江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力估算及其演變特征

曹 秀 清，蔣 尚 明，金 菊 良，袁 宏 偉，張 亮

(1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院 水利水資源安徽省重點實驗室, 安徽 合肥 230088; 2.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230009; 3.合肥工業(yè)大學 水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所, 安徽 合肥 230009)

塘壩灌溉能力是衡量塘壩在不同供水能力條件下可灌溉耕地面積的指標。如何定量評估水利工程灌溉能力是水利工程規(guī)劃與灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的重要研究內(nèi)容，得到國內(nèi)外學者的長期高度關注[1-2]，而對于分布面廣的小型塘壩蓄水體的灌溉能力估算未得到足夠關注。國外對于塘壩工程研究主要集中在面源污染控制和生態(tài)修復等領域，極少涉及塘壩工程的蓄水灌溉能力[3-4]，國內(nèi)關于塘壩灌溉能力研究尚不多見，金菊良等提出了基于水量供需平衡理論的江淮丘陵區(qū)塘壩灌區(qū)抗旱能力計算模型，評價結(jié)果直觀、合理，具有較強的推廣應用價值[5]。江淮丘陵區(qū)地形地貌崗沖交錯、地形破碎，不宜修建大型水利工程[6]。長期以來，該區(qū)主要依靠修建塘壩攔蓄地表徑流，塘壩工程具有分布面廣量大、簡便易行、成效顯著等特點，是蓄水灌溉的主體[7-9]。截至2010年底，江淮丘陵區(qū)共有塘壩51.3萬處，總?cè)萘?3.4億m3，灌溉效益顯著[10-11]?；诖?，本文提出了塘壩灌溉能力的基本概念，即在不同供水能力條件下可灌溉的耕地面積，通過江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉系統(tǒng)不同年代相關資料調(diào)研與整理，分析了江淮丘陵區(qū)塘壩工程與作物種植結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，通過塘壩灌溉系統(tǒng)不同年代的水量平衡分析，定量評估了江淮丘陵區(qū)5個地市(合肥、滁州、六安、巢湖、安慶)及全區(qū)20世紀50年代至21世紀初不同年代的塘壩灌溉能力，揭示了江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力歷史演變特征，研究結(jié)果可為區(qū)域塘壩發(fā)展規(guī)劃與灌溉制度的制定提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 江淮丘陵區(qū)塘壩發(fā)展歷程

江淮丘陵區(qū)位于長江淮河之間，涉及安徽省合肥、滁州、六安、安慶、巢湖等地市，水土光熱資源豐富，是安徽省最為重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一。江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉歷史悠久，是江淮丘陵區(qū)農(nóng)田灌溉的主要形式。早在戰(zhàn)國時期，“潴水灌田”之說廣為流傳，是當?shù)鼐用竦钟禐闹匾緩?；東漢建安時期，揚州刺史劉馥曾駐合肥，發(fā)動廣大民眾大力修筑塘壩，有效促進灌溉發(fā)展；北宋時期，“筑壩堰、修陂塘”一度達到高潮，許多塘壩沿用至今，灌溉效益良好。中華人民共和國成立后，水利工程建設得到前所未有的發(fā)展，灌溉能力隨之顯著提升，具體塘壩數(shù)量與塘壩容量如圖1所示。由圖1可知：① 自中華人民共和國成立至1970年，江淮丘陵區(qū)塘壩建設進入快速發(fā)展期，塘壩容量顯著提升，至1970年底，塘壩數(shù)量發(fā)展到高峰，高達80.3萬處，塘壩容量為29.70億m3；② 1970～1988年塘壩建設與維護進入低潮期，塘壩數(shù)量和塘壩容量均有所下降，至1988年底，塘壩數(shù)量降低至68.7萬處，塘壩容量為28.83億m3；③ 1988年至21世紀初，塘壩建設進入高速發(fā)展期，雖塘壩數(shù)量有所下降，但由于普遍注重塘壩清淤開挖，明顯提升了單個塘壩的蓄水容量，塘壩容量得以顯著提升，至2010年底，塘壩數(shù)量為51.3萬處，塘壩容量達到歷史高峰、高達33.40億m3。

圖1 江淮丘陵區(qū)不同年份塘壩數(shù)量與塘壩容量

2 江淮丘陵區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)演變歷程

江淮丘陵區(qū)糧食作物種植歷史悠久，早在5 000 a前就有水稻和小麥種植。糧食作物主要種植有水稻、小麥、玉米、甘薯、大豆等，經(jīng)濟作物主要為棉花、油料、麻類等。該區(qū)習慣性種植水稻，水稻種植在區(qū)域國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)不可替代的作用，其種植方式與播種面積直接關系區(qū)域作物灌溉需水量。該區(qū)水稻傳統(tǒng)作物耕作制度為一年一熟，至宋仁宗慶歷年代(1048年)，開始引進雙季稻。中華人民共和國成立后特別是1954年單季稻轉(zhuǎn)為雙季稻工作迅速開展后，該區(qū)雙季稻種植面積于20世紀70年代達到高峰，水稻播種面積和水旱比隨之顯著提高。具體種植結(jié)構(gòu)演變?nèi)鐖D2所示。由圖2可知：① 中華人民共和國成立后，江淮丘陵區(qū)大力推廣雙季稻，導致水旱比持續(xù)提升，至20世紀70年代達到峰值，高達1.09，但隨著70年代末家庭聯(lián)產(chǎn)承包責任制的全面推行，農(nóng)民生產(chǎn)自主性顯著提升，種植結(jié)構(gòu)多樣化，旱作物種植比例逐年增加，水旱比直線下降，至21世紀初降為0.8；② 20世紀70年代起，江淮丘陵區(qū)一年三熟得以大力推廣，導致農(nóng)作物播種面積及復種次數(shù)顯著提高，至21世紀初播種面積達到峰值346.2萬hm2，復種指數(shù)達到2.16。

圖2 江淮丘陵區(qū)不同年代作物種植結(jié)構(gòu)演變

3 作物灌溉需水量與塘壩灌區(qū)供水能力計算

3.1 作物灌溉需水量計算

作物需水量是指作物正常生育狀況下所需消耗的水量，作物各階段的需水量可通過同階段的參考作物蒸發(fā)量與相應階段的作物系數(shù)的乘積予以計算[5,12]，見式(1)～(2)。主要與作物種類、生長階段、氣候、土壤條件等因素有關。本文通過對作物通過對合肥、滁州、六安、安慶及巢湖5市各水文站1951～2011降雨資料收集，通過水文頻率分析選取P=50%、P=75%及P=95%典型水文年，具體結(jié)果如下：合肥站分別為1999,1979,1966年；滁州站分別為2007,1979,1995年；六安站分別為2011,1968,1967年；安慶站分別為1972,1997,1961年；巢湖站分別為1970,1960,1965年。

本文采用彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)[12-15]公式計算作物蒸發(fā)蒸騰量，見式(1)，再根據(jù)FAO(聯(lián)合國糧農(nóng)組織)推薦的標準作物系數(shù)及修正公式和肥東八斗灌溉試驗站多年灌溉試驗資料，確定各站點所在地區(qū)主要種植作物生育時期及分月作物系數(shù)，進而求得作物各階段的需水量。江淮丘陵區(qū)各地市的有效降雨量、地下水補給量、水稻育秧、泡田水量及滲漏量計算結(jié)果參照文獻[5]。

(1)

ETci=Kci·ET0

(2)

式中，ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Δ為溫度-飽和水汽壓關系曲線在T處的切線斜率，kPa·℃-1；Rn為凈輻射，MJ/m2·d；G為土壤熱通量，MJ/m2·d；γ為濕度表常數(shù)，kPa·℃-1；T為平均氣溫，℃；U2為2 m高處風速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實際水汽壓，kPa;Kci表示作物系數(shù)。

為方便計算，江淮丘陵區(qū)各地市分別取一種水、旱代表作物。合肥、滁州、六安代表作物分別為中稻及小麥；巢湖代表作物為中稻及油菜；安慶代表作物為中稻及棉花。由式(2)可計算得到研究區(qū)主要種植作物各月需水量ETc，具體計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 江淮丘陵區(qū)各地市主要農(nóng)作物不同降水典型年情景下作物逐月需水量

3.2 典型年耕地灌溉需水量

江淮丘陵區(qū)耕地主要為水田與旱田，其耕作時間和種植作物結(jié)構(gòu)不完全相同，為簡便計算，需推算理論上畝均耕地的年灌溉需水量，具體公式如下[5]。

(3)

依據(jù)研究區(qū)水旱比及復種指數(shù)，利用加權(quán)平均計算研究區(qū)典型年畝均耕地灌溉需水量，詳見表1。

3.3 塘壩供水能力計算

塘壩供水能力是指在不同水平年、不同灌溉保證率情況下，考慮農(nóng)業(yè)灌溉需水要求塘壩可能提供的最大水量，是塘壩水資源承載力的重要變量[16-18]。依據(jù)參考文獻[19]，選定江淮丘陵區(qū)P=50%，P=75%，P=95%3種不同降水年情下，塘壩復蓄次數(shù)[19]分別為1.7，1.4，0.9，推算江淮丘陵區(qū)不同年代塘壩供水能力，具體詳見圖4。

4 江淮丘陵區(qū)各市塘壩灌溉能力估算與演變趨勢分析

4.1 江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力估算

塘壩灌溉能力是衡量塘壩在不同供水能力條件下可灌溉耕地面積的指標，計算方法為塘壩可供水量與每畝耕地灌溉需水量之比。根據(jù)表1～2數(shù)據(jù)資料，求出江淮丘陵區(qū)各市不同年代不同重現(xiàn)期塘壩可灌溉面積，參見表2。

4.2 江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力演變趨勢

江淮丘陵地區(qū)各市塘壩灌溉能力演變趨勢如圖5所示。由圖5可知：

(1)合肥市塘壩灌溉能力在20世紀50年代末、60年代初得到較大的提高，95%降水年情下塘壩可灌溉面積為7.94萬hm2，高于70年代及80年代該值，90年代起，合肥市塘壩灌溉能力再次得以較大提升，至21世紀初，95%降水年情下塘壩可灌溉面積達到8.8萬hm2，為歷史最高值。

(2)滁州市除了20世紀50年代塘壩建設初期時，灌溉能力比較低，95%降水年情下僅為5.49萬hm2灌溉能力呈波動上升趨勢。至21世紀初，95%降水年情下塘壩可灌溉面積達到7.73萬hm2總體有較大程度提升。

圖4 江淮丘陵區(qū)不同年代不同降水年情下塘壩供水能力的計算值

表1 江淮丘陵區(qū)不同年代不同降水年情下灌溉需水量

表2 江淮丘陵區(qū)不同年代不同降水年情下塘壩可灌溉面積

圖5 江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力趨勢演變

(3)六安市在20世紀50～60年代時塘壩灌溉能力已較高，尤其是60年代，在95%降水年情下塘壩可灌溉面積達到15.02萬hm2，自70年代起，由于廢塘普遍及農(nóng)業(yè)種植制度的劇烈變化，塘壩灌溉能力大幅下降，21世紀初95%降水年情下，塘壩灌溉面積僅為9.91萬hm2，為歷史最低值。

(4)巢湖市在中華人民共和國成立初期至20世紀60年代出現(xiàn)塘壩建設高潮，塘壩灌溉能力至60年代達到峰值，然后70～90年代塘壩灌溉能力持續(xù)降低。尤其是90年代，巢湖塘壩抗旱能力達到了歷史最低值，在95%降水年情下，塘壩灌溉面積僅為5.37萬hm2。至21世紀初，由于塘壩建設大發(fā)展，塘壩灌溉能力提到了較大的提高，在95%降水年情下塘壩可灌溉面積達到7.35萬hm2。

(5)安慶塘壩灌溉能力變化歷程與巢湖的較為相似，均在20世紀50～60年代達到最高值，此后持續(xù)下降，至21世紀初有所上升，但仍不及20世紀50～60年代的塘壩灌溉能力水平。

(6)中華人民共和國成立至1970年，江淮丘陵區(qū)塘壩建設整體進入快速發(fā)展期，塘壩容量顯著提升，塘壩灌溉能力逐年提升，20世紀60年代出現(xiàn)峰值，50%降水年情下，達到158.57萬hm2，但隨著該區(qū)雙季稻的大力推廣，水稻播種面積與水旱比直線提升，導致20世紀70年代塘壩灌溉能力顯著減低，50%降水年情下，僅為142.07萬hm2；20世紀70年代至90年代末，進入70年代后塘壩建設陷入低潮期，塘壩容量逐年降低，雖在90年代末塘壩容量有所提升，但塘壩容量與供水能力提升不明顯，然而農(nóng)作物播種面積與復種指數(shù)的逐年提高，作物灌溉需水量持續(xù)提升，導致江淮丘陵區(qū)全區(qū)塘壩灌溉能力逐年減低，50%降水年情下，僅131.32萬hm2，為歷史最低值；進入21世紀后，塘壩建設再次進入快速發(fā)展期，塘壩供水能力顯著提升，導致塘壩灌溉能力再次得以回升，50%降水年情下，提升至140.92萬hm2。

4.3 江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力演變歸因

中華人民共和國成立至20世紀60年代是塘壩建設高潮期，江淮丘陵區(qū)塘壩容量由1949年的16.22億m3逐年提高，至1962年塘壩容量提升至28.07億m3，導致塘壩灌溉能力快速提升，在20世紀60年代達到峰值。

20世紀60年代至70年代初，雖塘壩建設仍處于發(fā)展狀態(tài)，塘壩容量至70年代初達到29.72億m3，但隨著該區(qū)雙季稻的大力推廣，水稻播種面積顯著提升，70年代初水稻播種面積較60年代初提高了21.96萬hm2，此外，復種指數(shù)也由60年代初的147%提升至70年代初的172%，導致塘壩灌溉能力顯著降低。

20世紀70年代至90年代末，農(nóng)作物播種面積與復種指數(shù)的逐年提高，作物灌溉需水量持續(xù)提升，而進入70年代后塘壩建設陷入低潮期，塘壩容量逐年降低，至1988年塘壩容量僅為28.83億m3，是近50 a來最低值，雖在90年代末塘壩容量有所提升，但提升的供水能力與做灌溉需水量的提升不匹配，導致江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力逐年降低，至90年代末達到最低值。

進入21世紀后，農(nóng)作物播種面積與水旱比趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但塘壩建設再次進入快速發(fā)展期，至2010年塘壩容量高達33.39億m3，塘壩供水能力顯著提升，導致塘壩灌溉能力再次得以回升。

5 結(jié) 論

通過對江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉系統(tǒng)不同年代相關資料進行調(diào)研與整理，定量分析了塘壩工程與作物種植結(jié)構(gòu)的發(fā)展演變歷程；依據(jù)江淮丘陵區(qū)作物水旱比及復種指數(shù)，推算研究區(qū)不同年代不同降水年情下畝均灌溉需水量，結(jié)合不同年代不同降水年情下塘壩供水能力估算結(jié)果，開展塘壩灌溉系統(tǒng)不同年代的水量平衡分析，定量評估了江淮丘陵區(qū)5個地市(合肥、滁州、六安、巢湖、安慶)及全區(qū)20世紀50年代至21世紀初不同年代的塘壩灌溉能力，揭示了江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力歷史演變特征。研究結(jié)果表明：① 合肥市自1949年至20世紀60年代塘壩灌溉能力增長迅速，70年代有較大幅度回落，但至70年代起灌溉能力持續(xù)提升；② 滁州市自1949年至21世紀初，塘壩灌溉能力均呈波動上升的趨勢；③ 六安市塘壩灌溉能力至20世紀60年代達到峰值后，呈明顯波動下降的趨勢；④ 巢湖市塘壩灌溉能力至20世紀60年代達到峰值后，70～90年代呈顯著下降趨勢，至21世紀初再次得以大幅提升；⑤ 安慶市塘壩灌溉能力演變與巢湖市相似，至20世紀60年代達到峰值后，70～90年代呈顯著下降趨勢，至21世紀初有所提升；⑥ 江淮丘陵區(qū)全區(qū)塘壩灌溉能力至20世紀60年代達到峰值后，70～90年代呈顯著下降趨勢，至21世紀初有所回升。