褚遠(yuǎn)恒,廖和平,2,羅 剛,劉 明,李 強(qiáng)
(1. 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,重慶 400715;2. 西南大學(xué)國(guó)土資源研究所,重慶 400715;3. 重慶市國(guó)土資源和房屋勘測(cè)規(guī)劃院,重慶 400715)
基于GIS的土地整治水源工程空間布局研究
——以重慶市黔江區(qū)水市村為例
褚遠(yuǎn)恒1,廖和平1,2,羅 剛1,劉 明3,李 強(qiáng)1
(1. 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,重慶 400715;2. 西南大學(xué)國(guó)土資源研究所,重慶 400715;3. 重慶市國(guó)土資源和房屋勘測(cè)規(guī)劃院,重慶 400715)
主要利用GIS對(duì)土地整治中水源工程空間布局進(jìn)行研究,通過(guò)GIS對(duì)規(guī)劃區(qū)進(jìn)行DEM空間數(shù)字模擬,分析出項(xiàng)目區(qū)水資源的供給量數(shù)據(jù)生成、總需求量分析和供需平衡分析,并在此基礎(chǔ)上分析水源工程的布局情況,項(xiàng)目區(qū)多數(shù)區(qū)域水資源可在阿蓬江支流取水,局部區(qū)域因缺水相應(yīng)的蓄水設(shè)施水資源相對(duì)匱乏,如項(xiàng)目區(qū)西北部的旱地區(qū)。在干旱區(qū)域進(jìn)行綜合治理和在合理利用水資源的原則下,對(duì)水源工程合理布局安排,新建蓄水池5口,解決該區(qū)域旱地干旱季節(jié)缺水問(wèn)題。
空間分析;水源工程;空間布局;黔江區(qū)
土地整治是適應(yīng)新時(shí)期建設(shè)高效農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要手段,是建設(shè)社會(huì)主義新農(nóng)村的重要內(nèi)容。水源工程是土地整治工程中最主要的工程部分之一,是指發(fā)展灌溉,調(diào)節(jié)地區(qū)水情,改善農(nóng)田水分狀況,以促進(jìn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的綜合性科學(xué)技術(shù)。其任務(wù)是通過(guò)工程技術(shù)措施對(duì)農(nóng)業(yè)水資源進(jìn)行攔蓄,并結(jié)合農(nóng)業(yè)技術(shù)措施進(jìn)行改土培肥,擴(kuò)大土地利用,以達(dá)到農(nóng)業(yè)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的[1]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合GIS等統(tǒng)軟件對(duì)農(nóng)田水利、土地整治等方面進(jìn)行了不少研究[2-7]。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況,因地制宜地做好水源類型的備選,確定最優(yōu)的水源工程方案,不僅可以減少土地整理工程的建設(shè)費(fèi)用,而且可以降低工程設(shè)施后期的使用、管護(hù)費(fèi)用。因此水源工程方案是否科學(xué)合理關(guān)系到整個(gè)土地整治項(xiàng)目的成敗[8]。
在土地整治中對(duì)農(nóng)田水利工程的規(guī)劃,規(guī)劃工作者存在重細(xì)部而輕布局的現(xiàn)象,對(duì)農(nóng)田水利工程的空間布局缺乏系統(tǒng)的理論。研究范圍處于經(jīng)濟(jì)落后區(qū)域時(shí),財(cái)政上往往不能滿足一次性投入較大的建設(shè)工程。筆者通過(guò)對(duì)黔江區(qū)水市鄉(xiāng)土地整治項(xiàng)目水源工程方案選擇過(guò)程的實(shí)例分析,綜合考慮業(yè)主需求、投資經(jīng)濟(jì)、使用安全的情況,旨在利用GIS平臺(tái)對(duì)土地整治項(xiàng)目水源工程進(jìn)行規(guī)劃布局,從而解決項(xiàng)目區(qū)干旱問(wèn)題。
水市村位于黔江區(qū)西南部,是水市鄉(xiāng)的一個(gè)自然行政村,地理坐標(biāo)介于東經(jīng)108°41'31″~108°43'32″,北緯29°14'40″~29°16'54″之間。項(xiàng)目區(qū)旱地多呈坡狀,多數(shù)旱地集中成片,整個(gè)項(xiàng)目區(qū)旱地主要分為二片,一是東北部水市村五組一帶,一是東南部水市村七組一帶。項(xiàng)目區(qū)水田范圍很小且地勢(shì)較為平坦,梯面坡度均在6~15°之間,水田塊狀零散分布在水市村三組的北部地區(qū)。
根據(jù)縣農(nóng)業(yè)局資料介紹、實(shí)地踏勘和采訪了解到,自建國(guó)以來(lái),項(xiàng)目區(qū)干旱現(xiàn)象較為嚴(yán)重,尤其以伏旱和秋旱危害最為嚴(yán)重。干旱多發(fā)生在每年的7~8月,持續(xù)時(shí)間一般在20~25 d。由于項(xiàng)目區(qū)土壤為黃泥土,保水能力較弱,干旱現(xiàn)象導(dǎo)致土壤開裂,難以正常耕作,造成糧食作物大量減產(chǎn)。從現(xiàn)狀圖及影像數(shù)據(jù)可以看出,項(xiàng)目區(qū)灌溉水源主要來(lái)自降水、河流和山坪塘。臨近河流的水田可以通過(guò)抽水灌溉,而其他地區(qū)主要靠項(xiàng)目區(qū)內(nèi)外的提灌站提水,通過(guò)灌溉渠將水傳輸?shù)礁髌镏袧M足灌溉需求,因此提灌站與灌溉渠的輸水能力決定著項(xiàng)目區(qū)耕地的灌溉條件。當(dāng)前部分區(qū)域提灌設(shè)施比較完善,運(yùn)作良好;部分區(qū)域缺少灌溉設(shè)施,灌溉能力較弱,這類區(qū)域往往山坪塘現(xiàn)狀也較差,嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
2.1 水源供給量數(shù)據(jù)生成
農(nóng)田水利工程的水源主要考慮地表水,主要靠坡面匯流而成。通過(guò)對(duì)項(xiàng)目區(qū)的地形數(shù)據(jù)進(jìn)行3D地形圖的生成,依靠數(shù)字模擬的方法,提取出某個(gè)點(diǎn)的坡面匯水量,這樣就得到了地面上某一個(gè)點(diǎn)的供水量數(shù)據(jù)。項(xiàng)目組采用研究區(qū)地形圖數(shù)據(jù),通過(guò)ArcGIS軟件得到坡度和高程,并對(duì)其進(jìn)行水文分析,得到匯流積累量分布(圖1)。
圖1 項(xiàng)目區(qū)匯流積累量分布
項(xiàng)目區(qū)灌溉水源主要來(lái)自地表水,項(xiàng)目區(qū)全年降水量豐富,利用Arcgis空間分析DEM數(shù)據(jù)圖可以得出,項(xiàng)目區(qū)多年平均降雨量為1 293.8 mm,多年平均徑流深約為561 mm。根據(jù)DEM圖,項(xiàng)目區(qū)境內(nèi)集雨面積約為465.63 hm3,項(xiàng)目區(qū)多年平均年徑流量約為261.22萬(wàn)m3。
由以上分析可知,項(xiàng)目區(qū)地表水資源總量充沛,可利用水量豐富。項(xiàng)目區(qū)可通過(guò)灌溉渠、山坪塘等水利設(shè)施對(duì)地表水進(jìn)行利用,參照《黔江區(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)劃報(bào)告》,地表水利用率約為20%,因此項(xiàng)目區(qū)全年灌溉水源總量約為52.24萬(wàn)m3。
2.2 水資源總需求量分析
項(xiàng)目區(qū)屬于半濕潤(rùn)地區(qū),水資源平衡分析應(yīng)在分析全年供需水量平衡的前提下,進(jìn)一步分析項(xiàng)目區(qū)干旱季節(jié)水量供需情況,并結(jié)合項(xiàng)目區(qū)水資源分布情況,進(jìn)行區(qū)域分析。項(xiàng)目區(qū)需水量主要分為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水和居民生活用水,無(wú)工礦企業(yè)。居民生活用水水源為項(xiàng)目區(qū)小型水井,水量相對(duì)充足,因此在需水量預(yù)測(cè)中,僅對(duì)項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求和項(xiàng)目區(qū)水資源潛力情況、規(guī)劃后項(xiàng)目區(qū)耕地類型、種植結(jié)構(gòu)、作物組成、種植制度和耕地的復(fù)種指數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需水量。
根據(jù)縣農(nóng)業(yè)局資料,項(xiàng)目區(qū)需水作物組成主要有水稻、小麥、玉米、紅薯和蔬菜等,其中水田僅種植一季水稻,旱地主要種植小麥、玉米、紅薯和蔬菜,旱地復(fù)種指數(shù)120%。結(jié)合當(dāng)?shù)厮臍庀?、水土資源、作物組成、灌區(qū)規(guī)模、灌水方法及經(jīng)濟(jì)效益等因素,根據(jù)《重慶市土地開發(fā)整理工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》和GB50288—1999 《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》,項(xiàng)目區(qū)屬于渝東南山地工程類型區(qū),通過(guò)工程措施,水田灌溉保證率應(yīng)達(dá)到85%,旱地灌溉保證率應(yīng)達(dá)到75%。
根據(jù)上述農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況進(jìn)行需水量預(yù)測(cè),由《重慶市農(nóng)業(yè)用水定額(試行)》取用各種作物用水定額如表1。
表1 不同灌溉保證率下各種作物用水定額樣品信息
根據(jù)上表定額數(shù)據(jù)計(jì)算每種作物的需水量:
項(xiàng)目區(qū)作物的需水量用下列公式計(jì)算:
式中:Q需為作物需水量(m3);M凈為灌溉凈定額(m3/hm2);h為灌溉水利用系數(shù)(水田取0.85,旱地“點(diǎn)澆”可達(dá)0.92);A為作物種植面積(hm2)。
由以上公式及數(shù)據(jù)計(jì)算得出各種作物需水量,見表2。
表2 各種作物需水量表
由上表計(jì)算可知,項(xiàng)目區(qū)在設(shè)計(jì)灌溉保證率下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水總需水量約為59.6萬(wàn)m3,而項(xiàng)目區(qū)多年以來(lái)平均年徑流量約為261.22萬(wàn)m3,因此水資源在總體上滿足灌溉需求。
2.3 水資源供需平衡分析
2.3.1水資源的全域分析項(xiàng)目區(qū)全年水資源總量豐富,但時(shí)空分布不均,雖然項(xiàng)目區(qū)全年水資源總量完全滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求總量,但在不同季節(jié)不同區(qū)域,水資源供給量與作物生長(zhǎng)需水量供需不平衡。
2.3.2水資源的局部平衡分析根據(jù)圖2可知,項(xiàng)目區(qū)干旱季節(jié)灌溉水源主要來(lái)源于提灌站從項(xiàng)目區(qū)內(nèi)外河流中提取的水量和山坪塘,此部分水量用于項(xiàng)目區(qū)局部區(qū)域季節(jié)性干旱時(shí)期灌溉。項(xiàng)目區(qū)山坪塘水面面積約為0.3 hm2,干旱季節(jié)總供水總量約為1.22萬(wàn)m3;另外,項(xiàng)目區(qū)可通過(guò)提灌站提取項(xiàng)目區(qū)內(nèi)阿蓬江河流中的水,干旱季節(jié)可作為項(xiàng)目區(qū)的主要灌溉水源,提灌站供水量約為45.76萬(wàn)m3。在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi),項(xiàng)目區(qū)水田平均日耗水量約為6.0 mm,旱地平均日耗水量約為3.0 mm/d。
圖2 水資源空間分布
式中:Q水代表水田、旱地的凈需水量;E水、E旱代表水田、旱地日耗水量,根據(jù)灌溉定額、灌溉制度、灌水制度,推算水田日耗水量約為6.0 mm,旱地日耗水量約為3.0 mm;S水、S旱分別代表代表水田、旱地灌區(qū)面積;T代表干旱季節(jié)持續(xù)時(shí)間,根據(jù)項(xiàng)目區(qū)作物組成及干旱情況,取用22 d進(jìn)行計(jì)算分析。
由此計(jì)算項(xiàng)目區(qū)干旱季節(jié)(以22 d計(jì)算)水田需水量約為4.94萬(wàn)m3,旱地需水量約為11.3萬(wàn)m3,干旱季節(jié)項(xiàng)目區(qū)需水總量約為16.24萬(wàn)m3。
從項(xiàng)目區(qū)灌溉干旱季節(jié)水資源供需數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,干旱季節(jié)山坪塘供水量1.22萬(wàn)m3,提灌站供水量約為45.76萬(wàn)m3,項(xiàng)目區(qū)干旱季節(jié)總水量約為16.24萬(wàn)m3,該水量可作為水田旱地的灌溉水源。由此可見在干旱季節(jié)時(shí)期,項(xiàng)目區(qū)總體上水資源充足,可以滿足項(xiàng)目區(qū)抗旱需要。
區(qū)水資源空間分布不均:根據(jù)通過(guò)匯流量的DEM數(shù)據(jù)結(jié)合項(xiàng)目區(qū)的作物灌溉用水定額分析,選擇閾值為1.5進(jìn)行劃為缺水區(qū)域,而水利工程的布局也在這些區(qū)域內(nèi)布局其中黑色部分為缺水區(qū)。由此可見,項(xiàng)目區(qū)水資源儲(chǔ)量空間分布不均。
如圖3所示,黑色部分為水資源缺乏區(qū)域。為解決項(xiàng)目區(qū)內(nèi)水源空間分布不均的問(wèn)題,必須適當(dāng)在局部旱地缺水嚴(yán)重的地區(qū)布置蓄水池,從而解決由于地形因素引起的局部缺水問(wèn)題。從項(xiàng)目區(qū)整體分析來(lái)看,項(xiàng)目區(qū)灌溉水資源總量完全可以滿足作物全生育期灌溉用水要求。但仍存在時(shí)空分布不均的問(wèn)題:時(shí)間分布上,項(xiàng)目區(qū)干旱季節(jié)灌溉水源總量相對(duì)較少;空間分布上,因地形差異和區(qū)域水利設(shè)施條件差異,項(xiàng)目區(qū)可能出現(xiàn)區(qū)域性干旱問(wèn)題。針對(duì)項(xiàng)目區(qū)可能出現(xiàn)的季節(jié)性和區(qū)域性干旱問(wèn)題,必須通過(guò)采取相應(yīng)的工程措施來(lái)改善項(xiàng)目區(qū)地表水資源時(shí)空分布不均的情況,充分結(jié)合原有水利設(shè)施,結(jié)合局部區(qū)域地形條件,依照就地?cái)r蓄利用的原則,維修灌溉渠和新建蓄水池來(lái)調(diào)節(jié)水源分布。通過(guò)以上工程措施,預(yù)計(jì)可有效增加水資源總量,補(bǔ)充現(xiàn)有缺水量。
2.4 工程設(shè)施的空間布局
2.4.1項(xiàng)目區(qū)水源工程的現(xiàn)狀從耕地類型角度來(lái)看,多數(shù)水田因位置較低,可以匯集并貯存一定水量,但因現(xiàn)有田坎保水性能差,無(wú)法充分蓄積水源,因此部分水田容易受到干旱影響;旱地多位于半坡地帶,且多為坡耕地,因常年順坡耕作,含蓄水源能力有限,貯存水量較少,水資源儲(chǔ)量相對(duì)較少,易受到季節(jié)性干旱的影響。從項(xiàng)目區(qū)具體位置來(lái)看,項(xiàng)目區(qū)多數(shù)區(qū)域水資源可阿蓬江支流取水,局部區(qū)域因缺水相應(yīng)的蓄水設(shè)施水資源相對(duì)匱乏,如項(xiàng)目區(qū)西北部的旱地區(qū)(圖4)。
圖4 項(xiàng)目區(qū)水源工程的現(xiàn)狀圖貌和能譜
項(xiàng)目區(qū)內(nèi)現(xiàn)有灌溉水源主要來(lái)自黃蓮坪水庫(kù)、山坪塘和河流,通過(guò)從黃蓮坪水庫(kù)取水可以灌溉其周圍的田地,部分區(qū)域則通過(guò)山坪塘、河流等取水灌溉田地,項(xiàng)目區(qū)黃蓮坪水庫(kù)和山坪塘的蓄水能力都較好,基本能夠滿足項(xiàng)目區(qū)的供水需求,坡度在25°以上的區(qū)域因?yàn)椴贿m宜耕種,只有部分旱地區(qū)域無(wú)水源保證,因此不考慮修建蓄水池。
根據(jù)圖像自然災(zāi)害、土地利用限制性因素和項(xiàng)目區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施狀況的分析可知,項(xiàng)目區(qū)農(nóng)田水利工程的主要內(nèi)容是解決項(xiàng)目區(qū)干旱問(wèn)題。對(duì)于干旱問(wèn)題,主要進(jìn)行蓄水設(shè)施的新建來(lái)解決的,主要修建蓄水池。
2.4.2水源工程空間布局根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地形條件分析,項(xiàng)目區(qū)北部水田村一組及大塘村五組柿子灣附近及彭家曹南部大片旱地以及項(xiàng)目區(qū)南部石郎村六組的大片旱地可以從附近的山坪塘、水池、溪溝等處取水灌溉;項(xiàng)目區(qū)西部大塘村三組的大片旱地可以從黃蓮坪水庫(kù)取水灌溉;但項(xiàng)目區(qū)中部、東部及西南部的部分旱地缺少水源,為此在該區(qū)域與排水設(shè)施配套新建蓄水池,共5口(水源工程GXSC1位于大塘村五組,GXSC2、GXSC4和GXSC5位于大塘村三組,GXSC3位于大塘村二組),方便該區(qū)域旱地取水進(jìn)行作物點(diǎn)灌和噴灑農(nóng)藥,從而解決該區(qū)域旱地干旱季節(jié)缺水問(wèn)題。
通過(guò)新修蓄水設(shè)施及原有灌溉設(shè)施的配合使用,整個(gè)項(xiàng)目區(qū)將有一個(gè)良好的灌溉系統(tǒng)。整個(gè)項(xiàng)目區(qū)的灌溉通過(guò)原有灌溉渠道和現(xiàn)有規(guī)劃蓄水池基本都能得到解決,結(jié)合土地利用類型如圖5。
圖5 水源工程的空間布局
在土地整治工程中水源工程直接關(guān)系到農(nóng)戶的用水狀況,對(duì)于糧食的旱澇保收有著重要的保障意義,對(duì)于解決“三農(nóng)”問(wèn)題具有重大的意義。但是在我國(guó)在土地整治中的小型農(nóng)田水源工程的布局中還存在諸多問(wèn)題,規(guī)劃工作不到位就是主要問(wèn)題之一。因此在水源規(guī)劃工作中要嚴(yán)格要求,項(xiàng)目組通過(guò)對(duì)項(xiàng)目區(qū)的現(xiàn)狀地形圖進(jìn)行研究,并結(jié)合實(shí)地調(diào)研,利用ArcGIS等工具對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行水平衡分析,從而較科學(xué)地設(shè)計(jì)出項(xiàng)目區(qū)的農(nóng)田水利設(shè)施的空間布局,對(duì)今后土地整治工程中水源工程的布局提供參考。
當(dāng)今土地整治水源工程的建設(shè)中,技術(shù)人員往往憑借既有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行水源工程的空間布局。這樣的布局合理性受設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平的約束,顯得不盡科學(xué)合理。借助GIS等軟件進(jìn)行定量分析,并結(jié)合定性分析對(duì)水源工程的布局提供更科學(xué)合理的參考。但是利用GIS等計(jì)算機(jī)輔助分析也存在一定的缺陷,對(duì)技術(shù)人員要求比較高,其次是數(shù)據(jù)處理較為繁瑣,這也是今后利用GIS等軟件對(duì)土地整治的瓶頸之一,希望隨著信息技術(shù)的發(fā)展能在以后得到突破。
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(責(zé)任編輯:肖彥資)
Spatial Distribution of Water Resources Project in Land Consolidation Based on GIS——A Case Study of Shuishi Village, QianjiangCounty, Chongqing
CHU Yuan-heng1,LIAO He-ping1,2,LUO Gang1,LIU Ming3,LI Qiang1
(1. School of Geographical Science, Southwest University, Chongqing 400715, PRC; 2. Institute of Land Resources, Southwest University, Chongqing 400715, PRC; 3.Chongqing Land Resources and Housing Surveying & Planning Institute, Chongqing 400715, PRC)
The research used GIS to study on spatial distribution of water resources project in land consolidation, carry out DEM spatial digital simulation in planning area by GIS, analyzed the supply data generationof water resources in the project area, total demand analysisand analysis of the balance of supply and demand, then analyzed the layout situation of water source project, most regional water resources in the project area can took water from tributary of Apeng River, the lack of the water source of the local region due to lack of water storage facilities, such as dryland in the northwest of the project area. Put forward comprehensive treatment in arid area and under principles of rational utilization of water resources, making reasonable arrangement for water source project, 5 water storage facilities will be built to solve drought problem in dry season.
spatial analysis; water source project; spatial layout; Qianjiang District
book=43,ebook=51
S275
A
1006-060X(2016)12-0043-04
10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.012.015
2016-09-08
國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2013BAJ11B02);重慶市社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(2013YBGL128)
褚遠(yuǎn)恒(1990-),男,四川廣元市人,碩士研究生,研究方向?yàn)橥恋卣巍⑼恋乩靡?guī)劃和資源環(huán)境統(tǒng)計(jì)研究。
廖和平