方式進行處理，即在三峽前湖口站1956-2002年9-10月的實測水位序列基礎上，疊加三峽水庫蓄水期湖口站水位平均降低值(0.87 m)，從而近似獲得還現(xiàn)后的湖口站1956-2002年9-10月長序列逐日水位數(shù)據(jù)。

(2)湖區(qū)各站水位還現(xiàn)。利用各站歷年9-10月逐日水位數(shù)據(jù)建立兩組水位相關關系，即三峽前(1956-2002年)和三峽后(2007-2014年)的湖口水位與湖區(qū)各站、湖區(qū)相鄰各站之間的水位相關關系，部分相關關系見表3和圖2。湖區(qū)水位越高水位相關性越好，這是由于高水位時河(湖)水位受地形影響相對較小，各站間的水力聯(lián)系較強，水位相關性也相對較高。各相關關系總體上點據(jù)分布趨勢明顯，滿足分析要求。

圖2 部分測站水位相關圖Fig.2 Water level correlation diagram of partial stations

湖區(qū)各站水位還現(xiàn)是以湖口站三峽前、三峽后的水位序列為基礎，利用上述兩組相關關系，分別求得各站三峽前、三峽后的相關水位序列，再利用各站三峽后的相關水位減去三峽前的相關水位，計算出湖區(qū)各站的三峽后水位影響值序列，然后將水位影響值序列疊加到湖區(qū)各站實測水位序列上，從而近似得到三峽后湖區(qū)各站1956-2002年9-10月的水位數(shù)據(jù)。

2.2 灌溉取水保證率分析方法

基于三峽前、三峽后兩種情形的9-10月水位數(shù)據(jù)，分析灌溉取水保證率的變化，方法如下：

(1)根據(jù)圩區(qū)取水設施所處位置及附近測站分布情況，選取水位依據(jù)站，按9-10月平均水面比降分別內插出各取水設施處兩種情形的長序列水位數(shù)據(jù)。

表3 部分測站相關關系參數(shù)Tab.3 Correlation parameter of partial stations

注：“范圍”為分段回歸函數(shù)自變量范圍。

(2)比較各取水設施最低取水位及相應外河(湖)水位，分析各取水設施處兩種情形的取水保證率。取水保證率按年統(tǒng)計，若出現(xiàn)農田有灌溉需求且外河湖水位連續(xù)3天低于最低取水位時，則認為當年該取水設施灌溉取水受破壞。湖區(qū)灌溉需求依據(jù)《鄱陽湖水利樞紐灌溉供水專題研究報告》[20]分析計算的長序列灌溉制度確定，某時刻灌水率大于零視為有灌溉需求。

(3)將各取水設施的取水保證率按其對應的灌溉面積進行加權平均，求得單個圩區(qū)兩種情形的灌溉取水保證率。計算公式如下：

式中：p為圩區(qū)灌溉取水保證率；A為圩區(qū)總灌溉面積；Ai為第i個取水設施承擔的灌溉面積；pi為第i個取水設施取水保證率；n為圩區(qū)取水設施總數(shù)。

(4)將各圩區(qū)的取水保證率按其相應的灌溉面積進行加權平均，求得兩種情形下湖區(qū)總體的灌溉取水保證率。

3 結果分析

3.1 水位變化分析

表4為湖區(qū)部分測站水位變化成果，表中“三峽后”為還現(xiàn)值，“實測”為2007-2014年實測值，“差值1”為“三峽后”減“三峽前”，“差值2”為“實測”減“三峽前”。雖然2007-2014年實測值與還現(xiàn)值的序列長度不一致，且所處的水文周期不同，可比性較低，但實測序列中水位的變化趨勢及變化幅度可在一定程度上驗證還現(xiàn)值的合理性。

由表4可知，三峽后湖區(qū)9-10月平均水位均出現(xiàn)了明顯下降，還現(xiàn)值序列三峽后降幅為0.96～2.67 m。其中：贛江尾閭降幅相對較大，降幅為1.46～2.67 m；湖盆區(qū)及入江水道降幅為 0.96～1.54 m，湖盆區(qū)北部水位降幅大于湖盆區(qū)南部。2007-014年實測值序列水位降幅為0.87～2.29 m，最大降幅發(fā)生在贛江尾閭，湖盆區(qū)北部水位降幅大于南部。還現(xiàn)值的變化幅度及分布特點與實測值一致，說明采用水位相關法獲得的還現(xiàn)值序列較合理，滿足分析要求。

表4 部分測站水位變化Tab.4 Water level variation of partial stations

3.2 灌溉取水保證率變化分析

表5為主要圩區(qū)灌溉取水保證率變化結果。三峽水庫蓄水前，9-10月湖區(qū)水位相對穩(wěn)定，灌溉取水保證率為78.5%～89.9%，按灌溉面積加權平均值為85.2%，基本滿足灌溉設計標準要求。三峽水庫蓄水后，在三峽蓄水、河(湖)床沖淤變化等因素影響下，湖區(qū)水位明顯下降，灌溉水源條件惡化，9-10月 灌溉取水保證率降為21.0%～80.5%，灌溉取水保證率加權平均值降為64.4%。其中：降幅最小的為信瑞聯(lián)圩，由80.8%下降為74.7%，降幅最大的為五星圩，由80.6%下降為21%。湖區(qū)灌溉取水保證率明顯下降，已低于灌溉設計標準要求。

表5 主要圩區(qū)灌溉取水保證率變化Tab.5 Variation of irrigation water guarantee rate in main polder

灌溉取水保證率變化幅度除與外河(湖)水位降幅有關外，還與取水設施最低取水位有關，若圩區(qū)已建取水設施最低取水位較低，則取水功能受外河水位下降影響較小，反之所受影響較大。五星圩位于贛江尾閭北支，取水設施最低取水位為11.24～11.6 m，而該圩區(qū)處9-10月外河平均水位和最低水位在三峽前分別為14.6、11.7 m，三峽后分別為12.7、10.6 m，三峽后9-10月外河最低水位低于取水設施最低取水位0.64～1 m，灌溉取水受破壞概率增加，灌溉取水保證率下降。

4 結 論

鄱陽湖區(qū)枯水位降低、枯水期提前、枯水歷時加長的情況呈常態(tài)化趨勢，三峽水庫蓄水后湖區(qū)及入湖尾閭主要測站9-10月平均水位均出現(xiàn)明顯下降，降幅為0.96～2.67 m，其中：贛江尾閭降幅相對較大，降低值為1.46～2.67 m；湖盆區(qū)及入江水道降幅為0.96～1.54 m，湖盆區(qū)北部水位降幅大于湖盆區(qū)南部。

三峽水庫蓄水前，9-10月湖區(qū)水位相對穩(wěn)定，灌溉取水保證率為78.5%～89.9%，加權平均值為85.2%，基本滿足灌溉設計標準要求。三峽水庫蓄水后，9-10月湖區(qū)水位明顯下降[11-13]，灌溉取水保證率降為21.0%～80.5%，加權平均值降為64.4%，低于灌溉設計標準要求，給湖區(qū)農業(yè)灌溉造成了較嚴重的影響。

隨著三峽水庫蓄水與河(湖)床沖淤變化對鄱陽湖區(qū)水位降低的影響不斷加重，通過調整水庫調度運行方式等非工程措施，也難以根本解決湖區(qū)低枯水位的問題[21]，湖區(qū)灌溉水源條件惡化等水資源利用問題將更加突出。為系統(tǒng)解決湖區(qū)水資源利用問題，迫切需要采用適當?shù)墓こ檀胧┻M行調控[20]。當前江西省大力推進的鄱陽湖水利樞紐工程，通過遵循“控枯不控洪”的原則調節(jié)徑流，可有效控制9-10月鄱陽湖水位[22]，為湖區(qū)灌溉、供水、航運等水資源綜合利用創(chuàng)造條件，應加快推進該工程的前期論證工作。

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