喀斯特石漠化地区水利水保措施优化配套与极度干旱应急调控技术示范

摘要

中国南方以贵州高原为中心的喀斯特地区，是世界面积最大、生态环境最为脆弱的喀斯特集中连片区，在典型季风气候、特殊地形地貌与水文地质结构综合作用下，形成了喀斯特地区独特的水资源短缺与干旱问题—工程性缺水，严重影响当地居民的生产生活。工程性缺水发生在降水丰富的喀斯特地区，与区域降水时空分布不均、少土、植被覆盖率低以及长期强烈喀斯特作用产生的地表地下双层空间结构密切相关。在充分认识喀斯特地区干旱致灾因子、水资源的赋存特征与空间补给关系、水资源供需关系的基础上，应用水利水保工程措施对工程性缺水问题因地制宜地进行人工干预、优化组合配置，制定相关模式与技术集成，增强不同干旱情景下应急调度与安全调控，满足地区用水需求具有重要的意义。因此，本文以毕节撒拉溪示范区朝营小流域、关岭—贞丰花江示范区顶坛小流域为研究对象，采用文献资料分析、实地监测、问卷调查、室内分析以及系统科学等研究方法，对两条小流域的水资源、水利水保工程进行调查监测，分析区域干旱发生的主导因素，结合多源数据资料构建水利水保措施优化配套与极度干旱应急调度模式——“朝营模式”和“顶坛模式”，通过技术示范，分析产生的综合效益，并对该模式做推广适应性分析。
　　（1）根据朝营、顶坛两条小流域水资源赋存状况及特点，以流域内人畜、农作物以及经济林草作为计算对象，通过采用“K值法”、修正的彭曼公式以及林地作物腾发量 ETj等方法对区域内的人畜用水、农作物及经济林草需水进行分析，朝营小流域人畜年需水总量0.20×107m3，生态需水为0.22×107m3，总需水量为0.42×107m3。根据目前小流域水资源开发利用与工程配置下，蓄水池可解决用水0.14×105m3，泉水解决用水0.12×107m3，生态需水自然补给水量为0.27×107m3，水资源供需失衡量为：0.29×106m3。顶坛小流域人畜年需水总量0.35×106m3，生态系统年需水总量0.57×106m3，小流域总需水量为0.92×106m3，在小流域目前水资源开发利用与工程配置下，蓄水池可解决用水0.11×105m3，屋面集雨提供水量为0.42×106m3，小泉点开发利用补给0.11×106m3，降雨补给水量为0.61×105m3，水资源供需失衡量为0.33×106m3。解决供需失衡问题，需配置如下工程措施：朝营小流域至少建设100m3蓄水池40座，修建60m3蓄水池300座；30m3蓄水池560座，同时根据水资源的调度需求配套沉沙池和引水管网；在顶坛小流的人畜需水方面，需修建100m3蓄水池80座，12个村民组各修建60m3水池1座；在生产用水和生态用水方面，仍需修建60m3蓄水池120座和30m3蓄水池264座。
　　（2）根据朝营喀斯特高原山地与顶坛喀斯特高原峡谷两种典型地貌特征，在查明两条小流域水资源赋存状况与分布特征、水利水保工程配置现状等基础上，结合现有水资源开发利用与工程配套成熟技术，并对关键技术进行创新，形成以满足区内日常用水为目标，同时兼顾能极度干旱情景下水资源应急调控的水资源开发利用方式、水利水保工程配置模式及其所需的技术体系支撑，构建了与两条小流域自然条件、社会经济环境相匹配的“朝营模式”与“顶坛模式”。
　　“朝营模式”主要采用人畜饮水安全工程建设与极度干旱应急调控技术、发展畜牧业水源保障与极度干旱应急调控技术、农作物灌溉的水源工程配套与极度干旱应急调控技术以及经济林灌溉的多源水工程建设与极度干旱应急调控技术等进行的模式构建；“顶坛模式”构建主要采用人畜饮水安全工程建设与极度干旱应急调控技术及经济林灌溉的多源水工程建设与极度干旱应急调控等技术而构建。
　　（3）在朝营小流域，优化原有屋面技术、开发洼地薄膜集雨技术，对露水收集利用的技术进行研发，并通过人畜饮水安全、发展畜牧业水源保障、农作物灌溉的水源工程配套以及经济林灌溉的多源水工程等水利水保工程建设，逐步形成以屋面集雨+泉点引水为主的人畜饮水安全工程与极度干旱应急调控技术体系、屋面集雨+泉点引水提、蓄、引相结合的发展畜牧业水源保障与极度干旱应急调控技术体系、以土地整治坡改梯及配套工程建设+路面集雨的农作物灌溉的水源工程配套与极度干旱应急调控技术体系以及屋面集雨+路面集雨+坡面集雨+洼地薄膜集雨小山塘工程建设的经济林灌溉的多源水工程建设与极度干旱应急调控技术体系；在顶坛小流域，优化原有屋面集雨技术的同时，提出通过措施运用减少蒸发量的技术与方法，并通过人畜饮水安全和发展经济林灌溉水源工程建设，逐步形成屋面集雨+泉点引水+落差提水+跨流域远距离水资源调度提、蓄、引相结合的人畜饮水安全工程建设与极度干旱应急调控技术及坡面集雨+路面集雨+机电提水+逐级提水+吊瓶滴灌的经济林灌溉的多源水工程建设与极度干旱应急调控技术的技术体系。
　　（4）以朝营、顶坛两条小流域的地质条件、水文条件和人为条件等为基础，充分结合地区产业结构特征，根据野外调查，弄清现有工程的配置情况以及流域需水特点，选取典型具有代表性的下小寨、韩家冲、沙坝以及查耳岩等处作为技术示范点。在朝营小流域下小寨社区修建65m3蓄水池一口，配套管网配套DN32PE管0.72km，优化屋面集雨技术修建生物慢滤池5座；在韩家冲等社区修建400m3高位调蓄水池1座，配套管网DN50PE管，DN32PE管共计9.1km；在沙坝区域修建坡改梯9.37hm2，配套修建60m3蓄水池6座，截流沟20m；在梅家丫口等经济林布置区修建750m3小山塘1座，沉砂池1座，配套输水、供水管网300m。在顶坛小流域查尔村，安装铺镀锌管管道共计27.3km，其中DN60镀锌管5.3 km、DN40镀锌管6.6 km、DN25镀锌管4.6 km、DN20镀锌管2.4 km以及DN15镀锌管8.37 km管道铺设贯穿到整个研究区，在经济林区修建60m3蓄水池20座，配套沉砂池20座，截流沟200m，逐级提水工程一套，配套管网2000m。通过工程实施使122.84hm2面积的农作物及经济林草免受干旱影响，4203人，668头（匹/只）解决干旱缺水问题。
　　（5）选择朝营小流域下小寨、韩家冲、沙坝、梅家丫口及朱家岩洞和顶坛小流域查耳岩村等地区作为示范点，于2013年1月至2015年7月期间实施，并对工程实施效果进行监测。结果表明：在朝营小流域的下小寨社区修建配套蓄水池及管道后，通过蓄水池调蓄作用，一年可调蓄水量4.73万m3，每年减少工程渗漏水量431m3，泉水及工程利用效率提高20％以上。韩家冲社区养殖水源保障工程建设，高位水池的建立，全年可调蓄水量8.96万m3，满足极度干旱应急水资源的调控，满足69头牛养殖所需水源，缓解韩家冲、下小寨社区旱季用水压力；在沙坝区域进行土地整治0.94 hm2的坡改梯及灌溉水池配套建设，改善原有的耕作环境，提供干旱环境下的调度水源，增强作物的抗旱能力，玉米产量由每亩350kg，可提高到每亩400kg左右，整个示范点玉米增产7755kg，增加收入1.58万元，工程每年调蓄水量1.08万m3，保土约16.8m3。梅家丫口、朱家岩洞等地经济林多源水工程建设，有效的蓄积雨水、地表径流资源，蓄水工程全年调蓄水量2.25万m3，为发展经济林提高了足够的水源保障。顶坛小流域查耳岩村人畜饮水安全工程建设，水源充足，保证率达到80%以上，解决全村870户3850多人饮水安全问题；查耳岩村农作物灌溉的水源工程配套建设，采用坡面径流开发、地表水逐级提水利用以及吊瓶滴灌抗旱等多种技术手段，保障112.42hm2经济林灌溉所需的26.98万m3水量。

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中文摘要

英文摘要

前言

1 选题背景

2 立题依据

3 研究的理论意义

4 研究的现实意义

一 研究现状

1 干旱与极度干旱

2 石漠化环境干旱与水利水保应对措施

3 国内外主要研究进展与展望

二 研究设计

1 研究目标与内容

2技术路线与方法

3 研究区选择与代表性

4 材料数据获取与可信度分析

三 喀斯特小流域水资源空间供需平衡状况

1喀斯特潜在—轻度石漠化朝营小流域

2喀斯特中—强度石漠化顶坛小流域

3不同小流域水资源供需对比

4同一条小流域内不同石漠化等级水资源供需对比

四 水利水保措施优化配套与极度干旱应急调控耦合模式

1 模式构建的理论依据

2模式构建的边界条件

3 模式构建的技术体系

4 模式的结构与功能特性

5 不同小流域模式结构与功能对比

五 水利水保措施优化配套与极度干旱应急调控关键技术

1 潜在—轻度石漠化朝营小流域现有技术与成熟技术

2 中—强度石漠化顶坛小流域现有技术与关键技术

3 石漠化地区共性技术与关键技术创新

4 不同小流域技术优化与集成对比

六 水利水保措施优化配套与极度干旱应急调度技术示范

1 朝营小流域示范点选择与生态经济问题

2 顶坛小流域示范点选择与生态经济问题

3 示范点建设目标与建设任务

4 水利水保措施现状评价与工程布局

5 工艺流程与工程示范过程

6 示范点建设成果与对比分析

七 水利水保措施优化配套与极度干旱应急调度模式效益监测评价

1 监测评价的目的

2 效益监测评价分析

八 水利水保措施优化配套与极度干旱应急调控模式优化与推广应用

1 模式的优化

2 推广适宜性分析

3 模式推广应用范围

4 模式推广保障措施

九 结论与讨论

参考文献

攻读学位期间科研成果

致谢

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