濉汴河灌区适宜水面率分析

赵振江 曾广泉 丁继辉

(1.泗洪县水利局,江苏 宿迁 223900;2.河海大学农业科学与工程学院,江苏 南京 211100)

江苏省位于我国大陆东部沿海的中心,地势平坦,平原辽阔,河网众多,平原区面积占江苏省总面积的85.3%,雨量较丰沛,但时空分布不均。地域分布上自东南向西北递减,南部多年平均降雨量1100m,向北逐渐减少至800m左右。目前,江苏省水域现状存在以下问题:湖泊纳污能力衰减,污染严重,富营养化现象加剧;生物多样性减少,生态系统功能衰退;过度开发利用,湖泊面积严重萎缩;洪涝灾害风险增加等[1]。

水面率指区域水面面积占区域总面积的比率。对于灌区而言,灌区内湖泊、河流、沟道、坑塘等水域具有为灌区提供汛期滞蓄、旱季供水的功能,水域中的湿地也能对农业生产过程中排放的氮、磷、COD等污染物进行有效降解,因此通过计算确定适宜的水面率可以对灌区内水利工程的建设、水资源调配的合理性提供有力指导。

此前已有学者[2-8]开展过水面率的研究:张志飞等[2]提出了区域综合合理水面率的计算方式;刘文博等[3]进行了长株潭地区的水面率需求分析;王士武等[4]对于行洪除涝的合理水面率进行了研究;徐翠兰等[8]进行了平原区土地整理方面的适宜水面率研究。本文通过数学模型的建立,以濉汴河灌区为例计算了区域内排涝、抗旱及水生态保护的适宜水面率值,科学合理地确定维系苏北地区可持续发展所需的综合水面率,以期能对苏北地区的灌区续建配套及现代化改造提供参考。

1 研究区基本情况

濉汴河灌区地处江苏省宿迁市泗洪县中部、淮河流域沂沭泗水系下游,位于东经118°8′24″～118°25′48″和北纬33°16′12″～33°43′12″之间。泗洪县内河流纵横,淮河、怀洪新河等7条行洪河道穿境入洪泽湖,有“洪水走廊”之称。灌区位置见图1。灌区属东亚季风区,又属亚热带和暖温带的过渡区,水资源总量年际变化较大,年际间丰枯变化中等偏上。灌区多年平均过境水量4.2亿m3,过境水资源丰富。灌区现状有效灌溉面积48400hm2,现灌溉设计保证率为75%。现状灌溉用水量为5865m3/hm2。由于部分区域仍采用传统的漫灌方式、田间用水管理不到位、用水计划制定不精准、用水调度没有完全依据用水计划实施等问题导致灌溉用水量较大。同时为了实现灌区国民经济可持续发展的目标,优化农业结构,改善农业生产环境,会进一步加大农业灌溉所需的灌水量,提升经济作物种植时对用水水质的要求。在水生态方面,灌区内老汴河、拦山河等大部分河道基本得到整治,水质基本能够达到功能区要求,水生态环境状况良好。但也存在部分河道有淤积严重、调蓄能力降低、水环境质量较差的问题。

图1 濉汴河灌区位置图与水系示意图

2 灌区水面率分析模型

2.1 排涝适宜水面率

平均排除法适用于平原地区计算排涝流量,采用设计净雨推求排涝设计流量,即以排水面积上的设计净雨在规定的时间内排除的平均排涝流量作为设计排涝流量,计算公式为

(1)

式中:q为设计排涝模数,m3/(s·km2);R区域为区域设计径流深,mm;t为规定的排涝时间,d。

苏北平原地区,同时拥有水田、旱地、水域水面、建筑物以及道路,首先按照式(1)分别计算各区域的设计径流深,然后按照比例加权平均,即得区域综合设计径流深,再用式(1)计算综合排涝模数,此时计算公式为

R区域=α水田R水田+α旱地R旱地+α建筑R建筑+α交通R交通

+α水面R水面

(2)

R水田=P-h田蓄-(E+f)t

(3)

R旱地=aP

(4)

R建筑=φ1P

(5)

R交通=φ2P

(6)

R水面=P-h蓄-E0

(7)

式中:R水田、R旱地、R建筑、R交通、R水面分别为水田、旱地、建筑物、坑塘沟河的水面设计径流深,mm;α水田为水田面积占排水区域面积的比例;α旱地为旱地面积占排水区域面积的比例,灌区内除去建筑物面积、交通运输用地、水田面积、坑塘沟河等水面面积,旱地和非耕地一起概化为旱地;α建筑为建筑物用地占排水区域面积的比例;α交通为交通运输占地占排水区域面积的比例;α水面为坑塘沟河水面率;P为设计暴雨量,mm;h田蓄为水田滞蓄水深,mm;E为水田田间腾发量,mm;f为水田田间渗漏量,mm;a为径流系数;φ1为建筑用地产流系数;φ2为交通运输用地产流系数;h蓄为坑塘沟河滞蓄水深,mm;E0为水面蒸发量,mm。

根据式(1)和式(2)可得

(8)

则确定排涝模数及水面滞蓄水深后,即可确定水面面积,再通过平均排除法确定区域排涝标准、设计排涝模数和河面的平均预降水深后,即可推出平原区排涝适宜水面率,即

(9)

2.2 抗旱水面率

根据濉汴河灌区内的水资源分布情况,在干旱发生时可通过对水坑、水塘、沟道的蓄水合理调度进行灌溉补水,在这种情况下,可以利用确定水面率的方法确定灌区的抗旱适宜水面率:

W2≤V2

(10)

(11)

V2=1000A抗旱h″蓄F

(12)

式中:W2为旱期灌区一次灌溉的需水量,m3;V2为区域内沟塘蓄水量,m3;mi为旱期第i种作物的单日耗水量,mm;t2为一次灌水周期,取为7d;Fi为第i种作物的种植面积,hm2;h″蓄为沟塘可提水深度,mm;η为灌溉水利用系数;其他符号意义同前。

通过式(9)的方法可得出,灌区的抗旱适宜水面率为

(13)

2.3 水生态保护适宜水面率

根据平原区水环境容量分析,选择TN(总氮)作为控制因子。结合项目区地表水环境质量的实际情况,执行对应类别标准[9],水质标准值见表1。

表1 地表水环境质量标准TN标准限值 单位:mg/L

采用水环境容量的基本计算公式推导可得:

(14)

V=1000R环境h′蓄1F

(15)

式中:W0为单位时间流入TN的量,g/s;V为滞蓄水量,m3;K为水质综合衰减系数,d-1;CsTN为水质标准值,mg/L;R环境为水环境容量水面率,%;h′蓄1为水域正常蓄水深度,mm。

式中各参数的确定:

b.水质综合衰减系数K。水质综合衰减系数参考值见表2。

表2 水质综合衰减系数参考值(TN) 单位:d-1

c.TN的水质标准值CsTN。根据当地情况,取对应的CsTN值。

d.坑塘河沟平均蓄水深度h′蓄1。通过调查研究,结合项目区实际,分别确定沟道、河流、坑塘正常水深后取平均值。

综上可得,区域水生态保护适宜水面率为

(16)

3 灌区水土资源信息

濉汴河灌区东隔徐洪河与安东河灌区相邻,西隔老濉河与安徽泗县相望,北与宿城区接壤,南抵洪泽湖,灌区地势北高南低。濉汴河灌区水源主要通过地表径流以及濉河闸站、老汴河闸站引洪泽湖水进行灌溉。在计算产汇流时,为方便计算,不考虑外来水流入区域内的部分。

3.1 土地资源信息

a.土地利用结构。根据全国第二次土地普查的GIS图数据库,濉汴河灌区土地总面积74721.33hm2,耕地面积49840hm2,占总土地面积的66.7%;园、林、草地面积3893.33hm2,占总土地面积的5.21%;交通运输用地3214hm2,占总土地面积的4.3%;水域及水利设施用地11327.33hm2,占总土地面积的15.2%,见表3。

表3 濉汴河灌区土地利用现状结构

b.作物种植面积。根据统计,从灌区农业生产现状来看,灌区内以种植水稻、小麦为主,此外还有玉米、大豆、花生、蔬菜等作物。灌区内主要农作物种植面积和比例见表4,日需水量见表5[10]。

表4 灌区主要农作物种植面积和比例

表5 江苏省几种主要作物日需水量

3.2 水文水资源信息

a.降雨量信息。根据历年降水量资料统计可知,灌区年平均降水量为898.3mm。年降水量最多为1541.0mm,最少为582.8mm;年降水日数为105天;雨季一般在6—9月,降水量占全年的66.7%;月降水量最多为7月(205.1mm),最少为12月(15.8mm)。

b.水质状况信息。濉汴河灌区灌溉水源来自于洪泽湖,根据2019年监测数据,溧河李台村断面、老汴河汴河大桥断面为Ⅳ类水;洪泽湖总体水质为Ⅳ类水;新汴河、新濉河、溧河、老汴河、濉河、徐洪河、洪泽湖等32个断面中,Ⅴ类及劣Ⅴ类水断面3个,占9.38%,超标项目为氨氮、总磷和高锰酸盐指数。详细监测情况见表6。

表6 濉汴河灌区水质状况分类

4 计算结果分析

4.1 参数确定

根据灌区水土资源信息,得到灌区抗旱、排涝、水生态保护的水面率计算参数值如下:

a.根据表3,濉汴河灌区总面积F为74721.33hm2,其中,水田面积占排水区域的面积比例α水田=53.61%。建筑用地包括工矿仓储用地、住宅用地、公共管理与公共服务用地,其占排水区域的面积比例为α建筑=8.23%,交通运输用地包括公路用地、农村道路用地、港口码头用地,占排水区域的面积比例为α交通=4.27%。为了满足条件:α水田+α旱地+α建筑+α交通+α水面=1,则α旱地=33.89%-α水面。

b.选取最大24h设计暴雨重现期为10年时的设计雨量,设计暴雨量p取为200mm。考虑到灌区内种植有高价值的经济作物,由于其耐淹历时短,遭受涝灾后损失较大,要求受淹时1d内排至田面无积水,排涝时间t取为1d。

c.根据灌区水利设施状况,在10年一遇排涝工况下,平原区设计排涝模数q=1.04m3/(s·km2)。

d.由于设计暴雨量p≤250mm,径流系数a取为0.5。建筑用地产流系数φ1取为0.85[11],交通运输用地产流系数φ2取为0.85。

e.根据蒸发量实测成果,1d水面蒸发量E0取为6mm。根据当地实际,水田田间腾发量E取为3mm,水田田间渗漏量f取为3mm;水田滞蓄水深h田蓄取为60mm。

f.根据当地实际情况,考虑坑塘沟河水深预降,坑塘沟河平均滞蓄水深h蓄取为600mm;坑塘沟河正常蓄水深度h′蓄取为1000mm;坑塘沟河可提水深度h″蓄取为500mm。

g.计算抗旱水面率时根据作物种植季节可分为:3—5月以小麦、蔬菜为主;6—9月则以水稻、玉米、大豆及蔬菜为主。

h.根据调查,灌区现状年灌溉水利用系数η=0.570。

i.根据表2及表6的信息,将水质综合衰减系数K定为0.05。

j.根据表1及表6的信息,取CsTN为1.5mg/L。

4.2 适宜水面率计算结果

将以上参数值分别带入式(9)、式(12)和式(16),计算得到灌区除涝适宜水面率R排涝=7.38%;水生态保护适宜水面率R环境=10.11%;3—5月的抗旱适宜水面率为R抗旱=4.83%,6—9月的抗旱适宜水面率为R抗旱=7.94%。由此得到灌区的适宜水面率为R适宜=R除涝∪R环境∪R抗旱,取三者最大值为10.11%。

5 结 语

根据表3中水域及水利设施用地数据可得出,灌区现状水域面积占比约为15.16%,大于计算得到的灌区适宜水面率10.11%。在水生态环境方面,承担水生态保护功能的主要是河流、坑塘、沟渠的水面面积,比例约为10.15%,大于计算得到的灌区水生态保护适宜水面率10.02%;在抗旱引水方面,承担这部分功能的是沟渠的水面面积,比例约为6.85%,大于3—5月的抗旱适宜水面率4.83%,但小于6—9月的抗旱适宜水面率7.94%。

根据以上得出的数据可以看出,濉汴河灌区内的水域与水利设施在汛期基本可以满足灌区内的防洪除涝要求;在水生态保护方面,承担水生态保护功能的坑塘河流水域大致可以满足灌区的水环境需求;在以种植小麦和蔬菜为主的3—5月灌区内的水域可大致满足抗旱期间的灌溉用水需求,但在6—9月若出现旱情,则可能会出现无法完全供给灌溉用水的情况。针对上述问题,在灌区后续配套建设及改造过程中,应注意优化水资源配置格局,增强生态经济带水资源水环境承载能力;积极推广高效节水灌溉技术,推广农机农艺相结合的节水措施,提升水资源利用率,实现从输配水到田间的全面节水;科学合理地使用化肥和农药,推广环境友好型化肥、农药,减少污染物的排放,从根源上解决水生态问题。