耕地整治項(xiàng)目水資源平衡分析

0項(xiàng)目實(shí)施的前提和基礎(chǔ)桂林龍勝龍脊梯田是中國(guó)著名的自然文化景觀。這是世界上最具特色的梯田，也是人類寶貴的農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)。然而近年來,隨著梯田景區(qū)旅游業(yè)的迅速發(fā)展,游客的不斷增加,數(shù)十倍于當(dāng)?shù)鼐用竦挠慰陀咳刖皡^(qū),許多旅店從原來灌溉農(nóng)田的山澗引水,以及對(duì)水資源的低水平開發(fā)和濫用等因素,給區(qū)內(nèi)水資源和生態(tài)造成巨大的壓力和一定程度的破壞,農(nóng)業(yè)、旅游和生態(tài)環(huán)境各部門之間水資源分配矛盾突出。同時(shí),由于水資源的低效利用,使得景區(qū)梯田撂荒、田塊崩塌嚴(yán)重。根據(jù)實(shí)地測(cè)量和調(diào)查,龍脊梯田景區(qū)內(nèi)20m2以上塌方多達(dá)409處,崩塌面積17.48hm2,撂荒梯田面積達(dá)11.13hm2。為保護(hù)好龍勝梯田這份寶貴的人類農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn),許多學(xué)者對(duì)梯田文化保護(hù)都有很多研究。國(guó)家和地方政府提供很多政策傾斜和保護(hù)資金投入,2006年6月13日,廣西壯族自治區(qū)國(guó)土資源廳、財(cái)政廳和桂林市人民政府在龍勝縣召開了“關(guān)于龍勝各族自治縣龍勝梯田整治保護(hù)項(xiàng)目座談會(huì)”,就開展龍勝縣龍脊梯田整治達(dá)成共識(shí),并要求有關(guān)部門盡快開展該項(xiàng)目的有關(guān)工作。龍勝龍脊梯田整治的核心是解決用水問題。因此,對(duì)龍脊梯田整治項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行科學(xué)的水資源平衡分析,是龍勝梯田整治的前提和基礎(chǔ),才能依據(jù)項(xiàng)目區(qū)水資源稟賦進(jìn)行合理的整治規(guī)劃,根本上解決項(xiàng)目區(qū)梯田崩塌、撂荒等問題,實(shí)現(xiàn)龍脊梯田景區(qū)經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。筆者在總結(jié)前人水資源平衡分析的研究基礎(chǔ)上[5,6,7,8,9,10,11,12],針對(duì)龍脊梯田的特點(diǎn),對(duì)桂林市龍勝縣龍脊梯田整治項(xiàng)目區(qū)水資源供需平衡進(jìn)行了分析,為開展龍脊梯田整治提供決策依據(jù),也為山區(qū)梯田水資源平衡分析提供借鑒。1項(xiàng)目范圍的總結(jié)1.1氣候特點(diǎn)及氣候特點(diǎn)桂林龍勝龍脊梯田整治項(xiàng)目區(qū)面積565.15hm2,耕地327.79hm2,全部為梯田,屬典型的盆周山地丘陵,海拔高度為300~1100m,地形坡度3°~53°,平均地形坡度為31°,屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,氣候溫和,雨量充沛,雨熱同季,日照充足,年平均氣溫17.1℃,夏秋兩季受濕熱夏季風(fēng)控制,冬春兩季受干冷冬季風(fēng)影響,四季冷熱分明,兩季干濕明顯,冬季有霜雪,但時(shí)間短,多年平均無霜期314天,年均降雨量1574.5mm,年均日照時(shí)數(shù)1550h。1.2天然水源林項(xiàng)目項(xiàng)目區(qū)可利用的水資源主要有降雨產(chǎn)生地表徑流和距項(xiàng)目區(qū)1.2km的小(二)型雨蘭水庫。項(xiàng)目區(qū)具有獨(dú)特的地理結(jié)構(gòu),項(xiàng)目區(qū)耕地分布于山嶺的中下部,高山區(qū)的眾多的森林和次生林用根系將大量的水儲(chǔ)存在土壤之中,能夠截留降水、增強(qiáng)土壤下滲、減少地面蒸騰、緩和地表徑流,構(gòu)成了巨大的天然綠色水庫。在枯水季節(jié),森林釋放蓄水,延長(zhǎng)徑流時(shí)間,使項(xiàng)目區(qū)山澗溪流四季流水?？梢哉f,沒有眾多的水源林,就沒有龍脊梯田。項(xiàng)目區(qū)有常年流水山澗溪流33條,將項(xiàng)目區(qū)外高處的降雨及森林涵養(yǎng)的水源引入項(xiàng)目區(qū),提供了大部分梯田、旱地灌溉用水和全部人畜用水,是項(xiàng)目區(qū)的主要供水水源。項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀水資源利用存在的主要問題是:一方面,渠系水利用率低,高的也不過0.4,低的甚至只有0.1,水資源浪費(fèi)嚴(yán)重;另一方面,人田爭(zhēng)水矛盾日益尖銳,灌溉面積逐年縮減;水資源時(shí)序分配不均衡,田間串灌串排,灌溉效率低,排水不暢,旱澇災(zāi)害頻發(fā)。2可供水量分析2.1降雨蒸發(fā)量與年降水量根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288-99)有關(guān)規(guī)定,結(jié)合項(xiàng)目水資源不穩(wěn)定的實(shí)際情況,項(xiàng)目區(qū)灌溉保證率取為75%。依據(jù)龍勝縣氣象站提供的20年連續(xù)觀測(cè)降雨資料統(tǒng)計(jì),按頻率經(jīng)驗(yàn)公式(1)進(jìn)行頻率計(jì)算。保證率為75%(中等干旱年)的典型為1977年,典型年降雨量為1425mm,設(shè)計(jì)典型年平均月降雨量和蒸發(fā)量情況,見表1。項(xiàng)目區(qū)供水山澗總共33條,總集雨面積13.64km2,各山澗集雨面積及灌溉面積見表2。龍脊梯田項(xiàng)目區(qū)由于其獨(dú)特的地理結(jié)構(gòu),除降雨產(chǎn)生地表徑流外,位于各山各嶺的原始森林和次生林構(gòu)成了巨大的天然綠色水庫,它們涵養(yǎng)的巨量水分在高山上形成了無數(shù)條小溪、清泉、瀑布,在分析龍脊梯田降雨可利用水量時(shí),必須考慮森林涵養(yǎng)的水分的可供水量。根據(jù)相關(guān)研究,中國(guó)亞熱帶地區(qū)的森林土壤可以保存年降水量的1/3~1/4,森林土壤蓄水能達(dá)到641~678t/hm2。綜合考慮灌區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的地形、土壤、植被氣象等因素,同時(shí)考慮到淺層土壤水轉(zhuǎn)化為一部分地表徑流,估算森林的可供水量取為年降雨量的25%(低限值)。根據(jù)設(shè)計(jì)典型年的降雨和來水?dāng)?shù)據(jù)、龍勝縣水資源調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告和廣西多年平均徑流深等值線圖以及考慮森林可供水量,求得龍勝縣設(shè)計(jì)典型年的降雨量和徑流量,項(xiàng)目區(qū)典型年徑流可利用系數(shù)為0.49,典型年降雨量、徑流量和可利用量,見表3。2.2水庫供水量及復(fù)蓄系數(shù)項(xiàng)目區(qū)東北邊有小(二)型水庫雨蘭水庫向項(xiàng)目區(qū)供水,雨蘭水庫集雨面積1.4km2,水庫總庫容22.7萬m3,有效庫容19.6萬m3,灌溉面積為8.51hm2,引水渠過水流量為0.18m3/s,小型水庫按1.2倍的復(fù)蓄系數(shù)計(jì)算,可供水量為23.52萬m3。項(xiàng)目區(qū)總供水量為634.68萬m3。3需要水分析項(xiàng)目區(qū)的需水主要包括農(nóng)業(yè)和生活需水,水稻和旱作物灌溉水作為農(nóng)業(yè)需水,村寨的居民、牲畜及其他需水作為生活需水。3.1生活用電分析生活需水量是指從項(xiàng)目區(qū)水源取水(如從水庫或山澗取水)的居民生活用水的需水量,主要考慮村寨居民生活用水和飼養(yǎng)的牲畜用水以及其他用水。本項(xiàng)目采用定額分析法進(jìn)行生活需水預(yù)測(cè)計(jì)算,根據(jù)調(diào)查資料,考慮規(guī)劃年2020年項(xiàng)目區(qū)村寨居民生活水平提高,用水標(biāo)準(zhǔn)增長(zhǎng)及節(jié)水水平的提高和需水管理完善等因素,村寨居民人均綜合用水定額為80人/天,牲畜用水量為20L/(頭·d),其他生活用水量按前2項(xiàng)之和的30%計(jì)算。項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有居民4914人,按目前的人口增長(zhǎng)速度,到2020年居民為5222人,到2020年接待游客數(shù)量可達(dá)到45萬,按每人在項(xiàng)目區(qū)逗留2天計(jì)算。由于項(xiàng)目區(qū)大力發(fā)展旅游,農(nóng)戶喂養(yǎng)大型牲畜已經(jīng)較少,主要為牛和豬,按800頭計(jì)算。到2020年,項(xiàng)目區(qū)生活需水量為28.42萬m3。3.2設(shè)計(jì)進(jìn)出水資源量農(nóng)業(yè)需水量的預(yù)測(cè)要考慮項(xiàng)目區(qū)整治后灌溉面積的增加、灌溉制度調(diào)整、水資源利用系數(shù)的提高和種植作物的結(jié)構(gòu)調(diào)整等因素。項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積316.72hm2,其中水田263.97hm2,旱地52.75hm2。規(guī)劃年主要農(nóng)作物種植面積,見表4。3.2.1灌溉標(biāo)準(zhǔn)3.2.3田間灌溉平衡計(jì)算方法(1)水稻灌溉定額分析。水稻生育期灌溉制度通過水稻生育期內(nèi)作物灌溉制度設(shè)計(jì)參數(shù),水稻生育期某一階段內(nèi)灌水次數(shù)、灌水時(shí)間、灌水定額、排水次數(shù)及排水量,按公式(2)通過逐時(shí)段的水量平衡演算擬定。其中:ES=aE+S式中:H1—時(shí)段初田間水層深度(mm),不大于允許水深上限hmax;H2—時(shí)段末田間水層深度(mm),不小于允許水深下限hmin;P—時(shí)段內(nèi)降雨量(mm);M—時(shí)段內(nèi)灌溉補(bǔ)水量(mm);ES—時(shí)段內(nèi)水稻生長(zhǎng)需水量(mm);C—時(shí)段內(nèi)稻田排水量(mm);E—時(shí)段內(nèi)蒸發(fā)量(mm);α—時(shí)段內(nèi)水稻蒸騰系數(shù);S—時(shí)段內(nèi)稻田適宜滲漏量(mm)。田間水量平衡計(jì)算過程中,各計(jì)算時(shí)段末田間持水深(H2)應(yīng)滿足不大于hmax和不小于hmin邊界條件。按式(2)逐時(shí)段進(jìn)行演算,至H2下降到hmin時(shí),即為灌水時(shí)間,灌水定額M=hmax-hmin,H2超過hmax時(shí),即為排水時(shí)間,排水量Q=H2-hmax。灌水或排水后,以H1=hmax為新的起點(diǎn),繼續(xù)進(jìn)行演算,直至結(jié)束轉(zhuǎn)入落干時(shí)為止,從而擬定出水稻生育期各階段灌水定額(見表6)。將各階段灌水定額相加,即為水稻生育期灌溉定額。經(jīng)計(jì)算,項(xiàng)目區(qū)典型年中稻凈灌溉定額為6407.55m3/hm2。(2)旱作物灌溉定額分析。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)玉米、油菜等旱作物灌溉定額參考臨近地區(qū)此類作物灌溉定額確定。各種農(nóng)作物灌溉定額,見表7。(3)綜合單位面積灌溉定額分析。根據(jù)水稻的灌溉定額和旱作物灌溉定額,分別乘以規(guī)劃設(shè)計(jì)水平年相應(yīng)作物的組成系數(shù),相加后即為項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃典型年凈灌溉定額。經(jīng)計(jì)算,項(xiàng)目區(qū)整理后綜合凈灌溉定額為7270.65m3/hm2,按渠系水利用系數(shù)0.75計(jì)算,綜合毛灌溉定額為9634.2m3/hm2。3.2.4灌溉需水量計(jì)算項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積316.72hm2,其中水田263.97hm2,旱地52.75hm2,項(xiàng)目區(qū)灌溉需水量按式(3)計(jì)算。式中:W需—灌溉需水量(m3);M—凈灌溉定額(m3/hm2);A—項(xiàng)目區(qū)面積(hm2);η—灌溉水利用系數(shù)(確定為0.75)。經(jīng)計(jì)算,整理后項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水量為305.13萬m3,各月農(nóng)業(yè)需水量見表8。3.3項(xiàng)目總需水量項(xiàng)目區(qū)總需水量為生活需水量和農(nóng)業(yè)需水量之和,整治后項(xiàng)目區(qū)總需水量及各月需水量計(jì)算結(jié)果,見表9。4項(xiàng)目區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的優(yōu)化要求將項(xiàng)目區(qū)用水與可供水量進(jìn)行按月進(jìn)行分析,見表10。由以上分析可知,項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀渠系水利用系數(shù)過低,水資源浪費(fèi)嚴(yán)重,導(dǎo)致項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田灌溉和村寨居民生活、游客旅游用水緊張。同時(shí),疏于管理,不注重維護(hù)渠道也是造成項(xiàng)目區(qū)缺水的重要原因。整治后,由于項(xiàng)目區(qū)水利基礎(chǔ)設(shè)施的改善,總的水源是能夠滿足農(nóng)田灌溉和當(dāng)?shù)卮逭用窦坝慰偷纳钣盟枰?各個(gè)月份供水量也均可滿足用水量的要求,關(guān)鍵是要疏浚溝渠。同時(shí),也要看到項(xiàng)目區(qū)水資源時(shí)序分配非常不均衡,夏季為雨季,項(xiàng)目區(qū)產(chǎn)水遠(yuǎn)大于需水,要加強(qiáng)田間排澇管理,春秋干旱季節(jié)項(xiàng)目區(qū)水資源處于緊平衡狀態(tài),這種緊平衡還是建立在渠系水利用系數(shù)從目前的不足0.4,提高到0.75的計(jì)算結(jié)果上,這就要求一方面整治施工過程中一定要嚴(yán)把工程質(zhì)量關(guān),確保溝渠斷面、溝渠質(zhì)量;另一方面,在工程建設(shè)完成后,一定要加強(qiáng)對(duì)溝渠等水利設(shè)施的管護(hù)、維修,避免溝渠淤塞,塌方、滲漏、損壞后及時(shí)修復(fù),防止造成新的水資源浪費(fèi),同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)田間灌溉管理,優(yōu)化灌溉制度以節(jié)約用水,加大水源林的建設(shè)和保護(hù)力度,保障龍勝龍脊梯田及村寨居民和游客的水源供應(yīng)。5水資源平衡分析設(shè)計(jì)筆者對(duì)龍勝龍脊梯田整治項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行了水資源平衡分析,結(jié)果表明造成項(xiàng)目區(qū)生活和農(nóng)業(yè)供水不足的主要原因是現(xiàn)狀水資源浪費(fèi)嚴(yán)重,項(xiàng)目區(qū)整治措施主要應(yīng)推廣節(jié)水灌溉,提高渠系水利用系數(shù),對(duì)項(xiàng)目區(qū)渠道進(jìn)行襯砌,如有條件可實(shí)施地埋低壓管道灌溉。龍脊梯田是高山梯田,地形較復(fù)雜,也是風(fēng)景名勝區(qū),修建水庫、坑塘等蓄水工程成本高,對(duì)景觀影響較大,水源工程應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)水源林建設(shè)。廣茂的森林,蓄積了大量雨水,是天然的綠色水庫,筆者在進(jìn)行水資源平衡分析時(shí),充分考慮了森林蓄水及對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用,符合龍脊梯田灌溉的特點(diǎn),也為類似高山梯田水資源平衡分析提供了借鑒。森林蓄水及調(diào)節(jié)徑流作用是個(gè)復(fù)雜的過程,本研究對(duì)森林可供水量只是借鑒相關(guān)資料進(jìn)行了保守估算,要進(jìn)行精確的定量分析計(jì)算還需要進(jìn)一步研究。項(xiàng)目區(qū)屬典型的盆周山地丘陵,海拔300~1100m,4月份前氣溫低,只能種植1季中稻和1季油菜等冬季作物,中稻平均生長(zhǎng)期從4月中旬—9月