江淮分水岭地区塘坝系统空间格局及效应分析

曹鑫悦，周亮广，戴仕宝，郭家乐，居肖肖

(滁州学院 地理信息与旅游学院，安徽 滁州 239000)

江淮分水岭位于长江与淮河之间，以平原和丘陵为主[1]，是我国塘坝分布最为典型的区域[2-3]，塘坝作为1种有效的小型水利灌溉工程，星罗棋布地分布在灌区中[4]。江淮分水岭地区水资源严重不足[5]，同时区内地形起伏，不利于修建大型水利设施，主要依靠塘坝和小型水库蓄水，拦蓄水量有限，耕地灌溉保证率相对比较低[6]。

塘坝在江淮分水岭地区旱灾防治中的作用明显。王庆、蒋尚明等参考作物需水量(彭曼-蒙蒂斯Penman-Monteith)公式结合农业种植结构研究得出塘坝是作物灌溉中的水资源最优化利用工程的结论；金菊良、原晨阳等基于供水平衡分析的塘坝可供水量采用复蓄次数计算法对江淮丘陵区20世纪50年代至21世纪初的塘坝灌区抗旱能力进行科学评价，结果表明江淮丘陵区大部分地市及全区的塘坝灌区抗旱能力总体呈现下降趋势[7-8]。2000年以来，采用遥感手段研究河流地貌得到广泛应用，王磊、胡伍生等采用GIS技术实现从DEM获取黄河源地区各级水系长度、数目、密度及流域面积等参数，研究成果显著[9-10]。王录仓、高静等采用标准差椭圆方法研究灌区聚落与水土资源空间的耦合关系，为研究塘坝与耕地之间的耦合性提供实证参考[11]。

在干旱缺水日益突出的江淮分水岭脊两侧，研究江淮丘陵区典型样区塘坝系统的格局特征对于进一步发挥和提高塘坝蓄水调控能力、合理调整农业种植结构、科学制订抗旱规划及指导塘坝科学管理和建设具有重要意义[12]。

1 研究区概况与研究数据

1.1 研究区概况

在章广镇(样区1)与三界镇(样区2)选取2个典型样区为研究对象。样区1位于滁州市南谯区的西南部，由3个相邻的村庄(小徐、南黄、大埂)组成，包含1个大型水库和74个体量不同的塘坝。样区2位于滁州市明光市，由3个相邻的村庄(小许、石梗、灰岗)组成，包含2个大型水库和87个体量不同的塘坝。两样区内地形低缓，地貌岗冲交错，各自成相对封闭的小流域。

1.2 数据来源与处理

研究数据包括0.5 m天地图高清卫星影像数据，中科院地理空间数据云获取的研究区数字高程模型数据，以及实测的塘坝水体数据。使用南方S86GPS RTK及测量尺进行原始数据采集，包括水体轮廓的经纬度坐标、高程信息及水体的深度数据。

针对遥感影像数据，在Envi中进行图像预处理后加载到Arcgis中进行解译，确定土地利用类型有塘坝、水田、旱地、林地、荒草地、居民地、道路。

针对采集的塘坝水体原始数据，采用南方CASS 软件对其进行处理，获得研究区域水体的水面面积、体积、水面高程、平均深度、库容量等信息。

2 研究方法

2.1 塘坝系统分级

对DEM数据进行洼地填充、水流方向提取、洼地计算、河网提取、汇流量累积、河网生成，作为塘坝分级前的基础数据。

塘坝分级：基于河网水系的水道分级原理，将塘坝水系模拟成河流树状水系，按照Horton与Strahler定义原则，依照图1所示，对样区内的塘坝进行分级。

图1 分级原理

2.2 塘坝标准差椭圆

SD度量空间要素分布的离散趋势反映塘坝、水田与旱地等要素空间展布的平均范围。SDE用于揭示要素的空间分布特征，椭圆的长轴方向表征塘坝、水田、旱地的主要分布方向，椭圆的面积表征塘坝、水田、旱地的分散(紧凑)程度，椭圆的长、短轴的比值体现塘坝、水田、旱地等空间分布的形态。

2.2.1 SDE

(1)

2.2.2 旋转角的计算

(2)

2.2.3 计算沿长轴方向的标准差和短轴方向的标准差

(3)

2.3 不同降水概率下塘坝供水量及综合灌溉需水量计算

参考文献[13]中在不同降水概率下塘坝的复蓄次数，计算出塘坝在相应降水概率下的复蓄库容作为供水量

M供=n×M蓄.

(4)

式中：M供为塘坝供水量，n为塘坝复蓄次数，M蓄为塘坝库容。

借鉴金菊良、王庆[14]等以水旱比和复种指数构建的塘坝灌溉区耕地综合灌溉需水量计算公式，引用水田和旱地单季每公顷在不同降水概率下耕地灌溉需水量[7]。

M需=A×M平均×f,

(5)

式中：M需为耕地综合灌溉需水量,m3；A为塘坝灌溉耕地面积,hm2;f为复种指数，取2;α为水旱比;M水和M旱分别为水田和旱地单季每公顷在不同降水概率下耕地灌溉需水量,m3。

本文以江淮丘陵两个小流域塘坝为研究对象，从土地利用、地形、塘坝与耕地类型耦合性、分级塘坝水资源供需比出发，研究分析塘坝的空间格局，得出其空间格局和耦合效应，为实际生产提供科学的理论指导。

3 研究结果

3.1 研究区土地利用特征

基于高清遥感卫星影像，在ENVI中进行图像增强后转入Arcgis中进行解译，得到土地利用统计结果如图2、图3所示。

图2 样区1矢量化结果

图3 样区2矢量化结果

由表1可见，样区1和样区2面积分别为5.3 km2和6.17 km2。样区1中水田与林地占较大比例，而样区2内旱地与水田为主要的土地利用类型，其中,旱地占比60%以上，而塘坝仅占比3.19%；样区1中的林地占比高达一半以上，样区2林地占比仅为11.23%。

表1 研究区土地利用面积分布

3.2 塘坝与耕地类型分布关系

两样区的主要耕地类型为水田、旱地，塘坝是主要的灌溉水源。由矢量结果可得，水田基本都位于塘坝的坝体下方，随着海拔的高度下降，连续分布，与水流方向一致；旱地在样区1中主要分布在塘坝与林地周边，而在样区2内分布范围较广，开垦力度比较大。为研究塘坝与耕地类型间的分布关系，通过对塘坝生成以25 m为间隔的缓冲区，求出其每一个单位间隔内与水田和旱地的相交面积，来分析不同距离内灌溉耕地比重。

Arcgis中每25 m距离间隔内生成的塘坝缓冲区与水田、旱地相交面积的结果：样区1塘坝缓冲区范围为0～350 m(见图4)；样区2为0～400 m(见图5)。统计出每25 m塘坝缓冲区水田旱地所占的比重如图6所示。

图4 样区1 25～350 m塘坝、水田、旱地缓冲区一览

研究发现：

1)水田与旱地在样区1主要分布在塘坝缓冲区20～75 m范围内，样区2在25～125 m范围内，其占比接近50%。

2)样区1水田与旱地都在塘坝缓冲区125～150 m范围内下降速率最大；样区2水田在200～225 m范围内、旱地在150～175 m范围内下降速率最大。

3)样区1水田在50～75 m缓冲区内占比重最大，与戴仕宝教授等研究相吻合[15]，而旱地分布范围在25～50 m缓冲区范围内占比重最大；样区2水田在100～125 m范围内占比重最大，旱地在50～75 m范围内比重最大；两样区都呈现出抛物线的趋势，向两侧递减。

图6 不同距离缓冲区内旱地、水田所占比例

3.3 塘坝与土地利用耦合关系分析

运用Arcgis10.2空间分析工具标准差椭圆Directional Distribution工具，构建样区塘坝、水田、旱地耦合关系模型，如图7所示，由表2分析发现：

1)样区1中，塘坝、水田的标准差椭圆基本重合，空间走向基本一致，周长与面积较旱地更为接近。在南北向呈扩张状态，东西向呈压缩状态，旱地标准差椭圆较前者长轴、短轴更短,表明水田与塘坝存在着高度的空间耦合性。在实际情况中，塘坝在一定程度上提供蓄积水田所需的水资源，减少耕地出现干旱情况。

图7 塘坝、水田、旱地标准差椭圆

表2 塘坝空间分布格局的标准差椭圆参数

2)样区2中，塘坝、水田标准差椭圆的空间分布走向一致，周长与面积较旱地更为接近。在东北和西南方向呈扩张状态，二者椭圆长轴呈东北-西南向展布。旱地空间分布模式较水田而言，倾角更小，接近于南北向分布，长轴更长，短轴更短，与塘坝的标准差模型耦合较差。实际生产中，塘坝不能很好地满足水田和旱地需水，干旱现象多发。

3.4 塘坝系统分级

3.4.1 塘坝水系分级统计分析

按照样区水流网，将塘坝与水田灌溉系统形成的水系线，结合塘坝分布位置，分成一级、二级、三级塘坝系统，对分级塘坝的数量、面积进行统计，并对每一级塘坝的高度、坡度进行对比，如图8、图9所示，统计结果如表3所示。

图8 样区1塘坝分级

图9 样区2塘坝分级

样区1塘坝数量共74个，按照水道分级原理，分为3级。三界镇样区塘坝106个，分为2级。

表3 样区塘坝、水田、旱地面积分级统计

3.4.2 塘坝地形分析

对DEM进行空间分析及区域统计，获取分级塘坝的海拔、高程数据，统计如图10～图12所示。

图10 一级塘坝高度、坡度统计散点图

图11 二级塘坝高度、坡度统计散点图

图12 三级塘坝高度、坡度统计散点图

从散点图与描述统计结果可以得到：

1)3个等级塘坝的海拔高度在80～100 m内居多，而塘坝坡度均在7°以下。两样区每个级别塘坝高度差值范围不超过2 m。

2)3个等级塘坝的海拔高度和坡度呈现按等级升高,数值依次递减趋势。塘坝海拔高度最小值都为75 m，而最大值则随着塘坝等级的升高逐渐降低；塘坝坡度随级别变化趋势与塘坝高度类似，每升高1个级别，坡度减少2°。

3.4.3 塘坝水量供需比计算

运用塘坝分级数据，采用式(4)、式(5)计算，得到每个级别塘坝供水量与耕地需水量之比，如图13所示。

结果显示：在降水概率p=50%、75%、85%、90%、95%时，两样区的二级塘坝都能基本满足耕地的灌溉需求，并且大部分远超耕地的灌溉需求，最多可达到5倍之多，样区1的三级塘坝系统同样如此。而在一级塘坝中，在P=50%、75%时样区1中的供水能力能满足耕地的需水要求，而当P=85%、90%、95%时样区1塘坝则无法满足；样区2在P=50%的最大供需比仅0.488，在其他降水概率下，供需比更小，均无法满足耕地的灌溉需求。

3.4.4 总耕地水资源供需关系

综合实地测量，运用2.3中所述公式进行计算分析,如图14所示。

图13 分级塘坝供水量、耕地需水量比值

图14 两样区塘坝供水量、耕地需水量比值

样区1供需比在P=95%年降水量情况下为0.72，塘坝供水能力与实际耕地需水量相差较大，而在P=90%、85%、75%、50%年降水量情况下基本满足耕地的灌溉需求，与实地情况相吻合。而样区2的供需比在P=50%年降水量情况下为0.79，塘坝供水能力与实际耕地需水量相差较大，在P=95%、90%、85%、75%年降水量情况下供需比更低，无法满足需求。

4 结 论

1)两样区以水田与旱地为主要的耕地利用类型。两样区的水田与旱地面积距离塘坝分布均呈现抛物线趋势，向两侧递减。样区1的水田与旱地的面积下降速率达到最大值的区域，相比样区2，距离塘坝更近。

2)塘坝、水田的标准差椭圆基本重合，空间走向基本一致，水田与塘坝存在着高度的空间耦合性；水田空间分布模式与塘坝的空间耦合度较高，而旱地相对较差。

3)3个等级塘坝的海拔高度和坡度呈现按等级依次递减的趋势。3个等级的塘坝海拔高度最小值都为75 m，而最大值则随着塘坝等级的升高逐渐降低；塘坝坡度随级别变化趋势与塘坝高度类似，每升高一个级别，坡度减少2°。塘坝的海拔高度在80～100 m内居多，而塘坝坡度均在7°以下。

4)分级塘坝供需比可见，两样区二、三级塘坝能基本满足当地作物的供水，而一级塘坝则供不应求；从总供需比来看，样区1可以满足当地作物的灌溉需求，而样区2供水不足，几乎年年出现干旱。