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        寒地井灌水稻田區(qū)曬水池用地空間布局研究
        ----以七星農(nóng)場為例

        2017-03-22 06:39:05杜國明張志宇高君峰于鳳榮
        中國農(nóng)村水利水電 2017年10期
        關(guān)鍵詞:管理區(qū)寒地七星

        杜國明,張志宇,高君峰,于鳳榮,馮 悅,春 香

        (1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,哈爾濱 150030;2.黑龍江省農(nóng)墾科學(xué)院科技情報研究所,哈爾濱 150038)

        0 引 言

        在氣候變暖及土地整治、育種、耕作技術(shù)等推動下,我國水田種植邊界不斷北移[1],但氣溫低、水溫低、生長期短等一直是寒地水田面積擴(kuò)張和產(chǎn)量提升的限制性因素。在水稻生長期對灌溉用水進(jìn)行增溫是寒地水稻防治冷害、促進(jìn)水稻生產(chǎn)必要手段,曬水池作為服務(wù)水稻灌溉用水增溫的田間附屬設(shè)施,在當(dāng)前的土地整治中得到愈來愈多的建設(shè),對于保證高寒地區(qū)水稻生產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)揮了不可替代的作用[2-4]。探討曬水池用地布局,對于提升耕地節(jié)約集約利用、推動土地整治科技創(chuàng)新、促進(jìn)寒地水田農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

        隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展,全國各地區(qū)土地整治工程持續(xù)推進(jìn),農(nóng)業(yè)附屬設(shè)施用地類型日趨增多,占地比例不斷提升[5-9]。在土地整治工程規(guī)劃設(shè)計及施工中,如何實(shí)現(xiàn)附屬設(shè)施用地布局優(yōu)化、促進(jìn)土地節(jié)約集約利用,引發(fā)了學(xué)術(shù)界及管理部門的持續(xù)關(guān)注[10-13]。國內(nèi)學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)在附屬設(shè)施用地的空間變化、經(jīng)濟(jì)效益及生態(tài)效益等方面,而對不同類型的附屬設(shè)施用地規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)、布局優(yōu)化的研究仍有待加強(qiáng)[14-20]。

        三江平原作為我國氣候變暖顯著、土地整治規(guī)模較大的區(qū)域,水田面積持續(xù)擴(kuò)張,保障國家糧食安全的地位日益突出。與此同時,曬水池用地規(guī)模不斷增大,如何構(gòu)建曬水池用地標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化曬水池用地布局成為擺在土地整治及農(nóng)地管理者面前的一道難題。七星農(nóng)場是黑龍江省農(nóng)墾建三江分局中水田規(guī)模較大、曬水池用地較多的現(xiàn)代化國營農(nóng)場,其曬水池用地布局規(guī)律對整個三江平原甚至東北寒地水田區(qū)土地整治具有借鑒意義。本文以七星農(nóng)場為研究區(qū),總結(jié)其曬水池用地平均規(guī)模、平均最鄰近距離等空間分布特征,旨在為土地整治科技創(chuàng)新添磚加瓦、為寒地井灌水田區(qū)的土地整治提供參考依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況及曬水池用地需求分析

        1.1 研究區(qū)概況

        七星農(nóng)場隸屬于黑龍江省農(nóng)墾建三江分局,位于富錦市境內(nèi),地處132°32′-133°14′E,47°2′-47°29′N。七星農(nóng)場位于三江平原的核心區(qū)域,地勢平坦,海拔大多介于50~60 m,地面起伏很小。年平均氣溫2.5 ℃左右,極端最高氣溫37.5 ℃,最低氣溫-41 ℃,全年無霜期135 d左右,年均降雨量576 mm,地下水位深5~17 m,地下水貯量10 832 萬m3,地下水溫一般為4~5 ℃左右。土壤類型主要有黑土、白漿土、草甸土、沼澤土等。七星農(nóng)場分為12個管理區(qū),78個作業(yè)站。土地總面積達(dá)116 681 hm2,耕地面積75 333 hm2,墾殖率為64.6%。其中水田69 683 hm2,占耕地面積的92.5%,素有“綠色米都”之稱。自2000年黑龍江省陸續(xù)實(shí)施“兩江一湖工程”、“糧食產(chǎn)能千億斤工程”、“三江平原東部土地整理重大工程”等重大土地整治項(xiàng)目以來,七星農(nóng)場土地整治穩(wěn)步推進(jìn),耕地的水田化水平、設(shè)施化水平大幅提升,成為農(nóng)墾系統(tǒng)乃至全國土地整治水平最高的區(qū)域。

        1.2 曬水池用地需求分析

        曬水池是寒地水田區(qū)用于臨時存儲井抽地下水,經(jīng)過太陽照射、水溫提升后(一般提升10 ℃左右)用于水田灌溉的農(nóng)業(yè)附屬設(shè)施。在寒地水田區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,曬水池需建在所處水田地勢較高處,以便于自流灌溉,且曬水池與田塊之間有足夠長的渠道,使灌溉用水在流經(jīng)田塊期間內(nèi)繼續(xù)增溫。同時要保證該位置適合建站打井,地下水資源充足。另外,為便于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和節(jié)約用地,曬水池選址一般為田塊內(nèi)靠近田間道一側(cè),保證從田塊一側(cè)入水的同時,又能夠配合相應(yīng)的排水渠道接納排出的水量,達(dá)到灌排一體的效果。

        在用地規(guī)模上,曬水池修建規(guī)模主要根據(jù)服務(wù)地塊的需水量來決定。因曬水池的修建一般采用地上池,所以曬水池深度上一定要保證最大程度的利用太陽光的輻射作用來達(dá)到其增溫效果,同時要保證其足夠的蓄水量。根據(jù)黑龍江農(nóng)墾總局建三江分局發(fā)布的《寒地優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》中對曬水池設(shè)計的要求,曬水池修建的深度一般為0.6 m左右。單個曬水池用地面積的確定,則需要考慮到所服務(wù)地塊的從水田插秧開始到水稻灌漿結(jié)束后平均每日的用水量,以及該地區(qū)水田近5年來的雨養(yǎng)程度,從而確定服務(wù)地塊需水量中井水灌溉所占的比例和曬水池所要求的最小蓄水量。

        2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

        2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

        本文數(shù)據(jù)來源為:資源三號衛(wèi)星遙感影像(分辨率為2 m),通過幾何校正以及坐標(biāo)定位,結(jié)合第二次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù),采取目視解譯提取七星農(nóng)場各管理區(qū)曬水池用地信息(解譯標(biāo)志如圖1所示)。

        圖1 資源三號衛(wèi)星遙感影像曬水池用地解譯標(biāo)志Fig.1 Sunning water pool's interpreting mark of Resources Satellite Three remote sensing image data

        結(jié)合Google Earth高分辨影像進(jìn)行對比,并參照七星農(nóng)場國土部門提供的《黑龍江省三江平原土地整治重大工程七星農(nóng)場竣工驗(yàn)收圖》對各曬水池用地分布和面積進(jìn)一步修正。于2016年8月進(jìn)行實(shí)地抽樣,開展精度驗(yàn)證,圖斑解譯準(zhǔn)確程度達(dá)到95%以上。

        2.2 研究方法

        2.2.1 最鄰近指數(shù)分析法

        最鄰近指數(shù)及平均最鄰近距離是用于判別某一地理要素的空間布局模式。最鄰近指數(shù)測算公式如下:

        (1)

        式中:R表示曬水池用地的最鄰近指數(shù);ra表示各個曬水池圖斑質(zhì)心間所觀測到的平均最鄰近距離;re表示曬水池在隨機(jī)分布情況下的平均最鄰近距離的期望值;di表示第i個曬水池與其最近的曬水池之間的距離;A表示區(qū)域總面積;n表示曬水池的地塊數(shù);λ表示曬水池的分布密度。

        最鄰近指數(shù)R<1的視為集聚分布,R=1的視為隨機(jī)分布,R>1的視為均勻分布。上述分析可以利用ArcGIS10.2軟件Spatial Nearest Neighbor模塊中的Average Nearest Neighbor工具實(shí)現(xiàn)。

        2.2.2 曬水池用地灌溉用水滿足度分析方法

        曬水池灌溉用水的滿足度是指在一定的水溫條件約束下,該地區(qū)曬水池蓄水量所能澆灌稻田的高峰期需水量的比例。計算方法為:根據(jù)該地區(qū)氣象部門統(tǒng)計的近5年來平均每天的降雨量和水稻從插田返青到灌漿結(jié)束后需水高峰期每天的需水量,確定井水灌溉占水田需水量的比重。再根據(jù)多年來生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)所要求的該地區(qū)曬水池增溫到合適水溫時的最適深度,推算該地區(qū)井水灌溉完全達(dá)到全部水田的灌溉需求時,曬水池用地面積占水田面積的比例。再通過實(shí)際曬水池用地面積比例與上述比例進(jìn)行對比,以管理區(qū)為統(tǒng)計單元計算曬水池用地灌溉用水的滿足度。計算公式為:

        (2)

        式中:α表示滿足度;φ表示曬水池所占水田面積的實(shí)際比例;h表示曬水池修建深度;S表示該地區(qū)水田面積;V表示該地區(qū)水田每天的需水體積;h0表示該地區(qū)每天平均降雨距地表高度。

        3 研究結(jié)果分析

        3.1 曬水池用地規(guī)模與鄰近距離分析

        根據(jù)解譯數(shù)據(jù)統(tǒng)計出七星農(nóng)場各管理區(qū)曬水池用地情況,如表1所示。

        七星農(nóng)場共修建曬水池1 886 處,共占地404.92 hm2,平均用地規(guī)模為2 146.98 m2。整個農(nóng)場曬水池用地平均最鄰近距離為331.87 m。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),各管理區(qū)的曬水池用地平均規(guī)模與平均最鄰近距離具有一定的相關(guān)性,二者的散點(diǎn)圖及線性回歸趨勢線如圖2所示。

        表1 曬水池用地情況統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of sunning water pool land situation

        圖2 曬水池平均用地規(guī)模與平均最鄰近距離散點(diǎn)分布圖Fig.2 Scattered plot of average building size and average observed distance of sunning water pool

        從該趨勢線可以分析出,以管理區(qū)為統(tǒng)計單元,曬水池用地的平均最鄰近距離與平均用地規(guī)模間存在著顯著的正相關(guān)的線性關(guān)系,說明曬水池用地平均規(guī)模越大,各曬水池之間的平均最鄰近距離越遠(yuǎn)。其線性回歸方程一次函數(shù)可表示為:

        y= 0.073 4x+191.44

        (3)

        式中:x表示曬水池用地平均規(guī)模,m2;y表示曬水池用地的平均最鄰近距離,m。該方程的相關(guān)系數(shù)為R2=0.728 9。

        3.2 曬水池空間分布特征分析

        七星農(nóng)場曬水池用地分布如圖3所示。

        圖3 七星農(nóng)場曬水池用地分布圖Fig. 3 Distribution of sunning water pool of Qixing Farmland

        經(jīng)計算,整個農(nóng)場曬水池用地最鄰近指數(shù)為0.852 458,即R<1,說明曬水池用地趨于集聚分布。造成最鄰近指數(shù)小于1與七星農(nóng)場的土地并非全部為水田用地有關(guān),一定面積旱地、居民點(diǎn)等其他用地類型的存在割裂了水田連片分布,從而對曬水池用地格局產(chǎn)生了影響。按照上述公式求出每個管理區(qū)曬水池空間分布的最鄰近指數(shù),并根據(jù)每個管理區(qū)曬水池用地狀況分析其空間分布特點(diǎn),各個管理區(qū)曬水池最鄰近指數(shù)與曬水池所占水田比例具體關(guān)系如圖4.

        圖4 各管理區(qū)曬水池用地面積占水田面積比例與最鄰近指數(shù)散點(diǎn)圖Fig.4 Distribution of proportion of paddy fields occupied by sunning water pool in each management area and scatter plot of the nearest neighbor ratio

        從圖4中可以看出,所有管理區(qū)曬水池用地最鄰近指數(shù)R均小于1,結(jié)合遙感影像進(jìn)行比對驗(yàn)證,表明農(nóng)場多數(shù)管理區(qū)曬水池空間分布均趨近于隨機(jī)分布,少數(shù)管理區(qū)則因該管理區(qū)的水田與旱田的種植范圍區(qū)分明顯,曬水池用地空間分布呈現(xiàn)集聚分布的趨勢,通過和曬水池占本管理區(qū)水田面積的比率相比較,可看出兩者之間存在著一定的相關(guān)性。

        通過散點(diǎn)圖可以反映出,管理區(qū)曬水池用地占水田面積的比例越高,本管理區(qū)曬水池最鄰近指數(shù)卻越低。這證明兩者之間在指定區(qū)間內(nèi)存在著負(fù)相關(guān)的非線性相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.638 5,表明曬水池用地占水田面積比例越高,則在空間分布上集聚程度越高,反之則曬水池用地在空間分布上隨機(jī)程度越高?;貧w方程可以表示為:

        R=-25 814φ2+299.324φ-0.002 2

        (4)

        式中各變量與式(1)、(2)相同。

        3.3 曬水池灌溉用水滿足度分析

        通過統(tǒng)計部門提供的5年內(nèi)的統(tǒng)計年鑒中的相關(guān)數(shù)據(jù)計算七星農(nóng)場近5年來水田四月中旬插田返青開始到水到灌漿結(jié)束后的定額每畝水田的需水量,地下水的水溫在4~5 ℃的情況下,根據(jù)建三江分局《寒地優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》中三江平原曬水池深度為0.6 m的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),利用公式(2)得出,每個曬水池占地面積為曬水池田塊的0.8%時,能夠滿足該田塊最高的灌溉要求。再利用以上得到的各管理區(qū)曬水池所占田塊面積比例和0.8%作比,得出各管理區(qū)的滿足度。如圖5所示。

        圖5 七星農(nóng)場各管理區(qū)曬水池灌溉用水滿足度統(tǒng)計圖Fig.5 Statistical chart of irrigation water satisfaction of sunning water pool in management areas of Qixing Farmland

        七星農(nóng)場曬水池用地總的灌溉用水滿足度為77.5%,各管理區(qū)的滿足度都在60%以上。滿足度超過80%的管理區(qū)共6個,其中第二管理區(qū)的滿足度最高,達(dá)到了105.00%,表明該管理區(qū)曬水池存在用地過度的現(xiàn)象;滿足度在60%~80%之間的管理區(qū)共5個,其中第三管理區(qū)的滿足度最小,剛剛達(dá)到60%。結(jié)合《黑龍江省三江平原土地整治重大工程七星農(nóng)場竣工驗(yàn)收圖》,第三管理區(qū)等滿足度沒有達(dá)到80%的管理區(qū)在灌溉排水設(shè)施與曬水池協(xié)同增溫的運(yùn)用普遍較多,一定程度上彌補(bǔ)了該管理區(qū)曬水池灌溉用水滿足度較低的問題。由此可見,在布局曬水池用地過程中,并不只是按照水田需水高峰期來確定用地規(guī)模,曬水池的增溫滿足度達(dá)到80%左右即可,剩余的20%左右則利用灌溉渠道的長度繼續(xù)進(jìn)行增溫作用,從而既滿足水田灌溉用水量和水溫要求,又要節(jié)約用地,減少曬水池用地規(guī)模和面積比例。

        4 曬水池用地布局標(biāo)準(zhǔn)分析

        綜上分析,曬水池用地空間布局的合理性體現(xiàn)于曬水池用地選址和用地規(guī)模兩個方面,用地標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)從這兩個方面進(jìn)行約束。

        4.1 曬水池用地選址影響因素標(biāo)準(zhǔn)分析

        曬水池是水田區(qū)地下水灌溉特有的增溫附屬設(shè)施,曬水池用地必須緊鄰抽水井,并能夠?qū)σ欢ò霃絻?nèi)的水田進(jìn)行自流灌溉。因此,曬水池用地選址在緊鄰抽水井的前提下,主要受到兩個因素影響:一是地面高度。曬水池用地必須處于水田獨(dú)立灌溉小區(qū)的最高處。二是曬水池的控制灌溉面積,曬水池用地在選址上要保證曬水池灌溉半徑不能過大。

        根據(jù)《GB50625T-2010機(jī)井技術(shù)規(guī)范》,抽水井位置的選擇應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)條件,地下水資源狀況并與地形,機(jī)械提水和水田布局等多方面結(jié)合起來考慮,保證在任何時間灌溉工作都能夠正常運(yùn)行,多年運(yùn)用中取水量不減少,取水條件不惡化。

        每一處曬水池的控制灌溉面積的應(yīng)根據(jù)抽水井的實(shí)際情況進(jìn)行確定,計算公式為:

        (5)

        式中:F0表示每一處曬水池控制灌溉面積,hm2;Q表示曬水池所處抽水井出水量,m3/h;t為灌溉期間抽水井的使用時間,h;T0表示每次輪灌期的天數(shù),d;η表示灌溉水利用系數(shù);η1表示干擾抽水的水量消減系數(shù);m表示每公頃每次綜合平均灌水定額,m3。

        曬水池間鄰近距離的計算公式為:

        (6)

        式中:L0表示曬水池間距離,m;F0表示每一處曬水池控制灌溉面積,hm2。

        根據(jù)上述研究結(jié)果,一般而言,曬水池灌溉半徑控制在300 m以內(nèi)為宜。

        4.2 曬水池用地規(guī)模因素標(biāo)準(zhǔn)分析

        在曬水池的用地規(guī)模上,每一處曬水池用地規(guī)模的大小應(yīng)充分考慮修建位置地下水的存儲量。如果單處曬水池用地規(guī)模過大,而地下水資源卻不能保證曬水池內(nèi)存儲水的需求,則不僅造成耕地資源浪費(fèi),同時影響曬水池中灌溉用水的持續(xù)供應(yīng)。所以每一處曬水池用地規(guī)模的確定要充分考慮該區(qū)域地下水資源的存儲量。地下水資源足夠的情況下,基于上述對七星農(nóng)場各管理區(qū)的曬水池用地狀況、曬水池的灌溉半徑、以及服務(wù)區(qū)水田面積所占比例進(jìn)行分析,單處曬水池用地規(guī)模應(yīng)控制在1 500~4 000 m2之間。

        在曬水池用地的總體規(guī)模上,地下水的水溫是其影響因素之一。自北向南緯度不斷降低的同時,地下水溫也在不斷提高。三江平原大部分地區(qū)地下水的水溫一般為4~5 ℃,北部黑龍江地區(qū)最低可達(dá)到3 ℃左右,南部興凱湖地區(qū)溫度可達(dá)到5.5 ℃左右,而水稻分蘗時期灌溉水溫的最適溫度要求為18 ℃。根據(jù)建三江分局《寒地優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程》以及七星農(nóng)場多年來的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),取其地下水平均水溫為4.5 ℃,曬水池用地規(guī)模占服務(wù)水田面積的0.8%時,即能夠滿足該區(qū)域水田的灌溉需求的同時,又能夠利用不斷優(yōu)化的池內(nèi)增溫措施使其水溫達(dá)到水田灌溉的需求。當(dāng)?shù)叵滤疁靥岣?,即可通過減少曬水池用地的占地比例,縮短地下水通過曬水池的流經(jīng)時間,使曬水池出水口的水溫達(dá)到18℃左右,即滿足水田灌溉水溫要求即可。如果局部地區(qū)地下水溫能夠達(dá)到10 ℃以上,則不需建曬水池,利用渠道增溫就可以滿足水田灌溉的水溫需求?;谠搮^(qū)域的研究,建立函數(shù)模型如下:

        (7)

        式中:T代表該區(qū)域地下水的水溫;φ表示曬水池所占服務(wù)水田面積的實(shí)際比例。

        由此公式可得,三江平原曬水池用地規(guī)模占服務(wù)水田面積的比例范圍應(yīng)為0.74%~0.89%左右。

        綜上所述,建立曬水池用地空間布局影響因素關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        圖6 曬水池空間布局影響因素關(guān)系結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Relationship diagram of Influencing factors of sunning water pool Spatial Distribution

        5 結(jié)論與討論

        (1)七星農(nóng)場曬水池用地共占地404.92 hm2,平均用地規(guī)模為2 146.98 m2,平均最鄰近距離為331.87 m。各管理區(qū)曬水池用地的平均規(guī)模與平均最鄰近距離呈正相關(guān)的線性關(guān)系,回歸方程為y= 0.073 4x+191.44,即曬水池用地平均規(guī)模越大平均最鄰近距離越遠(yuǎn)。

        (2)七星農(nóng)場各曬水池用地的最鄰近指數(shù)R為0.852 458,曬水池用地趨近于集聚分布。且各管理區(qū)曬水池用地占水田面積比例越高,集聚分布特征越明顯;所占比例越小,隨機(jī)分布特征越明顯。二者間的回歸方程為R=-258 14φ2+299.32φ-0.002 2。

        (3)曬水池用地面積占所服務(wù)水田面積的0.8%時,曬水池灌溉用水量和水溫能夠達(dá)到水田需水高峰期的要求。但布局曬水池用地過程中,并不只是按照水田需水高峰期來確定用地規(guī)模,同時還會利用灌溉渠道的長度及其增溫作用,從而既滿足水田灌溉用水量和水溫要求,又節(jié)約用地,減少曬水池用地規(guī)模和面積比例。七星農(nóng)場曬水池用地灌溉用水滿足度為77.5%,即曬水池用地面積占水田面積比例為0.62%。

        (4)曬水池用地空間布局的合理性主要受曬水池用地選址和曬水池用地規(guī)模兩個方面的影響。選址方面,曬水池用地必須處于水田獨(dú)立灌溉小區(qū)的最高處,曬水池灌溉半徑應(yīng)控制在300 m以內(nèi);建筑規(guī)模上,根據(jù)該地區(qū)地下水水溫北部黑龍江區(qū)域最低溫3 ℃,南部興凱湖地區(qū)最高溫5.5 ℃,曬水池用地規(guī)模占服務(wù)水田面積的比例范圍應(yīng)控制在0.74%~0.89%左右。

        寒地水田區(qū)的農(nóng)業(yè)附屬設(shè)施用地既包含曬水池用地,還包含育秧棚、晾曬場、存儲、農(nóng)機(jī)站等用地。各類附屬設(shè)施用地在選址和規(guī)模上都有各自的需求,同時也應(yīng)統(tǒng)籌各類附屬設(shè)施用地布局,提升用地效率和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的便捷度與經(jīng)濟(jì)性。黑龍江省農(nóng)墾總局各農(nóng)場是全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平最高的區(qū)域,其附屬用地布局具有顯著的示范作用。但黑龍江省農(nóng)墾總局的全部土地為國有土地,與實(shí)施土地集體所有制的普通農(nóng)村在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)組織、生產(chǎn)關(guān)系、土地利用布局上均有著 顯著不同[7]。隨著全國各地農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、規(guī)?;降奶嵘?,各類附屬設(shè)施用地布局問題將日益緊迫,因此必須加強(qiáng)各類附屬設(shè)施用地布局的區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)研究,為土地資源管理提供更多依據(jù)。

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