江蘇里下河平原農(nóng)田澇災(zāi)的情景模擬分析
——以高郵灌區(qū)典型圩垸為例

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(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100038； 2. 國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京100048； 3. 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢430072； 4. 江蘇省高郵市水務(wù)局，江蘇 高郵225600)

農(nóng)田澇災(zāi)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(duì)作物受澇的影響呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性特征，由于實(shí)地監(jiān)測能力的限制，在分析上述影響規(guī)律時(shí)往往利用數(shù)學(xué)模型作為情景模擬的分析工具.雖然國內(nèi)外已開發(fā)了Drainmod, Hydrus, SWAP等一系列包含農(nóng)田排水過程的模型，但多限定于田間尺度，無法考慮多級(jí)排水溝道和建筑物以及外河水位與農(nóng)田澇災(zāi)的互饋影響.而大尺度水文模型多是針對(duì)自然流域開發(fā)的，無法直接應(yīng)用于灌區(qū)復(fù)雜地貌條件下的水分運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)規(guī)則，即沿著田塊—溝塘—河湖這一路徑逐級(jí)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(nèi)較大的河流水系[2-3]，而對(duì)相對(duì)較小的溝渠系統(tǒng)則難以細(xì)致刻畫，造成識(shí)別的排水網(wǎng)絡(luò)失真[4].沒有反映灌區(qū)多級(jí)溝道組成的復(fù)雜排水網(wǎng)絡(luò)，使得澇水通過溝道系統(tǒng)逐級(jí)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(duì)匯流時(shí)間和過程的準(zhǔn)確模擬，也對(duì)田間積水過程的量化和澇災(zāi)的準(zhǔn)確評(píng)估產(chǎn)生不利影響.其次，降雨產(chǎn)生的農(nóng)田積水一部分通過土壤進(jìn)入地下，排入周邊溝道，若田面積水超過田埂高度還會(huì)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(nóng)田水分出流的邊界條件，進(jìn)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(diào)蓄、閘泵控制、排水方式、外排條件、田埂攔蓄等多種人類活動(dòng)影響[5]，使得整個(gè)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(duì)灌區(qū)產(chǎn)流、土壤水分運(yùn)動(dòng)、地下水分運(yùn)動(dòng)和河道匯流過程進(jìn)行綜合考慮[7-8]，以便將人類活動(dòng)的影響和變量間的相互作用關(guān)系納入考慮的范圍.CHEN等[9]構(gòu)建了一個(gè)綜合考慮上述各類因素及其交互作用的灌區(qū)澇災(zāi)模擬模型，文中即利用該模型分析不同暴雨強(qiáng)度、斗溝規(guī)模、外排條件、抽排能力和泵站調(diào)度規(guī)則等環(huán)境因子改變條件下的澇災(zāi)減產(chǎn)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(dāng)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(dǎo)致排水緩慢，容易造成洪澇災(zāi)害[10].由于該地區(qū)水系復(fù)雜，河道縱橫，堰塘星羅棋布，河道流向不定，其澇水產(chǎn)生過程和影響因素極其復(fù)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(gòu)建的農(nóng)田澇災(zāi)分布式模型模擬不同暴雨強(qiáng)度、斗溝規(guī)模、外排條件、抽排能力和泵站調(diào)度規(guī)則等環(huán)境因子改變條件下的澇災(zāi)減產(chǎn)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(gè)相對(duì)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(nèi)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(nèi)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(shí)流速緩慢，加之外河水位頂托作用，導(dǎo)致排水不暢，因此在研究區(qū)內(nèi)外河交匯處設(shè)有4座排澇泵站以提高圩內(nèi)排水能力.暴雨來臨后，當(dāng)外河(北澄子河)水位超過關(guān)閘警戒水位2.5 m，此時(shí)閘門排水不暢，將自動(dòng)關(guān)閘(中市閘、蔣馬閘、紅旗閘等)，防止倒灌.此時(shí)若閘前水位未達(dá)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(dāng)閘前水位降低到開泵警戒水位以下時(shí)，泵站自動(dòng)關(guān)閉以便節(jié)省電力.此時(shí)若外河水位仍然超過關(guān)閘警戒水位，則閘門仍然處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)外河水位逐漸消退低于關(guān)閘警戒水位時(shí)，閘門開啟，泵站關(guān)閉.

圖1 研究區(qū)示意圖

對(duì)河道水位和降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)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(diào)度信息、土地利用分布、北澄子河實(shí)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(guān)文獻(xiàn)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(shí)地調(diào)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(jì)算作物的騰發(fā)量，水稻株高生長規(guī)律主要用來計(jì)算不同生育期的受澇減產(chǎn)率，河道和地面糙率主要用來計(jì)算田塊和河溝的地表匯流過程，田埂高度用來計(jì)算田塊產(chǎn)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(jì)算田塊的地下排水量.

2 模型構(gòu)建和檢驗(yàn)

CHEN等[9]構(gòu)建了一個(gè)具有較強(qiáng)物理機(jī)制的農(nóng)田澇災(zāi)分布式模擬模型，詳細(xì)介紹了模型中各個(gè)模塊所采用的計(jì)算方法，并在對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)敏感性分析基礎(chǔ)上，利用實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證.文中在文獻(xiàn)[9]研究工作的基礎(chǔ)上，利用構(gòu)建的模型進(jìn)行的情景方案進(jìn)行分析.為方便讀者理解整個(gè)研究工作的完整性，文中對(duì)文獻(xiàn)[9]中有關(guān)模型的總體結(jié)構(gòu)和率定驗(yàn)證成果歸納說明如下：

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

將研究區(qū)劃分為368個(gè)線狀單元和1 073個(gè)面狀單元，其中水田單元566個(gè)，塘堰單元365個(gè)，居工地單元142個(gè).上邊界條件為逐小時(shí)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(jìn)出口實(shí)測水位.利用實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)模擬的河溝水位進(jìn)行了率定驗(yàn)證，率定期的相對(duì)誤差控制在3%以內(nèi)，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(nèi).驗(yàn)證期的相對(duì)誤差在6%以內(nèi)，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(shè)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?zāi)繼續(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(bào)告及高郵市防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)(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(shè)計(jì)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(jìn)行情景方案計(jì)算，由于平原區(qū)河道水位消退時(shí)間較長，為了充分考慮河道水位的影響，將計(jì)算時(shí)段定為15 d.如表2所示設(shè)置情景方案，表中f為暴雨頻率.在人類活動(dòng)措施方面，結(jié)合研究區(qū)實(shí)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(diào)度規(guī)則改變4個(gè)方面.

表1 不同頻率設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)

表2 情景方案設(shè)置說明

4 結(jié)果和討論

遭遇不同暴雨條件下的稻田減產(chǎn)情況如表3所示.

表3 不同情景方案下稻田減產(chǎn)情況

表3中N為減產(chǎn)稻田數(shù)，rN為減產(chǎn)稻田占比，A為減產(chǎn)稻田面積，rA為減產(chǎn)稻田占比，RYmax為最大減產(chǎn)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(zāi)減產(chǎn)分布，其中RY為減產(chǎn)率.受災(zāi)減產(chǎn)田塊首先出現(xiàn)在地勢(shì)低洼的東北部，隨著暴雨強(qiáng)度增大，受災(zāi)區(qū)域向東部和西北部擴(kuò)展.CHANG等[16]也指出了澇災(zāi)與地形之間的緊密關(guān)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(chǎn)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(nóng)田澇災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的面積在10%左右，兩者結(jié)論較為一致.當(dāng)遭遇50 a一遇時(shí)，超過一半的水稻面積將產(chǎn)生澇災(zāi)減產(chǎn)，受澇田塊個(gè)數(shù)和受災(zāi)面積是2%暴雨條件下的4.68倍和5.40倍，田塊最大減產(chǎn)率是2.54倍.當(dāng)遭遇100 a一遇暴雨時(shí)，研究區(qū)出現(xiàn)大面積受澇現(xiàn)象(除地勢(shì)較高的西南部外)，受澇田塊個(gè)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(chǎn)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(dāng)遭遇50 a一遇以上暴雨條件時(shí)，受災(zāi)情況較為嚴(yán)重.

圖2 現(xiàn)狀條件澇災(zāi)減產(chǎn)分布圖

4.2 斗溝加深

與現(xiàn)狀條件相比，5%暴雨下的受災(zāi)減產(chǎn)田塊數(shù)量減少14.52%，受災(zāi)面積減少14.73%，最大減產(chǎn)率降低5.16%.2%暴雨下受災(zāi)減產(chǎn)田塊數(shù)量減少17.24%，受災(zāi)面積減少16.11%，最大減產(chǎn)率降低4.75%.1%暴雨下受災(zāi)減產(chǎn)田塊數(shù)量減少4.32%，受災(zāi)面積減少3.91%，最大減產(chǎn)率降低3.81%.可見，斗溝拓深的減災(zāi)效果隨著暴雨強(qiáng)度增大先強(qiáng)后弱，原因在于斗溝加深后，溝道斷面隨之?dāng)U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(duì)田塊排水的頂托作用更小，河溝高水位持續(xù)時(shí)間將縮短，從而使得地勢(shì)相對(duì)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(jié)論是一致的.但這種影響范圍是有限的，在碰到更大暴雨時(shí)(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(duì)更小，但大暴雨導(dǎo)致的溝道高水位狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間仍然足以使得大部分田塊受澇，因此減災(zāi)效果相對(duì)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(zāi)減產(chǎn)田塊數(shù)量減少88.71%，受災(zāi)面積減少86.87%，最大減產(chǎn)率降低66.59%.2%暴雨條件下的受災(zāi)減產(chǎn)田塊數(shù)量減少16.21%，受災(zāi)面積減少13.62%，最大減產(chǎn)率降低40.60%.1%暴雨條件下的受災(zāi)減產(chǎn)田塊數(shù)量減少8.85%，受災(zāi)面積減少8.52%，最大減產(chǎn)率降低28.12%.降低外河水位對(duì)于澇災(zāi)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(nóng)田積水深度和時(shí)間都會(huì)減少，反之則會(huì)對(duì)排水造成頂托.需要注意的是，外河水位降低后，需調(diào)整閘門關(guān)閉策略，若仍按原方式，可能會(huì)導(dǎo)致閘門很難達(dá)到關(guān)閉條件.在內(nèi)河水位相對(duì)較高且內(nèi)外河水位差較小時(shí)，由于閘門仍未達(dá)到關(guān)閉條件，導(dǎo)致泵站無法啟動(dòng)而只能依靠自排，內(nèi)河水位將會(huì)壅高淹沒更多地勢(shì)較高的田塊，受災(zāi)面積反而更大(減產(chǎn)率不一定會(huì)增加)，可見澇災(zāi)緩解效果是多種因素共同作用的結(jié)果，某種因素單獨(dú)改變時(shí)會(huì)導(dǎo)致其他條件出現(xiàn)相應(yīng)變化，需要綜合考慮應(yīng)對(duì).

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(zāi)減產(chǎn)田塊數(shù)量減少32.76%，受災(zāi)面積減少31.68%，最大減產(chǎn)率降低31.10%.1%暴雨條件下的受災(zāi)減產(chǎn)田塊數(shù)量減少13.82%，受災(zāi)面積減少11.52%，最大減產(chǎn)率降低11.44%.加大泵站抽排流量的減災(zāi)效果隨著暴雨強(qiáng)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(nèi)河水位降至泵站啟排水位，當(dāng)加大泵站抽排流量后，內(nèi)河水位降至泵站啟排水位后將停泵，相當(dāng)于泵站抽排時(shí)間縮短了，因此澇災(zāi)緩解效果相對(duì)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(shí)，中市站開泵總時(shí)間為100.50 h，而將泵站抽排能力加至6 m3/s后，抽排時(shí)間減少至67.42 h，較現(xiàn)狀條件減少了33.08 h.當(dāng)遭遇2%暴雨時(shí)，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(shí)間有所縮短，從而使得部分地勢(shì)較高田塊的澇災(zāi)得以消除，減災(zāi)效果凸顯.當(dāng)暴雨強(qiáng)度增至1%時(shí)，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(shí)間會(huì)縮短，但由于降雨較大，這一措施帶來的變化影響不足以產(chǎn)生較大的減災(zāi)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(guān)泵，但該種措施對(duì)澇災(zāi)緩解效果不明顯.對(duì)于暴雨相對(duì)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(nèi)河水位抬升超過啟排水位，但此時(shí)外河水位尚未達(dá)到關(guān)閘條件2.5 m，泵站無法提前啟動(dòng)，因此改變啟排水位對(duì)這一過程中的田塊排水不產(chǎn)生任何影響.當(dāng)外河水位抬升至關(guān)閘水位時(shí)，泵站開始啟動(dòng)，直至水位降落至啟排水位停泵.圖3為不同暴雨時(shí)內(nèi)河水位Z的變化，圖中水位過程線分離點(diǎn)代表降低啟排水位措施的影響開始點(diǎn)，對(duì)于5%暴雨時(shí)，措施產(chǎn)生影響的開始時(shí)間為模擬第4天12:31；對(duì)于2%暴雨，措施產(chǎn)生影響的開始時(shí)間為模擬第6天7:16；對(duì)于1%暴雨，則未產(chǎn)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(duì)內(nèi)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(chǎn)生了一定影響，但這種影響主要集中在模擬時(shí)段的第4天(5%暴雨)和第6天(2%暴雨).對(duì)于5%暴雨條件，作物受澇主要從第3天開始， 此時(shí)受澇面積已經(jīng)形成，后期水位降低只是通過減少部分地勢(shì)低洼田塊(低于2.3 m的田塊)的受澇時(shí)間來減少作物減產(chǎn)率，因此采取此種措施只是降低了最大減產(chǎn)率，而對(duì)受澇范圍沒有影響.對(duì)于2%暴雨條件，受澇面積的形成存在2個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，地勢(shì)較低的田塊受澇從第3天開始，地勢(shì)相對(duì)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(duì)于1%暴雨則無論是受澇范圍還是減產(chǎn)率都沒有任何影響.

5 結(jié) 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(chǎn)率不超過5%.當(dāng)遭遇50 a一遇時(shí)，超過一半的水稻面積將產(chǎn)生澇災(zāi)減產(chǎn)，受災(zāi)面積是5%暴雨條件下的5.40倍，當(dāng)遭遇100 a一遇暴雨時(shí)，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(chǎn)率是3.29倍和1.30倍.

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

3) 外河水位預(yù)降0.5 m對(duì)于澇災(zāi)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(nóng)田積水深度和時(shí)間都會(huì)減少.尤其是在20 a一遇暴雨時(shí)候，斗溝加深可以使受災(zāi)面積減少86.87%，最大減產(chǎn)率降低66.59%.在1%暴雨條件下的受災(zāi)減產(chǎn)田塊數(shù)量減少8.85%，受災(zāi)面積減少8.52%，最大減產(chǎn)率降低28.12%.

4) 加大泵站抽排流量55.56%,減災(zāi)效果隨著暴雨強(qiáng)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(zāi)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(shí)降低外河閘的關(guān)閘警戒水位，對(duì)澇災(zāi)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(diào).