曹 秀 清，蔣 尚 明，金 菊 良，袁 宏 偉，張 亮

(1.安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 安徽 合肥 230088; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 安徽 合肥 230009; 3.合肥工業(yè)大學(xué) 水資源與環(huán)境系統(tǒng)工程研究所, 安徽 合肥 230009)

塘壩灌溉能力是衡量塘壩在不同供水能力條件下可灌溉耕地面積的指標(biāo)。如何定量評(píng)估水利工程灌溉能力是水利工程規(guī)劃與灌區(qū)水資源優(yōu)化配置的重要研究?jī)?nèi)容，得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的長(zhǎng)期高度關(guān)注[1-2]，而對(duì)于分布面廣的小型塘壩蓄水體的灌溉能力估算未得到足夠關(guān)注。國(guó)外對(duì)于塘壩工程研究主要集中在面源污染控制和生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域，極少涉及塘壩工程的蓄水灌溉能力[3-4]，國(guó)內(nèi)關(guān)于塘壩灌溉能力研究尚不多見(jiàn)，金菊良等提出了基于水量供需平衡理論的江淮丘陵區(qū)塘壩灌區(qū)抗旱能力計(jì)算模型，評(píng)價(jià)結(jié)果直觀、合理，具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值[5]。江淮丘陵區(qū)地形地貌崗沖交錯(cuò)、地形破碎，不宜修建大型水利工程[6]。長(zhǎng)期以來(lái)，該區(qū)主要依靠修建塘壩攔蓄地表徑流，塘壩工程具有分布面廣量大、簡(jiǎn)便易行、成效顯著等特點(diǎn)，是蓄水灌溉的主體[7-9]。截至2010年底，江淮丘陵區(qū)共有塘壩51.3萬(wàn)處，總?cè)萘?3.4億m3，灌溉效益顯著[10-11]。基于此，本文提出了塘壩灌溉能力的基本概念，即在不同供水能力條件下可灌溉的耕地面積，通過(guò)江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉系統(tǒng)不同年代相關(guān)資料調(diào)研與整理，分析了江淮丘陵區(qū)塘壩工程與作物種植結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程，通過(guò)塘壩灌溉系統(tǒng)不同年代的水量平衡分析，定量評(píng)估了江淮丘陵區(qū)5個(gè)地市(合肥、滁州、六安、巢湖、安慶)及全區(qū)20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)初不同年代的塘壩灌溉能力，揭示了江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力歷史演變特征，研究結(jié)果可為區(qū)域塘壩發(fā)展規(guī)劃與灌溉制度的制定提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 江淮丘陵區(qū)塘壩發(fā)展歷程

江淮丘陵區(qū)位于長(zhǎng)江淮河之間，涉及安徽省合肥、滁州、六安、安慶、巢湖等地市，水土光熱資源豐富，是安徽省最為重要的糧食主產(chǎn)區(qū)之一。江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉歷史悠久，是江淮丘陵區(qū)農(nóng)田灌溉的主要形式。早在戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，“潴水灌田”之說(shuō)廣為流傳，是當(dāng)?shù)鼐用竦钟禐?zāi)重要途徑；東漢建安時(shí)期，揚(yáng)州刺史劉馥曾駐合肥，發(fā)動(dòng)廣大民眾大力修筑塘壩，有效促進(jìn)灌溉發(fā)展；北宋時(shí)期，“筑壩堰、修陂塘”一度達(dá)到高潮，許多塘壩沿用至今，灌溉效益良好。中華人民共和國(guó)成立后，水利工程建設(shè)得到前所未有的發(fā)展，灌溉能力隨之顯著提升，具體塘壩數(shù)量與塘壩容量如圖1所示。由圖1可知：① 自中華人民共和國(guó)成立至1970年，江淮丘陵區(qū)塘壩建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期，塘壩容量顯著提升，至1970年底，塘壩數(shù)量發(fā)展到高峰，高達(dá)80.3萬(wàn)處，塘壩容量為29.70億m3；② 1970～1988年塘壩建設(shè)與維護(hù)進(jìn)入低潮期，塘壩數(shù)量和塘壩容量均有所下降，至1988年底，塘壩數(shù)量降低至68.7萬(wàn)處，塘壩容量為28.83億m3；③ 1988年至21世紀(jì)初，塘壩建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展期，雖塘壩數(shù)量有所下降，但由于普遍注重塘壩清淤開(kāi)挖，明顯提升了單個(gè)塘壩的蓄水容量，塘壩容量得以顯著提升，至2010年底，塘壩數(shù)量為51.3萬(wàn)處，塘壩容量達(dá)到歷史高峰、高達(dá)33.40億m3。

圖1 江淮丘陵區(qū)不同年份塘壩數(shù)量與塘壩容量

2 江淮丘陵區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)演變歷程

江淮丘陵區(qū)糧食作物種植歷史悠久，早在5 000 a前就有水稻和小麥種植。糧食作物主要種植有水稻、小麥、玉米、甘薯、大豆等，經(jīng)濟(jì)作物主要為棉花、油料、麻類(lèi)等。該區(qū)習(xí)慣性種植水稻，水稻種植在區(qū)域國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)不可替代的作用，其種植方式與播種面積直接關(guān)系區(qū)域作物灌溉需水量。該區(qū)水稻傳統(tǒng)作物耕作制度為一年一熟，至宋仁宗慶歷年代(1048年)，開(kāi)始引進(jìn)雙季稻。中華人民共和國(guó)成立后特別是1954年單季稻轉(zhuǎn)為雙季稻工作迅速開(kāi)展后，該區(qū)雙季稻種植面積于20世紀(jì)70年代達(dá)到高峰，水稻播種面積和水旱比隨之顯著提高。具體種植結(jié)構(gòu)演變?nèi)鐖D2所示。由圖2可知：① 中華人民共和國(guó)成立后，江淮丘陵區(qū)大力推廣雙季稻，導(dǎo)致水旱比持續(xù)提升，至20世紀(jì)70年代達(dá)到峰值，高達(dá)1.09，但隨著70年代末家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的全面推行，農(nóng)民生產(chǎn)自主性顯著提升，種植結(jié)構(gòu)多樣化，旱作物種植比例逐年增加，水旱比直線下降，至21世紀(jì)初降為0.8；② 20世紀(jì)70年代起，江淮丘陵區(qū)一年三熟得以大力推廣，導(dǎo)致農(nóng)作物播種面積及復(fù)種次數(shù)顯著提高，至21世紀(jì)初播種面積達(dá)到峰值346.2萬(wàn)hm2，復(fù)種指數(shù)達(dá)到2.16。

圖2 江淮丘陵區(qū)不同年代作物種植結(jié)構(gòu)演變

3 作物灌溉需水量與塘壩灌區(qū)供水能力計(jì)算

3.1 作物灌溉需水量計(jì)算

作物需水量是指作物正常生育狀況下所需消耗的水量，作物各階段的需水量可通過(guò)同階段的參考作物蒸發(fā)量與相應(yīng)階段的作物系數(shù)的乘積予以計(jì)算[5,12]，見(jiàn)式(1)～(2)。主要與作物種類(lèi)、生長(zhǎng)階段、氣候、土壤條件等因素有關(guān)。本文通過(guò)對(duì)作物通過(guò)對(duì)合肥、滁州、六安、安慶及巢湖5市各水文站1951～2011降雨資料收集，通過(guò)水文頻率分析選取P=50%、P=75%及P=95%典型水文年，具體結(jié)果如下：合肥站分別為1999,1979,1966年；滁州站分別為2007,1979,1995年；六安站分別為2011,1968,1967年；安慶站分別為1972,1997,1961年；巢湖站分別為1970,1960,1965年。

本文采用彭曼-蒙特斯(Penman-Monteith)[12-15]公式計(jì)算作物蒸發(fā)蒸騰量，見(jiàn)式(1)，再根據(jù)FAO(聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織)推薦的標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)及修正公式和肥東八斗灌溉試驗(yàn)站多年灌溉試驗(yàn)資料，確定各站點(diǎn)所在地區(qū)主要種植作物生育時(shí)期及分月作物系數(shù)，進(jìn)而求得作物各階段的需水量。江淮丘陵區(qū)各地市的有效降雨量、地下水補(bǔ)給量、水稻育秧、泡田水量及滲漏量計(jì)算結(jié)果參照文獻(xiàn)[5]。

(1)

ETci=Kci·ET0

(2)

式中，ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Δ為溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa·℃-1；Rn為凈輻射，MJ/m2·d；G為土壤熱通量，MJ/m2·d；γ為濕度表常數(shù)，kPa·℃-1；T為平均氣溫，℃；U2為2 m高處風(fēng)速，m/s；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實(shí)際水汽壓，kPa;Kci表示作物系數(shù)。

為方便計(jì)算，江淮丘陵區(qū)各地市分別取一種水、旱代表作物。合肥、滁州、六安代表作物分別為中稻及小麥；巢湖代表作物為中稻及油菜；安慶代表作物為中稻及棉花。由式(2)可計(jì)算得到研究區(qū)主要種植作物各月需水量ETc，具體計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 江淮丘陵區(qū)各地市主要農(nóng)作物不同降水典型年情景下作物逐月需水量

3.2 典型年耕地灌溉需水量

江淮丘陵區(qū)耕地主要為水田與旱田，其耕作時(shí)間和種植作物結(jié)構(gòu)不完全相同，為簡(jiǎn)便計(jì)算，需推算理論上畝均耕地的年灌溉需水量，具體公式如下[5]。

(3)

依據(jù)研究區(qū)水旱比及復(fù)種指數(shù)，利用加權(quán)平均計(jì)算研究區(qū)典型年畝均耕地灌溉需水量，詳見(jiàn)表1。

3.3 塘壩供水能力計(jì)算

塘壩供水能力是指在不同水平年、不同灌溉保證率情況下，考慮農(nóng)業(yè)灌溉需水要求塘壩可能提供的最大水量，是塘壩水資源承載力的重要變量[16-18]。依據(jù)參考文獻(xiàn)[19]，選定江淮丘陵區(qū)P=50%，P=75%，P=95%3種不同降水年情下，塘壩復(fù)蓄次數(shù)[19]分別為1.7，1.4，0.9，推算江淮丘陵區(qū)不同年代塘壩供水能力，具體詳見(jiàn)圖4。

4 江淮丘陵區(qū)各市塘壩灌溉能力估算與演變趨勢(shì)分析

4.1 江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力估算

塘壩灌溉能力是衡量塘壩在不同供水能力條件下可灌溉耕地面積的指標(biāo)，計(jì)算方法為塘壩可供水量與每畝耕地灌溉需水量之比。根據(jù)表1～2數(shù)據(jù)資料，求出江淮丘陵區(qū)各市不同年代不同重現(xiàn)期塘壩可灌溉面積，參見(jiàn)表2。

4.2 江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力演變趨勢(shì)

江淮丘陵地區(qū)各市塘壩灌溉能力演變趨勢(shì)如圖5所示。由圖5可知：

(1)合肥市塘壩灌溉能力在20世紀(jì)50年代末、60年代初得到較大的提高，95%降水年情下塘壩可灌溉面積為7.94萬(wàn)hm2，高于70年代及80年代該值，90年代起，合肥市塘壩灌溉能力再次得以較大提升，至21世紀(jì)初，95%降水年情下塘壩可灌溉面積達(dá)到8.8萬(wàn)hm2，為歷史最高值。

(2)滁州市除了20世紀(jì)50年代塘壩建設(shè)初期時(shí)，灌溉能力比較低，95%降水年情下僅為5.49萬(wàn)hm2灌溉能力呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。至21世紀(jì)初，95%降水年情下塘壩可灌溉面積達(dá)到7.73萬(wàn)hm2總體有較大程度提升。

圖4 江淮丘陵區(qū)不同年代不同降水年情下塘壩供水能力的計(jì)算值

表1 江淮丘陵區(qū)不同年代不同降水年情下灌溉需水量

表2 江淮丘陵區(qū)不同年代不同降水年情下塘壩可灌溉面積

圖5 江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力趨勢(shì)演變

(3)六安市在20世紀(jì)50～60年代時(shí)塘壩灌溉能力已較高，尤其是60年代，在95%降水年情下塘壩可灌溉面積達(dá)到15.02萬(wàn)hm2，自70年代起，由于廢塘普遍及農(nóng)業(yè)種植制度的劇烈變化，塘壩灌溉能力大幅下降，21世紀(jì)初95%降水年情下，塘壩灌溉面積僅為9.91萬(wàn)hm2，為歷史最低值。

(4)巢湖市在中華人民共和國(guó)成立初期至20世紀(jì)60年代出現(xiàn)塘壩建設(shè)高潮，塘壩灌溉能力至60年代達(dá)到峰值，然后70～90年代塘壩灌溉能力持續(xù)降低。尤其是90年代，巢湖塘壩抗旱能力達(dá)到了歷史最低值，在95%降水年情下，塘壩灌溉面積僅為5.37萬(wàn)hm2。至21世紀(jì)初，由于塘壩建設(shè)大發(fā)展，塘壩灌溉能力提到了較大的提高，在95%降水年情下塘壩可灌溉面積達(dá)到7.35萬(wàn)hm2。

(5)安慶塘壩灌溉能力變化歷程與巢湖的較為相似，均在20世紀(jì)50～60年代達(dá)到最高值，此后持續(xù)下降，至21世紀(jì)初有所上升，但仍不及20世紀(jì)50～60年代的塘壩灌溉能力水平。

(6)中華人民共和國(guó)成立至1970年，江淮丘陵區(qū)塘壩建設(shè)整體進(jìn)入快速發(fā)展期，塘壩容量顯著提升，塘壩灌溉能力逐年提升，20世紀(jì)60年代出現(xiàn)峰值，50%降水年情下，達(dá)到158.57萬(wàn)hm2，但隨著該區(qū)雙季稻的大力推廣，水稻播種面積與水旱比直線提升，導(dǎo)致20世紀(jì)70年代塘壩灌溉能力顯著減低，50%降水年情下，僅為142.07萬(wàn)hm2；20世紀(jì)70年代至90年代末，進(jìn)入70年代后塘壩建設(shè)陷入低潮期，塘壩容量逐年降低，雖在90年代末塘壩容量有所提升，但塘壩容量與供水能力提升不明顯，然而農(nóng)作物播種面積與復(fù)種指數(shù)的逐年提高，作物灌溉需水量持續(xù)提升，導(dǎo)致江淮丘陵區(qū)全區(qū)塘壩灌溉能力逐年減低，50%降水年情下，僅131.32萬(wàn)hm2，為歷史最低值；進(jìn)入21世紀(jì)后，塘壩建設(shè)再次進(jìn)入快速發(fā)展期，塘壩供水能力顯著提升，導(dǎo)致塘壩灌溉能力再次得以回升，50%降水年情下，提升至140.92萬(wàn)hm2。

4.3 江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力演變歸因

中華人民共和國(guó)成立至20世紀(jì)60年代是塘壩建設(shè)高潮期，江淮丘陵區(qū)塘壩容量由1949年的16.22億m3逐年提高，至1962年塘壩容量提升至28.07億m3，導(dǎo)致塘壩灌溉能力快速提升，在20世紀(jì)60年代達(dá)到峰值。

20世紀(jì)60年代至70年代初，雖塘壩建設(shè)仍處于發(fā)展?fàn)顟B(tài)，塘壩容量至70年代初達(dá)到29.72億m3，但隨著該區(qū)雙季稻的大力推廣，水稻播種面積顯著提升，70年代初水稻播種面積較60年代初提高了21.96萬(wàn)hm2，此外，復(fù)種指數(shù)也由60年代初的147%提升至70年代初的172%，導(dǎo)致塘壩灌溉能力顯著降低。

20世紀(jì)70年代至90年代末，農(nóng)作物播種面積與復(fù)種指數(shù)的逐年提高，作物灌溉需水量持續(xù)提升，而進(jìn)入70年代后塘壩建設(shè)陷入低潮期，塘壩容量逐年降低，至1988年塘壩容量?jī)H為28.83億m3，是近50 a來(lái)最低值，雖在90年代末塘壩容量有所提升，但提升的供水能力與做灌溉需水量的提升不匹配，導(dǎo)致江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力逐年降低，至90年代末達(dá)到最低值。

進(jìn)入21世紀(jì)后，農(nóng)作物播種面積與水旱比趨于穩(wěn)定狀態(tài)，但塘壩建設(shè)再次進(jìn)入快速發(fā)展期，至2010年塘壩容量高達(dá)33.39億m3，塘壩供水能力顯著提升，導(dǎo)致塘壩灌溉能力再次得以回升。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉系統(tǒng)不同年代相關(guān)資料進(jìn)行調(diào)研與整理，定量分析了塘壩工程與作物種植結(jié)構(gòu)的發(fā)展演變歷程；依據(jù)江淮丘陵區(qū)作物水旱比及復(fù)種指數(shù)，推算研究區(qū)不同年代不同降水年情下畝均灌溉需水量，結(jié)合不同年代不同降水年情下塘壩供水能力估算結(jié)果，開(kāi)展塘壩灌溉系統(tǒng)不同年代的水量平衡分析，定量評(píng)估了江淮丘陵區(qū)5個(gè)地市(合肥、滁州、六安、巢湖、安慶)及全區(qū)20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)初不同年代的塘壩灌溉能力，揭示了江淮丘陵區(qū)塘壩灌溉能力歷史演變特征。研究結(jié)果表明：① 合肥市自1949年至20世紀(jì)60年代塘壩灌溉能力增長(zhǎng)迅速，70年代有較大幅度回落，但至70年代起灌溉能力持續(xù)提升；② 滁州市自1949年至21世紀(jì)初，塘壩灌溉能力均呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)；③ 六安市塘壩灌溉能力至20世紀(jì)60年代達(dá)到峰值后，呈明顯波動(dòng)下降的趨勢(shì)；④ 巢湖市塘壩灌溉能力至20世紀(jì)60年代達(dá)到峰值后，70～90年代呈顯著下降趨勢(shì)，至21世紀(jì)初再次得以大幅提升；⑤ 安慶市塘壩灌溉能力演變與巢湖市相似，至20世紀(jì)60年代達(dá)到峰值后，70～90年代呈顯著下降趨勢(shì)，至21世紀(jì)初有所提升；⑥ 江淮丘陵區(qū)全區(qū)塘壩灌溉能力至20世紀(jì)60年代達(dá)到峰值后，70～90年代呈顯著下降趨勢(shì)，至21世紀(jì)初有所回升。