（农业水土工程专业论文）扬州市丘陵山区小流域生态治理模式研究.pdf

胡人伟扬州市引凌山区小流域生态治理模式研究 中文摘要 针对当前扬州市丘陵山区小流域存在水资源短缺和生态环境恶化同益严重等 问题，本文探讨了其生态治理模式，主要包含雨水集蓄利用系统模型、雨水集蓄 利用工程规模和种植布局、抗旱措施以及生态治理措施等四个方面。 丘陵山区小流域生态治理的关键在于治水，目前治水主要途径是雨水集蓄利 用。首先，探讨适合扬州市丘陵山区小流域的雨水集蓄利用系统模型，其可分为 物理模型和经济模型，重点研究物理模型及其三个子模型。其次，依据上述模型， 在满足丘陵山区生态环境需水和作物灌溉用水的情况下，对五星冲典型小流域雨 水利用工程规模和种植布局进行分析计算，求得了灌溉设计保证率为7 5 时，不 同水旱作物种植比情况下自蓄灌溉的最小亩均库塘容积。最后通过校核，确定适 宜的亩均库塘容积，为扬州市丘陵山区小流域雨水集蓄利用规划提供了依据。 在雨水集蓄利用的基础上，本文还探讨设计水平年的抗旱措施和特殊干旱年 的抗旱措施。另外，本文通过分析存在的生态问题，把丘陵山区小流域分为生态 恢复区、生态治理区和生态保护区分别加以治理，并提出生态河道、生态塘堰和 生态水库的构建方法，为扬州市丘陵山区小流域生态建设提供参考。 关键词：丘陵山区小流域生态治理雨水集蓄利用亩均库塘容积水旱比 2 扬州人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o 也ep r e s e n ts i 札眦i o no fi n c r e a s i n g l ys e r i o u sw a t e rr e s o u r c es h o 化猖e a n dd e t e r i o r a t i o no fe c o e n v i r o m e mi ns m a j lw a t e r s h e do fy 抽g z h o ul l i l l ya r e 如t 1 1 e p 印e ra u l a l y s e si t se c o l o g i c a lm a n a g e m e n tp a 钍e mw 恤c h c o n t a i n st h i es y s t e mm o d e la n d m ep r 巧e c ts c a j eo fr 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 n ( r c s u ) ，t h ep l a n t i n gl a y o m ， m ed r o u g h tm a n a g e m e mm e a s u r e sa i l de c 0 1 0 9 i c a lm e a s u r e s t h ek e yo fe c o l o g i c a lm a n a g e m e n ti sw a t e r c o n 仃o l ，w h i c hm a i nw a yi sr c s ui n s m a l lw a t e r s h e do fh i l l ya r e a f i r s t l y ；e x p l o r i n gt h es y s t e mm o d e lo fr c s uf o rs m a l l w a t e r s h e do fy 血g z h o uh i l l ya r e 钆、k c hc 锄b ed i 、，i d e di n t ot 1 1 ep h y s i c a lm o d e l 甜l d e c o n o m i cm o d e l ，t ：m sp 印e rf o c u s e so nt l l ep h y s i c a lm o d e l 觚di t st 1 1 r e es u b m o d e l s s e c o n d l y ，b a s e do nm ea b o 、，em o d e l ，m e e t i n gt h ee c o e n v i r o n m e n t a jw a t e rr e q u i r e m e n t a i l dc r o pi r r i g a t i o nw a t e r ，t h ep a p e r 鲫m y s e sm ep r o j e c ts c a l eo fr c s ua n dm e p r o p o r t i o no ft h ep a d d yf i e l da i l dd r y f 踟n i n g ，o b t a i n st t l er e s u l t s 、v h i c hd e t e 衄i n et l l e l e a s t s t o r a g ev o l u i n ep e r ，”“a n dt h ep r o p o r t i o no fm es u i t z i b l ep a d d yf i e l d a n d d 巧i n gc o r r e s p o n d i n gt 0 t h ei 玎i g a t i o nd e s i 印p r o b a b i l i t yo f7 5 a t1 2 l s t ，t l l e s u i t a b l eo p t i m a ls t o r a g ev o l 哪ep e r 聊“i sf i x e d 世e rc h e c h n g ，w h i c ho f r e r s a i l i m p o n a 毗m e o r e t i cr e f e r e n c ef o rr c s up l a n l l i n gi ns m a l lw a t e r s h e do fy a n g z l l o uh i l l y a r e a o nt l l eb a l s i so fr c s u ，t l l ep a p e ra l s od i s c u s s e sm ed f o u g h tm e a l s u r e so fd e s i 弘 a v e r a g ey e a ra n ds p e c i a ld r o u g h ty e a r i na d d i t i o nt 0 t l l ea b o v e ，b ya i l a l y z i n gt l l e e x i s t e n c eo fe c o l o g i c a lp r o b l e m s ，s m a l lw a t e r s h e di sd i v i d e di n t oe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n a r e a s ，e c o l o g i c a lm a j l a g e m e n ta r e a sa n de c o l o g i c a lp r o t e c t i o na r e a st 0b eg o v e m a n c e d ， a i l dp r o p o s e st h ec o n s t m c t i o nm e t l l o d sf o re c o l o g i c a lr i v e r ，e c o l o g i c a lp o n da i l d e c 0 1 0 9 i c a lr e s e n ，o i r ，、v i ma v i e wt op r o v i d i n gr e f e r e n c ef 0 re c o l o g i c a lc o n s 讯l c t i o no f s m a l lw a t e r s h e dmy a l l g z h o um i l ya r e a k e yw o r d s ：t h e1 1 i l l ya r e a ；s m a uw a t e r s h e d ；e c o l o g i c a lm a n a g e m e n t ；r c s u ；s t o r a g e v o l 啪ep e r ，拧材；p r o p o r t i o no ft h ep a d d yf i e l da n dd 巧- f a n n i n g 扬州大学硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外i 本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：胡大谤b 签字日期：2 0 0 7 年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅。本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国 科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过 网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：胡大午 签字日期：剀o7 年6 月6 日 导师签名：雾吾舛 签字日期：如7 年6 月多日 胡大伟扬州市斤陵山区小流域生态治理模式研究 1 绪论 1 1 小流域治理研究概述 1 1 1 小流域的界定 小流域是相对于大流域的概念，这种提法最早源于欧洲阿尔卑斯山区的山地 整治及植被恢复和美国田纳西流域的治理及管理实践，通过对这些地区大流域中 各个小流域的治理，使整个大流域或成片的山丘区恢复了生态平衡，减少水土流 失及洪涝灾害。此后，以小流域为单元的水土流失治理经验就在世界范围内推广 开来，并开展了理论和实践的研究。就小流域的概念，并没有统一的定义，从水 文学上来说，小流域是地表表面一个小面积的集水区域。从地貌上来说，小流域 是一个侵蚀地貌单元。就面积大小来说，美国水土保持学界把面积小于1 0 0 0 m 2 的流域称为小流域；欧洲阿尔卑斯山区国家把面积小于1 0 0m 2 的山丘区流域称 为小流域；我国把面积在5 3 0 时，最大不超过5 0k m 2 的流域称为小流域。 以上是从小流域的静态特征来表述的内涵，如果从生态学、经济学角度剖析 小流域，则可动态反映小流域的内涵。一方面，小流域占据一定的地域空间，与 特定的生物系统和非生物环境相联系，具备生态系统的物质循环、能量流动、信 息传递等功能，随着生态系统内部成分功能的改变，小流域的土壤侵蚀，土地生 产力，水分状况等将发生改变。另一方面，在小流域内部人类活动建立了相应的 生产关系系统，以生态系统为基础进行物质资料的再生产和生产关系的再生产， 具有明显的社会经济特征【2 1 。 综上所说，丘陵山区小流域是丘陵山区小面积的集水区域，及与之相关的生 态经济系统，具有一定水文特征的自然、社会和经济的综合体。 1 1 2 国外小流域治理研究简述 根据人们对丘陵山区小流域的认识过程及山区小流域治理思想的发展可将国 外丘陵山区小流域分为三个治理阶段： ( 1 ) 第一阶段为山洪泥石流防治阶段。丘陵山区小流域地区泥石流和山洪的 频繁发生，引起当地政府的注意，也促使人们开始了丘陵山区小流域治理的探索。 4 扬州火学硕+ 学位论文 早在十五世纪，阿尔卑斯山区的居民、村镇自发地实施了以防治山洪泥石流为目 的的各种措施，但这些措施仅局限在山区小流域的冲积扇范围，治理效果十分有 限。十九世纪四十年代s u 砌迮l l 提出了整治的政策性方案及恢复森林植被的技 术方案。赛肯道尔夫结合法国山区小流域治理的思想，建立了奥地利初期的山区 小流域治理体系。同本学者诸户北郎博士，在本国治山治水传统思想的基础上， 吸收了欧洲山区小流域治理学的科学思想，于一九二八年创立了具有日本特点的 沙防工学。这一阶段山区小流域治理，主要以防治山洪和泥石流为目的，以工程 措施和造林措施为主，其成功之处主要体现在两个方面：第一，综合配置山区小 流域治理措施，同一治理区内，采用工程技术措施和经营措施相结合；第二，治 理项目集中管理，治理措施的集中实施。 ( 2 ) 第二阶段为水土保持综合治理阶段。这一阶段，人们认识到河流系统的 整体性，山区小流域的水土流失会造成下游江河湖库泥沙淤积，开始定量研究山 区小流域侵蚀产沙机理及不同治理措施下径流及其侵蚀量的变化，山区小流域治 理就融入了水土保持的内容。这一阶段山洪泥石流防治方面的研究开始走向定量 化，从水文学，地质学，水利工程学等不同角度，进行细致入微的研究。同时， 围绕侵蚀和径流变化，欧洲和北美学者深入研究了各种种植措施减少径流和土壤 流失的效果，大量研究表明，种植人工植物篱笆和免耕措施可以大大减少地表径 流和土壤流失，在坡底种植窄草带可以显著的减少土壤侵蚀量。另外，大量的水 蚀预报模型的问世，对山区小流域治理的实践有重要的指导意义。其中以美国的 u s l e ，i w s l e ，w e p p ，欧洲的e u r o s e m ，l i s e m ，澳大利亚的g u e s t 最 具代表性。这一阶段的理论研究和山区小流域治理的实践表明：第一，除了一部 分山区小流域具有发生泥石流的危险外，山区小流域普遍存在着水土流失的问题； 第二，工程措施支持下的林业措施对山区小流域治理起着关键作用，健全的生态 系统和森林使降水有调节的均匀流出，也使泥石流和山洪得到了有效的控制。 ( 3 ) 第三阶段为山区小流域治理的持续发展阶段。近年来，人们认识到山区 小流域的诸多资源特性，要承载一定的人口，可持续利用山区小流域资源，保持 人一山区小流域生态经济系统的稳定和协调，成为这一阶段山区小流域治理的新 胡人伟扬州市丘陵山区小流域生态治理模式研究 目标。人们开始用“混沌 、“灾变 、“分形”、“细胞目动机”、“遗传算法”和“等 级”等概念和理论来描述山区小流域这样的复杂系统。h o l m a n n 从维护河溪生态 系统平衡的观点出发，认为山区小流域近自然治理是减轻人为活动对河溪的压力、 维持河溪生境多样性、物种多样性及其生态系统平衡并逐渐恢复自然的可行性工 程措施。同时，这一阶段的山区小流域治理，引入了生态经济学、景观生态学、 生态水文学的观点及可持续发展的原则，集中体现在山区小流域治理思想上的几 点转变：第一，将山区小流域周围居住的人，视为山区小流域的一部分，从整体 上考虑人一山区小流域系统结构与功能，及其可调控性；第二，对山区小流域作 为一种自然景观及物种资源库的功能有了新的认识；第三，山区小流域治理融入 了管理学的思想，从过去单纯地改造自然环境转向对人这一微观主体在山区小流 域利用和开发过程中的约束和激励。 1 1 3 国内小流域治理研究概述 我国山丘区广布，约占国土面积三分之二，山丘区小流域广布地区的泥石流、 山洪、滑坡时有发生，水土流失严重，危害巨大。上世纪下半叶，我国在学习西 方山丘区小流域治理的基础上，结合我国山地灾害治理和山丘区小流域治理的经 验，形成了具有我国特色的山丘区小流域综合治理体系。小流域综合治理是指以 小流域为单元，在全面规划的基础上，预防、治理和开发相结合，合理安排农林 牧等各业用地，因地制宜，因害设防，优化配置工程、生物和农业耕作资源等各 项措施，形成有效的水土流失综合防护体系，达到保护、改良和合理利用水土资 源，实现生态、经济、社会等效益协调统一的水土流失防治活动。回顾我国小流 域综合治理的形成与发展，大致可分为四个阶段【3 j 。 1 1 3 1 萌芽与探索阶段 1 9 5 0 年到1 9 7 9 年，为探索小流域有效的治理方法和途径，山西、陕西等省 的一些地方，对支毛沟流域进行了生物措施与工程措施相结合的综合治理试验， 形成我国小流域综合治理的雏形。1 9 5 6 年，黄河水利委员会肯定了“以支毛沟为 单元综合治理”为方向性的经验，并部署在全流域推广。进入6 0 年代，水土保持 工作转入以基本农田建设为主要内容的时期，但由于没有以小流域为单元综合治 6 扬州大学硕十学位论文 理，有的地方东治一坡、西治一沟，单纯进行工程建设，或者单纯开展生物措施 治理，结果未能形成综合防治体系，治理的效果并不理想。7 0 年代中期，水保工 作者总结正反两方面的经验教训，逐步认识到以小流域为单元综合治理的效果比 较好。 这一阶段，从总体上来讲，面上治理措施的配置比较分散，效果不理想。但 通过不断的探索，人们对水土流失规律的认识逐步提高，这为以后小流域综合治 理概念的正式提出和确立奠定了基础。 1 1 3 2 确认与试点阶段 1 9 8 0 年到1 9 9 1 年，从中央到地方的水土保持工作都得到了加强，水利部及 时召开了多次分片、分区水土保持工作座谈会，推动工作。在中南五省区和华北 五省区市的两次座谈会上，把“小流域综合治理”作为一条重要的经验推出来， 要求各地积极借鉴和推广。由此，“小流域综合治理的概念正式进入水土保持行 业的视野。1 9 8 0 年4 月，水利部在山西省吉县召开了十三省区小流域综合治理座 谈会，对小流域综合治理进一步作了充分的肯定，认为小流域治理是水土保持工 作的新发展，符合水土流失规律，能够更加有效地开发利用水土资源，从此水土 保持工作也由单项措施分散治理的局面向小流域综合治理的方向转变。这一治理 思路的确立，也从根本上解决了长期困惑水土保持工作的方法论问题，为实现各 种措施的优化配置提供了理论依据。同时，它很好地解决了工程规划设计的单元 问题，指导我们可以分单元实施治理，取得良好的治理效果。 为探索水土保持快速治理的途径和不同类型区综合治理的模式，水利部、财 政部安排在黄河、长江等六大流域开展了小流域综合治理试点工作，积累了大量 有益的经验，这为后来开展大规模的生态建设奠定了坚实的基础。同期，受农村 家庭联产承包责任制的影响，全国掀起包户治理小流域的治理高潮。但由于当时 投人能力的限制，这一阶段小流域治理依然停留在较低的层次上，治理的成效也 相对有限。 1 1 3 3 经济效益为中心发展阶段 1 9 9 2 年到1 9 9 7 年，全国的小流域治理无论在量的方面，还是在质的方面， 胡大伟扬州市丘陵山区小流域生态治理模式研究 7 都取得了良好进展。不仅有了广泛的群众基础和相当的治理规模，而且有了一批 效益显著的建设典型。但随着社会主义市场经济体制的逐步建立和完善，小流域 治理又出现了新的矛盾和问题，集中体现在：治理效益偏低、措施配置不尽合理、 工程质量不高、管理跟不上等，小流域治理开发的经济效益不明显，群众参与治 理开发的积极性受到很大影响。 这种情况下，各地在总结多年小流域治理经验的基础上，相继提出以经济效 益为中心，治理与开发相结合，小流域治理同区域经济发展相结合，充分发挥市 场运行规律，发展水保特色产业的思路，调整土地利用和产业结构，走出了许多 具有地方特色的治理开发路子，提高了治理开发的效益。同期，山西吕梁地区又 率先推出了拍卖“四荒”使用权，极大地调动了社会力量治理开发“四荒”的积 极性。这条经验也很快走向全国，很快掀起了新一轮的小流域治理高潮。 1 1 3 4 大流域规划，小流域设计的防治阶段 1 9 9 8 年以来，随着我国综合国力的提升，国家全面加大生态建设的投入，小 流域治理进入了前所未有的快速发展期。仅每年中央安排的水土保持投资就达2 0 多亿元，全国每年治理小流域4 0 0 0 多条，水土流失初步治理面积连续超过5 万 l 甜。这一阶段，各级水保部门从经济社会发展和人们对改善生态环境的迫切需 要出发，按照中央的水利工作方针和水利部可持续发展治水思路的要求，及时调 整工作思路，把水土保持生态建设引入以大流域为规划单元、小流域为治理设计 单元的规模化防治阶段。 在指导思想上，坚持人与自然和谐相处的理念，全面加大封育保护的力度， 充分发挥生态的自我修复能力以恢复植被。在工程布局上，着力推进水土保持大 示范区建设，在政府的统一领导下，由水利水保部门统一规划，分部门实施，加 快水土流失防治步伐。在建设内容上，以调整土地利用和产业结构为中心，以节 约保护、合理开发、科学利用、优化配置水土资源为主线，努力推进水土资源的 可持续利用和生态环境的可持续发展。 这一时期，山丘区小流域治理以小流域分类为基础，正确鉴定了山丘区小流 域的性质，预测其危害作用，进而正确地划分危险区，选择适合的防治措施。近 扬州人学硕十学位论文 年来，层次分析法，模糊聚类等方法在山丘区小流域分类分区、土壤侵蚀分类分 区及效益评估中得到了广泛应用。分类分区总的趋势是由简单向复杂，由定性到 定性定量结合的方向发展。 山丘区小流域治理模式也在这一时期蓬勃发展。山丘区小流域治理模式是在 一定时间和空间范围内山丘区小流域治理实践的真实反映和高度概括，我国在山 丘区小流域治理和山丘区开发中提出了各种各样的模式。近年来随着一些新兴产 业的发展，出现了如生态旅游、生态经济沟等有特色的经营模式。在山丘区小流 域治理模式优化方面，遗传算子等新的方法得到了应用。总的来说，山丘区小流 域治理模式的提炼，应在分类和分区的基础上进行，这样所建立的模式在一定范 围内才有推广意义。另外，山丘区小流域治理模式的选择要考虑区域经济特点与 市场规律，便于形成经营规模，发挥区域资源优势。同时，要考虑物种的生态适 宜性，要兼顾社会、经济、生态效益。即使是证明效益良好的山丘区小流域治理 模式或治理措施，在推广过程中，也要视具体情况而定。事实上，研究性的工作 受条件的限制往往是在较小的范围内和较短的时间内完成的，在推广过程中往往 要跨越若干尺度，跨尺度的信息推绎是当今生态学研究的一个核心问题。山丘区 小流域作为一种复杂的生态经济系统，尺度推绎问题的研究显得同益重要。 1 1 4 小流域治理的关键 综上所述，山丘区小流域治理的主要内容是水土流失的治理，而土的流失主 要是由雨水的流失而引起的，水土流失又导致其它一系列生态问题【3 】。因此，山 丘区小流域生态治理的关键在于治水，治水在丰水期表现为防治洪涝灾害，涵养 水源，集水蓄水；在枯水期表现在有充足的水量供应，防止旱灾，解决农业生产 的瓶颈因子，【4 】【5 】。在治水的基础上才能促进丘陵山区生态环境的恢复，可持续利 用丘陵山区小流域资源，保持人一山丘区小流域生态经济系统的稳定和协调1 6 j 。为 充分利用丘陵山区小流域雨水资源，本文将对雨水资源利用的最主要方式雨 水集蓄利用进行研究。 胡人伟扬州市丘陵山区小流域生态治理模式研究 9 1 2 国内外雨水利用历史 1 2 1 雨水集蓄利用的适用条件 目前，对于具有以下特征的区域，雨水集蓄利用是解决干旱缺水问题最行之 有效的途径。 ( 1 ) 地表水和地下水资源匮乏，生活生产用水短缺，制约当地经济发展。 ( 2 ) 全年有一定的降雨，但降雨年内年际分布不均，造成季节性缺水、丰水 年涝水而干旱年缺水的情形。 ( 3 ) 地质结构不利于贮存地下水或地下埋水深开采困难。如西北黄土高原区 属于立土结构，不利于雨水的下渗；西南地区多喀斯特地貌，土层薄浅，蓄水能 力差；丘陵山区地下水位普遍较深，开采成本高，不利于发展地下水农业灌溉， 同时开采地下水不利于当地生态环境的发展。 ( 4 ) 不适于修建引水或取提水工程。山丘区山脉谷道交错纵横，居民生活生 产分散，十分不利于修建跨流域和长距离的提引水工程，即使成功修建此类工程， 建设投资费用也很高，建设周期长，同时昂贵的提引水费用也不是居民能够承受 的，使工程的可持续运行和效益发挥成问题【刀。 ( 5 ) 骨干提引水工程建设资金不足。目前山丘农业区，往往比较贫困，地方 配套建设资金不足，难以建设骨干提引水工程，而雨水集蓄利用投资少、见效快， 谁投资谁受益，能够增加群众投资的积极性。 符合以上几个主要特征的地区，在条件允许的情况下积极发展雨水集蓄工 程，应该是比较不错的选择。实践证明，大力发展小、微型雨水集蓄工程，集蓄 天然雨水，发展节水灌溉是这些地区农业和区域经济发展的惟一出路，而且这项 措施投资少，见效快，便于管理，适合当前上述区域经济的发展水平，应该大力 推广，全面普及1 9 j 。 1 2 2 国外雨水集蓄利用发展历史 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 1 0 扬州人学硕十学位论文 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同本，也在积极倡 导雨水的收集利用；早在4 0 0 0 年前，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，雨水是唯一的水源，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，为了发展农业，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 r ”， 可见雨水的利用在印度也受到相当的重视。 在一些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 m a t i o n a lr 面n 、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 ， i r 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 2 3 国内雨水集蓄利用发展进程 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 晰o 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 l ”工程，陕西的“甘露工程”，山西的“1 2 3 ”工程， 宁夏的“窖窑工程”和内蒙启动的“1 1 3 3 8 ”工程。党的十五届二中全会提出“大力发 胡人伟扬州市丘陵山区小流域生态治理模式研究 1 1 展节水灌溉，把推广节水灌溉作为一项革命性措施来抓”，全国生态环境建设规 划也把“大力发展雨水集流节水灌溉和旱作节水农业”作为重要内容。总之，雨 水收集利用对降雨量少且无其它水源的干旱半干旱地区的农业发展、人类文明的 历史中具有重要作用【8 】。 1 2 4 丘陵山区小流域雨水集蓄利用存在的问题和发展前景 从世界范围来看，水资源短缺问题的同益加剧，不仅在干旱半干旱地区人们 高度重视雨水资源的开发及高效利用，世界各地也掀起了雨水利用热潮。随着科 学技术的发展，雨水集蓄利用技术也同臻完善，但从国内外雨水集蓄利用研究的 内容来看，对其理论研究在许多方面还缺乏系统深入的研究，有待于进一步探讨 与完掣1 0 】【1 1 】【1 2 】【1 3 】。 在雨水集蓄利用系统模型研究方面，如降水模型、径流模型的初期研究主要 集中在某个具体方面。由于当时科学技术的限制和理论上的不成熟，其研究主要 凭借经验手段进行，结论及其应用都具有很大的局限性【1 4 1 。近年来，随着科学技 术的发展和理论水平的提高，模型研究的系统性、理论性增强。但是以上系统模 型都是针对某一特定区域建立的，虽具有一定的实用性，但都缺乏必要的通用性 【1 5 】【16 1 。因此，建立实用性、通用性都很强的雨水集蓄利用系统模型进行系统分析 研究是未来国内外的发展趋势。 值得关注的是，目前往往比较注重雨水集蓄利用工程技术的研究和开发，如 比较重视工程兴建与否的定性问题及其技术性研究，而相对忽视了对工程规划及 决策等有关定量问题的理论研究，即对雨水集蓄利用的工程性措施研究较多【1 7 】， 而对雨水利用工程规模、灌溉调度等方面的优化理论研究尚不多见。例如，灌溉 设计保证率和雨水集蓄容积的优选确定，应当是缺水型山丘区雨水集蓄利用规划 的重要内容【l 引。由于降雨在时空上具有不均匀性和随机性，且降雨量毕竟有限， 集蓄容积过大，无水可蓄，投资浪费：集蓄容积过小，无处可蓄，资源浪费。另 外，在降雨量一定的情况下，如何提高雨水径流量也显得非常重要，而径流量主 要与土地利用形式有关，合理分配土地利用形式，特别是合理的亩均塘库容积， 能够明显提高蓄水量。因此，研究小流域的土地利用格局是十分迫切和必要的， 扬州人学硕十学位论文 具有重要的现实意义和经济价值。 对于灌溉调度运行方面，根据丘陵山区雨水集蓄利用灌溉系统的特点，即以 蓄水灌溉为主，抽、引补灌为辅，一方面要求尽可能多蓄降雨径流，减少弃水量， 但受最高蓄水线、防洪等条件约束；另一方面要求尽可能多放水，加强各分区水 量调配，保证规划区域最大限度的供水量，减少外引水量，但受最低蓄水线、自 身后续时段用水等条件约束，因此，分析研究在不同来水频率条件下，为保证各 部门的用水，究竟如何决策调度优化配水，才能充分利用当地水资源( 含地表水 和地下水) ，减少外引水量，最终实现系统弃水量最少、供水量最大( 即缺水量最 小) 而外引水量最少等优化目标，也具有重要的指导意义和理论价值。 1 3 选题的背景及必要性 13 1 扬州市丘陵山区概况 1 3 1 1 自然地理概况 扬州丘陵山区位于扬州市西部，东临扬州市区，南依仪征市区，西靠南京六 合区，北接高邮市，地处北纬3 2 0 1 57 3 2 0 3 0 ，东经1 1 9 0 2 6 1 1 9 0 2 0 之间，涵盖 仪征、邗江、郊区和高邮3 2 个乡镇，总面积1 1 6 8 l o ，占扬州总面积的1 7 6 ( 其 中仪征丘陵山区占主要部分，面积为6 9 9 4l ( 1 1 1 2 ) 。扬州市丘陵山区定位为江苏省 扬州市的后花园。 该区以丘陵岗地为主，境内地形复杂，地势北高南低，西高东底，高低差超 过1 0 0 m 。土地以农业用地为主，农业用地又以耕地为主，实际耕地面积1 0 7 万 亩，占总面积的6 1 1 ，其中中低产耕地占6 0 以上，亩均塘库容积占5 7 。全 区低产园、低产林地2 万亩，荒山荒地3 7 万亩，滩地4 5 万亩，庭院隙地1 7 万 亩，低产水面和宜渔面积大、分布广。在中低产耕地中，有近一半即3 0 万亩土地 适宜发展林业或畜牧业经济。扬州市丘陵山区1 0 4 条主冲小流域，4 7 5 条支冲小 流域，建成一级提水站1 5 2 座，2 3 2 台套1 6 5 0 0k w ，提水1 4 0m 3 s ，小流域农业 灌溉一般需要四到五级提水，局部地势高需要七到八级提水。 胡人伟扬州市丘陵山区小流域生态治理模式研究 1 3 1 3 1 2 水文气象 扬州市丘陵山区地处于江苏省中部，东临黄海，属于副热带湿润气候区，雨 量充沛，雨热同季。全年平均降水量为9 9 1 6 m 加，雨量最多的年份达1 7 4 5 4 m m ( 1 9 9 1 年) ，最少的仅5 3 3 9 n 吼( 1 9 7 8 年) 。每年夏季雨量偏多，一般从6 月中 旬到7 月中旬，是我市的雨季，也就是通常所说的“梅雨季节”。气温高、雨水多 的时期和农作物生长季节相同，为扬州市农业生产提供了优越的热量和水份条件， 由于地处南北冷暖气流的过渡地带，汛期经常出现集中暴雨和连绵阴雨，往往是 洪涝并发，早涝急转，风、雨、潮交袭，丘陵山区的特殊地理环境和气候条件， 极易造成南涝北旱或洪旱交替。 1 3 1 3 社会经济状况 扬州市丘陵山区辖3 2 乡镇，丘陵地区种植业中的粮、草、茶、果、桑，养殖 业中的鹅、羊都具有区域优势。“十一五”期间，在促进粮油增质的条件下，大力 推进产业调整，把5 级以上提水的种粮面积调减下来，积极发展林、茶、果，加 快草食畜禽基地建设。发展农林、农牧相结合的循环经济模式，提高土地利用率 和产出率。规划在仪征、邗江分别建设3 万亩以上优质粮基地和甘泉山特种林基 地，发展樱叶出口加工生产。扩大登月湖区经济林果建设，由现在的3 万亩发展 到l o 万亩。在高邮、邗江、仪征建立以鹅业为主体的繁殖、养殖、加工、营销基 地，使之成为丘陵山区经济支柱。 1 3 2 选题的背景 ( 1 ) 丘陵山区小流域用水困难 丘陵山区受地质、地貌因素的影响，灌溉用水要花去大量的时间和人力，制 约着经济发展，造成丘陵山区越来越贫困。雨水集蓄利用工程本身所具有的体积 小、选址灵活、建设周期短、管理方便等特点，适应缺水山区的自然、经济条件 和生产力发展水平，而缺水地区降水条件又为雨水利用工程提供了存在的基础， 因此雨水集蓄利用是解决缺水山区作物灌溉需水的较好途径。因此，江苏省山 丘区水源工程规划提出水源工程建设的原则是以蓄为主，蓄引相结合，即在一 般干旱年情况下，灌溉以自蓄水为主，提水引水为辅，这就弥补了大中型骨干水 1 4 扬州大学硕+ 学何论文 利工程不足，填补了骨干水利工程不能涉猎的区域。 ( 2 ) 丘陵山区小流域水土流失严重，生态环境差 小流域生态治理区内存在的问题主要是生活垃圾污水，农业面源污染，畜牧 业和渔业的污物污水，河道脏乱，生物多样性低和其它环境问题，同时区内的水 土保持措施缺乏统一的规划和整体的协调，没有集中连片治理，未能形成综合防 护体系，水土保持效益较低。水土流失，造成土壤质量下降，加上小流域人们的 频繁的生产活动，干扰了群落的生长繁殖，特别是野生动物的生长繁殖，不利于 丘陵山区生物多样性的恢复与保护。 ( 3 ) 扬州市丘陵山区小流域进入新一轮治理阶段 扬州市丘陵山区小流域经过几十年的治理，取得了显著成效，在新的时期， 对丘陵山区小流域治理提出了更高的要求。根据扬州生态市建设规划，要求以 丘陵生态系统结构和功能为基础，建立以丘陵农业为主体的产业体系，在此基础 上进一步以生态农产品、生态食品深加工和乡村人居环境为核心，形成现代化的 特色农业、休闲农业、庭院农业和观光农业生态园区以及生态工矿产业园区；有 效地调整和改造现有的岗、岭、坡、沟等丘陵景观结构，形成生态健康的河、沟、 塘、库等景观格局，从根本上解决本区的旱、涝、渍生态问题，合理调节本区的 水资源分布，提高水生态服务容量；因地制宜引进和建立生态恢复工程技术，推 进水土流失区植被的恢复与保护。 1 3 3 选题的必要性 小流域治理的关键在于治水，治水的主要措施是雨水的集蓄利用，其特点主 要有以下几点： ( 1 ) 雨水集蓄利用是改善丘陵山区农业生产条件，增强抗御自然灾害能力的 有效措施。就农村而言，雨水集蓄利用主要用于缓解水资源紧缺、解决农村生话 用水问题，提高灌溉保证率，提高农作物产量，改善群众的生活生产条件，促进 农村经济发展。据不完全统计，到2 0 0 1 年，全国共建成水池、水窖、小塘坝等小 微型水利工程0 1 2 亿处，蓄水容积1 6 0 亿m 3 ，解决了0 3 6 亿人及o 2 5 亿头牲畜 的饮水问题，发展抗旱保苗补水灌溉面积2 6 4 6 7 万2 ，为0 3 亿人创造了较稳 胡火伟扬州市丘陵山区小流域生态治理模式研究 1 5 定的水利条件，使得干旱缺水地区群众温饱问题的解决有了坚实的物质保障，开 展雨水集蓄利用工作，是干旱、半干旱地区，解决人畜饮水和发展灌溉的重要途 径。 ( 2 ) 雨水集蓄利用是促进农业结构调整、增加农民收入的有效措施。雨水集 蓄利用的实施，使得许多缺水地区农民有条件种植蔬菜、瓜果等高效经济作物。 不少干旱地区兴建雨水集蓄利用工程后，由此农户办起了水禽养殖场、养猪场、 养鸡场及生产酱油、醋的作坊，农民生活、生产条件有了大的改善，取得了良好 的经济效益。 ( 3 ) 雨水集蓄利用是改善生态环境的重要内容。雨水集蓄利用工程在基础设 施建设、改善生态环境方面都能发挥重要作用，并且能够逐步使西部干旱缺水山 丘地区的农业产业结构从单一的种植业向农、林、牧、副、渔等各业全面发展， 有效地减少了毁林开荒，推进了坡改梯等生态保护措施。雨水集蓄利用工程使农 民由广种薄收逐步走向精耕细作，合理开发利用水土资源，有利于在水土流失区 实施退耕还林还草，遏制对生态环境的破坏【引。 在雨水集蓄利用的治水基础上，建立生态型小流域也是国内小流域的一种发 展趋势，良好的生态生活环境对提高群众收入与居住环境，促进野生动植物多样 性的恢复有着重要的意义。 1 6 扬州大学硕+ 学位论文 1 4 本文研究的主要内容、技术路线 丘陵山区小流域建设是一项涉及面广、政策性强、技术综合的系统工程。丘 陵山区小流域生态治理在我国还处于起步阶段，本文以高邮五星冲小流域作为扬 卅i 市丘陵山区小流域的典型，提出适合的雨水集蓄利用系统模型，对其来用水量 进行平衡分析计算，探讨取消梯级提水灌溉的可行性，及提出满足灌溉设计保证 率下对应的水旱比、亩均塘库容积，为小流域水源工程建设提供理论依据。同时， 探求了适合扬州丘陵山区小流域生态治理措施，为扬州生态建设提供参考。 1 4 1 主要内容 ( 1 ) 根据扬州丘陵山区小流域的特点，参考分析雨水集蓄利用模型研究，提 出适合扬州丘陵山区小流域雨水集蓄利用系统模型。 ( 2 ) 根据当地的蓄水工程情况和土地利用情况，首先在现有耕地面积和亩均 塘库容积的前提下，进行不同来水频率和不同种植比布局来用水量平衡计算，其 次假设不同亩均塘库容积，进行不同来水频率和不同种植比布局来用水量平衡计 算，分析探求不需提水灌溉的水旱比及相应的亩均塘库容积。 ( 3 ) 在分析扬州市丘陵山区五星冲小流域现状的基础上，提出满足灌溉设计 保证率7 5 情况下的水旱比和对应的亩均塘库容积及抗旱措施，及9 5 情况下的 应急措施。 ( 4 ) 小流域生态治理措施体系。主要探讨了生态小流域三道防线功能分区的 特征以及依据其功能分区所采取的生态措施。 1 4 2 技术路线 扬州市丘陵山区小流域雨水利用可蓄水量、耕地率、水旱比、亩均塘库容积 等研究技术路线图如图1 1 所示，主要包含在不同的设计频率下来用水量平衡分 析计算，确定在不同设计频率，不同工况下雨水利用亩均耕地最大可蓄水量和合 理的水旱比、亩均塘库容积，以及抗旱应急措施和生态治理措施。 胡人伟扬州市丘陵山区小流域生态治理模式研究1 7 不i 司灌溉设计保证率 下来用水参数的确定 南均耕地町蓄水量计 算 亩均耕地农业需水量 计算 小流域小同设计灌溉保证率下来用水量 甲衡分析计算 生态需水量亩均耕地 分摊量计算 现有塘库容积，不i 司水旱 比下，亩均耕地逐月来用 水量平衡计算分析 在不同的水早比下，求解 不需提水灌溉所对应的亩 均库塘容积 确定7 5 频率，典型小流域 不同水旱比所对应的不需提 水灌溉亩均库塘容积 设计平水年、特殊干旱年情 况下，提出小流域农业抗旱 应急措施。 小流域生态治理措施：分区 和生态河道、塘堰和水库的 构建方法。 图1 1 技术路线框图 扬州大学硕+ 学位论文 2 扬州市丘陵山区雨水集蓄利用系统模型 雨水集蓄利用系统包含雨水集流子系统、雨水储存子系统和供水及灌溉子系 统，他们相互关联，相互制约，构成雨水径流集蓄利用这个大的宏观系统，在模 型结构上，可以划分为物理系统模型和经济系统模型，物理系统模型主要目的为 雨水集蓄利用可行性，而经济系统模型是在可行性的基础上进行效益优化选择， 得到最优结果。 2 1 雨水集流系统物理模型 2 1 1 雨水集流系统物理模型 雨水集流面按土地利用类型可分为水田、旱田( 包含菜地) 、水面、林地、草 地、居住工矿房屋建筑、道路和废弃地等，其中水田与旱田之和为耕地，其余为 非耕地。按径流系数大小类型可分为透水面和不透水面，其中耕地、水面、林草 地、土质道路、废弃地等为透水面，其余为不透水面。本文为计算需要，集流面 结合以上两种类型，主要分为水田、旱田、水面、林草地、不透水面和其它形式 下挚面，其中其它形式下挚面是具体情况具体分析，分别计算不同集流面的径流 深r ，乘以径流面面积彳，得到径流量形，从而得到总降雨径流量亲，即 66 眠= 罗彳，r ，= 罗形，其中水面径流量不包含水面蒸发渗漏量( 水面蒸发渗漏损 m _ 。_ 一 j = l，= l 失计入生态环境需水量) 。雨水集流模型结构见图2 1 。 2 1 2 雨水储存系统物理模型 目前雨水储存方式主要为水库、塘堰、水窖与河槽，其中水窖主要适用于黄 土高原等干旱与半干旱地区，而水库塘堰则在湿润的山丘区较为常见。河槽作为 输排水渠道，作为山丘区供水系统的“藤”，由于地形限制，渗漏量较大，蓄水能 力有限，由于节制，可以把河槽看成是一个微型水库，因此可以把节制河槽的容 积纳入库塘计算容积。不同的地区选择不同的雨水储存方式，储水措施的来用水 量平衡计算方法也不同，如水窖主要储水设施，那么其蒸发量和渗漏量就很小， 一般只占水窖总供蓄水量的1 0 左右，而库塘却不同，南方地区水面年蒸发量 胡人伟扬州市丘陵山区小流域生态治理模式研究 1 9 1 0 0 0 l i u i l 左右，库塘蒸发水量损失很大。因此，在来水量一定的情况下，南方地 区应尽量减少库塘水面积，增加平均蓄水深度，减少水量蒸发量损失，提高库塘 蓄水灌溉效率。扬州丘陵山区储水设施主要为库塘，目标是求得相应的库塘容积， 推算公式为= 陈+ 塘一一，其中珞塘是库塘蓄水量，上限为库塘容 积，即蓄满容积，模型结构可用下图2 2 表示。 一 水田彳。 _ 一径流r ，来。 _ 一 不 一旱田彳：h 径流尺：，来：卜一 不 同 同 频 频 一 水面彳，卜- 叫径流飓，矽来，卜一 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