基于水量配置模型的江蘇省南水北調工程受水區缺水量探討

趙華清，常本春，楊樹灘，王臘春

(1.南京大學地理與海洋科學學院，江蘇南京 210093;2.江蘇省水利廳水資源服務中心，江蘇南京 210029)

1 研究區范圍

研究范圍為南水北調主體工程規劃確定的江蘇省受水區范圍，包括淮安、宿遷、徐州、連云港等4市的所有轄區以及揚州市的江都、高郵、寶應縣和鹽城市阜寧縣各一部分，基本以現狀排灌體系和高程2.5 m等高線以上綜合確定，總面積約為4.31萬km2。受水區劃分采用江蘇水資源評價分區體系，如表1及圖1所示。

表1 江蘇省水資源分區與受水區的關系

圖1 江蘇省水資源四級分區分布示意圖

2 用水戶概化

2.1 數量統計

按照農業、工業、生活、生態、船閘5大類統計規劃年(2020年)的取水口和用水戶。概化前，2020規劃年受水區輸水干線共有用水戶364個，其中農業用水戶106個，工業用水戶101個，生活用水戶73個，生態環境用水戶13個，船閘用水戶71個;受水區規劃年共有取水口912個，其中農業取水口654個，工業取水口101個，生活取水口73個，生態環境取水口13個，船閘取水口71個。

2.2 概化方法

針對干線上用水戶和取水口較多的情況，且為了滿足模型計算的需要，采用“打包法”合并河網概化節點間的5類用水戶，將其概化為一個用水戶節點，用5位二進制編碼進行識別，如果概化的用水戶節點上有5類用水戶之一，則將該類用水戶對應的編碼位置賦值為1，否則為0。若為1，則在用水戶概化表中，找到該用水戶，并把概化圖中的該用水戶首末節點注明到該用水戶后面，以便模型程序讀取時方便查找[2]。

對于直接在干線上取水的，記為干線用水戶，其需水記為干線需水;不在干線取水的，按農業、工業、生活、生態、船閘5大類進行統計，將其概化到所在行政分區和水資源分區，記為面上用水戶，其需水量記為面上需水量。為了方便后文需水量計算的需要，用水戶概化的參數有用水戶名稱、年需水量、取水口門規模、取水河道的首末節點、所在水資源分區、所在行政區等。本文提到的取水干線是指概化的江蘇省南水北調受水區河網主干線，靠近干線的用水戶直接從干線取水，遠離干線的用水戶通過次級河道或者開挖河道等方式取水。林牧漁業與農業的關系較緊密，林牧漁業需水作為面上需水，最后與農業需水合在一起記為農業需水。

2.3 概化成果

按照概化原則概化后，規劃年研究區共有取水口211個，其中農業取水口111個，工業取水口32個，生活取水口34個，生態環境取水口11個，船閘取水口23個;共有用水戶174個，其中農業用水戶92個，工業用水戶23個，生活用水戶25個，生態環境用水戶11個，船閘用水戶23個。

3 本地水資源量和供水量

3.1 本地產流量

水文模型只是對水文現象的一種簡單概括，因此叫做水文模擬[3]。考慮到農業的需水特性，根據江蘇現狀實際灌溉保證率水平，分別選取50%保證率(平水年)、75%保證率(一般干旱年)、95%保證率(特殊干旱年)作為計算頻率。根據1956—2000年45a長系列年降雨量資料，排頻選擇不同降雨保證率年型對應的年份為:1983年(P=50%);1968年(P=75%);1966年(P=95%)。

按產流特點將下墊面劃分為城鎮建設用地、水域、水田、旱地等類型，分別建立產流模型。研究區下墊面總面積約為4.31萬km2(包括水面面積)。各水資源分區的產流量及產流系數見表2。本研究區主要為平原水網地區，水面、水田所占比重較大。研究區在汛期地下水埋深較淺，土壤含水量較高，且易得到補充，故采用單層蓄滿產流計算;參照文獻[4]，本文水田產流計算時把滲漏量的1/6作為回歸水量。

表2 水資源分區的產流量及產流系數

分析表2，豐沛區1968年的徑流系數比1966年的徑流系數小，其主要原因為1968年豐沛區的年降雨量與年蒸發量之比較1966年小。根據文獻[5]，3種年型下受水區產流量對比見表3。本次產流量計算值有誤差，但模擬結果在合理范圍內。

同時，規范了吞咽障礙患者鼻飼管理方案方面，明確了鼻飼的目標適應證、禁忌證以及并發癥的監測與管理等。同時，專門成立了鼻飼護理小組，對營養支持途徑、喂養方式及管理方案進行臨床決策，對參與鼻飼護理的工作人員進行教育和培訓。

表3 3種年型下受水區產流量對比

3.2 上游來水量

根據淮河(包括沂沭泗)上中游1956—2000年入境水量系列資料分析，淮河上中游入洪澤湖和駱馬湖水量之和多年平均為254.90億m3、P=75%、P=95%保證率下分別為111.8 億 m3、56.0 億 m3。

3.3 南水北調東線工程供水量

參考相關資料，按照當地徑流量、上游來水量、工程規模和需水量進行調節計算，2020規劃水平年，南水北調東線一期工程多年平均調水量為116.9億m3，一般干旱年份調水量為126.8億 m3，特殊干旱年份調水量為143.8億m3。最大年調水量約為155.0億m3，最小年調水量約為91.6億m3。

南水北調東線一期工程多年平均調水量中，計劃供應山東省13.53億 m3、安徽省3.51億 m3(不包括計算上游來水量中已經扣除的安徽省用水量)，這部分供水的保證率幾乎達100%;供應江蘇省為:多年平均 98.9億 m3，一般干旱年 108.8 億m3，特殊干旱年 125.8 億 m3。

4 用水戶需水計算模型

灌溉水利用系數取值范圍為0.571～0.690，用水戶資料采用2020規劃水平年的，面雨量和蒸發量根據逐日降雨和蒸發計算得到。

4.1 水稻灌溉

產流部分建立的水田產流模型是平原流域產匯流模型的一個重要組成部分，用以計算流域內水田部分的產水量，也應用于計算水稻田灌溉定額。對于確定流域水資源量、服務水資源配置和調度、指導農業生產及規劃農田水利工程規模等有重要意義[6]。

文獻[7]擬定各分區水稻的整個生長期分為秧田期、泡田期、生育期。由于秧田期的歷時占水稻整個生長期歷時的比例較小，且秧田期的灌水定額占整個生長期灌溉定額的比例很小，秧田期灌水量取生育期用水量的1/10～1/12。旱育秧采用濕潤灌溉方式，取值則更小，今后將全面推廣，故本文分為泡田期和生育期兩個時期對水稻灌水定額進行推算。

a.水稻泡田期。水稻泡田定額根據土壤、地勢和耕作深度相似田塊上的實測資料確定，同時考慮地下水埋深的影響，再根據調查獲得的各分區土壤結構加權計算確定泡田定額。

b.水稻生育期。根據水稻各個生育期的適宜水深下限、最大耐淹水深、水稻田日滲透量以及當地的灌水經驗，由生育期的水量平衡方程進行逐日計算得到生育期的灌溉制度，結合水稻田的產流過程，建立受水區水稻田灌溉需水模型。土壤水深達到水稻耐淹水深時開始產流;土壤水深開始低于水稻適宜水深下限時開始灌溉，灌溉至水稻適宜水深。

水田產流過程R的推求過程為:式中:R為水稻田日產水量;mm;H1為時段初水稻田水深，mm;H2為時段末水稻田水深，mm;α為水稻各生長期的需水系數;β為水面蒸發折算系數;f為水稻田日滲透(漏)量，mm;HP為各生長期水稻耐淹水深，mm;Hu為各生長期水稻適宜水深，mm;Hd為各生長期水稻適宜下限水深，mm;

如果水稻田日產水量為負值，則代表需要灌溉;如果為正值，則代表水稻田產水，不需要灌溉[8]。根據生育期的灌溉制度逐日推算在節水灌溉方式下的水稻灌溉凈定額，分析獲得各水資源分區3種年型下水稻毛灌溉定額，然后推導出水稻整個生長期的灌溉定額，如表4所示。

表4 水稻生長期總灌溉定額 m3/hm2

4.2 旱地灌溉

研究區目前主要種植小麥、玉米、棉花、油料、蔬菜等旱作物。筆者把小麥、玉米、棉花、油料4種旱作物灌溉需水量記為水澆地灌溉需水量;蔬菜灌溉需水量記為菜地灌溉需水量。

4.3 需水量計算

干線需水量包括部分農業需水量、工業需水量、生活需水量、生態需水量和船閘需水量。模型計算干線上農業需水量包括水稻灌溉需水量和旱地灌溉需水量(水澆地和菜地灌溉需水量)，結果見表5。采用定額法計算得:在干線取水的非農用水戶總需水量為30.26億m3，其中工業需水量為8.08億m3，生活需水量為9.49億m3，生態需水量(河道內生態需水量)為4.84億 m3，船閘需水量為7.85億 m3。在此簡要說明:河道內生態環境需水量指為維持生態與環境功能和進行生態環境建設所需的最小水量;河道外生態環境需水指保護、修復或建設給定區域的生態環境需要人為補充的水量。本文中干線上的生態需水量是指河道內生態需水量;面上的生態需水量是指河道外生態需水量[9]。

表5 水稻生長期和旱地灌溉需水量 億m3

同樣采用定額法計算面上總需水量為45.84億m3，其中包括林牧漁業需水量9.73億m3，工業需水量25.15 億m3，生活需水量9.20 億m3，生態需水量(河道外生態需水量)1.76億m3。

4.4 供需平衡分析

3種年型下分行業統計需水量(包括干線需水量和面上需水量)，結果見表6;把《江蘇省需水量預測報告》中預測的2020規劃年需水量作為參考值(表6)，該報告中需水量不包括河道內生態需水量和船閘需水量。為了使本文的計算值與參考值具有可比性，把本文計算的總需水量減去部分生態需水量(即干線上生態需水量)和船閘需水量后再進行比較，則相對誤差分別為 -2.37%(P=95%)，2.64%(P=75%)，6.58%(P=50%)，對比結果見表7。本文計算值與參考值相比有一定誤差，誤差主要是由于參與計算的農業面積不完全相同等造成的。但誤差最大僅為6.58%，說明本文建立的需水模型能較好的模擬研究區的需水量。

表6 年總需水量計算值與參考值 億m3

表7 年總需水量計算值與參考值對比

當前江蘇農業水資源存在的主要問題包括資源型缺水、水質型缺水和季節性干旱3個方面[10]。限于文章內容，本文只分析資源型缺水量。參考相關資料，經1956—2000年長系列供需平衡調節計算，南水北調東線一期工程實施后，2020規劃水平年江蘇省受水區缺水總量較現狀有較大幅度下降，P=95%年型缺水率為8.74%，缺水量為20.58億m3;P=75%年型缺水率為0.24%，缺水量為0.47億m3;P=50%年型缺水率為0.15%，缺水量為0.28億m3。可見南水北調東線一期工程實施后該區域水資源保障能力較強。

水資源利用率低、浪費嚴重是缺水原因之一，灌溉水源30%以上耗費在各級渠道上，建議加強渠道防滲化，提高輸水的有效利用率[11];部分地區缺水量較大是取水口門規模太小造成的，建議進行工程改造，加大取水口的規?；蛘邤盗?前期所概化的河道的河寬和河長等也可能會影響缺水量。

5 結語

本文以南水北調東線一期工程即將全線通水為契機，結合江蘇省南水北調水量配置，建立江蘇省南水北調受水區的產流模型和需水模型，計算3種年型下受水區的產流量和需水量，簡要進行供需平衡分析。采用2020規劃水平年的用水戶數據，計算2020水平年受水區在P=50%、P=75%和P=95%3種年型下的缺水量分別為0.28億m3，0.47億m3和20.58億m3，相關部門可以參考受水區缺水量進行水資源調度。本文研究內容根據江蘇省南水北調水量配置研究而來，有許多需要加深研究的地方。隨著經濟的發展等，受水區的下墊面情況會發生變化，比如路面的硬質化率增加等將影響產匯流過程的模擬;非農需水(如生活需水等)會隨著季節的變化而發生變化，其需水過程是一個波動過程等問題，是需要進一步研究的地方。

[1]馮旭松.南水北調工程與節水型社會建設[J].水利經濟，2008，26(6):13-16.

[2]李增福.江蘇省南水北調受水區水文模型研究[D].南京:南京大學，2011.

[3]趙人俊.降雨徑流流域模型簡述[J].人民黃河，1983(2):40-43.

[4]江蘇省水文水資源勘測局.江蘇省水資源調查評價[R].南京:江蘇省水文水資源勘測局，2006.

[5]江蘇省水利廳.江蘇省水資源綜合規劃[R].南京:江蘇省水利廳，2002—2011.

[6]江蘇省水利廳.江蘇省農作物灌溉試驗資料整編與分析[R].南京:江蘇省水利廳，1991.

[7]林剛毅，羅上，石亞東，等.基于土壤非飽和狀態下對水稻田產流模型的改進及驗證[J].節水灌溉，2011(10):33-41.

[8]王船海，王娟，程文輝，等.平原區產匯流模擬[J].河海大學學報:自然科學版，2007，35(6):627-632.

[9]宋蘭蘭，陸桂華.生態環境需水研究綜述[J].水利水電科技進展，2004，24(3):57-61.

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[11]吳玉柏，常本春，王亦斌.江蘇省農業節水問題研究[J].水資源保護，2002(2):53-70.