陕南土石山区小流域水土资源空间优化配置研究

【摘要】：坡面径流是造成水土流失的主导因子,坡地径流窖灌农业是一项富有中国特色的农业高效用水技术模式。通过合理集蓄、分配和利用坡面径流资源,从而缓解人类发展需要与水土保持、生态环境保护之间的矛盾,是目前研究的热点和难点,也是解决水、土资源短缺问题的良策。本论文,依托陕西省水土保持科研示范项目“陕南地区坡面径流利用技术研究”。论文立足秦巴山区,站在陕南土石山区全局的高度上,以小流域水(坡面径流)、土(坡地)资源为研究对象,以系统科学、水土保持学,水文学等学科理论为指导,以资料收集、外业调研、数学模拟和理论分析为手段,以陕西省商南县马家沟小流域为典型案例,开展了小流域水土资源空间优化配置研究,取得的主要研究成果如下： 1、基于项目中本人前期参加、完成的研究工作,本学位论文在系统介绍水、土资源优化配置、坡面径流集蓄利用以及流域水文模型研究现状的基础上,确定了进行小流域水土资源空间优化配置的原则和方法： 首先,以坡面径流资源为主要约束条件,从数量和空间位置上最优分配了小流域的水、土资源。然后以最优分配确定的各土地利用面积为主要约束条件,确定蓄水工程的优化配置,进一步将坡面径流资源进行了时空二次分配。本论文提出的配置原则和方法为小流域综合治理提供了具体可行的理论和方法指导。 2、解决了最优“配”(数量上分配)、“置”(空间上放置)小流域水、土资源的难题。首先构建线性规划数学模型,编制计算程序实现了单纯形法的模型求解,在数量上获得小流域水、土资源的最优分配；然后将计算结果结合ArcGIS的运用和二次开发,实现了各土地利用类型空间位置的最优确定。即在空间优化配置各种土地利用面积的同时获得汇水区与灌溉区的最佳配置,从而在空间优化配置土地资源的同时也空间优化配置了水资源。并且将之应用到案例区--商南县马家沟小流域。 3、尝试了基于GIS的水文模型的构建和运用。利用ArcGIS9.2软件空间分析及水文分析模块(Hydrology Model)的功能,提取SCS产流模型(Soil Consveration Sevrice, SCS)所需参数,确定并给子流域赋CN值(Runoff Curve Number, CN),然后根据构建的SCS模型来编程计算不同土地利用状况下各旬的产流情况。并且将之应用到案例区--商南县马家沟小流域。 4、在项目设计提出的原“容亏累计法”计算蓄水工程容积的基础上,进行了改进、细化及重新编程计算,将蓄水工程容积调蓄的时间步长由月细化成旬,并且将之应用到案例区--商南县马家沟小流域。同时,本学位论文进一步增加了“逆时序法”的计算、“容亏累计法”计算结果与“逆时序法”计算结果进行对比的内容；将利用产流率计算坡面产流和SCS径流曲线数法模拟产流两种结果代入“逆时序法”计算蓄容,将结果进行对比。结果表明,“容亏累计法”计算蓄容考虑了旬内调节蓄容,因而蓄容计算结果比“逆时序法”计算结果略大。这是科研示范项目“陕南地区坡面径流利用技术研究”结题之后、撰写本学位论文中的一个创新点。 5、提出了蓄水工程空间位置优化确定的方法。提出以Arc Hydro数据模型自动提取的水系节点为基础,根据蓄水工程的优化选址的基本原则,为蓄水工程优化选址的方法,并在案例区实践,方法简便可行,结果合理。这是科研示范项目“陕南地区坡面径流利用技术研究”结题之后、撰写本学位论文中的又一个创新点。 6、提出了单个蓄水工程容积的确定方法。对于已确定空间位置的蓄水工程,运用两个方法：模拟计算法和分配总蓄容法为单个蓄水工程确定蓄容。对案例区分别用两个方法进行计算,并将计算结果进行比较,结果显示：基于SCS模型的模拟确定蓄容计算步骤多,计算过程复杂,但计算更准确,精度高,易于与GIS结合,易于与基于GIS的水文模型结合,仿真度高。而且,由于考虑了每旬的余水能被低位蓄水工程再利用,模拟计算的单个蓄容之和小于总蓄容。该研究结果可以作为进一步优化计算的基础,也可用来对比研究,其研究方法与结果都具有重要意义。基于“已确定总蓄容”的分配蓄容,方法简便宜行,适于在广大农村推广,但人为因素较多,没有真正进行优化计算,方法有待进一步改进。这是科研示范项目“陕南地区坡面径流利用技术研究”结题之后、撰写本学位论文中的第三个创新点。 本研究区别于前人多数将水、土割裂开研究的方式,将小流域水、土资源综合考虑。具体实现包括两个层次的配置问题,第一个层次是水土资源的空间优化配置,第二个层次是蓄水系统的空间优化配置。以上两个层次的工作确保实现了真正意义上的小流域水土资源的空间优化配置。