江淮丘陵区塘坝灌溉能力估算及其演变特征

曹 秀 清，蒋 尚 明，金 菊 良，袁 宏 伟，张 亮

(1.安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院 水利水资源安徽省重点实验室, 安徽 合肥 230088; 2.合肥工业大学 土木与水利工程学院, 安徽 合肥 230009; 3.合肥工业大学 水资源与环境系统工程研究所, 安徽 合肥 230009)

塘坝灌溉能力是衡量塘坝在不同供水能力条件下可灌溉耕地面积的指标。如何定量评估水利工程灌溉能力是水利工程规划与灌区水资源优化配置的重要研究内容，得到国内外学者的长期高度关注[1-2]，而对于分布面广的小型塘坝蓄水体的灌溉能力估算未得到足够关注。国外对于塘坝工程研究主要集中在面源污染控制和生态修复等领域，极少涉及塘坝工程的蓄水灌溉能力[3-4]，国内关于塘坝灌溉能力研究尚不多见，金菊良等提出了基于水量供需平衡理论的江淮丘陵区塘坝灌区抗旱能力计算模型，评价结果直观、合理，具有较强的推广应用价值[5]。江淮丘陵区地形地貌岗冲交错、地形破碎，不宜修建大型水利工程[6]。长期以来，该区主要依靠修建塘坝拦蓄地表径流，塘坝工程具有分布面广量大、简便易行、成效显著等特点，是蓄水灌溉的主体[7-9]。截至2010年底，江淮丘陵区共有塘坝51.3万处，总容量33.4亿m3，灌溉效益显著[10-11]。基于此，本文提出了塘坝灌溉能力的基本概念，即在不同供水能力条件下可灌溉的耕地面积，通过江淮丘陵区塘坝灌溉系统不同年代相关资料调研与整理，分析了江淮丘陵区塘坝工程与作物种植结构的发展历程，通过塘坝灌溉系统不同年代的水量平衡分析，定量评估了江淮丘陵区5个地市(合肥、滁州、六安、巢湖、安庆)及全区20世纪50年代至21世纪初不同年代的塘坝灌溉能力，揭示了江淮丘陵区塘坝灌溉能力历史演变特征，研究结果可为区域塘坝发展规划与灌溉制度的制定提供理论依据与技术支撑。

1 江淮丘陵区塘坝发展历程

江淮丘陵区位于长江淮河之间，涉及安徽省合肥、滁州、六安、安庆、巢湖等地市，水土光热资源丰富，是安徽省最为重要的粮食主产区之一。江淮丘陵区塘坝灌溉历史悠久，是江淮丘陵区农田灌溉的主要形式。早在战国时期，“潴水灌田”之说广为流传，是当地居民抵御旱灾重要途径；东汉建安时期，扬州刺史刘馥曾驻合肥，发动广大民众大力修筑塘坝，有效促进灌溉发展；北宋时期，“筑坝堰、修陂塘”一度达到高潮，许多塘坝沿用至今，灌溉效益良好。中华人民共和国成立后，水利工程建设得到前所未有的发展，灌溉能力随之显著提升，具体塘坝数量与塘坝容量如图1所示。由图1可知：① 自中华人民共和国成立至1970年，江淮丘陵区塘坝建设进入快速发展期，塘坝容量显著提升，至1970年底，塘坝数量发展到高峰，高达80.3万处，塘坝容量为29.70亿m3；② 1970～1988年塘坝建设与维护进入低潮期，塘坝数量和塘坝容量均有所下降，至1988年底，塘坝数量降低至68.7万处，塘坝容量为28.83亿m3；③ 1988年至21世纪初，塘坝建设进入高速发展期，虽塘坝数量有所下降，但由于普遍注重塘坝清淤开挖，明显提升了单个塘坝的蓄水容量，塘坝容量得以显著提升，至2010年底，塘坝数量为51.3万处，塘坝容量达到历史高峰、高达33.40亿m3。

图1 江淮丘陵区不同年份塘坝数量与塘坝容量

2 江淮丘陵区作物种植结构演变历程

江淮丘陵区粮食作物种植历史悠久，早在5 000 a前就有水稻和小麦种植。粮食作物主要种植有水稻、小麦、玉米、甘薯、大豆等，经济作物主要为棉花、油料、麻类等。该区习惯性种植水稻，水稻种植在区域国民经济发展中占据不可替代的作用，其种植方式与播种面积直接关系区域作物灌溉需水量。该区水稻传统作物耕作制度为一年一熟，至宋仁宗庆历年代(1048年)，开始引进双季稻。中华人民共和国成立后特别是1954年单季稻转为双季稻工作迅速开展后，该区双季稻种植面积于20世纪70年代达到高峰，水稻播种面积和水旱比随之显著提高。具体种植结构演变如图2所示。由图2可知：① 中华人民共和国成立后，江淮丘陵区大力推广双季稻，导致水旱比持续提升，至20世纪70年代达到峰值，高达1.09，但随着70年代末家庭联产承包责任制的全面推行，农民生产自主性显著提升，种植结构多样化，旱作物种植比例逐年增加，水旱比直线下降，至21世纪初降为0.8；② 20世纪70年代起，江淮丘陵区一年三熟得以大力推广，导致农作物播种面积及复种次数显著提高，至21世纪初播种面积达到峰值346.2万hm2，复种指数达到2.16。

图2 江淮丘陵区不同年代作物种植结构演变

3 作物灌溉需水量与塘坝灌区供水能力计算

3.1 作物灌溉需水量计算

作物需水量是指作物正常生育状况下所需消耗的水量，作物各阶段的需水量可通过同阶段的参考作物蒸发量与相应阶段的作物系数的乘积予以计算[5,12]，见式(1)～(2)。主要与作物种类、生长阶段、气候、土壤条件等因素有关。本文通过对作物通过对合肥、滁州、六安、安庆及巢湖5市各水文站1951～2011降雨资料收集，通过水文频率分析选取P=50%、P=75%及P=95%典型水文年，具体结果如下：合肥站分别为1999,1979,1966年；滁州站分别为2007,1979,1995年；六安站分别为2011,1968,1967年；安庆站分别为1972,1997,1961年；巢湖站分别为1970,1960,1965年。

本文采用彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)[12-15]公式计算作物蒸发蒸腾量，见式(1)，再根据FAO(联合国粮农组织)推荐的标准作物系数及修正公式和肥东八斗灌溉试验站多年灌溉试验资料，确定各站点所在地区主要种植作物生育时期及分月作物系数，进而求得作物各阶段的需水量。江淮丘陵区各地市的有效降雨量、地下水补给量、水稻育秧、泡田水量及渗漏量计算结果参照文献[5]。

(1)

ETci=Kci·ET0

(2)

式中，ET0为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；Δ为温度-饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa·℃-1；Rn为净辐射，MJ/m2·d；G为土壤热通量，MJ/m2·d；γ为湿度表常数，kPa·℃-1；T为平均气温，℃；U2为2 m高处风速，m/s；ea为饱和水汽压，kPa；ed为实际水汽压，kPa;Kci表示作物系数。

为方便计算，江淮丘陵区各地市分别取一种水、旱代表作物。合肥、滁州、六安代表作物分别为中稻及小麦；巢湖代表作物为中稻及油菜；安庆代表作物为中稻及棉花。由式(2)可计算得到研究区主要种植作物各月需水量ETc，具体计算结果如图3所示。

图3 江淮丘陵区各地市主要农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

江淮丘陵区耕地主要为水田与旱田，其耕作时间和种植作物结构不完全相同，为简便计算，需推算理论上亩均耕地的年灌溉需水量，具体公式如下[5]。

(3)

依据研究区水旱比及复种指数，利用加权平均计算研究区典型年亩均耕地灌溉需水量，详见表1。

3.3 塘坝供水能力计算

塘坝供水能力是指在不同水平年、不同灌溉保证率情况下，考虑农业灌溉需水要求塘坝可能提供的最大水量，是塘坝水资源承载力的重要变量[16-18]。依据参考文献[19]，选定江淮丘陵区P=50%，P=75%，P=95%3种不同降水年情下，塘坝复蓄次数[19]分别为1.7，1.4，0.9，推算江淮丘陵区不同年代塘坝供水能力，具体详见图4。

4 江淮丘陵区各市塘坝灌溉能力估算与演变趋势分析

4.1 江淮丘陵区塘坝灌溉能力估算

塘坝灌溉能力是衡量塘坝在不同供水能力条件下可灌溉耕地面积的指标，计算方法为塘坝可供水量与每亩耕地灌溉需水量之比。根据表1～2数据资料，求出江淮丘陵区各市不同年代不同重现期塘坝可灌溉面积，参见表2。

4.2 江淮丘陵区塘坝灌溉能力演变趋势

江淮丘陵地区各市塘坝灌溉能力演变趋势如图5所示。由图5可知：

(1)合肥市塘坝灌溉能力在20世纪50年代末、60年代初得到较大的提高，95%降水年情下塘坝可灌溉面积为7.94万hm2，高于70年代及80年代该值，90年代起，合肥市塘坝灌溉能力再次得以较大提升，至21世纪初，95%降水年情下塘坝可灌溉面积达到8.8万hm2，为历史最高值。

(2)滁州市除了20世纪50年代塘坝建设初期时，灌溉能力比较低，95%降水年情下仅为5.49万hm2灌溉能力呈波动上升趋势。至21世纪初，95%降水年情下塘坝可灌溉面积达到7.73万hm2总体有较大程度提升。

图4 江淮丘陵区不同年代不同降水年情下塘坝供水能力的计算值

表1 江淮丘陵区不同年代不同降水年情下灌溉需水量

表2 江淮丘陵区不同年代不同降水年情下塘坝可灌溉面积

图5 江淮丘陵区塘坝灌溉能力趋势演变

(3)六安市在20世纪50～60年代时塘坝灌溉能力已较高，尤其是60年代，在95%降水年情下塘坝可灌溉面积达到15.02万hm2，自70年代起，由于废塘普遍及农业种植制度的剧烈变化，塘坝灌溉能力大幅下降，21世纪初95%降水年情下，塘坝灌溉面积仅为9.91万hm2，为历史最低值。

(4)巢湖市在中华人民共和国成立初期至20世纪60年代出现塘坝建设高潮，塘坝灌溉能力至60年代达到峰值，然后70～90年代塘坝灌溉能力持续降低。尤其是90年代，巢湖塘坝抗旱能力达到了历史最低值，在95%降水年情下，塘坝灌溉面积仅为5.37万hm2。至21世纪初，由于塘坝建设大发展，塘坝灌溉能力提到了较大的提高，在95%降水年情下塘坝可灌溉面积达到7.35万hm2。

(5)安庆塘坝灌溉能力变化历程与巢湖的较为相似，均在20世纪50～60年代达到最高值，此后持续下降，至21世纪初有所上升，但仍不及20世纪50～60年代的塘坝灌溉能力水平。

(6)中华人民共和国成立至1970年，江淮丘陵区塘坝建设整体进入快速发展期，塘坝容量显著提升，塘坝灌溉能力逐年提升，20世纪60年代出现峰值，50%降水年情下，达到158.57万hm2，但随着该区双季稻的大力推广，水稻播种面积与水旱比直线提升，导致20世纪70年代塘坝灌溉能力显著减低，50%降水年情下，仅为142.07万hm2；20世纪70年代至90年代末，进入70年代后塘坝建设陷入低潮期，塘坝容量逐年降低，虽在90年代末塘坝容量有所提升，但塘坝容量与供水能力提升不明显，然而农作物播种面积与复种指数的逐年提高，作物灌溉需水量持续提升，导致江淮丘陵区全区塘坝灌溉能力逐年减低，50%降水年情下，仅131.32万hm2，为历史最低值；进入21世纪后，塘坝建设再次进入快速发展期，塘坝供水能力显著提升，导致塘坝灌溉能力再次得以回升，50%降水年情下，提升至140.92万hm2。

4.3 江淮丘陵区塘坝灌溉能力演变归因

中华人民共和国成立至20世纪60年代是塘坝建设高潮期，江淮丘陵区塘坝容量由1949年的16.22亿m3逐年提高，至1962年塘坝容量提升至28.07亿m3，导致塘坝灌溉能力快速提升，在20世纪60年代达到峰值。

20世纪60年代至70年代初，虽塘坝建设仍处于发展状态，塘坝容量至70年代初达到29.72亿m3，但随着该区双季稻的大力推广，水稻播种面积显著提升，70年代初水稻播种面积较60年代初提高了21.96万hm2，此外，复种指数也由60年代初的147%提升至70年代初的172%，导致塘坝灌溉能力显著降低。

20世纪70年代至90年代末，农作物播种面积与复种指数的逐年提高，作物灌溉需水量持续提升，而进入70年代后塘坝建设陷入低潮期，塘坝容量逐年降低，至1988年塘坝容量仅为28.83亿m3，是近50 a来最低值，虽在90年代末塘坝容量有所提升，但提升的供水能力与做灌溉需水量的提升不匹配，导致江淮丘陵区塘坝灌溉能力逐年降低，至90年代末达到最低值。

进入21世纪后，农作物播种面积与水旱比趋于稳定状态，但塘坝建设再次进入快速发展期，至2010年塘坝容量高达33.39亿m3，塘坝供水能力显著提升，导致塘坝灌溉能力再次得以回升。

5 结 论

通过对江淮丘陵区塘坝灌溉系统不同年代相关资料进行调研与整理，定量分析了塘坝工程与作物种植结构的发展演变历程；依据江淮丘陵区作物水旱比及复种指数，推算研究区不同年代不同降水年情下亩均灌溉需水量，结合不同年代不同降水年情下塘坝供水能力估算结果，开展塘坝灌溉系统不同年代的水量平衡分析，定量评估了江淮丘陵区5个地市(合肥、滁州、六安、巢湖、安庆)及全区20世纪50年代至21世纪初不同年代的塘坝灌溉能力，揭示了江淮丘陵区塘坝灌溉能力历史演变特征。研究结果表明：① 合肥市自1949年至20世纪60年代塘坝灌溉能力增长迅速，70年代有较大幅度回落，但至70年代起灌溉能力持续提升；② 滁州市自1949年至21世纪初，塘坝灌溉能力均呈波动上升的趋势；③ 六安市塘坝灌溉能力至20世纪60年代达到峰值后，呈明显波动下降的趋势；④ 巢湖市塘坝灌溉能力至20世纪60年代达到峰值后，70～90年代呈显著下降趋势，至21世纪初再次得以大幅提升；⑤ 安庆市塘坝灌溉能力演变与巢湖市相似，至20世纪60年代达到峰值后，70～90年代呈显著下降趋势，至21世纪初有所提升；⑥ 江淮丘陵区全区塘坝灌溉能力至20世纪60年代达到峰值后，70～90年代呈显著下降趋势，至21世纪初有所回升。