江苏里下河平原农田涝灾的情景模拟分析——以高邮灌区典型圩垸为例

米博宇，陈皓锐*，金银龙，王少丽，李江安，孙勇

(1. 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038； 2. 国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京100048； 3. 武汉大学水利水电学院，湖北 武汉430072； 4. 江苏省高邮市水务局，江苏 高邮225600)

农田涝灾受到暴雨条件、土壤、下垫面、地下水埋深、排水工程和建筑物布局规模、外排条件等多种因素影响[1]，不同因素对作物受涝的影响呈现复杂的非线性特征，由于实地监测能力的限制，在分析上述影响规律时往往利用数学模型作为情景模拟的分析工具.虽然国内外已开发了Drainmod, Hydrus, SWAP等一系列包含农田排水过程的模型，但多限定于田间尺度，无法考虑多级排水沟道和建筑物以及外河水位与农田涝灾的互馈影响.而大尺度水文模型多是针对自然流域开发的，无法直接应用于灌区复杂地貌条件下的水分运动过程模拟.首先，人工沟塘、田埂的存在形成了密布的局部小地貌条件，这种局部地貌使得灌区的排水路径遵循着人类的设计规则，即沿着田块—沟塘—河湖这一路径逐级汇流直至流出区域排水出口.由于DEM分辨率的限制，仅能分辨出区域内较大的河流水系[2-3]，而对相对较小的沟渠系统则难以细致刻画，造成识别的排水网络失真[4].没有反映灌区多级沟道组成的复杂排水网络，使得涝水通过沟道系统逐级排入河道的过程被刻画成直接通过田块排入河道的坡面汇流过程，影响了对汇流时间和过程的准确模拟，也对田间积水过程的量化和涝灾的准确评估产生不利影响.其次，降雨产生的农田积水一部分通过土壤进入地下，排入周边沟道，若田面积水超过田埂高度还会通过地表直接排入沟道，从而使得河沟水位逐渐增加.河沟水位的变化又反过来改变了农田水分出流的边界条件，进而影响稻田积水深变化和排水量.这一排水过程又受作物种植、河沟调蓄、闸泵控制、排水方式、外排条件、田埂拦蓄等多种人类活动影响[5]，使得整个灌排系统的水分循环过程与自然流域水分循环过程有着显著差异[6]，需要对灌区产流、土壤水分运动、地下水分运动和河道汇流过程进行综合考虑[7-8]，以便将人类活动的影响和变量间的相互作用关系纳入考虑的范围.CHEN等[9]构建了一个综合考虑上述各类因素及其交互作用的灌区涝灾模拟模型，文中即利用该模型分析不同暴雨强度、斗沟规模、外排条件、抽排能力和泵站调度规则等环境因子改变条件下的涝灾减产分布.

里下河平原位于江苏北部，总控制面积19 068 km2，腹部地区四周高，中间低，呈碟型，当连续降雨发生后，水位迅速上涨围困圩区，外河水位顶托导致排水缓慢，容易造成洪涝灾害[10].由于该地区水系复杂，河道纵横，堰塘星罗棋布，河道流向不定，其涝水产生过程和影响因素极其复杂[11-12].文中以位于里下河平原腹地的江苏高邮灌区某典型圩垸为例，利用构建的农田涝灾分布式模型模拟不同暴雨强度、斗沟规模、外排条件、抽排能力和泵站调度规则等环境因子改变条件下的涝灾减产分布变化，以期为选择该区域的除涝措施提供参考.

1 研究区概况和数据获取

在高邮灌区选择1个相对封闭的圩区作为研究区.区域控制面积20.27 km2(30 410亩)，研究区排水首先通过东西方向的斗沟汇入中市河、蒋马河等几条圩内骨干河道，然后从南向北汇入北澄子河中，再由西往东流出研究区，排水总出口如图1所示.研究区总体呈现西南高、东北低的地貌条件，一般条件下圩内涝水通过上述通道自排入外河，但由于区域河道比降较小，自排时流速缓慢，加之外河水位顶托作用，导致排水不畅，因此在研究区内外河交汇处设有4座排涝泵站以提高圩内排水能力.暴雨来临后，当外河(北澄子河)水位超过关闸警戒水位2.5 m，此时闸门排水不畅，将自动关闸(中市闸、蒋马闸、红旗闸等)，防止倒灌.此时若闸前水位未达到开泵警戒水位2.3 m，则泵站仍停用，若闸前水位超过开泵警戒水位，则泵站开启；当闸前水位降低到开泵警戒水位以下时，泵站自动关闭以便节省电力.此时若外河水位仍然超过关闸警戒水位，则闸门仍然处于关闭状态；当外河水位逐渐消退低于关闸警戒水位时，闸门开启，泵站关闭.

图1 研究区示意图

对河道水位和降雨数据进行了实时监测，同时从灌区管理部门搜集了高邮市逐日气象数据、河沟分布、河沟断面尺寸、底部高程和纵坡、涵管分布和直径、河道的闸泵调度信息、土地利用分布、北澄子河实测水位、不透水层位置和不同深度土层土壤颗粒分布.从相关文献搜集了水稻不同生育阶段的作物系数[13]、水稻株高生长规律[14]、河道和地面糙率[15].通过实地调研获得了田埂高度、典型塘堰水深、排水斗沟间距数据，其中作物系数主要用来计算作物的腾发量，水稻株高生长规律主要用来计算不同生育期的受涝减产率，河道和地面糙率主要用来计算田块和河沟的地表汇流过程，田埂高度用来计算田块产流，塘堰水深主要用来给定塘堰初始条件，排水斗沟间距用来计算田块的地下排水量.

2 模型构建和检验

CHEN等[9]构建了一个具有较强物理机制的农田涝灾分布式模拟模型，详细介绍了模型中各个模块所采用的计算方法，并在对模型进行参数敏感性分析基础上，利用实测数据对模型进行了率定和验证.文中在文献[9]研究工作的基础上，利用构建的模型进行的情景方案进行分析.为方便读者理解整个研究工作的完整性，文中对文献[9]中有关模型的总体结构和率定验证成果归纳说明如下：

模型以田块、塘堰、斗沟、河段等实际地貌为基础模拟单元，较为充分地考虑了影响灌区水文过程和涝灾产生的各种因素，如田埂、土地利用和种植结构、闸泵涵等建筑物、下游水位顶托、地下排水、作物生长和受涝减产、地表-土壤-地下水交换等.模型包括1个空间离散和流向判别前处理模块和6个物理过程计算模块，其中空间离散和流向判别模块获得的单元离散结果、单元间水流方向关系和各个单元的空间属性被其他各个物理过程计算模块所调用.蒸散发模块能够根据不同土地利用进行耗水计算；产流和土壤水分模块主要进行田埂拦蓄、下游水位顶托和存在地下排水条件下地表产流、非饱和带土壤水分运动、饱和-非饱和土壤水分交换以及地下排水过程的计算；河沟汇流模块计算上游来流、下游水位顶托和建筑物调控情况下河沟的汇流过程；涝灾损失模块主要根据水稻不同生育期受涝水分生产函数计算作物受淹减产情况.整个模型采用Open FLUID平台开发而成.

将研究区划分为368个线状单元和1 073个面状单元，其中水田单元566个，塘堰单元365个，居工地单元142个.上边界条件为逐小时的降雨和蒸散发数据，下边界条件为模拟的最大土层深度1.5 m.水平边界为外河(北澄子河)进出口实测水位.利用实测数据对模拟的河沟水位进行了率定验证，率定期的相对误差控制在3%以内，纳什系数在0.90以上，平均残差比例和分散均方根比例都在10%以内.验证期的相对误差在6%以内，决定系数在0.90以上，平均残差比例和分散均方根比例小于15%.

3 情景方案设置

暴雨发生后，田面积水受降雨和下游河道水位顶托的双重影响将持续数天，即便降雨停止，由于河道水位消退过程较慢，也可能使涝灾继续发生.

从作物受涝的最不利情况出发并参考《高邮市防洪排涝规划》报告及高邮市防洪排涝标准(抵御20 a一遇暴雨)，如表1所示，其中p为平均降雨量；p1%d,p2%d,p5%d,分别为1%，2%，5%的设计暴雨量；Cv,Cs分别为变差系数和偏态系数.选择1%,2%和5%这3种频率的7 d暴雨进行情景方案计算，由于平原区河道水位消退时间较长，为了充分考虑河道水位的影响，将计算时段定为15 d.如表2所示设置情景方案，表中f为暴雨频率.在人类活动措施方面，结合研究区实际情况考虑斗沟深挖、外河水位降低、泵站排涝能力增大和闸泵调度规则改变4个方面.

表1 不同频率设计暴雨参数

表2 情景方案设置说明

4 结果和讨论

遭遇不同暴雨条件下的稻田减产情况如表3所示.

表3 不同情景方案下稻田减产情况

表3中N为减产稻田数，rN为减产稻田占比，A为减产稻田面积，rA为减产稻田占比，RYmax为最大减产率.

4.1 不同频率暴雨

图2为现状条件不同频率暴雨的涝灾减产分布，其中RY为减产率.受灾减产田块首先出现在地势低洼的东北部，随着暴雨强度增大，受灾区域向东部和西北部扩展.CHANG等[16]也指出了涝灾与地形之间的紧密关系.在现状条件下，研究区基本抵御20 a一遇暴雨，受涝面积10%左右，最大减产率不超过5%.陈皓锐等[10]发现高邮灌区在现状条件下的农田涝灾高风险区域的面积在10%左右，两者结论较为一致.当遭遇50 a一遇时，超过一半的水稻面积将产生涝灾减产，受涝田块个数和受灾面积是2%暴雨条件下的4.68倍和5.40倍，田块最大减产率是2.54倍.当遭遇100 a一遇暴雨时，研究区出现大面积受涝现象(除地势较高的西南部外)，受涝田块个数是5%和2%暴雨条件下的7.47倍和1.60倍，受涝面积是8.29倍和1.54倍，最大减产率是3.29倍和1.30倍.由此可见，在研究区现状排水能力下，当遭遇50 a一遇以上暴雨条件时，受灾情况较为严重.

图2 现状条件涝灾减产分布图

4.2 斗沟加深

与现状条件相比，5%暴雨下的受灾减产田块数量减少14.52%，受灾面积减少14.73%，最大减产率降低5.16%.2%暴雨下受灾减产田块数量减少17.24%，受灾面积减少16.11%，最大减产率降低4.75%.1%暴雨下受灾减产田块数量减少4.32%，受灾面积减少3.91%，最大减产率降低3.81%.可见，斗沟拓深的减灾效果随着暴雨强度增大先强后弱，原因在于斗沟加深后，沟道断面随之扩大，沟道中水位的涨落幅度将更为缓慢，在沟道中初始水位一致的情况下，深沟方案的水位涨幅更小，对田块排水的顶托作用更小，河沟高水位持续时间将缩短，从而使得地势相对较高的田块将不再受涝，受涝范围也就更小，这与景卫华等[17]研究的结论是一致的.但这种影响范围是有限的，在碰到更大暴雨时(如1%暴雨)，现有泵站排涝能力无法控制水位低于2.3 m，虽然深沟方案的斗沟水位涨幅相对更小，但大暴雨导致的沟道高水位状态的持续时间仍然足以使得大部分田块受涝，因此减灾效果相对较弱.

4.3 外河水位降低

与现状条件相比，5%暴雨条件下的受灾减产田块数量减少88.71%，受灾面积减少86.87%，最大减产率降低66.59%.2%暴雨条件下的受灾减产田块数量减少16.21%，受灾面积减少13.62%，最大减产率降低40.60%.1%暴雨条件下的受灾减产田块数量减少8.85%，受灾面积减少8.52%，最大减产率降低28.12%.降低外河水位对于涝灾缓解效果非常明显，河道水位的降低使得外排条件大大改善，排水的顶托效果减弱，地表和地下排水更为通畅，从而使得农田积水深度和时间都会减少，反之则会对排水造成顶托.需要注意的是，外河水位降低后，需调整闸门关闭策略，若仍按原方式，可能会导致闸门很难达到关闭条件.在内河水位相对较高且内外河水位差较小时，由于闸门仍未达到关闭条件，导致泵站无法启动而只能依靠自排，内河水位将会壅高淹没更多地势较高的田块，受灾面积反而更大(减产率不一定会增加)，可见涝灾缓解效果是多种因素共同作用的结果，某种因素单独改变时会导致其他条件出现相应变化，需要综合考虑应对.

4.4 加大泵站抽排能力

与现状条件相比，2%暴雨条件下的受灾减产田块数量减少32.76%，受灾面积减少31.68%，最大减产率降低31.10%.1%暴雨条件下的受灾减产田块数量减少13.82%，受灾面积减少11.52%，最大减产率降低11.44%.加大泵站抽排流量的减灾效果随着暴雨强度增大先大后小，在5%暴雨条件下，现有泵站抽排能力就能够使内河水位降至泵站启排水位，当加大泵站抽排流量后，内河水位降至泵站启排水位后将停泵，相当于泵站抽排时间缩短了，因此涝灾缓解效果相对较弱.以中市河泵站为例，在5%暴雨条件下，现有泵站抽排能力4 m3/s时，中市站开泵总时间为100.50 h，而将泵站抽排能力加至6 m3/s后，抽排时间减少至67.42 h，较现状条件减少了33.08 h.当遭遇2%暴雨时，加大泵站抽排流量后，河道最大水位变小，且高水位持续时间有所缩短，从而使得部分地势较高田块的涝灾得以消除，减灾效果凸显.当暴雨强度增至1%时，加大泵站抽排能力后，虽然河道最高水位变小，且高水位持续时间会缩短，但由于降雨较大，这一措施带来的变化影响不足以产生较大的减灾效果.

4.5 降低泵站启排水位

启排水位由2.3 m降低至1.5 m，意味着在涨水过程中提前开泵，在退水过程中推迟关泵，但该种措施对涝灾缓解效果不明显.对于暴雨相对较小的情况(如5%和2%暴雨)，由于降雨集中在第2天且本次降雨量较大，虽然内河水位抬升超过启排水位，但此时外河水位尚未达到关闸条件2.5 m，泵站无法提前启动，因此改变启排水位对这一过程中的田块排水不产生任何影响.当外河水位抬升至关闸水位时，泵站开始启动，直至水位降落至启排水位停泵.图3为不同暴雨时内河水位Z的变化，图中水位过程线分离点代表降低启排水位措施的影响开始点，对于5%暴雨时，措施产生影响的开始时间为模拟第4天12:31；对于2%暴雨，措施产生影响的开始时间为模拟第6天7:16；对于1%暴雨，则未产生任何影响(现有泵站排涝能力下，无法将水位抽排至现状启排水位2.3 m).

图3 降低泵站启排水位对内河水位影响

虽然在5%暴雨和2%暴雨情况下降低泵站启排水位产生了一定影响，但这种影响主要集中在模拟时段的第4天(5%暴雨)和第6天(2%暴雨).对于5%暴雨条件，作物受涝主要从第3天开始， 此时受涝面积已经形成，后期水位降低只是通过减少部分地势低洼田块(低于2.3 m的田块)的受涝时间来减少作物减产率，因此采取此种措施只是降低了最大减产率，而对受涝范围没有影响.对于2%暴雨条件，受涝面积的形成存在2个时间节点，地势较低的田块受涝从第3天开始，地势相对较高的田块从第8天开始受涝，采取措施后的水位降低影响了第2次受涝范围的形成，因此总的受涝面积有所缩小.对于1%暴雨则无论是受涝范围还是减产率都没有任何影响.

5 结 论

1) 在现状条件下，研究区的受涝面积10%左右，且最大减产率不超过5%.当遭遇50 a一遇时，超过一半的水稻面积将产生涝灾减产，受灾面积是5%暴雨条件下的5.40倍，当遭遇100 a一遇暴雨时，受涝面积是5%和2%暴雨条件下的8.29倍和1.54倍，最大减产率是3.29倍和1.30倍.

2) 斗沟由1.3 m拓深到2.0 m时，与现状条件相比，5%暴雨条件下受灾面积减少14.73%， 2%暴雨条件下受灾面积减少16.11%， 1%暴雨条件下的受灾面积减少3.91%.

3) 外河水位预降0.5 m对于涝灾缓解效果非常明显，河道水位的降低使得外排条件大大改善，排水的顶托效果减弱，地表和地下排水更为通畅，从而使得农田积水深度和时间都会减少.尤其是在20 a一遇暴雨时候，斗沟加深可以使受灾面积减少86.87%，最大减产率降低66.59%.在1%暴雨条件下的受灾减产田块数量减少8.85%，受灾面积减少8.52%，最大减产率降低28.12%.

4) 加大泵站抽排流量55.56%,减灾效果随着暴雨强度增大先大后小.与现状条件相比，2%和1%暴雨条件下的受灾面积分别减少31.68%和11.52%.

5) 单纯降低泵站启排水位而不同时降低外河闸的关闸警戒水位，对涝灾减缓效果几乎没有影响，需要根据暴雨过程综合考虑泵闸联调.