湖南大型灌区干旱风险管理分析、评价

薛 丽

（湖南省水利水电科学研究所 长沙市 410007）

湖南是个农业大省和水利大省。我国南方存在季节干旱；全球气候恶化，极端干旱气候继续发展，使南方灌区季节干旱及其管理问题更日益突出。为确保灌区农业生产灌溉及人畜安全饮水等，及早对大型灌区干旱风险管理作进一步深入分析研究，找出对策，对灌区干旱气候预防意义重大；为大型灌区今后搞好灌区干旱风险管理，提高科学调度运行、改造、续建、提供科学依据。湖南省大型灌区众多,其灌区建设、运行、管理、地理、气候等情况大同小异;对典型灌区作研究，其它灌区可类推比照。

1 典型灌区概况

大圳灌区建于上1965年，1974年部分工程投入运行，1979年主体工程建成并投入运行。灌区骨干蓄、输水工程由水库、输水渠道、抽水站及各种渠道建筑物等与基础水利设施组成。涵盖武冈、新宁、邵阳、洞口、隆回等 5个县（市）32个乡（镇），632个行政村；其设计灌溉面积3.57万hm2（53.56万亩），灌溉设计保证率90%；目前控制灌溉面积3.01万hm2（45.2 万亩），有效灌溉 2.51 万 hm2（37.63 万亩），旱涝保丰收2.26万hm2（33.9万亩）。大圳灌区中型水库 3 座（水源点）,小（Ⅰ）型水库 43 座，小（Ⅱ）型水库161座，河坝1513座，塘25929口，泉井1654眼，抽水机127台（1596kW），现总干渠1条，长61.79 km，干渠 5条，长 174.28km，支渠 184条，长 930.16 km。灌区多年平均降雨量约1322.7mm左右；多年平均蒸发量1266mm；年内降雨分配不均，汛期基本为每年的4月初到9月底；主要降水集中在5～6月份，占全年的30%左右；7～9月为农作物的需水高峰期，而该段期间多年平均降水却只有278mm，而多年平均蒸发为556mm。因此，常常形成夏秋旱或连冬旱的季节性干旱;甚至土地干裂，禾苗枯死，人畜饮水困难，被称为衡邵干旱走廊地区的一部分。故选为典型。

2 灌区作物种植与变化分析评价

灌区建成后农作物种植以双季稻为主，兼有中稻、玉米等作物。从20世纪80年代双季稻种植逐年减少，其变化已无案可查；现（即2000年后）调查种植双季稻面积大幅下滑，中稻、玉米种植面积大幅上升。作物在2000年前后种植面积对比见表1。

灌区进行节水灌溉与续建配套前与现在灌溉面积无较大变化，种植结构面积发生了较大变化。分析原因：

表1 大圳灌区2000年前后种植结构对比表

（1）经过近十几年的续建配套与节水改造，灌区有效灌溉效益及灌溉能力得到恢复或提升；但随着社会经济改革发展，农村年轻劳动力外出打工多，剩下老小无力耕种，土地部分季节荒芜，复种率降低，或改种旱作物。

（2）城镇化加聚，人们较片面重视短期、快速经济收入,不重视农业种植是国计、民生的生存根本。

（3）国家能逐年配套资金较少，灌区无力全面维修或翻新；基础水量也淤积衰减。

3 灌区运行调度状况分析与评价

灌区在实行“所有权、水权、规划设计”三统一前提下，实行工程分级管理,改变了过去的混乱状态。大圳管理局和各县(市)管理的分干渠、支渠、斗渠分别成立了供水总公司及子公司。用水有计划并计量与收费。用水调度由灌区管理局调度室全面负责水利调度工作及安排。根据调度用水原则及管理模式，根据各县和各用水协会报需水计划和实际用水需求，调度室进行每年的制定配水计划和实际配水。灌区各渠道和建筑物的运行管理及出险应急抢修主要有灌区管理局及各县或各支渠委员会管理共同协商，分级管理或抢修。由于工程老化严重而投入资金有限，不少渠道末梢得不到修复处；仍存在一些工程或渠道不能正常运行情况；不少农田灌溉需水而配不到水。同时额外增加了可灌到水区的耗水量分摊和用水成本。出现水库有水，部分田里缺水的怪事。另外，由于维修资金短缺问题使基础水量也衰减严重。国家和地方政府还需投资继续进行灌区续建配套与节水改造。

灌区水资源总量为22.67亿m3；可利用水4.621亿 m3。 3个中型水库兴利总库容水量为：1.048亿m3；基础水量由原来的2.169亿m3（含小型水库及河塘水量）已衰减至约1.446亿m3。原设计规划用水为3.678亿m3，目前灌区能控制灌溉3.01万hm2（45.2万亩），有效灌溉2.51万hm2（37.63万亩），每年实际需用水约4亿m3多。基础水量严重衰减，使可供水不足。季节弃田不种植（不种双季稻）现象存在。这在表面上和短期内暂时掩盖了灌区干旱缺水现象。

极端干旱气候演变与季节性干旱发展使灌区农业季节干旱缺水隐患问题会日趋突出。用水结构和用水量发生变化,需适时修正灌区用水调度图和加强科学性季节性干旱管理。

4 灌区水文水资源分析与评价

大圳灌区地形地貌和土壤植被等下垫面情况无变化。依据降水、径流和蒸发等观测长系列观测资料，采用Mann-Kendall检验法、分段线性回归方法以及累积距平曲线联合滑动T检验等方法，开展了灌区水资源如：对降水、径流演变趋势及规律分析与评价研究等。揭示了大圳灌区降水量（径流等）年内分布规律及干旱产生原因如下：

（1）大圳灌区年平均降水量和年平均蒸发量增大而年平均径流量减少。

（2）年内分配的主要特点是汛期降水集中，四季分配很不均匀，最大和最小月降水量相差很大，降水量的年内、年际分配不均，是发生季节干旱的主要原因。

（3）灌区内每年7～9月蒸发量大也是季节干旱频发的原因之一。

（4）大圳灌区干旱的形成最主要的原因就是灌区降水与农作物需水时间不一致。

（5）水资源蕴藏量较丰富；但由于降水的年内及年际分布的十分不均匀性等，对灌区农作物生长灌溉影响大,灌区骨干水库更需统一﹑合理性调度与科学的季节性供水。

5 灌区干旱水量平衡计算与分析评价

5.1 灌区干旱水量平衡复核结果（表2～表4）

5.2 灌区历次水量平衡对比分析表（表5）

表2 麻林站、大水江、东风年均降水与径流

表3 骨干水库50%、75%、90%保证率年份入库年径流总量（108m3）

表4 大圳灌区可供水量成果表

5.3 灌区干旱水量平衡分析、评价与结论

（1）水文系列资料。

灌区曾三次水量平衡计算所采用水文资料系列长、短均较符合当时情况和要求；但以本次干旱复核所用水文系列资料最长，也最可靠。

（2）保证率90%设计值差异。

近三次水量平衡计算，以本次保证率90%的径流量设计值最小；本次保证率90%的设计值比1999年设计的少了4008万m3水量，比1992年设计少了523万m3水量。分析原因：由于所用水文资料系列长、短不同，使其代表性不同而引起的不同。前两次做水量平衡是为了向上面申请立项；而本次复核平衡计算纯属科研性质，更追求接近真实。季节性干旱在逐步发展中，使近些年来本灌区水文系列加长，多年平均降水量增大，而多年平均径流量却减少。

（3）灌区种植结构变化。

农民外出打工，移居城市或轻农等现象使灌区种植结构变化较大，复种指数减小，种双季稻减少，种旱作物玉米增加，灌溉面积、灌溉用水量较以前减少很多。

表5 灌区水量平衡对比分析表

（4）所用参数不同。

本次干旱复核计算所用参数为目前灌区提供的实际值，如田间利用系数为0.89，渠道利用系数为0.62等：其较1992年复核时所用增大，但也小于到1999年规划所用值。

（5）水库之间补水（掺水）损耗不可忽视。

灌区近年实际增加了大圳水库向东风水库补水及拟向大水江水库的补水,其路途较远，输水渠道水利利用系数并不很理想，途中有损耗水量；且其损耗较大不容忽略。只有本次该灌区干旱水量复核计算考虑了其补水途中损耗。

（6）水量平衡复核保证灌溉面积。

当保证率为90%，设计面积为3.56万hm2（53.36万亩）时的灌溉用水及城乡供水，本次干旱风险复核和1992年水量复核计算结果都是遭破坏；而1999年规划试平衡结果是平衡。究其原因是：因1999年规划设计值比本次复核设计水量偏大4008万m3，比1992年核算设计水量也偏大3485万m3；1999年规划平衡计算其田间及渠系利用系数是规划值，是虚值，使水利用率加大，损耗减少。

（7）灌溉定额。

本次干旱风险复核与1992年及1999年水量计算所用灌区保证率均为90%；所用综合灌溉定额和1999年的相同，比1992年的小。分析原因是：灌区逐年续建配套提高了水利用率；灌区近些来年采取节水灌溉和用水计量收费，灌水浪费较少；种植结构变化很大，双季稻种植大幅较少，单季稻与旱作物玉米等种植率上升，使用水量大幅减少；本次所用综合灌溉定额和1999年的相同是随着续建配套于节水改造的继续田间和渠系水利用系数会进一步提高，浪费用水减少。二是出于需用水安全考虑。

（8）用水结构发生变化。

过去灌区用水主要以农业灌溉为主，而发电用水与农业灌溉用水是重复利用水量或错开用水时段，首先保证农业灌溉用水，其它用水极少。但是，现在随着社会改革经济发展、变化和极端季节干旱气候发展、环境污染、城市人口急增等原因，使乡镇生活供水需求与工业用水需求逐年上升。加之近些年种植结构不正常，农业用水量减少，灌区只好把部分多余的水量转让给乡镇生活供水与工业用水等。今后，随着国家政策和策略调整，农业种植会正常化或农业发展种植多样化，农业灌溉用水正常化了。那时灌区除了要供给正常的农业用水，又要增加乡镇生活或工业供水，这会使今后灌区的供水负担增大许多而不能担负。

（9）干旱水量复核结果。

由干旱水量平衡复核知：当前情况下，保证率90%时，有效灌溉面积3.01万hm2（45.2万亩）的灌溉用水及大圳水库的城乡供水有保证。其它方案当前条件下遭破坏。建议解决方案：除继续续建配套与节水改造外，灌区需要修改设计增供水多样化目标和增建供水水源点。若不提前看到这一点并做好充分准备，到时则会迫于眉睫，措手不及。

6 灌区干旱风险评价

6.1 采用干旱指标法及干旱级别计算法进行灌区干旱管理﹑分析﹑评价

（1）气象干旱评价指标。

（2）农业干旱指标。

（3）水文干旱指标。

（4）社会经济干旱指标。

（5）大圳灌区干旱评价指标及等级确定计算方法等。

6.2 灌区干旱评价指标及等级确定（表6）

表6 大圳灌区1980～2008年不同干旱等级发生频度 %

不同的干旱指标可以从不同的角度反映干旱的发生发展状况，根据旱情的严重程度可将干旱划分为不旱、轻旱、重旱、特旱4个等级。不同指标干旱等级阀值通常需要通过对灌区历史旱情和损失的统计分析来确定。

6.3 灌区历史干旱风险频度与时空分析

（1）农作物干旱频度分析。

大圳灌区作物发生特旱的频度最高的为东风灌片，最低的是大水江灌片；发生重旱的频度最高的是大圳灌片，最低的是东风灌片；发生轻旱频度最高的是东风灌片，最低的是大圳灌片。

就整个灌区来讲，大圳灌片发生重旱的频度最高，为40.7%，出现特旱的频度为11.1%。

（2）作物受旱的时间过程分析。

通过对大圳灌区干旱成因分析，可以得知造成大圳灌区干旱频繁发生的主要因素是降水和作物需水期的不同步。经过对大圳灌区农作物发生的缺水时间的统计分析，得知作物缺水的时间正是降水量少而蒸发量大的7～9月份。

7 灌区干旱风险管理分析预警系统和其软件开发系统

7.1 系统开发目的与系统基本功能

大圳灌区是我国重要的产粮基地，为了预防和抵御旱灾对我国南方农业的影响，采用先进科学的技术和方法管理大圳灌区对干旱风险评价、预警管理及水利建设现代化阶段性目标的实现具有重要的意义。农业干旱是与气象、水文、下垫面等自然因素和水利工程供水等人类活动因素综合作用的结果，对农业干旱进行评价管理首先应该对数据进行管理。该系统完成了对大圳灌区水利水电工程信息的管理，还可以对历史水文数据（降雨、蒸发、水库蓄水量）进行输入、查询及统计，并形成统计图表。在此基础上，该系统分析并归纳了一系列的干旱评价指标，建立了一套有效的干旱评价系统，对干旱事件进行预评价，从而为科学抗旱救灾提供决策支持。该系统具有以下三大主要功能：

（1）数据汇总查询功能和数据维护统计功能。

建立水文气象数据库，包括降水、蒸发、水库蓄水量等数据（包括频率计算成果），灌区概况；建立了包括中型水库、小（I）型水库、小（II）型水库、水电站等水利水电工程的数据库，将灌区各种信息汇总并统一管理。还有水量平衡计算成果等。系统提供对水文气象及水利水电工程相关

数据的添加、修改、删除、查找以及保存等维护功能，方便用户及时更新数据。统计相关数据值，并绘制统计图形结果。

（2）灌区干旱管理功能。

管区管理功能：灌区机构设置及管理制度；灌区用水调度制度和配水图；灌区自动化设施配套布置与管理。

（3）灌区干旱风险预估功能。

有历年灌区干旱情况及预测；有在分析一系列干旱评价指标体系的基础上，计算降水量距平百分率及作物缺水率等指标，对农业干旱风险进行识别和评价系统。

7.2 系统主要框架系统结构 （附图）

附图 系统结构图