耕地整治项目水资源平衡分析

耕地整治项目水资源平衡分析

0项目实施的前提和基础桂林龙胜龙脊梯田是中国著名的自然文化景观。这是世界上最具特色的梯田，也是人类宝贵的农业文化遗产。然而近年来,随着梯田景区旅游业的迅速发展,游客的不断增加,数十倍于当地居民的游客涌入景区,许多旅店从原来灌溉农田的山涧引水,以及对水资源的低水平开发和滥用等因素,给区内水资源和生态造成巨大的压力和一定程度的破坏,农业、旅游和生态环境各部门之间水资源分配矛盾突出。同时,由于水资源的低效利用,使得景区梯田撂荒、田块崩塌严重。根据实地测量和调查,龙脊梯田景区内20m2以上塌方多达409处,崩塌面积17.48hm2,撂荒梯田面积达11.13hm2。为保护好龙胜梯田这份宝贵的人类农业文化遗产,许多学者对梯田文化保护都有很多研究。国家和地方政府提供很多政策倾斜和保护资金投入,2006年6月13日,广西壮族自治区国土资源厅、财政厅和桂林市人民政府在龙胜县召开了“关于龙胜各族自治县龙胜梯田整治保护项目座谈会”,就开展龙胜县龙脊梯田整治达成共识,并要求有关部门尽快开展该项目的有关工作。龙胜龙脊梯田整治的核心是解决用水问题。因此,对龙脊梯田整治项目区进行科学的水资源平衡分析,是龙胜梯田整治的前提和基础,才能依据项目区水资源禀赋进行合理的整治规划,根本上解决项目区梯田崩塌、撂荒等问题,实现龙脊梯田景区经济-社会-生态持续协调发展。笔者在总结前人水资源平衡分析的研究基础上[5,6,7,8,9,10,11,12],针对龙脊梯田的特点,对桂林市龙胜县龙脊梯田整治项目区水资源供需平衡进行了分析,为开展龙脊梯田整治提供决策依据,也为山区梯田水资源平衡分析提供借鉴。1项目范围的总结1.1气候特点及气候特点桂林龙胜龙脊梯田整治项目区面积565.15hm2,耕地327.79hm2,全部为梯田,属典型的盆周山地丘陵,海拔高度为300~1100m,地形坡度3°~53°,平均地形坡度为31°,属亚热带季风气候区,四季分明,气候温和,雨量充沛,雨热同季,日照充足,年平均气温17.1℃,夏秋两季受湿热夏季风控制,冬春两季受干冷冬季风影响,四季冷热分明,两季干湿明显,冬季有霜雪,但时间短,多年平均无霜期314天,年均降雨量1574.5mm,年均日照时数1550h。1.2天然水源林项目项目区可利用的水资源主要有降雨产生地表径流和距项目区1.2km的小(二)型雨兰水库。项目区具有独特的地理结构,项目区耕地分布于山岭的中下部,高山区的众多的森林和次生林用根系将大量的水储存在土壤之中,能够截留降水、增强土壤下渗、减少地面蒸腾、缓和地表径流,构成了巨大的天然绿色水库。在枯水季节,森林释放蓄水,延长径流时间,使项目区山涧溪流四季流水。可以说,没有众多的水源林,就没有龙脊梯田。项目区有常年流水山涧溪流33条,将项目区外高处的降雨及森林涵养的水源引入项目区,提供了大部分梯田、旱地灌溉用水和全部人畜用水,是项目区的主要供水水源。项目区现状水资源利用存在的主要问题是:一方面,渠系水利用率低,高的也不过0.4,低的甚至只有0.1,水资源浪费严重;另一方面,人田争水矛盾日益尖锐,灌溉面积逐年缩减;水资源时序分配不均衡,田间串灌串排,灌溉效率低,排水不畅,旱涝灾害频发。2可供水量分析2.1降雨蒸发量与年降水量根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99)有关规定,结合项目水资源不稳定的实际情况,项目区灌溉保证率取为75%。依据龙胜县气象站提供的20年连续观测降雨资料统计,按频率经验公式(1)进行频率计算。保证率为75%(中等干旱年)的典型为1977年,典型年降雨量为1425mm,设计典型年平均月降雨量和蒸发量情况,见表1。项目区供水山涧总共33条,总集雨面积13.64km2,各山涧集雨面积及灌溉面积见表2。龙脊梯田项目区由于其独特的地理结构,除降雨产生地表径流外,位于各山各岭的原始森林和次生林构成了巨大的天然绿色水库,它们涵养的巨量水分在高山上形成了无数条小溪、清泉、瀑布,在分析龙脊梯田降雨可利用水量时,必须考虑森林涵养的水分的可供水量。根据相关研究,中国亚热带地区的森林土壤可以保存年降水量的1/3~1/4,森林土壤蓄水能达到641~678t/hm2。综合考虑灌区森林生态系统的地形、土壤、植被气象等因素,同时考虑到浅层土壤水转化为一部分地表径流,估算森林的可供水量取为年降雨量的25%(低限值)。根据设计典型年的降雨和来水数据、龙胜县水资源调查评价报告和广西多年平均径流深等值线图以及考虑森林可供水量,求得龙胜县设计典型年的降雨量和径流量,项目区典型年径流可利用系数为0.49,典型年降雨量、径流量和可利用量,见表3。2.2水库供水量及复蓄系数项目区东北边有小(二)型水库雨兰水库向项目区供水,雨兰水库集雨面积1.4km2,水库总库容22.7万m3,有效库容19.6万m3,灌溉面积为8.51hm2,引水渠过水流量为0.18m3/s,小型水库按1.2倍的复蓄系数计算,可供水量为23.52万m3。项目区总供水量为634.68万m3。3需要水分析项目区的需水主要包括农业和生活需水,水稻和旱作物灌溉水作为农业需水,村寨的居民、牲畜及其他需水作为生活需水。3.1生活用电分析生活需水量是指从项目区水源取水(如从水库或山涧取水)的居民生活用水的需水量,主要考虑村寨居民生活用水和饲养的牲畜用水以及其他用水。本项目采用定额分析法进行生活需水预测计算,根据调查资料,考虑规划年2020年项目区村寨居民生活水平提高,用水标准增长及节水水平的提高和需水管理完善等因素,村寨居民人均综合用水定额为80人/天,牲畜用水量为20L/(头·d),其他生活用水量按前2项之和的30%计算。项目区现有居民4914人,按目前的人口增长速度,到2020年居民为5222人,到2020年接待游客数量可达到45万,按每人在项目区逗留2天计算。由于项目区大力发展旅游,农户喂养大型牲畜已经较少,主要为牛和猪,按800头计算。到2020年,项目区生活需水量为28.42万m3。3.2设计进出水资源量农业需水量的预测要考虑项目区整治后灌溉面积的增加、灌溉制度调整、水资源利用系数的提高和种植作物的结构调整等因素。项目区设计灌溉面积316.72hm2,其中水田263.97hm2,旱地52.75hm2。规划年主要农作物种植面积,见表4。3.2.1灌溉标准3.2.3田间灌溉平衡计算方法(1)水稻灌溉定额分析。水稻生育期灌溉制度通过水稻生育期内作物灌溉制度设计参数,水稻生育期某一阶段内灌水次数、灌水时间、灌水定额、排水次数及排水量,按公式(2)通过逐时段的水量平衡演算拟定。其中:ES=aE+S式中:H1—时段初田间水层深度(mm),不大于允许水深上限hmax;H2—时段末田间水层深度(mm),不小于允许水深下限hmin;P—时段内降雨量(mm);M—时段内灌溉补水量(mm);ES—时段内水稻生长需水量(mm);C—时段内稻田排水量(mm);E—时段内蒸发量(mm);α—时段内水稻蒸腾系数;S—时段内稻田适宜渗漏量(mm)。田间水量平衡计算过程中,各计算时段末田间持水深(H2)应满足不大于hmax和不小于hmin边界条件。按式(2)逐时段进行演算,至H2下降到hmin时,即为灌水时间,灌水定额M=hmax-hmin,H2超过hmax时,即为排水时间,排水量Q=H2-hmax。灌水或排水后,以H1=hmax为新的起点,继续进行演算,直至结束转入落干时为止,从而拟定出水稻生育期各阶段灌水定额(见表6)。将各阶段灌水定额相加,即为水稻生育期灌溉定额。经计算,项目区典型年中稻净灌溉定额为6407.55m3/hm2。(2)旱作物灌溉定额分析。项目区内玉米、油菜等旱作物灌溉定额参考临近地区此类作物灌溉定额确定。各种农作物灌溉定额,见表7。(3)综合单位面积灌溉定额分析。根据水稻的灌溉定额和旱作物灌溉定额,分别乘以规划设计水平年相应作物的组成系数,相加后即为项目区规划典型年净灌溉定额。经计算,项目区整理后综合净灌溉定额为7270.65m3/hm2,按渠系水利用系数0.75计算,综合毛灌溉定额为9634.2m3/hm2。3.2.4灌溉需水量计算项目区设计灌溉面积316.72hm2,其中水田263.97hm2,旱地52.75hm2,项目区灌溉需水量按式(3)计算。式中:W需—灌溉需水量(m3);M—净灌溉定额(m3/hm2);A—项目区面积(hm2);η—灌溉水利用系数(确定为0.75)。经计算,整理后项目区农业灌溉需水量为305.13万m3,各月农业需水量见表8。3.3项目总需水量项目区总需水量为生活需水量和农业需水量之和,整治后项目区总需水量及各月需水量计算结果,见表9。4项目区水利基础设施建设的优化要求将项目区用水与可供水量进行按月进行分析,见表10。由以上分析可知,项目区现状渠系水利用系数过低,水资源浪费严重,导致项目区农田灌溉和村寨居民生活、游客旅游用水紧张。同时,疏于管理,不注重维护渠道也是造成项目区缺水的重要原因。整治后,由于项目区水利基础设施的改善,总的水源是能够满足农田灌溉和当地村寨居民及游客的生活用水需要的,各个月份供水量也均可满足用水量的要求,关键是要疏浚沟渠。同时,也要看到项目区水资源时序分配非常不均衡,夏季为雨季,项目区产水远大于需水,要加强田间排涝管理,春秋干旱季节项目区水资源处于紧平衡状态,这种紧平衡还是建立在渠系水利用系数从目前的不足0.4,提高到0.75的计算结果上,这就要求一方面整治施工过程中一定要严把工程质量关,确保沟渠断面、沟渠质量;另一方面,在工程建设完成后,一定要加强对沟渠等水利设施的管护、维修,避免沟渠淤塞,塌方、渗漏、损坏后及时修复,防止造成新的水资源浪费,同时应加强田间灌溉管理,优化灌溉制度以节约用水,加大水源林的建设和保护力度,保障龙胜龙脊梯田及村寨居民和游客的水源供应。5水资源平衡分析设计笔者对龙胜龙脊梯田整治项目区进行了水资源平衡分析,结果表明造成项目区生活和农业供水不足的主要原因是现状水资源浪费严重,项目区整治措施主要应推广节水灌溉,提高渠系水利用系数,对项目区渠道进行衬砌,如有条件可实施地埋低压管道灌溉。龙脊梯田是高山梯田,地形较复杂,也是风景名胜区,修建水库、坑塘等蓄水工程成本高,对景观影响较大,水源工程应重点加强水源林建设。广茂的森林,蓄积了大量雨水,是天然的绿色水库,笔者在进行水资源平衡分析时,充分考虑了森林蓄水及对径流的调节作用,符合龙脊梯田灌溉的特点,也为类似高山梯田水资源平衡分析提供了借鉴。森林蓄水及调节径流作用是个复杂的过程,本研究对森林可供水量只是借鉴相关资料进行了保守估算,要进行精确的定量分析计算还需要进一步研究。项目区属典型的盆周山地丘陵,海拔300~1100m,4月份前气温低,只能种植1季中稻和1季油菜等冬季作物,中稻平均生长期从4月中旬—9月