江淮分水嶺地區塘壩系統空間格局及效應分析

曹鑫悅，周亮廣，戴仕寶，郭家樂，居肖肖

(滁州學院 地理信息與旅游學院，安徽 滁州 239000)

江淮分水嶺位于長江與淮河之間，以平原和丘陵為主[1]，是我國塘壩分布最為典型的區域[2-3]，塘壩作為1種有效的小型水利灌溉工程，星羅棋布地分布在灌區中[4]。江淮分水嶺地區水資源嚴重不足[5]，同時區內地形起伏，不利于修建大型水利設施，主要依靠塘壩和小型水庫蓄水，攔蓄水量有限，耕地灌溉保證率相對比較低[6]。

塘壩在江淮分水嶺地區旱災防治中的作用明顯。王慶、蔣尚明等參考作物需水量(彭曼-蒙蒂斯Penman-Monteith)公式結合農業種植結構研究得出塘壩是作物灌溉中的水資源最優化利用工程的結論；金菊良、原晨陽等基于供水平衡分析的塘壩可供水量采用復蓄次數計算法對江淮丘陵區20世紀50年代至21世紀初的塘壩灌區抗旱能力進行科學評價，結果表明江淮丘陵區大部分地市及全區的塘壩灌區抗旱能力總體呈現下降趨勢[7-8]。2000年以來，采用遙感手段研究河流地貌得到廣泛應用，王磊、胡伍生等采用GIS技術實現從DEM獲取黃河源地區各級水系長度、數目、密度及流域面積等參數，研究成果顯著[9-10]。王錄倉、高靜等采用標準差橢圓方法研究灌區聚落與水土資源空間的耦合關系，為研究塘壩與耕地之間的耦合性提供實證參考[11]。

在干旱缺水日益突出的江淮分水嶺脊兩側，研究江淮丘陵區典型樣區塘壩系統的格局特征對于進一步發揮和提高塘壩蓄水調控能力、合理調整農業種植結構、科學制訂抗旱規劃及指導塘壩科學管理和建設具有重要意義[12]。

1 研究區概況與研究數據

1.1 研究區概況

在章廣鎮(樣區1)與三界鎮(樣區2)選取2個典型樣區為研究對象。樣區1位于滁州市南譙區的西南部，由3個相鄰的村莊(小徐、南黃、大埂)組成，包含1個大型水庫和74個體量不同的塘壩。樣區2位于滁州市明光市，由3個相鄰的村莊(小許、石梗、灰崗)組成，包含2個大型水庫和87個體量不同的塘壩。兩樣區內地形低緩，地貌崗沖交錯，各自成相對封閉的小流域。

1.2 數據來源與處理

研究數據包括0.5 m天地圖高清衛星影像數據，中科院地理空間數據云獲取的研究區數字高程模型數據，以及實測的塘壩水體數據。使用南方S86GPS RTK及測量尺進行原始數據采集，包括水體輪廓的經緯度坐標、高程信息及水體的深度數據。

針對遙感影像數據，在Envi中進行圖像預處理后加載到Arcgis中進行解譯，確定土地利用類型有塘壩、水田、旱地、林地、荒草地、居民地、道路。

針對采集的塘壩水體原始數據，采用南方CASS 軟件對其進行處理，獲得研究區域水體的水面面積、體積、水面高程、平均深度、庫容量等信息。

2 研究方法

2.1 塘壩系統分級

對DEM數據進行洼地填充、水流方向提取、洼地計算、河網提取、匯流量累積、河網生成，作為塘壩分級前的基礎數據。

塘壩分級：基于河網水系的水道分級原理，將塘壩水系模擬成河流樹狀水系，按照Horton與Strahler定義原則，依照圖1所示，對樣區內的塘壩進行分級。

圖1 分級原理

2.2 塘壩標準差橢圓

SD度量空間要素分布的離散趨勢反映塘壩、水田與旱地等要素空間展布的平均范圍。SDE用于揭示要素的空間分布特征，橢圓的長軸方向表征塘壩、水田、旱地的主要分布方向，橢圓的面積表征塘壩、水田、旱地的分散(緊湊)程度，橢圓的長、短軸的比值體現塘壩、水田、旱地等空間分布的形態。

2.2.1 SDE

(1)

2.2.2 旋轉角的計算

(2)

2.2.3 計算沿長軸方向的標準差和短軸方向的標準差

(3)

2.3 不同降水概率下塘壩供水量及綜合灌溉需水量計算

參考文獻[13]中在不同降水概率下塘壩的復蓄次數，計算出塘壩在相應降水概率下的復蓄庫容作為供水量

M供=n×M蓄.

(4)

式中：M供為塘壩供水量，n為塘壩復蓄次數，M蓄為塘壩庫容。

借鑒金菊良、王慶[14]等以水旱比和復種指數構建的塘壩灌溉區耕地綜合灌溉需水量計算公式，引用水田和旱地單季每公頃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需為耕地綜合灌溉需水量,m3；A為塘壩灌溉耕地面積,hm2;f為復種指數，取2;α為水旱比;M水和M旱分別為水田和旱地單季每公頃在不同降水概率下耕地灌溉需水量,m3。

本文以江淮丘陵兩個小流域塘壩為研究對象，從土地利用、地形、塘壩與耕地類型耦合性、分級塘壩水資源供需比出發，研究分析塘壩的空間格局，得出其空間格局和耦合效應，為實際生產提供科學的理論指導。

3 研究結果

3.1 研究區土地利用特征

基于高清遙感衛星影像，在ENVI中進行圖像增強后轉入Arcgis中進行解譯，得到土地利用統計結果如圖2、圖3所示。

圖2 樣區1矢量化結果

圖3 樣區2矢量化結果

由表1可見，樣區1和樣區2面積分別為5.3 km2和6.17 km2。樣區1中水田與林地占較大比例，而樣區2內旱地與水田為主要的土地利用類型，其中,旱地占比60%以上，而塘壩僅占比3.19%；樣區1中的林地占比高達一半以上，樣區2林地占比僅為11.23%。

表1 研究區土地利用面積分布

3.2 塘壩與耕地類型分布關系

兩樣區的主要耕地類型為水田、旱地，塘壩是主要的灌溉水源。由矢量結果可得，水田基本都位于塘壩的壩體下方，隨著海拔的高度下降，連續分布，與水流方向一致；旱地在樣區1中主要分布在塘壩與林地周邊，而在樣區2內分布范圍較廣，開墾力度比較大。為研究塘壩與耕地類型間的分布關系，通過對塘壩生成以25 m為間隔的緩沖區，求出其每一個單位間隔內與水田和旱地的相交面積，來分析不同距離內灌溉耕地比重。

Arcgis中每25 m距離間隔內生成的塘壩緩沖區與水田、旱地相交面積的結果：樣區1塘壩緩沖區范圍為0～350 m(見圖4)；樣區2為0～400 m(見圖5)。統計出每25 m塘壩緩沖區水田旱地所占的比重如圖6所示。

圖4 樣區1 25～350 m塘壩、水田、旱地緩沖區一覽

研究發現：

1)水田與旱地在樣區1主要分布在塘壩緩沖區20～75 m范圍內，樣區2在25～125 m范圍內，其占比接近50%。

2)樣區1水田與旱地都在塘壩緩沖區125～150 m范圍內下降速率最大；樣區2水田在200～225 m范圍內、旱地在150～175 m范圍內下降速率最大。

3)樣區1水田在50～75 m緩沖區內占比重最大，與戴仕寶教授等研究相吻合[15]，而旱地分布范圍在25～50 m緩沖區范圍內占比重最大；樣區2水田在100～125 m范圍內占比重最大，旱地在50～75 m范圍內比重最大；兩樣區都呈現出拋物線的趨勢，向兩側遞減。

圖6 不同距離緩沖區內旱地、水田所占比例

3.3 塘壩與土地利用耦合關系分析

運用Arcgis10.2空間分析工具標準差橢圓Directional Distribution工具，構建樣區塘壩、水田、旱地耦合關系模型，如圖7所示，由表2分析發現：

1)樣區1中，塘壩、水田的標準差橢圓基本重合，空間走向基本一致，周長與面積較旱地更為接近。在南北向呈擴張狀態，東西向呈壓縮狀態，旱地標準差橢圓較前者長軸、短軸更短,表明水田與塘壩存在著高度的空間耦合性。在實際情況中，塘壩在一定程度上提供蓄積水田所需的水資源，減少耕地出現干旱情況。

圖7 塘壩、水田、旱地標準差橢圓

表2 塘壩空間分布格局的標準差橢圓參數

2)樣區2中，塘壩、水田標準差橢圓的空間分布走向一致，周長與面積較旱地更為接近。在東北和西南方向呈擴張狀態，二者橢圓長軸呈東北-西南向展布。旱地空間分布模式較水田而言，傾角更小，接近于南北向分布，長軸更長，短軸更短，與塘壩的標準差模型耦合較差。實際生產中，塘壩不能很好地滿足水田和旱地需水，干旱現象多發。

3.4 塘壩系統分級

3.4.1 塘壩水系分級統計分析

按照樣區水流網，將塘壩與水田灌溉系統形成的水系線，結合塘壩分布位置，分成一級、二級、三級塘壩系統，對分級塘壩的數量、面積進行統計，并對每一級塘壩的高度、坡度進行對比，如圖8、圖9所示，統計結果如表3所示。

圖8 樣區1塘壩分級

圖9 樣區2塘壩分級

樣區1塘壩數量共74個，按照水道分級原理，分為3級。三界鎮樣區塘壩106個，分為2級。

表3 樣區塘壩、水田、旱地面積分級統計

3.4.2 塘壩地形分析

對DEM進行空間分析及區域統計，獲取分級塘壩的海拔、高程數據，統計如圖10～圖12所示。

圖10 一級塘壩高度、坡度統計散點圖

圖11 二級塘壩高度、坡度統計散點圖

圖12 三級塘壩高度、坡度統計散點圖

從散點圖與描述統計結果可以得到：

1)3個等級塘壩的海拔高度在80～100 m內居多，而塘壩坡度均在7°以下。兩樣區每個級別塘壩高度差值范圍不超過2 m。

2)3個等級塘壩的海拔高度和坡度呈現按等級升高,數值依次遞減趨勢。塘壩海拔高度最小值都為75 m，而最大值則隨著塘壩等級的升高逐漸降低；塘壩坡度隨級別變化趨勢與塘壩高度類似，每升高1個級別，坡度減少2°。

3.4.3 塘壩水量供需比計算

運用塘壩分級數據，采用式(4)、式(5)計算，得到每個級別塘壩供水量與耕地需水量之比，如圖13所示。

結果顯示：在降水概率p=50%、75%、85%、90%、95%時，兩樣區的二級塘壩都能基本滿足耕地的灌溉需求，并且大部分遠超耕地的灌溉需求，最多可達到5倍之多，樣區1的三級塘壩系統同樣如此。而在一級塘壩中，在P=50%、75%時樣區1中的供水能力能滿足耕地的需水要求，而當P=85%、90%、95%時樣區1塘壩則無法滿足；樣區2在P=50%的最大供需比僅0.488，在其他降水概率下，供需比更小，均無法滿足耕地的灌溉需求。

3.4.4 總耕地水資源供需關系

綜合實地測量，運用2.3中所述公式進行計算分析,如圖14所示。

圖13 分級塘壩供水量、耕地需水量比值

圖14 兩樣區塘壩供水量、耕地需水量比值

樣區1供需比在P=95%年降水量情況下為0.72，塘壩供水能力與實際耕地需水量相差較大，而在P=90%、85%、75%、50%年降水量情況下基本滿足耕地的灌溉需求，與實地情況相吻合。而樣區2的供需比在P=50%年降水量情況下為0.79，塘壩供水能力與實際耕地需水量相差較大，在P=95%、90%、85%、75%年降水量情況下供需比更低，無法滿足需求。

4 結 論

1)兩樣區以水田與旱地為主要的耕地利用類型。兩樣區的水田與旱地面積距離塘壩分布均呈現拋物線趨勢，向兩側遞減。樣區1的水田與旱地的面積下降速率達到最大值的區域，相比樣區2，距離塘壩更近。

2)塘壩、水田的標準差橢圓基本重合，空間走向基本一致，水田與塘壩存在著高度的空間耦合性；水田空間分布模式與塘壩的空間耦合度較高，而旱地相對較差。

3)3個等級塘壩的海拔高度和坡度呈現按等級依次遞減的趨勢。3個等級的塘壩海拔高度最小值都為75 m，而最大值則隨著塘壩等級的升高逐漸降低；塘壩坡度隨級別變化趨勢與塘壩高度類似，每升高一個級別，坡度減少2°。塘壩的海拔高度在80～100 m內居多，而塘壩坡度均在7°以下。

4)分級塘壩供需比可見，兩樣區二、三級塘壩能基本滿足當地作物的供水，而一級塘壩則供不應求；從總供需比來看，樣區1可以滿足當地作物的灌溉需求，而樣區2供水不足，幾乎年年出現干旱。