基于灌溉保證率的丘陵山區山坪塘整治工程設計實踐

楊 偉，李曉華

(重慶工程職業技術學院 a.地質與測繪工程學院； b.黨政辦，重慶 402260)

我國西南丘陵山區地形破碎、溝壑縱橫，降水豐沛但季節分配非常不均，農業生產發展成效在一定程度上有賴于區域水利設施的配套及利用狀況。受丘陵山區特定自然地理條件的限制，現有農田水利設施中大型水利工程較為貧乏，多為小型水利設施，其中山坪塘即為最常見的農田灌溉設施，其對農業生產與發展意義重大。山坪塘系丘陵山區人為修建的小型農用蓄水設施，蓄水容積在10 m3以內，類型有平塘、堰塘且因主要位于丘陵山區而被稱作山坪塘[1-4]。山坪塘修建工程量小、工期短、選址易、投資少、見效快且便于利用，它能較好地緩解西南山區旱季缺水問題，對小區域水循環起到了良好的調節作用，因而在西南丘陵山區農村被廣泛利用[5-8]，也受到地方政府水利、農業、國土等部門的高度重視。

現有關于山坪塘、堰等小型水利灌溉設施的研究成果，多以理論探索為主，諸如山坪塘灌溉系統的調控作用[9-10]、灌溉效益[11-12]、特征與建設策略[13]、供水量計算[14]、復蓄次數[15]、灌溉能力影響因素[16]等內容，針對農村山坪塘整治規劃及工程設計的研究尚不多見。本文以地處西南丘陵山區的重慶市江津區4個農業綜合整治示范片區為例，探討農村山坪塘整治工程的規劃設計及實踐應用，以期為地方政府制定山坪塘整治措施和技術方法提供參考，為西南丘陵山區實施鄉村振興戰略提供實踐支撐，并在一定程度上豐富農村水利設施建設的理論內容。

1 研究區概況

江津區位于重慶市西南部，毗鄰四川合江縣和貴州習水縣，面積3 219 km2，地處川東平行嶺谷褶皺區西南端，屬典型的低山丘陵區，地勢南高北低，丘陵占65.10%，山地占31.80%，河谷階地3.10%；屬亞熱帶濕潤季風氣候區，雨量充沛，多年平均降水量1 025 mm，南北高差大，南部山區立體氣候明顯；境內江河縱橫交錯，為長江水系上游干流區，為江津區工農業生產提供了優越的水資源條件。江津是全國農業百強縣，農業基礎雄厚，2016年農林牧漁業總產值比重55.1∶ 3.0∶ 38.3∶ 3.6。農業基礎設施建設加快，2016年江津區水利化程度為40%。

重慶市江津區現代農業綜合示范基地由4個典型片區組成，分別為黃莊現代糧油科技示范園、兩江藝農基地、鶴山坪有機農場、龍井壩現代農業園(圖1)。共有山坪塘138口，多為上世紀60年代前后村集體修建，多數滲漏和淤積嚴重，防洪標準低且缺少泄洪設施，庫容量主要在1 000～4 000 m3，上游壩坡陡穩定性差，下游壩坡局部垮塌多，整體運行不理想。

圖1 重慶市江津區農業綜合示范典型片區

1.1 黃莊現代糧油科技示范園片區

位于江津區永興鎮和慈云鎮，總面積2 333.33 hm2。永興鎮黃莊村和慈云鎮涼河村是傳統產糧區，面積335.14 hm2；淺丘地貌，海拔270.40～334.60 m，坡度0°～7°，總體較緩；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為主，宜種性廣、產量高。核心區土地利用中，耕地196.68 hm2，園地36.33 hm2、林地60.63 hm2、水域及水利設施用地11.72 hm2。

1.2 兩江藝農基地片區

位于江津區慈云鎮小園村，是江津現代農業園區“核心區”。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。土壤適宜多種植物生長，建有塘、庫、堰等水利設施，水資源條件較為優越，但地塊破碎、農業基礎設施配套不足。規劃用地范圍128.67 hm2，主要由水田、旱地、園林用地組成，占比46.94%、15.24%、10.07%。

1.3 龍井壩現代農業園片區

位于江津區慈云鎮小園村、涼河村，黃蹬溪貫穿全境，典型淺丘地貌，海拔262～325 m，總體坡度較小；多年平均降雨量1 030.7 mm，主要集中在4-9月份。區內溪河縱橫，有水庫2座，山坪塘31口，容量29.037 m3，塘、庫、堰等水利設施比較完善。面積394.47 hm2，核心區190.80 hm2，耕地較廣且土層深厚，土壤肥沃，適宜發展現代集約化、規?；б孓r業。

1.4 鶴山坪有機農場片區

位于江津區先鋒鎮保平村保平村太保社、中坪社的部分區域，面積2.91 km2。區內地貌類型較為復雜，以丘陵深谷居多，兼有淺丘寬谷、緩丘平地、丘間谷地等地貌類型，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，園地51.42 hm2，草地4.91 hm2，水域4.80 hm2，傳統農業區域。

2 數據來源

本文數據主要來源：土地利用數據為研究區2016年土地利用現狀變更調查數據、現代農業4個典型片區1∶ 2 000實測地形圖和土地利用現狀數據、《重慶市江津區黃莊現代糧油科技示范園核心區總體規劃》、《重慶兩江藝農生態園總體規劃設計》、《重慶市江津區鶴山坪有機休閑農場總體規劃》、《江津慈云龍井壩休閑田園總體規劃》圖件及文本；江津區先鋒鎮、慈云鎮、永興鎮土地利用總體規劃(2006-2020年)圖件、文本；江津區慈云鎮小園村等3個村土地整治項目的相關文本和圖件；多年氣候氣象數據(主要是降水)；重慶市江津區2016-2017年統計年鑒；文中的山坪塘、土壤類型、河流等主要源自于實地調查所得，包括問卷信息、圖片信息、訪談信息等。

3 研究方法

本文以研究區4個現代農業典型片區的1∶ 2 000實測地形圖和土地利用現狀數據為底圖和基礎，通過ArcGIS軟件空間分析模塊提取研究區內山坪塘的面積、蓄水量等水文特征，并以研究區多年月均氣象數據為依據對研究區主要農作物生長期的山坪塘水量調蓄予以計算，進而得到山坪塘的灌溉保證率，以灌溉保證率為參照，結合研究區山坪塘，利用現狀與存在的問題及《灌溉與排水工程設計規范(GB 50288-1999)》、重慶市土地整治工程設計技術標準等，有針對性地開展山坪塘整治工程規劃設計及整治改進措施。

4 研究區山坪塘灌溉保證率測算及整治工程設計實踐探索

4.1 研究區山坪塘灌溉保證率測算

整治山坪塘一般應滿足地形平緩、地基穩固和位置較高、集雨面積大等條件，山坪塘整治工程主要包括擴容清淤、圍坎、塘埂整修、消力池、溢洪道、放水管、取水梯步及進水溝。由于研究區山坪塘主要用于保證農田灌溉，因此應將其為區域農業生產發揮出的灌溉效用作為山坪塘整治工程設計的主要目標依據。主要方法和步驟為：

4.1.1 ArcGIS提取山坪塘水文特征

操作中以研究區1∶ 2 000實測等高線和高程點數據為基礎，利用ArcGIS空間分析軟件建立4個典型農業片區數字高程模型(DEM)，模型構建時像元大小設置為2 m×2 m；再利用軟件水文分析模塊(Hydrology Analysis)對研究區進行集水區劃分和匯流柵格分別予以測算，合理劃分各山坪塘的集水灌溉控制區域。

4.1.2 彭曼法預測作物需水量

利用ArcGIS軟件空間疊加分析功能(Overlay Analysis)和統計功能分別提取和測算集水區內山坪塘蓄水面積及所在區域耕地結構。采用FAO提出的最新修正的Penman-Monteith計算模型即彭曼公式(式1)，利用CROPWAT8.0軟件以旬為時間單元計算參考作物蒸散量，輸入4個典型片區多年月平均氣溫、濕度、降雨、日照、風速、輻射等參數，選擇項目區作物相應的土壤類型，然后借助軟件以旬為時間單元計算出作物各生育期的作物需水量、有效降雨和灌溉需水。作物實際蒸散量即參考作物蒸散量與作物系數的乘積(式2)，有效降雨量采用系數法計算(式3)(本研究中不考慮地下水的利用)。

1) 作物蒸騰量計算——彭曼公式[16-17]：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸散量，mm·d-1；Rn為作物表面太陽凈輻射，MJ/m2·d-1；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；ea為飽和水氣壓，kPa；ed為實際水汽壓(從本地氣象站獲取)，kPa；U2為離地面2 m高處的平均風速，m/s；Δ為飽和水汽壓與溫度曲線的斜率，kPa/℃；γ為干濕表常數，kPa/℃。

2) 作物生育期各階段實際蒸散量計算：

ETcn=Kcn·ET0n

(2)

式中：ETn為研究區某作物生育期n的需水量，mm；ET0n為生育期n的參考作物蒸發量，mm；Kn為生育期n的作物系數，本文依據FAO提出的以研究區附近站點主要農作物的標準農作物系數確定研究區4個現代農業典型片區各生育期作物系數。

3) 研究區有效降雨量計算：

Pe=α·P

(3)

式中：Pe為有效降雨量，(以旬為單位)；P為計算時間段內(以旬為單位)的降雨總量，mm；α為降雨有效利用系數，其大小與研究區域降雨量、降雨強度、降雨持續時間、地面覆蓋及土壤性質等因素有關。根據相關研究成果[18-19]，一般情況下，α可以按以下方式確定其值的大?。寒擯≤5 mm時，α=0；當550 mm時，α=0.75；本文依據FAO提出的以研究區附近站點的α值和結合軟件的測站數據庫中的參數和實地調查情況確定計算時段水旱作物降雨有效系數。

4) 基準作物和灌溉時段確定。西南丘陵山區如重慶、四川等地均以水稻為水田作物代表，生長時段為4-8月份；小麥、玉米等為旱地作物的代表，生長時段為3-7月份。因此，本文研究區江津現代農業4個典型片區上述基準作物主要生長時段也是農作物灌溉集中需水時期，此期研究區降水量約占全年65%左右，區域內山坪塘的蓄水保水能力決定了農作物需水是否能夠得到充足的供應，直接影響到農作物的收成。因此，本研究以水稻和玉米兩種農作物在這個生長時段所需的灌溉水量作為本區域某山坪塘的農業綜合需水量。

5) 山坪塘灌溉需水量計算。據前所述，對具體的一個山坪塘，以其整個集水控制區域為限，其水田和旱地農作物灌溉需水量計算公式為：

(4)

式中：Qm為第m山坪塘積水區域水田和旱地灌溉農作物需水量，m3；n為研究區山坪塘的數量，個；ε為山坪塘集水控制區范圍內水田和旱地的面積比；Sm為山坪塘集水控制區內水田和旱地總面積，hm2；Ir1n為某片塊內第n時段水稻灌溉需水量，mm；Ir2n為某片塊內第n時段玉米灌溉需水量，mm。

4.1.3 計算正常年份山坪塘灌溉保證率

山坪塘灌溉保證率的計算中依然不考慮地下水，由區域水量平衡，得出如下表達式：

An=An-1+Bn-(Xn+Yn+Zn)

(5)

式中：An為某山坪塘集水灌排系統中第n時段末的山坪塘蓄水量，m3；An-1為第n時段初始蓄水量；Bn為山坪塘灌排系統第n時段的入水量，m3；Xn為山坪塘灌排系統第n時段系統內農作物灌溉供水量，m3；Yn為第n時段系統因蒸騰、下滲及溢流等損失的水量；Zn為第n時段系統的泄水量，m3。以CROPWAT8.0軟件測算的結果為依據，以旬(即10天)為工作時間單元對山坪塘蓄水量進行調節，計算時以山坪塘蓄水容量的1/2為初始蓄水量，按平均2 m作為山坪塘蓄水水深。研究區為現代農業土地整治典型片區，山坪塘水源主要是降雨徑流，主要用于區域農田灌溉，其平均徑流系數和灌溉利用系數依據區域多年降雨量及區域面積而確定。

根據式(5)可以得到在某一時段山坪塘經蓄水量調節后的灌溉可供水量。據此，將研究區內多年平均降雨條件下的灌溉可供水量占區域農作物灌溉蓄水量的百分比值稱作山坪塘灌溉保證率，其計算表達式為：

(6)

式中：Xnm為研究區在第n時段第m個山坪塘對控制區內水田和旱地農作物的可供灌溉水量；An為山坪塘控制區域內水田和旱地農作物的需水量；η為研究區山平塘灌溉水利用率(相關研究結果表明在小型灌溉區域通常取值0.7[19])。

4.1.4 研究區山坪塘灌溉保證率測算結果分析

1) 測算樣本選擇。通過對研究區4個現代農業綜合整治典型片區實地調查，在全部138口山坪塘中選擇蓄水深度在1.7～2.3 m之間并一直在灌溉利用的78口山坪塘作為測算樣本，其中黃莊片區27口、兩江藝龍片區15口、龍井壩片區20口、鶴山坪片區16口。通過對選定的山坪塘所在區域實地調查和地形圖量算其海拔高程、相對高度等，本著數據處理方便的原則，將4個典型片區按地面坡度及地面起伏大小分成平緩、低緩和中度丘陵區共3類。坡度小、地勢總體平緩的黃莊現代糧油科技示范園片區中的永興鎮屬區域(相對高差40 m內)為平緩丘陵區，共27口；黃莊片區中慈云鎮屬區域、兩江藝農基地片區、龍井壩現代農業園片區所在區域(因地形坡度增大且主體區域相對高差在50～65 m之間)為低緩丘陵區，共35口；鶴山坪有機農場片區(絕對高度較大、地勢起伏明顯、主體區域相對高差在95 m以上)劃為中度丘陵區，共16口。

2) 灌溉保證率測算結果分析。采用前述研究區山坪塘集水控制區域農作物灌溉需水量、供水量的測算方法，對代表性的78口灌溉需水量、供水量等進行測算；測算過程中對各區域量算耕地面積，分析3類區域水田旱地面積比(低緩丘陵區水田比例最大、中度丘陵區旱地面積比例最大)；通過將3類型區域的多年平均氣溫、太陽輻射、(同一降雨頻率下的3-8月份)降雨量等數據導入CROPWAT8.0軟件并對土壤、農作物予以選擇處理，從而得出以旬為時間單位的農作物需水量、灌溉需水量等指標值。測算結果發現，測算的典型樣區中，水旱作物的需水量、灌溉需水量等均為低丘最大、中丘最??；從測算的數據上看，山坪塘灌溉保證率均隨山坪塘蓄水面積增加而遞增、隨降雨頻率的增大而減?。蝗粜钏娣e大致相當，則中丘區山坪塘灌溉保證率最高而低丘區最小。平緩丘陵區山坪塘平均集雨控制區域面積大于中丘和低丘區域山坪塘，山坪塘入水受降雨變化的影響相對較小；中度丘陵區灌溉保證率達到100%的山坪塘數量占比大于平緩、低緩丘陵區。測算的結果中，中度丘陵區山坪塘灌溉保證率均值在82.13%、平緩丘陵區山坪塘均值66.81%、低緩丘陵區67.58%(圖2)。據此，在山坪塘整治工程設計中，在整治的方向上應有所側重，如平緩區和低緩區山坪塘需擴大蓄水面積及塘地淤泥和沉積物的清理，而中度丘陵區山坪塘重在清除淤積物，在此基礎上根據山坪塘現狀塘埂、圍坎的材質和利用情況進行確定。

圖2 研究區山坪塘蓄水面積與灌溉保證率分布圖

4.2 山坪塘整治工程設計實踐

西南丘陵山區特殊地形地貌條件決定了區域內的山坪塘整體分散分布、平緩丘陵區較低緩丘陵和中度丘陵區集中的空間分布格局。通常情況下，河流流域形成過程中，在地形指數較大也即地勢坡度較小較為平坦的地區容易集水并逐漸形成小型的匯水、集水區域即山坪塘，且因為上游區域集雨量大徑流速度快沖擊力強，山坪塘的蓄水區域也會隨著逐漸增大。同理，在地勢較為陡峭、海拔高度較大的區域，由于水量不多、集雨量小，故無法形成較大的蓄水集水區域，山坪塘的蓄水面積不易擴大。低緩丘陵區山坪塘蓄水面積大而低丘、中丘區蓄水面積較小也證明了地勢地貌條件是丘陵山區山坪塘形成及集雨面積大小的決定性因素。但是，研究區山坪塘是在地形、氣候和區域農業生產活動的共同作用和影響下而形成的。氣溫、風、日照等氣候因子影響農作物需水量間接影響山坪塘，大氣降水則通過水源補給直接影響山坪塘，而農業生產中的作物灌溉需求則是導致區域山坪塘數量和容量變化的主要動力。所以，對研究區山坪塘整治工程設計、新建、擴建等不能盲目貪大，應結合山坪塘集水區域的地形地貌、氣象氣候等條件及區域耕地狀況并結合上述農作物灌溉需水量、供水量、灌溉保證率等測算情況予以因地制宜設計和安排。根據研究區山坪塘灌溉保證率測算結果，結合研究區山坪塘利用現狀和存在的問題，其整治工程設計主要內容如下：

1) 山坪塘建設中，其石壩及堆石壩上下游壩坡坡比(多級壩坡指平均坡比)不小于表1要求。其它型式的山坪塘壩坡應通過驗算以滿足穩定安全要求。

表1 石壩、堆石壩壩坡要求

2) 山坪塘擋水建筑物采用墻式防護方式，實踐中所采用的擋土墻抗滑穩定性驗算、抗傾穩定性驗算應嚴格滿足《水工擋土墻設計規范》(SL 397-2007)的要求。

3) 山坪塘埂出現滑坡、裂縫等病險，實踐中針對病險部位，采取清除滑坡體、翻筑壩坡等措施；山坪塘壩體出現滲漏的，在其壩基、壩肩部位設置截流槽，結合上游壩坡護坡，設土工膜防滲。

4) 對山坪塘上游壩坡設置護坡工程，確保山坪塘建筑物的安全。壩坡的護坡形式可根據當地實際情況確定。實踐中，采用塊石護坡，塊石厚度不低于30 cm；采用現澆或預制混凝土護坡，混凝土強度不低于C15砼，厚度不低于10 cm；砌石壩上游壩坡應采用M10水泥砂漿開槽勾縫，縫寬2 cm。

5) 對山坪塘有人畜通行要求的壩頂采用硬化工程措施，建設中要求砼標號不低于C20，厚度不低于10 cm，每隔6 m分縫，縫寬2 cm。

6) 對有人畜通行要求或附近人口集中的塘堰(壩)，壩頂應設置金屬或石材欄桿，欄桿的高度不低于1.2 m，可采用預制混凝土或漿砌條石、磚等形式，以確保通行的人畜安全，防止發生安全事故。

7) 山坪塘壩腳一律設置排水設施，排水設施應具備相應的排水能力。工程設計要求：①壩體排水可采用棱體排水、貼坡排水等；②棱體排水：排水體頂部寬度不小于0.8 m，排水體頂高程應超過壩腳最高水位和地面1.0 m；③貼坡排水：排水體厚度(含反濾厚度)不小于0.5 m，排水體高度高于浸潤線出逸點1.0 m或高于1/2壩高且高度不小于2.0 m；排水底腳處應設置排水溝。

8) 山坪塘泄水建筑物的工程設計。①山坪塘堰(壩)設置溢洪道和放水建筑物，溢洪道靠壩一側應根據基礎情況采用混凝土或漿砌石襯砌。實踐中混凝土襯砌厚度應不小于20 cm，漿砌石襯砌厚度應不小于30 cm。②山坪塘放水建筑物可采用涵臥管形式或管道放水。③管道放水：管道放水要保證取水口正常運行，管道與壩體結合部位應設置截水環，管道外設置二道閘閥，閘閥處設置閘閥井，管道材料可用經防腐處理的鋼管或者混凝土管。

5 結 語

本文以重慶市江津區現代農業綜合示范4個典型片區研究區域為例，以研究區1∶ 2 000實測地形圖和土地利用現狀數據、江津區慈云鎮小園村等3個村土地整治項目的相關文本和圖件資料等為基礎，以各山坪塘的集水灌溉區域為研究的具體單元，對研究單元農作物灌溉需水量、供水量及山坪塘的灌溉保證率等情況進行測算。并以測算的結果為依據，結合研究區山坪塘的利用現狀、存在的問題和實際需求，對研究區山坪塘整治設計了符合區域實際、操作性強的工程措施，有效提升了研究區山坪塘的灌溉保證率，促進了農業生產發展和地力的提高。研究發現，山坪塘灌溉保證率均隨山坪塘蓄水面積增加而遞增、隨降雨頻率的增大而減??；中度丘陵區山坪塘灌溉保證率大于平緩、低緩丘陵區山坪塘。因此，在山坪塘整治工程設計中，在整治的方向上應有所側重，分別采用擴大蓄水面積及塘地淤泥和沉積物清理等措施。研究結果有助于為西南丘陵山區山坪塘整治工程設計提供借鑒和參考。