基于灌溉保证率的丘陵山区山坪塘整治工程设计实践
2019-04-08李晓华
杨 伟，李晓华
(重庆工程职业技术学院 a.地质与测绘工程学院； b.党政办，重庆 402260)
我国西南丘陵山区地形破碎、沟壑纵横，降水丰沛但季节分配非常不均，农业生产发展成效在一定程度上有赖于区域水利设施的配套及利用状况。受丘陵山区特定自然地理条件的限制，现有农田水利设施中大型水利工程较为贫乏，多为小型水利设施，其中山坪塘即为最常见的农田灌溉设施，其对农业生产与发展意义重大。山坪塘系丘陵山区人为修建的小型农用蓄水设施，蓄水容积在10 m3以内，类型有平塘、堰塘且因主要位于丘陵山区而被称作山坪塘[1-4]。山坪塘修建工程量小、工期短、选址易、投资少、见效快且便于利用，它能较好地缓解西南山区旱季缺水问题，对小区域水循环起到了良好的调节作用，因而在西南丘陵山区农村被广泛利用[5-8]，也受到地方政府水利、农业、国土等部门的高度重视。
现有关于山坪塘、堰等小型水利灌溉设施的研究成果，多以理论探索为主，诸如山坪塘灌溉系统的调控作用[9-10]、灌溉效益[11-12]、特征与建设策略[13]、供水量计算[14]、复蓄次数[15]、灌溉能力影响因素[16]等内容，针对农村山坪塘整治规划及工程设计的研究尚不多见。本文以地处西南丘陵山区的重庆市江津区4个农业综合整治示范片区为例，探讨农村山坪塘整治工程的规划设计及实践应用，以期为地方政府制定山坪塘整治措施和技术方法提供参考，为西南丘陵山区实施乡村振兴战略提供实践支撑，并在一定程度上丰富农村水利设施建设的理论内容。
1 研究区概况
江津区位于重庆市西南部，毗邻四川合江县和贵州习水县，面积3 219 km2，地处川东平行岭谷褶皱区西南端，属典型的低山丘陵区，地势南高北低，丘陵占65.10%，山地占31.80%，河谷阶地3.10%；属亚热带湿润季风气候区，雨量充沛，多年平均降水量1 025 mm，南北高差大，南部山区立体气候明显；境内江河纵横交错，为长江水系上游干流区，为江津区工农业生产提供了优越的水资源条件。江津是全国农业百强县，农业基础雄厚，2016年农林牧渔业总产值比重55.1∶ 3.0∶ 38.3∶ 3.6。农业基础设施建设加快，2016年江津区水利化程度为40%。
重庆市江津区现代农业综合示范基地由4个典型片区组成，分别为黄庄现代粮油科技示范园、两江艺农基地、鹤山坪有机农场、龙井坝现代农业园(图1)。共有山坪塘138口，多为上世纪60年代前后村集体修建，多数渗漏和淤积严重，防洪标准低且缺少泄洪设施，库容量主要在1 000～4 000 m3，上游坝坡陡稳定性差，下游坝坡局部垮塌多，整体运行不理想。
图1 重庆市江津区农业综合示范典型片区
1.1 黄庄现代粮油科技示范园片区
位于江津区永兴镇和慈云镇，总面积2 333.33 hm2。永兴镇黄庄村和慈云镇凉河村是传统产粮区，面积335.14 hm2；浅丘地貌，海拔270.40～334.60 m，坡度0°～7°，总体较缓；年降雨量1 030.70 mm，有山坪塘57口。土壤以灰棕紫泥水稻土和紫色土为主，宜种性广、产量高。核心区土地利用中，耕地196.68 hm2，园地36.33 hm2、林地60.63 hm2、水域及水利设施用地11.72 hm2。
1.2 两江艺农基地片区
位于江津区慈云镇小园村，是江津现代农业园区“核心区”。山地丘陵地貌，海拔277.47～340.90 m；年降雨量1 150～1 580 mm，有山坪塘24口。土壤适宜多种植物生长，建有塘、库、堰等水利设施，水资源条件较为优越，但地块破碎、农业基础设施配套不足。规划用地范围128.67 hm2，主要由水田、旱地、园林用地组成，占比46.94%、15.24%、10.07%。
1.3 龙井坝现代农业园片区
位于江津区慈云镇小园村、凉河村，黄蹬溪贯穿全境，典型浅丘地貌，海拔262～325 m，总体坡度较小；多年平均降雨量1 030.7 mm，主要集中在4-9月份。区内溪河纵横，有水库2座，山坪塘31口，容量29.037 m3，塘、库、堰等水利设施比较完善。面积394.47 hm2，核心区190.80 hm2，耕地较广且土层深厚，土壤肥沃，适宜发展现代集约化、规模化效益农业。
1.4 鹤山坪有机农场片区
位于江津区先锋镇保平村保平村太保社、中坪社的部分区域，面积2.91 km2。区内地貌类型较为复杂，以丘陵深谷居多，兼有浅丘宽谷、缓丘平地、丘间谷地等地貌类型，海拔407.27～510.73 m；多年平均降雨量1 099.8 mm，有山坪塘26口。土地利用中耕地181.73 hm2，园地51.42 hm2，草地4.91 hm2，水域4.80 hm2，传统农业区域。
2 数据来源
本文数据主要来源：土地利用数据为研究区2016年土地利用现状变更调查数据、现代农业4个典型片区1∶ 2 000实测地形图和土地利用现状数据、《重庆市江津区黄庄现代粮油科技示范园核心区总体规划》、《重庆两江艺农生态园总体规划设计》、《重庆市江津区鹤山坪有机休闲农场总体规划》、《江津慈云龙井坝休闲田园总体规划》图件及文本；江津区先锋镇、慈云镇、永兴镇土地利用总体规划(2006-2020年)图件、文本；江津区慈云镇小园村等3个村土地整治项目的相关文本和图件；多年气候气象数据(主要是降水)；重庆市江津区2016-2017年统计年鉴；文中的山坪塘、土壤类型、河流等主要源自于实地调查所得，包括问卷信息、图片信息、访谈信息等。
3 研究方法
本文以研究区4个现代农业典型片区的1∶ 2 000实测地形图和土地利用现状数据为底图和基础，通过ArcGIS软件空间分析模块提取研究区内山坪塘的面积、蓄水量等水文特征，并以研究区多年月均气象数据为依据对研究区主要农作物生长期的山坪塘水量调蓄予以计算，进而得到山坪塘的灌溉保证率，以灌溉保证率为参照，结合研究区山坪塘，利用现状与存在的问题及《灌溉与排水工程设计规范(GB 50288-1999)》、重庆市土地整治工程设计技术标准等，有针对性地开展山坪塘整治工程规划设计及整治改进措施。
4 研究区山坪塘灌溉保证率测算及整治工程设计实践探索
4.1 研究区山坪塘灌溉保证率测算
整治山坪塘一般应满足地形平缓、地基稳固和位置较高、集雨面积大等条件，山坪塘整治工程主要包括扩容清淤、围坎、塘埂整修、消力池、溢洪道、放水管、取水梯步及进水沟。由于研究区山坪塘主要用于保证农田灌溉，因此应将其为区域农业生产发挥出的灌溉效用作为山坪塘整治工程设计的主要目标依据。主要方法和步骤为：
4.1.1 ArcGIS提取山坪塘水文特征
操作中以研究区1∶ 2 000实测等高线和高程点数据为基础，利用ArcGIS空间分析软件建立4个典型农业片区数字高程模型(DEM)，模型构建时像元大小设置为2 m×2 m；再利用软件水文分析模块(Hydrology Analysis)对研究区进行集水区划分和汇流栅格分别予以测算，合理划分各山坪塘的集水灌溉控制区域。
4.1.2 彭曼法预测作物需水量
利用ArcGIS软件空间叠加分析功能(Overlay Analysis)和统计功能分别提取和测算集水区内山坪塘蓄水面积及所在区域耕地结构。采用FAO提出的最新修正的Penman-Monteith计算模型即彭曼公式(式1)，利用CROPWAT8.0软件以旬为时间单元计算参考作物蒸散量，输入4个典型片区多年月平均气温、湿度、降雨、日照、风速、辐射等参数，选择项目区作物相应的土壤类型，然后借助软件以旬为时间单元计算出作物各生育期的作物需水量、有效降雨和灌溉需水。作物实际蒸散量即参考作物蒸散量与作物系数的乘积(式2)，有效降雨量采用系数法计算(式3)(本研究中不考虑地下水的利用)。
1) 作物蒸腾量计算——彭曼公式[16-17]：
(1)
式中：ET0为参考作物蒸散量，mm·d-1；Rn为作物表面太阳净辐射，MJ/m2·d-1；G为土壤热通量，MJ/(m2·d)；T为平均气温，℃；ea为饱和水气压，kPa；ed为实际水汽压(从本地气象站获取)，kPa；U2为离地面2 m高处的平均风速，m/s；Δ为饱和水汽压与温度曲线的斜率，kPa/℃；γ为干湿表常数，kPa/℃。
2) 作物生育期各阶段实际蒸散量计算：
ETcn=Kcn·ET0n
(2)
式中：ETn为研究区某作物生育期n的需水量，mm；ET0n为生育期n的参考作物蒸发量，mm；Kn为生育期n的作物系数，本文依据FAO提出的以研究区附近站点主要农作物的标准农作物系数确定研究区4个现代农业典型片区各生育期作物系数。
3) 研究区有效降雨量计算：
Pe=α·P
(3)
式中：Pe为有效降雨量，(以旬为单位)；P为计算时间段内(以旬为单位)的降雨总量，mm；α为降雨有效利用系数，其大小与研究区域降雨量、降雨强度、降雨持续时间、地面覆盖及土壤性质等因素有关。根据相关研究成果[18-19]，一般情况下，α可以按以下方式确定其值的大小：当P≤5 mm时，α=0；当5
4) 基准作物和灌溉时段确定。西南丘陵山区如重庆、四川等地均以水稻为水田作物代表，生长时段为4-8月份；小麦、玉米等为旱地作物的代表，生长时段为3-7月份。因此，本文研究区江津现代农业4个典型片区上述基准作物主要生长时段也是农作物灌溉集中需水时期，此期研究区降水量约占全年65%左右，区域内山坪塘的蓄水保水能力决定了农作物需水是否能够得到充足的供应，直接影响到农作物的收成。因此，本研究以水稻和玉米两种农作物在这个生长时段所需的灌溉水量作为本区域某山坪塘的农业综合需水量。
5) 山坪塘灌溉需水量计算。据前所述，对具体的一个山坪塘，以其整个集水控制区域为限，其水田和旱地农作物灌溉需水量计算公式为：
(4)
式中：Qm为第m山坪塘积水区域水田和旱地灌溉农作物需水量，m3；n为研究区山坪塘的数量，个；ε为山坪塘集水控制区范围内水田和旱地的面积比；Sm为山坪塘集水控制区内水田和旱地总面积，hm2；Ir1n为某片块内第n时段水稻灌溉需水量，mm；Ir2n为某片块内第n时段玉米灌溉需水量，mm。
4.1.3 计算正常年份山坪塘灌溉保证率
山坪塘灌溉保证率的计算中依然不考虑地下水，由区域水量平衡，得出如下表达式：
An=An-1+Bn-(Xn+Yn+Zn)
(5)
式中：An为某山坪塘集水灌排系统中第n时段末的山坪塘蓄水量，m3；An-1为第n时段初始蓄水量；Bn为山坪塘灌排系统第n时段的入水量，m3；Xn为山坪塘灌排系统第n时段系统内农作物灌溉供水量，m3；Yn为第n时段系统因蒸腾、下渗及溢流等损失的水量；Zn为第n时段系统的泄水量，m3。以CROPWAT8.0软件测算的结果为依据，以旬(即10天)为工作时间单元对山坪塘蓄水量进行调节，计算时以山坪塘蓄水容量的1/2为初始蓄水量，按平均2 m作为山坪塘蓄水水深。研究区为现代农业土地整治典型片区，山坪塘水源主要是降雨径流，主要用于区域农田灌溉，其平均径流系数和灌溉利用系数依据区域多年降雨量及区域面积而确定。
根据式(5)可以得到在某一时段山坪塘经蓄水量调节后的灌溉可供水量。据此，将研究区内多年平均降雨条件下的灌溉可供水量占区域农作物灌溉蓄水量的百分比值称作山坪塘灌溉保证率，其计算表达式为：
(6)
式中：Xnm为研究区在第n时段第m个山坪塘对控制区内水田和旱地农作物的可供灌溉水量；An为山坪塘控制区域内水田和旱地农作物的需水量；η为研究区山平塘灌溉水利用率(相关研究结果表明在小型灌溉区域通常取值0.7[19])。
4.1.4 研究区山坪塘灌溉保证率测算结果分析
1) 测算样本选择。通过对研究区4个现代农业综合整治典型片区实地调查，在全部138口山坪塘中选择蓄水深度在1.7～2.3 m之间并一直在灌溉利用的78口山坪塘作为测算样本，其中黄庄片区27口、两江艺龙片区15口、龙井坝片区20口、鹤山坪片区16口。通过对选定的山坪塘所在区域实地调查和地形图量算其海拔高程、相对高度等，本着数据处理方便的原则，将4个典型片区按地面坡度及地面起伏大小分成平缓、低缓和中度丘陵区共3类。坡度小、地势总体平缓的黄庄现代粮油科技示范园片区中的永兴镇属区域(相对高差40 m内)为平缓丘陵区，共27口；黄庄片区中慈云镇属区域、两江艺农基地片区、龙井坝现代农业园片区所在区域(因地形坡度增大且主体区域相对高差在50～65 m之间)为低缓丘陵区，共35口；鹤山坪有机农场片区(绝对高度较大、地势起伏明显、主体区域相对高差在95 m以上)划为中度丘陵区，共16口。
2) 灌溉保证率测算结果分析。采用前述研究区山坪塘集水控制区域农作物灌溉需水量、供水量的测算方法，对代表性的78口灌溉需水量、供水量等进行测算；测算过程中对各区域量算耕地面积，分析3类区域水田旱地面积比(低缓丘陵区水田比例最大、中度丘陵区旱地面积比例最大)；通过将3类型区域的多年平均气温、太阳辐射、(同一降雨频率下的3-8月份)降雨量等数据导入CROPWAT8.0软件并对土壤、农作物予以选择处理，从而得出以旬为时间单位的农作物需水量、灌溉需水量等指标值。测算结果发现，测算的典型样区中，水旱作物的需水量、灌溉需水量等均为低丘最大、中丘最小；从测算的数据上看，山坪塘灌溉保证率均随山坪塘蓄水面积增加而递增、随降雨频率的增大而减小；若蓄水面积大致相当，则中丘区山坪塘灌溉保证率最高而低丘区最小。平缓丘陵区山坪塘平均集雨控制区域面积大于中丘和低丘区域山坪塘，山坪塘入水受降雨变化的影响相对较小；中度丘陵区灌溉保证率达到100%的山坪塘数量占比大于平缓、低缓丘陵区。测算的结果中，中度丘陵区山坪塘灌溉保证率均值在82.13%、平缓丘陵区山坪塘均值66.81%、低缓丘陵区67.58%(图2)。据此，在山坪塘整治工程设计中，在整治的方向上应有所侧重，如平缓区和低缓区山坪塘需扩大蓄水面积及塘地淤泥和沉积物的清理，而中度丘陵区山坪塘重在清除淤积物，在此基础上根据山坪塘现状塘埂、围坎的材质和利用情况进行确定。
图2 研究区山坪塘蓄水面积与灌溉保证率分布图
4.2 山坪塘整治工程设计实践
西南丘陵山区特殊地形地貌条件决定了区域内的山坪塘整体分散分布、平缓丘陵区较低缓丘陵和中度丘陵区集中的空间分布格局。通常情况下，河流流域形成过程中，在地形指数较大也即地势坡度较小较为平坦的地区容易集水并逐渐形成小型的汇水、集水区域即山坪塘，且因为上游区域集雨量大径流速度快冲击力强，山坪塘的蓄水区域也会随着逐渐增大。同理，在地势较为陡峭、海拔高度较大的区域，由于水量不多、集雨量小，故无法形成较大的蓄水集水区域，山坪塘的蓄水面积不易扩大。低缓丘陵区山坪塘蓄水面积大而低丘、中丘区蓄水面积较小也证明了地势地貌条件是丘陵山区山坪塘形成及集雨面积大小的决定性因素。但是，研究区山坪塘是在地形、气候和区域农业生产活动的共同作用和影响下而形成的。气温、风、日照等气候因子影响农作物需水量间接影响山坪塘，大气降水则通过水源补给直接影响山坪塘，而农业生产中的作物灌溉需求则是导致区域山坪塘数量和容量变化的主要动力。所以，对研究区山坪塘整治工程设计、新建、扩建等不能盲目贪大，应结合山坪塘集水区域的地形地貌、气象气候等条件及区域耕地状况并结合上述农作物灌溉需水量、供水量、灌溉保证率等测算情况予以因地制宜设计和安排。根据研究区山坪塘灌溉保证率测算结果，结合研究区山坪塘利用现状和存在的问题，其整治工程设计主要内容如下：
1) 山坪塘建设中，其石坝及堆石坝上下游坝坡坡比(多级坝坡指平均坡比)不小于表1要求。其它型式的山坪塘坝坡应通过验算以满足稳定安全要求。
表1 石坝、堆石坝坝坡要求
2) 山坪塘挡水建筑物采用墙式防护方式，实践中所采用的挡土墙抗滑稳定性验算、抗倾稳定性验算应严格满足《水工挡土墙设计规范》(SL 397-2007)的要求。
3) 山坪塘埂出现滑坡、裂缝等病险，实践中针对病险部位，采取清除滑坡体、翻筑坝坡等措施；山坪塘坝体出现渗漏的，在其坝基、坝肩部位设置截流槽，结合上游坝坡护坡，设土工膜防渗。
4) 对山坪塘上游坝坡设置护坡工程，确保山坪塘建筑物的安全。坝坡的护坡形式可根据当地实际情况确定。实践中，采用块石护坡，块石厚度不低于30 cm；采用现浇或预制混凝土护坡，混凝土强度不低于C15砼，厚度不低于10 cm；砌石坝上游坝坡应采用M10水泥砂浆开槽勾缝，缝宽2 cm。
5) 对山坪塘有人畜通行要求的坝顶采用硬化工程措施，建设中要求砼标号不低于C20，厚度不低于10 cm，每隔6 m分缝，缝宽2 cm。
6) 对有人畜通行要求或附近人口集中的塘堰(坝)，坝顶应设置金属或石材栏杆，栏杆的高度不低于1.2 m，可采用预制混凝土或浆砌条石、砖等形式，以确保通行的人畜安全，防止发生安全事故。
7) 山坪塘坝脚一律设置排水设施，排水设施应具备相应的排水能力。工程设计要求：①坝体排水可采用棱体排水、贴坡排水等；②棱体排水：排水体顶部宽度不小于0.8 m，排水体顶高程应超过坝脚最高水位和地面1.0 m；③贴坡排水：排水体厚度(含反滤厚度)不小于0.5 m，排水体高度高于浸润线出逸点1.0 m或高于1/2坝高且高度不小于2.0 m；排水底脚处应设置排水沟。
8) 山坪塘泄水建筑物的工程设计。①山坪塘堰(坝)设置溢洪道和放水建筑物，溢洪道靠坝一侧应根据基础情况采用混凝土或浆砌石衬砌。实践中混凝土衬砌厚度应不小于20 cm，浆砌石衬砌厚度应不小于30 cm。②山坪塘放水建筑物可采用涵卧管形式或管道放水。③管道放水：管道放水要保证取水口正常运行，管道与坝体结合部位应设置截水环，管道外设置二道闸阀，闸阀处设置闸阀井，管道材料可用经防腐处理的钢管或者混凝土管。
5 结 语
本文以重庆市江津区现代农业综合示范4个典型片区研究区域为例，以研究区1∶ 2 000实测地形图和土地利用现状数据、江津区慈云镇小园村等3个村土地整治项目的相关文本和图件资料等为基础，以各山坪塘的集水灌溉区域为研究的具体单元，对研究单元农作物灌溉需水量、供水量及山坪塘的灌溉保证率等情况进行测算。并以测算的结果为依据，结合研究区山坪塘的利用现状、存在的问题和实际需求，对研究区山坪塘整治设计了符合区域实际、操作性强的工程措施，有效提升了研究区山坪塘的灌溉保证率，促进了农业生产发展和地力的提高。研究发现，山坪塘灌溉保证率均随山坪塘蓄水面积增加而递增、随降雨频率的增大而减小；中度丘陵区山坪塘灌溉保证率大于平缓、低缓丘陵区山坪塘。因此，在山坪塘整治工程设计中，在整治的方向上应有所侧重，分别采用扩大蓄水面积及塘地淤泥和沉积物清理等措施。研究结果有助于为西南丘陵山区山坪塘整治工程设计提供借鉴和参考。
