（农业水土工程专业论文）江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究.pdf

秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境嚣水量及雨水集蓄利用优化研究 中文摘要 随着雨水资源化的诞生，其不可替代的开发利用潜力已被越来越多的人们所 接受，特别是在丘陵山区，雨水利用已成为缓解当地水资源短缺的有效措施。针 对当前丘陵山区水资源短缺和生态环境恶化日益严重，本文考虑在满足丘陵山区 生态环境需水和作物灌溉用水的情况下，结合江苏省淮北丘陵山区雨水集蓄利用 规划的实例，对丘陵山区雨水利用工程规模和种植布局进行选优，为丘陵山区雨 水集蓄利用规划提供了依据。 本文首先针对丘陵山区生态环境的特点及存在问题，在总结国内外学者对生 态环境需水量研究的基础上，以新沂丘陵山区为研究对象，分析总结了淮北丘陵 山区生态环境需水量的组成和计算方法。然后，在考虑丘陵山区生态环境需水和 作物灌溉用水的前提下，对不同的来用水保证率、不同种植布局方案进行了水量 平衡分析；在对雨水集蓄、外水调用、地下水开采分析的基础上，以水源工程年 折算费用最小为目标，分析确定了灌溉设计保证率为7 5 时，不同水旱作物种植 比情况下的最优亩均蓄水容积和适宜的水旱种植布局。最后，根据现有降雨资料 随机模拟7 5 来水频率下的多个降雨过程，由此对提出的亩均雨水集蓄容积进行 了校核，确定修正后适宜的亩均蓄水容积，为丘陵山区雨水集蓄利用规划决策提 供了重要理论依据。 关键词：丘陵山区雨水集蓄利用生态环境需水量亩均集蓄容积 水早种植比随机模拟 扬州大学硬士学位论文 a b s t r a c t m o r ea n dm o r ep e o p l eb e c o m et o a c c e p t t h ef a c tt h a tt h er e s e a r c ho f r a i n w a t e r - c o l l e c t i o n - s t o r a g e u t i l i z a t i o nf g c s u ) ，e s p e c i a l l yi ns o m eh i l l ya r e a s ，h a sb e e n a ne f f e c t i v em e a s u r et o c o m p e n s a t ef o rw a t e rs h o r t a g e a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n t s i t u a t i o no f i n c r e a s i n g l y s e r i o u sw a t e rr e 9 哪es h o r t a g ea n dd e t e r i o r a t i o no f e c 沁- e n v i r o n m e n ti nh i l l ya r e a s ，w i t ht h es a t i s f a c t i o no fe e l - e n v i r o n m e n tw a t e rd e m a n d a n di r r i g a t i o nw a t e ro f c r o p s a n di nc o n n e c t i o nw i t ht h ee x a m p l eo f r c s u p l a n n i n gi n h u a i b e ih i l l ya r e ai nj i a n g s up r o v i n c e , t h e p a p e rp u t sf o r w a r da no p t i m i z a t i o ns t u d yo n t h ep r o j e c ts c a l ea n dt h ep l a n t i n gl a y o u to fr c s u , w h i c ho f f e r sag o o dr c f g r e n c et o r c s u p l a n n i n gi nh i l l ya r e a s a tf i r s t , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o b l e m so fe c o - c n v i r o n m e n ti nh i l t y a r e a s , o nt h eb a s i so fs u m m a r i z a t i o no fr e s e a r c h0 ne c o - e n v i r o n m e n t 碍氇t c fd e m a n do f t h es c h o l a r sb o t hh o m ea n da b r o a d , a n dt a k i n gh u a i b e ih i l l ya r e aa ss t u d yo b j e c t , t h e p a p e ra n a l y s e st h ec o m p o s i t i o no fe c 0 一e n v i r o n m e n tw a t e rd e m a n do fi nh u a i b e ih i u y a r e aa n dp r e s e n t si t sc a l c u l a t i o np r o c e d u r e t h e n , t h ep a p e ra n a l y z e st h ew a t e rb a l a n c e o ft h es c h e m e sw i t hd i f f e m mc o m e - a n d - u s e dw a t e rg u a r a n t e er a t ea n dp l a n t i n n gl a y o u t b a s e do nt h ea n a l y s i so fr a i n w a t e rc o l l e c t i o na n ds t o r a g e ，o u t s i d ew a t e rt r a n s f e r sa n d u n d e r g r o u n dw a t e re x p l o r a t i o n , w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h ee c o - e n v i r o n m e n tw a t e r d e m a n da n di r r i g a t i o nw a t e r o fc r o p si nh i u ya r e a s , t h ep a p e rp u t sf o r w a r da n o p t i m i z a t i o ns t u d yo nt h ep r o j e c ts c a l eo f r c s ua n dp r e s e n t sa no p t i m a lm e t h o da n di t s c o n c r e t es t e p s t h er e s u l t sd c t t e r m i n et h eo p l j m a s t o r a g ev o l u m ep e rm ua n dt h e p r o p o r t i o no ft h es u i t a b l ep a d d yf i e l da n dd r y - f a r m i n gc o r r e s p o n d i n gt ot h ei r r i g a t i o n d e s i g np r o b a b i l i t yo f7 5 i nh i l l ym e a s a tl a s t , a c c o r d i n gt ot h er a n d o ms i m u l a t i o no f r a i n f a l lc o u 雠o f7 5 i n f l o wf r e q u e n c yb a s e do nt h ep r e s e n tr a i n f a l ld a t a , t h ep a p e r c h e c k st h eo p t i m a ls t o r a g ev o l u m ep e r 揪o ft y p i c a ly e a r t h e r e f o r e t h es u i t a b l e o p t i m a ls t o r a g ev o l u m ep e rm a f b c rm o d i f i c a t i o ni sf i x e d w h i c ho f f e r sa ni m p o r t a n t 秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究 3 t h e o r e t i cr e f e r e n c ef o rr c s up l a n i n gi nm n ya r e a s k e yw o r d s ：t h eh i l l ya r e a ；r c s u ；e c o - e n v i r o n m e n tw a t e rd e m a n d ；s t o r a g ev o l u m ep e r m u ；p r o p o r t i o no f t h ep a d d yf i e l da n dd r y - f a r m i n g ；r a n d o ms i m u l a t i o n 秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究 l 绪论 1 1 国内外雨水利用历史 1 1 1 国外雨水利用历史 世界干旱地区包括极端干旱、干旱、半干旱和干燥的半湿润地区，总面积约 占世界陆地面积的4 1 。几千年来，人类得以在这些地区生存，就是广泛利用了 降雨以及由此产生的径流。 在年降雨量高达1 0 0 0 2 0 0 0 m m ，年降雨量超过年蒸发量的日本，也在积极倡 导雨水的收集利用，在农业上为早田的雨洪利早在4 0 0 0 年之前的中东、南阿拉伯 以及北非就出现了收集雨水用于灌溉、生活、公共卫生等的雨水收集系统；阿拉 伯人汇集雨水以保障农业，曾以罗马帝国的粮仓著称；在以色列的内盖夫沙漠中， 雨水是唯一的水源，而且年降雨量仅1 0 0 m m ，却种出庄稼并建立了一系列城市， 成为灿烂一时的沙漠文明；同样在斯里兰卡，为7 发展农业，早在公元前就修建 了一系列小型阶式池塘在丰雨季节蓄水，供缺水季节使用；印度许多村民的名字 都有一个雨水有关的字尾“s a t ”，可见雨水的利用在印度也受到相当的重视。 在大城市如东京在居民的屋顶或大楼上设置雨水收集装置以补充供水不足、 城市环保及绿化之用。在发达的美国，雨水利用的历史也很久远，亚利桑那洲沙 漠中印第安人把雨水汇集到几公顷大的区域来发展农业，科罗拉多高原以北的阿 那萨基人5 0 0 年之前就修建了数以千计的小坝来汇集冲下山坡的雨水种植庄稼。 1 9 8 2 年6 月，在美国夏威夷召开了第一届雨水集流利用的国际会议，成立了国 际雨水集流系统协会( i n t e r n a t i o n a lr a i n w a t e rc a t c h m e n ts y s t e m sa s s o c i a t i o n ， m c s a ) ，并先后在世界各地组织召开了8 次国际雨水集流系统大会，促进了国际 间雨水集蓄利用的交流与研究，进一步推动了全球雨水资源的开发利用。 1 1 2 国内的历史和发展 在我国雨水利用也有悠久的历史。在六、七千年前，就有稻田集水防旱的记 载；距今约4 1 0 0 年夏朝便开始推行区田法。在2 5 0 0 年前，安徽寿县就修建了平 2 扬州大学硕士学位论文 原水库来拦截径流，灌溉作物，在汉水流域的丘陵地区还修建了串联式塘群；各 地的用祭祀求雨的如龙王庙、北京的天坛祈年殿等足以说明雨水在古代社会中受 到的重视。战国末期有了高低畦种植法和塘坝，明代出现了水窖。本世纪5 0 6 0 年代，创造出鱼鳞坑、隔坡梯田等就地拦蓄利用技术。近年来，各地纷纷实施雨 水集流利用工程，如甘肃的“1 2 1 ”工程，陕西的“甘露工程”，山西的“1 2 3 ”工 程，宁夏的“窖窑工程”和内蒙即将启动的“1 1 3 3 8 ”工程。党的十五届二中全会 提出“大力发展节水灌溉，把推广节水灌溉作为一项革命性措施来抓”， 矽拧，说明河道能够满足其纳污功能， 不需要考虑河道生态环境需水量；如果1 v 耳 i v 拧，说明河道无法满足其纳污功能。 为了使河道水质达到要求的水质标准，有两种解决方法：是削减污染源的排污 量；二是在经过环境规划分析，认为河道必须接纳一定量污染物( 此量超过允许 纳污量) 的情况下，可通过增加河道流量的方法，增加河道对污染物的稀释、自 净的能力，此时河道所需的流量即为维持河道一定量稀释净化能力的生态环境需 水量。在不考虑削减污染源的排放量时，必须增加河道的环境需水量以满足要求。 此时，首先要确定在水环境功能区划下水质目标对应的污染物浓度，并以其作为 河道标准浓度，然后用河道环境容量缈坪与河道污染物排放量形。的差值除以这个 浓度就得出了河道稀释自净污染物需水量矿生。 秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究 1 7 从新沂市丘陵山区的污染情况看，其排放污染物中c o d 浓度最高，所以本文 仅计算河流的c o d 环境容量。根据地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) 等资料， c o d 排放标准见表2 - 7 。 表2 7地表水环境质量标准基本项目标准限值 项目iv 化学需氧量 ( c o d ) 1 5 1 52 0 3 0 4 0 参照中国环境规划院2 0 0 4 年5 月全国地表水环境容量核定技术复核大纲， 对c o d 降解系数的取值见表2 - 8 。 表2 - 8江苏省一般河段c o d 降解系数取值表 水质及水环境状优( 相应水质为中( 相应水质为劣( 相应水质为 况一m 类)类)v 类或劣v 类) c o d 降解系数 参考值( d i ) o 1 跏50 1 0 - 0 1 8o 0 5 m 1 0 ( 1 ) 生活污染源 根据新沂市“十一五”农村饮水规划报告，规划区域内城镇和农村2 0 1 0 年人均综合生活用水定额分别为城镇1 8 0u 人d 、农村7 0u 人d 。 根据新沂市统计年鉴，马岭山区2 0 0 3 城镇人口0 8 万人，农村人口1 7 2 万人； 沭东岗岭区城镇人口1 6 7 万人，农村人口3 1 0 万人；东北岗岭区城镇人口0 5 万 人，农村人口8 0 万人。人口增长率7 ，到2 0 1 0 年规划区人口为7 5 3 万人。城 镇人口生活污染物的入河系数c o d u 。为0 4 9 、n i - 1 3 - n 为0 8 6 ：考虑城镇、农村居 民生活污水和人粪尿分流，生活污水绝大部分直接捧入水体，人粪尿主要以积粪 池的形式将粪尿储存用于农肥，很少量的直接进入水体，农村人口生活污染物的 入河系数c o d 为o 3 7 、n i - 1 3 - n 为0 2 4 。 根据以上基础资料，规划区生活污染源统计结果见表2 9 。由表可知，规划 区近期生活污水总排放量为2 4 0 9 0 6 万t a ，c o i k r 入河量为o 6 3 万妇。 扬州大学硕士学位论文 表2 9生活污水和人粪尿污染物排放系数 项目1 人粪尿城镇居民生活污水农村居民生活污水 c o d c r ( k g a a ) i 1 5 0 27 3 05 8 4 n h 3 - n ( k g a a ) i 6 1 2o 5 50 4 4 表2 一l o 新沂市丘陵山区居民现状生活污染源废水量及入河量计算表 入河量( t a ) 规划分区项目 废水量( 万t a ) c o d c r 城镇9 3 5 5 51 8 3 2 2 0 沭东岗岭区 农村 7 7 0 7 22 3 9 6 6 7 合计1 7 0 6 2 64 2 2 8 8 7 城镇4 7 4 29 2 s 8 马蛉山区农村4 2 8 7 81 3 3 3 3 6 合计4 7 6 2 01 4 2 6 2 3 城镇2 6 9 85 2 8 4 东北岗岭区农村 1 9 9 6 26 2 0 7 4 合计2 2 6 6 06 7 3 5 8 注：捧水按生活用水量的8 5 计 ( 2 ) 农田面污染源 农业面源污染物入河量计算： 污染物入河量= ( 稻田排水+ 旱作径流+ 旱地径流) 流量污染物浓度+ 稻田渗 流量污染物浓度 新沂丘陵山区目前农业污染源在不同种植比下c o d e r 入河量汇总表见2 1 2 。 表2 1 1 农田地表径流污染物浓度( m g l ) 项目 0 0 d c r n h 3 - n 稻田排水 6 2 8 27 3 1 稻田旱作径流 3 0 31 8 2 旱地径流5 8 1 21 8 9 秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究 1 9 表2 1 2新沂市丘陵山区农业面污染源入河量计算表 稻田 旱地 面积 稻田早作径流稻田排水 面积 早地径流 合计 水早比c o d c rc o d c rc o d c r ( t a ) ( 亩)( 亩) ( t a )( t a )( t a ) 1 ：96 2 0 0 0o o8 4 0 3 35 5 8 0 0 06 2 4 9 67 0 8 3 9 3 2 ：81 2 4 0 0 0o 01 6 8 1 0 64 9 6 0 0 05 5 5 5 2 l7 2 3 6 2 7 3 ：7l s 6 0 0 00 02 5 2 0 9 94 3 4 0 0 04 8 2 4 7 97 3 4 5 7 8 4 ：62 4 8 0 0 0o o3 3 6 1 3 33 7 2 0 0 04 1 6 6 4 07 5 2 7 7 3 5 ：53 1 0 0 0 0 o o 4 2 0 1 6 73 1 0 0 0 03 4 7 2 0 07 6 7 3 6 7 6 ：43 7 2 0 0 0 o 05 0 4 2 o o2 4 8 0 0 0 2 7 7 7 6 0 7 8 1 9 6 0 7 ：3 4 3 4 0 0 0o o5 8 8 2 3 31 8 6 0 0 02 0 8 3 2 17 9 6 5 5 4 8 ：24 9 6 0 0 0o o6 7 2 2 6 61 2 4 0 0 01 3 8 8 7 98 1 1 1 4 5 9 ：15 5 8 0 0 0o o7 5 6 2 9 96 2 0 0 06 8 4 4 0 8 2 4 7 3 9 ( 3 ) 污染排放量统计 目前各分区在不同水早比下c o d c r 下的的排放量见表2 一1 3 1 5 ，此处假设河 水浓度取值类水状况下的河水浓度为2 0 m g l 。并由公式2 4 呵，计算出各分区水 体河道水环境容量如表2 1 3 1 5 所示。 表2 1 3马岭山区不同种植比下污染源统计表 c o d c r 水环境容量 河流自净稀释 规划分区水早比 需水量 ( 万t a ) ( 万t a ) ( 万m 3 ) l ：90 4 50 3 73 8 5 6 2 ：80 4 60 3 7 3 8 5 6 。 3 ：70 4 70 3 73 8 5 7 4 ：6o 4 7o 3 7 3 8 5 7 马岭山区5 ：5o 4 80 3 73 8 5 8 6 ：4 0 4 8o 3 73 8 5 8 7 ：30 4 9 o 3 7 3 8 5 8 8 ：2 0 5 0o 3 73 8 6 8 9 ：10 5 0o 3 73 8 6 0 扬州大学硕士学位论文 表2 - 1 4沭东岗岭区不同种植比下污染源统计表 c o d c r 水环境容量 河流自净稀释 规划分区 水早比需水量 ( 万t a ) ( 万t a ) ( 万m 3 ) l ：9o 5 60 4 84 3 2 6 2 ：8o 5 80 4 84 3 2 7 3 ：7o 5 9 o 4 84 3 2 8 4 ：60 6 00 4 84 3 2 8 沭东岗岭区5 ：50 6 0o 4 84 3 2 8 6 ：4o 6 l0 4 84 3 2 9 7 ：30 6 2o 4 84 3 2 9 8 ：2 0 6 2o 4 84 3 2 8 9 ：10 6 30 4 84 3 2 8 表2 1 5东北岗岭区不同种植比下污染源统计表 c o d c r 水环境容量 河流自净稀释 规划分区水旱比 需水量 ( 万t a ) ( 万t a ) ( 万m 3 ) l ：9o 3 0o ”2 0 0 5 0 2 ：80 3 l o 2 72 0 0 5 l 3 ：7o 3 lo 2 72 0 0 5 l 4 ：6o - 3 10 2 72 0 0 5 2 东北岗陵区5 ：5o 3 2o 2 7 2 5 0 6 ：4o 3 2o 2 72 0 0 5 0 7 ：30 3 3o 2 72 0 0 5 0 8 ：20 3 3o 2 72 0 0 5 0 9 ：10 3 4 o 2 72 0 0 5 0 从表2 - 1 3 1 5 可以看出，各分区在不同水旱比下各自河流环境稀释需水量近 似相等。因此，为了计算简便，各分区在不同水早比下的河流环境稀释需水量近 秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓍利用优化研究 2 l 似采用同一数值，这里取平均值。其中马陵山区河流环境稀释需水量为3 8 5 2 万 m 3 ，沭东岗岭区4 3 2 1 万m 3 ，东北岗岭区2 0 0 5 万m 3 。 2 3 2 6 新沂市丘陵山区生态环境需水量 以上重点计算了丘陵山区水面蒸发、渗漏需水量，环境稀释需水量和维持河 流基本生态环境功能需水量。不同来水频率下逐月生态环境需水量见附表2 一l 3 ， 汇总结果见表2 1 6 。 表2 - 1 6新沂市丘陵山区各来水频率生态环境需水汇总表单位：万m ? n 频率 5 0 7 5 9 0 g 沐东岗岭区 4 8 8 95 4 1 25 0 4 3 马岭山区 4 7 7 45 6 6 15 0 3 5 东北岗岭区 2 3 0 52 4 5 42 3 4 0 合计1 1 9 6 81 3 5 2 7 1 2 4 1 8 2 2 扬州大学硕士学位论文 3 新沂市丘陵山区雨水集蓄利用研究 3 1 新沂市丘陵山区概况 新沂市位于江苏省北部边缘，地处苏鲁边界，北与山东省郯城县接壤，南与 宿迁市以新沂河、骆马湖为界，东与东海县、沭阳县相接，西与邳州市相邻，地 理位置在东经1 1 7 。5 9 1 1 8 。3 9 ，北纬3 4 0 0 6 3 4 0 2 6 ，属江苏省淮北干旱缺水地区。 全市共1 6 个乡镇，总人口9 6 5 8 万人，土地总面积1 6 1 1 k m 2 ，耕地面积1 1 9 7 8 万 亩。其中岗岭区乡镇l o 个，土地面积9 7 2 k m 2 ( 岗蛉地面积5 3 0 k m 2 ，山闻平原面 积4 4 2 k m 2 ) 新沂市丘陵山区以沭河为界，分为东部山区和西南山区。东部山区位于沭河 以东，分为沭东岗岭区和东北岗岭区，西南山区主要指马陵山区。沭东岗岭区位 于沭河以东，高塘水库以西，涉及北沟、王庄、双塘、时集等4 个镇，土地面积 1 4 2k m 2 ，耕地面积l o 9 7 万亩，现状亩均蓄水容积5 4 9 3i n 3 ；东北岗岭区主要涉 及双塘、阿湖2 个镇，土地面积1 6 0k m 2 ，耕地面积1 4 2 4 万亩，现状亩均蓄水容 积1 2 3 m ? ；西南马陵山区系沂蒙山支脉南延部分，南北长约3 5 k m ，东西宽约8 k m ， 位于新墨河、2 4 9 省道以西，涉及棋盘、王庄、港头、新店、新安、唐店等6 个镇， 土地面积2 2 8 k m 2 ，耕地面积1 8 3 5 万亩，现状亩均蓄水容积4 8 1 5 m 3 。新沂市丘 陵山区土地总面积5 3 0 k m 2 ( 合7 9 5 万亩) ，其中耕地面积4 3 5 6 万亩，林地8 9 万 亩，荒山荒坡地1 5 6 万亩，村镇住宅、工矿、交通及其它用地2 5 4 8 万亩，现状 亩均蓄水容积3 8 1 3 0 。 规划区域位于中纬度地带，属温暖带季风气候，春季天气多变，夏季高温多 雨，冬季冷而干燥。全年光照充足，热量丰富，降水较多，雨热同季，为农业生 产提供了良好的气候条件，但气候年际变化大，灾害性天气比较频繁，影响农业 的稳定发展；另一方面，本区域属低岭残丘地形，地势起伏，受丘陵山区的自然 秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究 条件限制，农作物主要以旱作物为主，品种有小麦、玉米、山芋、大豆、花生、 油菜，局部水源充足的地区种植少量水稻。 规划区多年平均降雨量8 9 1 5 m m ，降雨年际间丰枯不均，丰水年份达1 3 5 8 m m ， 枯水年份仅为4 8 7 3 m m ：年内分配更显不均，汛期降雨量占年降雨量的6 8 多 年平均蒸发量9 6 8 o m m 。常年平均气温1 3 7 ，高于华北低于江南：极端最高气 温为3 9 9 c ( 1 9 6 6 年7 月1 9 日) ，极端最低气温为- 2 2 4 c ( 1 9 6 9 年2 月5 日) ； 气温年内变化特点：春季变化大，冬季变化小，春季回升较快，秋季降温迅速； 气温日差也较大，3 月一1 1 月平均气温日差1 0 4 ，5 月气温日差1 2 2 ；9 月气 温日差9 3 1 3 ，对作物灌浆成熟十分有利。年平均无霜期2 0 1 d ，最长可达2 3 0 d ， 最短为1 7 9 d 。年平均日照为2 5 1 5 7 h ，日照百分率5 7 ；太阳总幅射量1 2 1 4 6 4 千 卡c m 2 ，作物生长期4 - 1 0 月日照时数为1 5 8 2 5 h 。 本次规划区域以集蓄雨水利用为主，主要补充农业灌溉用水和生态环境用水 的不足；对于该丘陵山区的工业、居民生活等非农业用水占总用水量的比例很小， 主要通过开采当地地下水量即可得到满足；对于特殊干旱年份，还要通过外部调 水以缓和用水紧张局面。因此，对于新沂丘陵山区用水规划要以雨水集蓄利用为 主，引、提、调工程为辅，同时发展山区节水灌溉，统筹兼顾，综合治理，全面 改善山区农业基本生产条件，达到地区经济、社会、生态三大效益的有机统一 3 2 新沂市丘陵山区存在的问题 ( 1 ) 水利基础设施差。 长期以来，新沂市水利建设重点在平原、圩区，对山区的水利投入甚微，造 成水利基础设施薄弱，不少水库灌区沟渠不配套，建筑物不配套，机电设备老化， 沟渠淤塞，遇到干旱年份库塘基本干涸，个别地方人蓄饮水困难。 ( 2 ) 土地利用不合理。， 新沂市丘陵山区以种植小麦、玉米等粮食作物为主，年平均亩产只有 4 0 0 5 0 0 k g ，多为中低产田，从科学合理的土地利用角度来看，由于种植结构不合 扬州大学硕士学位论文 理，带来经济效益不高，甚至造成水土流失。新沂市坡耕地虽然坡度多为1 5 0 以下， 但却是产生水土流失的主要策源地，应根据具体情况，退耕还林、还果，不能再 以粮食生产为主。 ( 3 ) 生态环境还比较脆弱。 目前新沂市丘陵山区还有2 7 的水土流失面积尚未得到治理。在已初步治理 的2 5 1k m 2 的面积中，还需进一步提高治理标准，巩固治理成果。另外，一些山区 在开采砂石等生产活动中，不注重水土保持，造成水土流失，不仅淤积了库塘和 沟河，影响了农业灌溉和排水，而且恶化了生态环境，亟需依法加强管理，防止 人为产生新的水土流失。因此，新沂市生态环境还比较脆弱，水土保持治理和保 护监督任务还比较繁重。 3 3 概化网络图 对于复杂的水资源系统，为了表征系统内各主要设施组成及其相互联系，便 于建立系统最优规划与调度的数学模型，需要对实际水资源系统进行水系运行调 查与分析，然后根据该区的地形、水系以及渠道等布置进行适当的概化处理，概 化结果力求做到简明而又具有较好的仿真性，建立系统概化网络图，便于宏观决 策与求解1 1 0 4 们。 本文根据新沂市雨水集蓄利用规划区域的地形特征及水量运行特点，如图3 1 所示，该区为典型的低山丘陵地带，灌区灌溉水源以拦蓄的降雨径流为主，抽取 地下水和调引外来水为辅，并结合该地区目前蓄水设施主要有小型水库、节制河 槽及分散布置且数量较多的蓄水塘( 当地又称揭盖井) ，如图3 2 所示，将各子系 统的小型揭盖井蓄水工程、小型水库、节制河槽进行了聚合概化处理并入概化水 库。主要针对雨水集蓄利用工程微型蓄水设施数量较多而且分散布置，通过适当 的聚合概化处理，以减少变量维数，便于雨水集蓄利用工程规模的优选。 秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究 2 ， l j 薹蠢 地ll 来iil 囊 水从水泵小 念恩用膝 匠勉 图3 - 1 灌区雨水集蓄利用水量运行示意图 图3 2 蓄水设施水量进出示意图 经过这样的概化处理，最终得到新沂市丘陵山区雨水集蓄利用系统概化网络 图，如图3 3 所示。 图3 - 3新沂市丘陵山区雨水集蓄利用系统概化网络图 扬州大学硕士学位论文 3 4 雨水集蓄规模优化研究 新沂市丘陵山区雨水集蓄利用规模化研究主要是确定蓄水工程的规模，并对 蓄水工程规模进行优选。 3 4 1 不同种植布局下现有蓄水工程逐月蓄泄平衡计算 3 4 1 1 现有蓄水工程情况 在进行规划区水量平衡分析时，主要是对当地的总用水量和可利用水量之间 的平衡分析计算。目前，规划区内蓄水设施缺乏，而且现有设施多数已老化失修， 损坏现象很突出，加之管理不善和人为破坏，大部分的水库、塘坝渗漏现象严重， 致使雨水集蓄能力低下，大量雨水资源自自流失；同时区内多数机泵设备无法正 常运行，工程效益不断下降，有效灌溉面积与自流灌溉面积都大幅度萎缩，严重 制约着区内农业经济的进一步发展，与“两高一优”农业和现代化农业发展要求 格格不入。经实地调查，只有当地水库、揭盖井、节制河槽等可以起到蓄水作用。 经调查统计，现有工程蓄水能力共有1 6 6 1 0 万m 3 ，各分区现有蓄水工程和蓄水能 力分述如下： ( 1 ) 沭东岗岭区现有蓄水工程主要是5 座小型水库、二七干渠、多座揭盖井 及取土塘，暂不考虑大沟、中沟、小沟等沟道蓄水( 据实地调查，由于排水沟道 淤积比较严重且没有设置蓄水闸，沟道内一般无积水) 。5 座小型水库分别为北沟 镇的新庄、老范、白石、小何、石涧水库，总兴利库容为2 5 1 2 万m 3 ；揭盖井及 蓄水塘( 取土塘) 总蓄水能力为2 5 9 2 万m 3 ( 有效容积系数取o 9 ) ；二七干渠除 了引水功能外，还具有汇水功能，但目前渠道因淤积严重而使蓄水能力降低，现 有蓄水能力据当地测算约有9 2 2 万m 3 。沭东岗岭区现有蓄水能力总计为6 0 2 6 万 m 3 。 ( 2 ) 马岭山区现有蓄水工程主要是2 0 座小型水库、1 9 口揭盖井及4 7 座蓄水 塘。2 0 座小型水库分别是位于王庄镇的黄巢关水库、陆庄水库、宋山水库、三仙 洞水库及金斗关水库，棋盘镇的白龙马水库、小冲水库、高林水库、李坎沟水库、 新湖水库、跃进水库、祁元水库、曹刘水库、响水沟水库及禅堂水库，新店镇的 秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究 靠 龙潭水库、郭洼水库、蔡庄水库和白马涧水库，唐店镇的山庄水库，总兴利库容 为7 6 3 9 万o ；揭盖井及蓄水塘总蓄水能力为1 1 9 6 万m 3 ( 有效容积系数取o 9 ) 马岭山区现有蓄水能力总计为8 8 3 5 万m 3 。 ( 3 ) 东北岗岭区现有蓄水工程主要是2 座小型水库、3 3 座揭盖井、3 座蓄水 塘及部分河段。高塘水库和阿湖水库的蓄水为来自山东省的过境水，目前因被上 游节制拦蓄，外水，暂不予以考虑。2 座小型水库分别是位于阿湖镇的古木水库和 高塘镇的河西水库，总兴利库容为9 9 9 万m 3 ；揭盖井与蓄水塘的总蓄水能力为5 7 7 万i n 3 ；淋头河的蓄水河段指东方红闸至阿湖闸，长度也为6 8 k m ，目前河道也存 在淤积阻水的问题，蓄水能力为1 4 3 万m 3 ；古木河的蓄水河段指条河闸到中沟闸， 长2 7 k m ，河深2 5 m ，底宽1 3 2 2 m ，边坡l ：2 ，比降1 ：2 0 0 0 ，目前河道蓄水能 力为3 万m 3 。东北岗岭区现有蓄水能力总计为1 7 4 9 万m 。 3 4 1 2 现有工程逐月蓄泄平衡分析 根据各分区灌溉用水量和生态环境需水量、工程所能拦蓄水量等已知条件， 进行各分区典型代表年不同来水频率和不同种植结构下逐月水量平衡推算，从中 可以看出，在不同种植结构下各分区现有蓄水工程的蓄水量、缺水量( 即需抽、 引水量) 及弃水量的分布过程。具体各频率的分区水量平衡分析过程采用一般模 拟模型编程计算，程序框图和推算过程说明参考文献【1 0 】，如图3 - 4 所示，推算结 果以马岭山区为例，见附表3 i 2 7 。 ( 1 ) 地下水资源可利用量 。 地下水资源评价量主要指地下水资源的补给量，包括垂向补给和侧向补给， 本地地下水运动方向基本与地表水运动方向相同，西、北部自西向南，东、南部 自西向东，整个区域存在上部边缘接受补给，下部边缘向外补给的现象，量值上 虽有一定的差异，但不十分明显，故不考虑侧向补给量。垂向补给主要包括降雨 入渗补给、灌溉入渗补给、河网侧渗补给三个方面。根据新沂市水利局、新沂市 水文中心站编写的新沂市水资源开发利用现状调查分析报告，规划区地下水资 源评价总量统计见表3 1 。 扬州大学硕士学位论文 表3 - 1规划区地下水资源评价总量统计表单位：万。 永爿僵 沭东岗岭区马陵山区 东北岗岭区规划区汇总 5 0 1 0 3 5 4 7 3 6 8 6 1 41 8 2 7 2 66 5 4 8 8 7 6 0 9 6 8 9 5 3 6 0 2 5 l1 7 3 9 6 36 3 1 1 0 9 7 5 8 9 3 6 53 4 8 8 8 61 6 5 6 7 36 0 3 9 2 4 8 0 8 0 8 1 63 2 9 8 4 11 5 7 6 8 05 6 8 3 3 7 9 0 7 0 8 7 62 9 1 7 5 2 1 5 0 l 1 05 l ”3 8 地下水资源可利用量不等于地下水资源总量，可利用量是指在一定的技术经 济条件下，在整个开采期内不明显地袭夺已有水源地，不发生危害环境地质问题 的前题下，通过一定的开采措旄，允许开采利用的水量，它等于地下水资源总补 给量乘以允许开采系数。允许开采系数参考江苏省徐州地区浅层地下水资源分 析计算初步技术小结中提供的数据，即丘陵山区取o 5 0 、平原区取o 7 5 ，按规 划区各片地貌组成情况用面积权重法求得各片平均允许开采系数见表3 2 。 表3 - 2地下水允许开采系数计算成果表 分区 沭东岗岭区 马陵山区东北岗蛉区 允许开采系数 0 5 lo 5 8o 5 9 规划区各片各典型年地下水可开采量统计见表3 - 3 表3 - 3规划区各片各典型年地下水可开采量统计表单位：万m 3 分 来区 沭东岗岭区马陵山区东北岗蛉区规划区汇总 率 5 0 5 2 8 0 9 2 1 3 7 9 61 0 7 8 0 83 7 4 4 1 3 6 0 4 9 4 1 62 0 8 9 4 61 0 2 6 3 8 3 6 1 0 0 0 7 5 4 5 5 7 62 0 2 3 5 49 7 7 4 7 3 4 5 6 7 7 8 0 4 1 2 1 61 9 1 3 0 89 3 0 3 13 2 5 5 5 5 9 0 3 6 1 4 7 1 6 9 2 1 68 8 5 6 52 9 3 9 2 8 秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究 剪 ( 2 ) 外来水量 根据规划区域的地理位置和当地农业灌溉的实际现状，本次规划考虑区域的 外来水量，主要包括过境水与翻引水量。规划区域内所有小型水库的集水范围均 在规划区内，其拦蓄的水量在地表水可利用量中已经考虑，而高塘和阿湖水库属 中型水库，集水面积较大( 3 3 5 7 k m 2 ) ，且汇水范围基本在规划区域之外，同时来 水量受山东省的控制，故东北岗岭区应将这两座水库的水量作为过境水量考虑， 加上部分引河过境水量，得到该分区不同来水频率下外来水量如表3 - 4 所示。 马陵山区的农业灌溉部分水源来自骆马湖的水，从多年实际翻引水量情况分 析，该分区不同来水频率下翻引骆马湖的总水量如表3 _ 4 所示。 沭东岗岭区的主要灌溉水源是区内多个小型水库、坑塘及揭盖井拦蓄的雨水 和地下水，翻引水量主要来自沭河和骆马湖，由胜利干渠、塔山东干渠、二七干 渠及小蒋站高扬程干渠等输送至田间支渠。从多年实际翻引水量情况分析，该分 区不同来水频率下翻引沭河、骆马湖的总水量如表3 4 所示。 表3 4各分区外来水量统计表单位：万m 3 来水频率 分区 5 0 6 0 7 5 8 0 9 0 沭东岗岭区 1 8 7 81 6 9 51 5 4 71 3 1 29 1 5 马陵山区 2 7 1 62 4 8 82 2 4 71 9 3 11 5 3 0 东北岗岭区2 9 8 72 7 1 42 4 6 32 1 8 2 1 7 6 0 对于该规划区域来讲，主要来水量有：降雨径流、灌溉回归水、外来水量、 可开采利用的地下水量。主要用水量有：生态环境用水量和农业用水量。蓄水工 程水量平衡递推公式为： k | + 1 ) = k i ) + ，( 。) 一矽角o ，+ 阡缸o + i o ) 式中：k f + 1 ) 、k ，) 分别为月、t + 1 月蓄水工程的蓄水量( 万m 3 ) ；矽( ，) 为7 月 该分区的来水量( 包括该时段可利用径流量和回归水量) ( 万m 3 ) ：矽南( 1 ) 为r 月总 扬州大学硕士学位论文 用水量( 包括灌溉用水量和生态环境用水量) ( 万m 3 ) ；阡，抽为第t 月抽取地下水 量( 万m 3 ) ；1 0 ) 为第t 月外引水量( 万m 3 ) 。 推算过程的几点说明： ( 1 ) 为建立概化水库逐月蓄泄平衡分析的一般模拟模型，便于宏观求解与决 策，必须对实际蓄水设施进行适当的聚合概化处理。该区雨水集蓄利用规划以蓄 水为主，现有蓄水设施主要有小型水库、节制河槽及分散布置且数量较多的揭盏 井，为便于系统的分析与求解，将各分区的蓄水工程分别聚合概化为一个较大的 水库。 ( 2 ) 由于本次雨水集蓄利用以农业灌溉和生态环境需水量为主。 ( 3 ) 抽水量与外引水量这里主要考虑每月地下水可开采量和外部可调水量约 束，即假设抽水能力与引水能力足够大。 ( 4 ) 推算过程中的种植结构是指水稻和早作物的种植面积比例。 ( 5 ) 程序框图参数说明： 矿。v ( 件1 ) 第i 时段初、末概化水库蓄水量( 盈余水量) ； v 。：概化水库最大可蓄水量； i ( i ，：第i 时段来水量( 包括该时段可利用径流量和回归水量) ； 阿r j ( i ) ：第i 时段拦蓄水量； 旷。i ) ：第i 时段总用水量( 包括灌溉用水量和生态环境需水量) ； 矿a ( i ) ：第i 时段缺水量； 矿。( i ：第i 时段抽取地下水量； 形州n ：第i 时段允许抽取地下的最大水量； 矿，( j ) ：第i 时段外引水量； 降，jc d ：第i 时段弃水量。 秦灏江苏省淮北丘陵山区生态环境需水量及雨水集蓄利用优化研究 图3 4 各分区水量平衡分析推算一般模拟模型程序框图 扬州大学硕士学位论文 袭3 5 马陵山区5 0 0 , 来水频率不同种植比下水量平衡计算汇总表单位：万i n 3 来水量用水量 降雨灌溉生态 水旱比 降雨毛灌溉 蓄水量抽水量引水量弃水量缺水量 ( m m )回归需水 径流用水量 水量量 l ：9 8 7 7 7 5 6 0 8 82 8 0 73 1 1 8 94 7 7 4 7 6 2 8 ，41 4 10 o 2 4 3 8 6 0 o 2 ：8 8 7 7 75 6 0 8 83 8 3 4 4 2 5 9 7 4 7 7 45 3 4 6 61 6 8 6 3 0 4 52 1 6 8 2 o o 3 ；7 8 7 7 75 6 0 8 84 8 6 05 4 0 0 54 7 7 47 0 7 5 71 6 8 64 4 9 41 8 9 8 03 0 9 8 4 ：6 8 7 7 7 5 6 0 8 85 8 8 76 5 4 1 34 7 7 46 9 8 1 93 3 7 24 6 1 71 6 2 7 77 6 6 3 5 ：5 8 7 7 75 6 0 8 86 9 1 47 6 8 2 14 7 7 47 0 1 6 43 3 7 25 0 5 61 3 5 7 41 4 9 0 3 6 ；4 8 7 7 ，75 6 0 8 87 9 4 18 8 2 2 94 7 7 47 9 1 3 ，93 3 7 25 0