基于水量配置模型的江苏省南水北调工程受水区缺水量探讨

赵华清，常本春，杨树滩，王腊春

(1.南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京 210093;2.江苏省水利厅水资源服务中心，江苏南京 210029)

1 研究区范围

研究范围为南水北调主体工程规划确定的江苏省受水区范围，包括淮安、宿迁、徐州、连云港等4市的所有辖区以及扬州市的江都、高邮、宝应县和盐城市阜宁县各一部分，基本以现状排灌体系和高程2.5 m等高线以上综合确定，总面积约为4.31万km2。受水区划分采用江苏水资源评价分区体系，如表1及图1所示。

表1 江苏省水资源分区与受水区的关系

图1 江苏省水资源四级分区分布示意图

2 用水户概化

2.1 数量统计

按照农业、工业、生活、生态、船闸5大类统计规划年(2020年)的取水口和用水户。概化前，2020规划年受水区输水干线共有用水户364个，其中农业用水户106个，工业用水户101个，生活用水户73个，生态环境用水户13个，船闸用水户71个;受水区规划年共有取水口912个，其中农业取水口654个，工业取水口101个，生活取水口73个，生态环境取水口13个，船闸取水口71个。

2.2 概化方法

针对干线上用水户和取水口较多的情况，且为了满足模型计算的需要，采用“打包法”合并河网概化节点间的5类用水户，将其概化为一个用水户节点，用5位二进制编码进行识别，如果概化的用水户节点上有5类用水户之一，则将该类用水户对应的编码位置赋值为1，否则为0。若为1，则在用水户概化表中，找到该用水户，并把概化图中的该用水户首末节点注明到该用水户后面，以便模型程序读取时方便查找[2]。

对于直接在干线上取水的，记为干线用水户，其需水记为干线需水;不在干线取水的，按农业、工业、生活、生态、船闸5大类进行统计，将其概化到所在行政分区和水资源分区，记为面上用水户，其需水量记为面上需水量。为了方便后文需水量计算的需要，用水户概化的参数有用水户名称、年需水量、取水口门规模、取水河道的首末节点、所在水资源分区、所在行政区等。本文提到的取水干线是指概化的江苏省南水北调受水区河网主干线，靠近干线的用水户直接从干线取水，远离干线的用水户通过次级河道或者开挖河道等方式取水。林牧渔业与农业的关系较紧密，林牧渔业需水作为面上需水，最后与农业需水合在一起记为农业需水。

2.3 概化成果

按照概化原则概化后，规划年研究区共有取水口211个，其中农业取水口111个，工业取水口32个，生活取水口34个，生态环境取水口11个，船闸取水口23个;共有用水户174个，其中农业用水户92个，工业用水户23个，生活用水户25个，生态环境用水户11个，船闸用水户23个。

3 本地水资源量和供水量

3.1 本地产流量

水文模型只是对水文现象的一种简单概括，因此叫做水文模拟[3]。考虑到农业的需水特性，根据江苏现状实际灌溉保证率水平，分别选取50%保证率(平水年)、75%保证率(一般干旱年)、95%保证率(特殊干旱年)作为计算频率。根据1956—2000年45a长系列年降雨量资料，排频选择不同降雨保证率年型对应的年份为:1983年(P=50%);1968年(P=75%);1966年(P=95%)。

按产流特点将下垫面划分为城镇建设用地、水域、水田、旱地等类型，分别建立产流模型。研究区下垫面总面积约为4.31万km2(包括水面面积)。各水资源分区的产流量及产流系数见表2。本研究区主要为平原水网地区，水面、水田所占比重较大。研究区在汛期地下水埋深较浅，土壤含水量较高，且易得到补充，故采用单层蓄满产流计算;参照文献[4]，本文水田产流计算时把渗漏量的1/6作为回归水量。

表2 水资源分区的产流量及产流系数

分析表2，丰沛区1968年的径流系数比1966年的径流系数小，其主要原因为1968年丰沛区的年降雨量与年蒸发量之比较1966年小。根据文献[5]，3种年型下受水区产流量对比见表3。本次产流量计算值有误差，但模拟结果在合理范围内。

同时，规范了吞咽障碍患者鼻饲管理方案方面，明确了鼻饲的目标适应证、禁忌证以及并发症的监测与管理等。同时，专门成立了鼻饲护理小组，对营养支持途径、喂养方式及管理方案进行临床决策，对参与鼻饲护理的工作人员进行教育和培训。

表3 3种年型下受水区产流量对比

3.2 上游来水量

根据淮河(包括沂沭泗)上中游1956—2000年入境水量系列资料分析，淮河上中游入洪泽湖和骆马湖水量之和多年平均为254.90亿m3、P=75%、P=95%保证率下分别为111.8 亿 m3、56.0 亿 m3。

3.3 南水北调东线工程供水量

参考相关资料，按照当地径流量、上游来水量、工程规模和需水量进行调节计算，2020规划水平年，南水北调东线一期工程多年平均调水量为116.9亿m3，一般干旱年份调水量为126.8亿 m3，特殊干旱年份调水量为143.8亿m3。最大年调水量约为155.0亿m3，最小年调水量约为91.6亿m3。

南水北调东线一期工程多年平均调水量中，计划供应山东省13.53亿 m3、安徽省3.51亿 m3(不包括计算上游来水量中已经扣除的安徽省用水量)，这部分供水的保证率几乎达100%;供应江苏省为:多年平均 98.9亿 m3，一般干旱年 108.8 亿m3，特殊干旱年 125.8 亿 m3。

4 用水户需水计算模型

灌溉水利用系数取值范围为0.571～0.690，用水户资料采用2020规划水平年的，面雨量和蒸发量根据逐日降雨和蒸发计算得到。

4.1 水稻灌溉

产流部分建立的水田产流模型是平原流域产汇流模型的一个重要组成部分，用以计算流域内水田部分的产水量，也应用于计算水稻田灌溉定额。对于确定流域水资源量、服务水资源配置和调度、指导农业生产及规划农田水利工程规模等有重要意义[6]。

文献[7]拟定各分区水稻的整个生长期分为秧田期、泡田期、生育期。由于秧田期的历时占水稻整个生长期历时的比例较小，且秧田期的灌水定额占整个生长期灌溉定额的比例很小，秧田期灌水量取生育期用水量的1/10～1/12。旱育秧采用湿润灌溉方式，取值则更小，今后将全面推广，故本文分为泡田期和生育期两个时期对水稻灌水定额进行推算。

a.水稻泡田期。水稻泡田定额根据土壤、地势和耕作深度相似田块上的实测资料确定，同时考虑地下水埋深的影响，再根据调查获得的各分区土壤结构加权计算确定泡田定额。

b.水稻生育期。根据水稻各个生育期的适宜水深下限、最大耐淹水深、水稻田日渗透量以及当地的灌水经验，由生育期的水量平衡方程进行逐日计算得到生育期的灌溉制度，结合水稻田的产流过程，建立受水区水稻田灌溉需水模型。土壤水深达到水稻耐淹水深时开始产流;土壤水深开始低于水稻适宜水深下限时开始灌溉，灌溉至水稻适宜水深。

水田产流过程R的推求过程为:式中:R为水稻田日产水量;mm;H1为时段初水稻田水深，mm;H2为时段末水稻田水深，mm;α为水稻各生长期的需水系数;β为水面蒸发折算系数;f为水稻田日渗透(漏)量，mm;HP为各生长期水稻耐淹水深，mm;Hu为各生长期水稻适宜水深，mm;Hd为各生长期水稻适宜下限水深，mm;

如果水稻田日产水量为负值，则代表需要灌溉;如果为正值，则代表水稻田产水，不需要灌溉[8]。根据生育期的灌溉制度逐日推算在节水灌溉方式下的水稻灌溉净定额，分析获得各水资源分区3种年型下水稻毛灌溉定额，然后推导出水稻整个生长期的灌溉定额，如表4所示。

表4 水稻生长期总灌溉定额 m3/hm2

4.2 旱地灌溉

研究区目前主要种植小麦、玉米、棉花、油料、蔬菜等旱作物。笔者把小麦、玉米、棉花、油料4种旱作物灌溉需水量记为水浇地灌溉需水量;蔬菜灌溉需水量记为菜地灌溉需水量。

4.3 需水量计算

干线需水量包括部分农业需水量、工业需水量、生活需水量、生态需水量和船闸需水量。模型计算干线上农业需水量包括水稻灌溉需水量和旱地灌溉需水量(水浇地和菜地灌溉需水量)，结果见表5。采用定额法计算得:在干线取水的非农用水户总需水量为30.26亿m3，其中工业需水量为8.08亿m3，生活需水量为9.49亿m3，生态需水量(河道内生态需水量)为4.84亿 m3，船闸需水量为7.85亿 m3。在此简要说明:河道内生态环境需水量指为维持生态与环境功能和进行生态环境建设所需的最小水量;河道外生态环境需水指保护、修复或建设给定区域的生态环境需要人为补充的水量。本文中干线上的生态需水量是指河道内生态需水量;面上的生态需水量是指河道外生态需水量[9]。

表5 水稻生长期和旱地灌溉需水量 亿m3

同样采用定额法计算面上总需水量为45.84亿m3，其中包括林牧渔业需水量9.73亿m3，工业需水量25.15 亿m3，生活需水量9.20 亿m3，生态需水量(河道外生态需水量)1.76亿m3。

4.4 供需平衡分析

3种年型下分行业统计需水量(包括干线需水量和面上需水量)，结果见表6;把《江苏省需水量预测报告》中预测的2020规划年需水量作为参考值(表6)，该报告中需水量不包括河道内生态需水量和船闸需水量。为了使本文的计算值与参考值具有可比性，把本文计算的总需水量减去部分生态需水量(即干线上生态需水量)和船闸需水量后再进行比较，则相对误差分别为 -2.37%(P=95%)，2.64%(P=75%)，6.58%(P=50%)，对比结果见表7。本文计算值与参考值相比有一定误差，误差主要是由于参与计算的农业面积不完全相同等造成的。但误差最大仅为6.58%，说明本文建立的需水模型能较好的模拟研究区的需水量。

表6 年总需水量计算值与参考值 亿m3

表7 年总需水量计算值与参考值对比

当前江苏农业水资源存在的主要问题包括资源型缺水、水质型缺水和季节性干旱3个方面[10]。限于文章内容，本文只分析资源型缺水量。参考相关资料，经1956—2000年长系列供需平衡调节计算，南水北调东线一期工程实施后，2020规划水平年江苏省受水区缺水总量较现状有较大幅度下降，P=95%年型缺水率为8.74%，缺水量为20.58亿m3;P=75%年型缺水率为0.24%，缺水量为0.47亿m3;P=50%年型缺水率为0.15%，缺水量为0.28亿m3。可见南水北调东线一期工程实施后该区域水资源保障能力较强。

水资源利用率低、浪费严重是缺水原因之一，灌溉水源30%以上耗费在各级渠道上，建议加强渠道防渗化，提高输水的有效利用率[11];部分地区缺水量较大是取水口门规模太小造成的，建议进行工程改造，加大取水口的规模或者数量;前期所概化的河道的河宽和河长等也可能会影响缺水量。

5 结语

本文以南水北调东线一期工程即将全线通水为契机，结合江苏省南水北调水量配置，建立江苏省南水北调受水区的产流模型和需水模型，计算3种年型下受水区的产流量和需水量，简要进行供需平衡分析。采用2020规划水平年的用水户数据，计算2020水平年受水区在P=50%、P=75%和P=95%3种年型下的缺水量分别为0.28亿m3，0.47亿m3和20.58亿m3，相关部门可以参考受水区缺水量进行水资源调度。本文研究内容根据江苏省南水北调水量配置研究而来，有许多需要加深研究的地方。随着经济的发展等，受水区的下垫面情况会发生变化，比如路面的硬质化率增加等将影响产汇流过程的模拟;非农需水(如生活需水等)会随着季节的变化而发生变化，其需水过程是一个波动过程等问题，是需要进一步研究的地方。

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