米博宇，陳皓銳*，金銀龍，王少麗，李江安，孫勇

(1. 中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京100038； 2. 國家節(jié)水灌溉北京工程技術研究中心，北京100048； 3. 武漢大學水利水電學院，湖北 武漢430072； 4. 江蘇省高郵市水務局，江蘇 高郵225600)

農田澇災受到暴雨條件、土壤、下墊面、地下水埋深、排水工程和建筑物布局規(guī)模、外排條件等多種因素影響[1]，不同因素對作物受澇的影響呈現(xiàn)復雜的非線性特征，由于實地監(jiān)測能力的限制，在分析上述影響規(guī)律時往往利用數(shù)學模型作為情景模擬的分析工具.雖然國內外已開發(fā)了Drainmod, Hydrus, SWAP等一系列包含農田排水過程的模型，但多限定于田間尺度，無法考慮多級排水溝道和建筑物以及外河水位與農田澇災的互饋影響.而大尺度水文模型多是針對自然流域開發(fā)的，無法直接應用于灌區(qū)復雜地貌條件下的水分運動過程模擬.首先，人工溝塘、田埂的存在形成了密布的局部小地貌條件，這種局部地貌使得灌區(qū)的排水路徑遵循著人類的設計規(guī)則，即沿著田塊—溝塘—河湖這一路徑逐級匯流直至流出區(qū)域排水出口.由于DEM分辨率的限制，僅能分辨出區(qū)域內較大的河流水系[2-3]，而對相對較小的溝渠系統(tǒng)則難以細致刻畫，造成識別的排水網(wǎng)絡失真[4].沒有反映灌區(qū)多級溝道組成的復雜排水網(wǎng)絡，使得澇水通過溝道系統(tǒng)逐級排入河道的過程被刻畫成直接通過田塊排入河道的坡面匯流過程，影響了對匯流時間和過程的準確模擬，也對田間積水過程的量化和澇災的準確評估產生不利影響.其次，降雨產生的農田積水一部分通過土壤進入地下，排入周邊溝道，若田面積水超過田埂高度還會通過地表直接排入溝道，從而使得河溝水位逐漸增加.河溝水位的變化又反過來改變了農田水分出流的邊界條件，進而影響稻田積水深變化和排水量.這一排水過程又受作物種植、河溝調蓄、閘泵控制、排水方式、外排條件、田埂攔蓄等多種人類活動影響[5]，使得整個灌排系統(tǒng)的水分循環(huán)過程與自然流域水分循環(huán)過程有著顯著差異[6]，需要對灌區(qū)產流、土壤水分運動、地下水分運動和河道匯流過程進行綜合考慮[7-8]，以便將人類活動的影響和變量間的相互作用關系納入考慮的范圍.CHEN等[9]構建了一個綜合考慮上述各類因素及其交互作用的灌區(qū)澇災模擬模型，文中即利用該模型分析不同暴雨強度、斗溝規(guī)模、外排條件、抽排能力和泵站調度規(guī)則等環(huán)境因子改變條件下的澇災減產分布.

里下河平原位于江蘇北部，總控制面積19 068 km2，腹部地區(qū)四周高，中間低，呈碟型，當連續(xù)降雨發(fā)生后，水位迅速上漲圍困圩區(qū)，外河水位頂托導致排水緩慢，容易造成洪澇災害[10].由于該地區(qū)水系復雜，河道縱橫，堰塘星羅棋布，河道流向不定，其澇水產生過程和影響因素極其復雜[11-12].文中以位于里下河平原腹地的江蘇高郵灌區(qū)某典型圩垸為例，利用構建的農田澇災分布式模型模擬不同暴雨強度、斗溝規(guī)模、外排條件、抽排能力和泵站調度規(guī)則等環(huán)境因子改變條件下的澇災減產分布變化，以期為選擇該區(qū)域的除澇措施提供參考.

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)獲取

在高郵灌區(qū)選擇1個相對封閉的圩區(qū)作為研究區(qū).區(qū)域控制面積20.27 km2(30 410畝)，研究區(qū)排水首先通過東西方向的斗溝匯入中市河、蔣馬河等幾條圩內骨干河道，然后從南向北匯入北澄子河中，再由西往東流出研究區(qū)，排水總出口如圖1所示.研究區(qū)總體呈現(xiàn)西南高、東北低的地貌條件，一般條件下圩內澇水通過上述通道自排入外河，但由于區(qū)域河道比降較小，自排時流速緩慢，加之外河水位頂托作用，導致排水不暢，因此在研究區(qū)內外河交匯處設有4座排澇泵站以提高圩內排水能力.暴雨來臨后，當外河(北澄子河)水位超過關閘警戒水位2.5 m，此時閘門排水不暢，將自動關閘(中市閘、蔣馬閘、紅旗閘等)，防止倒灌.此時若閘前水位未達到開泵警戒水位2.3 m，則泵站仍停用，若閘前水位超過開泵警戒水位，則泵站開啟；當閘前水位降低到開泵警戒水位以下時，泵站自動關閉以便節(jié)省電力.此時若外河水位仍然超過關閘警戒水位，則閘門仍然處于關閉狀態(tài)；當外河水位逐漸消退低于關閘警戒水位時，閘門開啟，泵站關閉.

圖1 研究區(qū)示意圖

對河道水位和降雨數(shù)據(jù)進行了實時監(jiān)測，同時從灌區(qū)管理部門搜集了高郵市逐日氣象數(shù)據(jù)、河溝分布、河溝斷面尺寸、底部高程和縱坡、涵管分布和直徑、河道的閘泵調度信息、土地利用分布、北澄子河實測水位、不透水層位置和不同深度土層土壤顆粒分布.從相關文獻搜集了水稻不同生育階段的作物系數(shù)[13]、水稻株高生長規(guī)律[14]、河道和地面糙率[15].通過實地調研獲得了田埂高度、典型塘堰水深、排水斗溝間距數(shù)據(jù)，其中作物系數(shù)主要用來計算作物的騰發(fā)量，水稻株高生長規(guī)律主要用來計算不同生育期的受澇減產率，河道和地面糙率主要用來計算田塊和河溝的地表匯流過程，田埂高度用來計算田塊產流，塘堰水深主要用來給定塘堰初始條件，排水斗溝間距用來計算田塊的地下排水量.

2 模型構建和檢驗

CHEN等[9]構建了一個具有較強物理機制的農田澇災分布式模擬模型，詳細介紹了模型中各個模塊所采用的計算方法，并在對模型進行參數(shù)敏感性分析基礎上，利用實測數(shù)據(jù)對模型進行了率定和驗證.文中在文獻[9]研究工作的基礎上，利用構建的模型進行的情景方案進行分析.為方便讀者理解整個研究工作的完整性，文中對文獻[9]中有關模型的總體結構和率定驗證成果歸納說明如下：

模型以田塊、塘堰、斗溝、河段等實際地貌為基礎模擬單元，較為充分地考慮了影響灌區(qū)水文過程和澇災產生的各種因素，如田埂、土地利用和種植結構、閘泵涵等建筑物、下游水位頂托、地下排水、作物生長和受澇減產、地表-土壤-地下水交換等.模型包括1個空間離散和流向判別前處理模塊和6個物理過程計算模塊，其中空間離散和流向判別模塊獲得的單元離散結果、單元間水流方向關系和各個單元的空間屬性被其他各個物理過程計算模塊所調用.蒸散發(fā)模塊能夠根據(jù)不同土地利用進行耗水計算；產流和土壤水分模塊主要進行田埂攔蓄、下游水位頂托和存在地下排水條件下地表產流、非飽和帶土壤水分運動、飽和-非飽和土壤水分交換以及地下排水過程的計算；河溝匯流模塊計算上游來流、下游水位頂托和建筑物調控情況下河溝的匯流過程；澇災損失模塊主要根據(jù)水稻不同生育期受澇水分生產函數(shù)計算作物受淹減產情況.整個模型采用Open FLUID平臺開發(fā)而成.

將研究區(qū)劃分為368個線狀單元和1 073個面狀單元，其中水田單元566個，塘堰單元365個，居工地單元142個.上邊界條件為逐小時的降雨和蒸散發(fā)數(shù)據(jù)，下邊界條件為模擬的最大土層深度1.5 m.水平邊界為外河(北澄子河)進出口實測水位.利用實測數(shù)據(jù)對模擬的河溝水位進行了率定驗證，率定期的相對誤差控制在3%以內，納什系數(shù)在0.90以上，平均殘差比例和分散均方根比例都在10%以內.驗證期的相對誤差在6%以內，決定系數(shù)在0.90以上，平均殘差比例和分散均方根比例小于15%.

3 情景方案設置

暴雨發(fā)生后，田面積水受降雨和下游河道水位頂托的雙重影響將持續(xù)數(shù)天，即便降雨停止，由于河道水位消退過程較慢，也可能使?jié)碁睦^續(xù)發(fā)生.

從作物受澇的最不利情況出發(fā)并參考《高郵市防洪排澇規(guī)劃》報告及高郵市防洪排澇標準(抵御20 a一遇暴雨)，如表1所示，其中p為平均降雨量；p1%d,p2%d,p5%d,分別為1%，2%，5%的設計暴雨量；Cv,Cs分別為變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù).選擇1%,2%和5%這3種頻率的7 d暴雨進行情景方案計算，由于平原區(qū)河道水位消退時間較長，為了充分考慮河道水位的影響，將計算時段定為15 d.如表2所示設置情景方案，表中f為暴雨頻率.在人類活動措施方面，結合研究區(qū)實際情況考慮斗溝深挖、外河水位降低、泵站排澇能力增大和閘泵調度規(guī)則改變4個方面.

表1 不同頻率設計暴雨參數(shù)

表2 情景方案設置說明

4 結果和討論

遭遇不同暴雨條件下的稻田減產情況如表3所示.

表3 不同情景方案下稻田減產情況

表3中N為減產稻田數(shù)，rN為減產稻田占比，A為減產稻田面積，rA為減產稻田占比，RYmax為最大減產率.

4.1 不同頻率暴雨

圖2為現(xiàn)狀條件不同頻率暴雨的澇災減產分布，其中RY為減產率.受災減產田塊首先出現(xiàn)在地勢低洼的東北部，隨著暴雨強度增大，受災區(qū)域向東部和西北部擴展.CHANG等[16]也指出了澇災與地形之間的緊密關系.在現(xiàn)狀條件下，研究區(qū)基本抵御20 a一遇暴雨，受澇面積10%左右，最大減產率不超過5%.陳皓銳等[10]發(fā)現(xiàn)高郵灌區(qū)在現(xiàn)狀條件下的農田澇災高風險區(qū)域的面積在10%左右，兩者結論較為一致.當遭遇50 a一遇時，超過一半的水稻面積將產生澇災減產，受澇田塊個數(shù)和受災面積是2%暴雨條件下的4.68倍和5.40倍，田塊最大減產率是2.54倍.當遭遇100 a一遇暴雨時，研究區(qū)出現(xiàn)大面積受澇現(xiàn)象(除地勢較高的西南部外)，受澇田塊個數(shù)是5%和2%暴雨條件下的7.47倍和1.60倍，受澇面積是8.29倍和1.54倍，最大減產率是3.29倍和1.30倍.由此可見，在研究區(qū)現(xiàn)狀排水能力下，當遭遇50 a一遇以上暴雨條件時，受災情況較為嚴重.

圖2 現(xiàn)狀條件澇災減產分布圖

4.2 斗溝加深

與現(xiàn)狀條件相比，5%暴雨下的受災減產田塊數(shù)量減少14.52%，受災面積減少14.73%，最大減產率降低5.16%.2%暴雨下受災減產田塊數(shù)量減少17.24%，受災面積減少16.11%，最大減產率降低4.75%.1%暴雨下受災減產田塊數(shù)量減少4.32%，受災面積減少3.91%，最大減產率降低3.81%.可見，斗溝拓深的減災效果隨著暴雨強度增大先強后弱，原因在于斗溝加深后，溝道斷面隨之擴大，溝道中水位的漲落幅度將更為緩慢，在溝道中初始水位一致的情況下，深溝方案的水位漲幅更小，對田塊排水的頂托作用更小，河溝高水位持續(xù)時間將縮短，從而使得地勢相對較高的田塊將不再受澇，受澇范圍也就更小，這與景衛(wèi)華等[17]研究的結論是一致的.但這種影響范圍是有限的，在碰到更大暴雨時(如1%暴雨)，現(xiàn)有泵站排澇能力無法控制水位低于2.3 m，雖然深溝方案的斗溝水位漲幅相對更小，但大暴雨導致的溝道高水位狀態(tài)的持續(xù)時間仍然足以使得大部分田塊受澇，因此減災效果相對較弱.

4.3 外河水位降低

與現(xiàn)狀條件相比，5%暴雨條件下的受災減產田塊數(shù)量減少88.71%，受災面積減少86.87%，最大減產率降低66.59%.2%暴雨條件下的受災減產田塊數(shù)量減少16.21%，受災面積減少13.62%，最大減產率降低40.60%.1%暴雨條件下的受災減產田塊數(shù)量減少8.85%，受災面積減少8.52%，最大減產率降低28.12%.降低外河水位對于澇災緩解效果非常明顯，河道水位的降低使得外排條件大大改善，排水的頂托效果減弱，地表和地下排水更為通暢，從而使得農田積水深度和時間都會減少，反之則會對排水造成頂托.需要注意的是，外河水位降低后，需調整閘門關閉策略，若仍按原方式，可能會導致閘門很難達到關閉條件.在內河水位相對較高且內外河水位差較小時，由于閘門仍未達到關閉條件，導致泵站無法啟動而只能依靠自排，內河水位將會壅高淹沒更多地勢較高的田塊，受災面積反而更大(減產率不一定會增加)，可見澇災緩解效果是多種因素共同作用的結果，某種因素單獨改變時會導致其他條件出現(xiàn)相應變化，需要綜合考慮應對.

4.4 加大泵站抽排能力

與現(xiàn)狀條件相比，2%暴雨條件下的受災減產田塊數(shù)量減少32.76%，受災面積減少31.68%，最大減產率降低31.10%.1%暴雨條件下的受災減產田塊數(shù)量減少13.82%，受災面積減少11.52%，最大減產率降低11.44%.加大泵站抽排流量的減災效果隨著暴雨強度增大先大后小，在5%暴雨條件下，現(xiàn)有泵站抽排能力就能夠使內河水位降至泵站啟排水位，當加大泵站抽排流量后，內河水位降至泵站啟排水位后將停泵，相當于泵站抽排時間縮短了，因此澇災緩解效果相對較弱.以中市河泵站為例，在5%暴雨條件下，現(xiàn)有泵站抽排能力4 m3/s時，中市站開泵總時間為100.50 h，而將泵站抽排能力加至6 m3/s后，抽排時間減少至67.42 h，較現(xiàn)狀條件減少了33.08 h.當遭遇2%暴雨時，加大泵站抽排流量后，河道最大水位變小，且高水位持續(xù)時間有所縮短，從而使得部分地勢較高田塊的澇災得以消除，減災效果凸顯.當暴雨強度增至1%時，加大泵站抽排能力后，雖然河道最高水位變小，且高水位持續(xù)時間會縮短，但由于降雨較大，這一措施帶來的變化影響不足以產生較大的減災效果.

4.5 降低泵站啟排水位

啟排水位由2.3 m降低至1.5 m，意味著在漲水過程中提前開泵，在退水過程中推遲關泵，但該種措施對澇災緩解效果不明顯.對于暴雨相對較小的情況(如5%和2%暴雨)，由于降雨集中在第2天且本次降雨量較大，雖然內河水位抬升超過啟排水位，但此時外河水位尚未達到關閘條件2.5 m，泵站無法提前啟動，因此改變啟排水位對這一過程中的田塊排水不產生任何影響.當外河水位抬升至關閘水位時，泵站開始啟動，直至水位降落至啟排水位停泵.圖3為不同暴雨時內河水位Z的變化，圖中水位過程線分離點代表降低啟排水位措施的影響開始點，對于5%暴雨時，措施產生影響的開始時間為模擬第4天12:31；對于2%暴雨，措施產生影響的開始時間為模擬第6天7:16；對于1%暴雨，則未產生任何影響(現(xiàn)有泵站排澇能力下，無法將水位抽排至現(xiàn)狀啟排水位2.3 m).

圖3 降低泵站啟排水位對內河水位影響

雖然在5%暴雨和2%暴雨情況下降低泵站啟排水位產生了一定影響，但這種影響主要集中在模擬時段的第4天(5%暴雨)和第6天(2%暴雨).對于5%暴雨條件，作物受澇主要從第3天開始， 此時受澇面積已經形成，后期水位降低只是通過減少部分地勢低洼田塊(低于2.3 m的田塊)的受澇時間來減少作物減產率，因此采取此種措施只是降低了最大減產率，而對受澇范圍沒有影響.對于2%暴雨條件，受澇面積的形成存在2個時間節(jié)點，地勢較低的田塊受澇從第3天開始，地勢相對較高的田塊從第8天開始受澇，采取措施后的水位降低影響了第2次受澇范圍的形成，因此總的受澇面積有所縮小.對于1%暴雨則無論是受澇范圍還是減產率都沒有任何影響.

5 結 論

1) 在現(xiàn)狀條件下，研究區(qū)的受澇面積10%左右，且最大減產率不超過5%.當遭遇50 a一遇時，超過一半的水稻面積將產生澇災減產，受災面積是5%暴雨條件下的5.40倍，當遭遇100 a一遇暴雨時，受澇面積是5%和2%暴雨條件下的8.29倍和1.54倍，最大減產率是3.29倍和1.30倍.

2) 斗溝由1.3 m拓深到2.0 m時，與現(xiàn)狀條件相比，5%暴雨條件下受災面積減少14.73%， 2%暴雨條件下受災面積減少16.11%， 1%暴雨條件下的受災面積減少3.91%.

3) 外河水位預降0.5 m對于澇災緩解效果非常明顯，河道水位的降低使得外排條件大大改善，排水的頂托效果減弱，地表和地下排水更為通暢，從而使得農田積水深度和時間都會減少.尤其是在20 a一遇暴雨時候，斗溝加深可以使受災面積減少86.87%，最大減產率降低66.59%.在1%暴雨條件下的受災減產田塊數(shù)量減少8.85%，受災面積減少8.52%，最大減產率降低28.12%.

4) 加大泵站抽排流量55.56%,減災效果隨著暴雨強度增大先大后小.與現(xiàn)狀條件相比，2%和1%暴雨條件下的受災面積分別減少31.68%和11.52%.

5) 單純降低泵站啟排水位而不同時降低外河閘的關閘警戒水位，對澇災減緩效果幾乎沒有影響，需要根據(jù)暴雨過程綜合考慮泵閘聯(lián)調.