澇漬地漁稻養作對區域排澇模數的影響研究

李 倫，吳士龍，羅 強，丁興艷，王 劍

(1. 武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2. 湖北省荊門市水利科學研究所，湖北 荊門 448000；3.湖北省水利水電科學研究院，武漢 430070)

澇漬地是介于旱地與淺水地之間的土地資源，其中作為種植利用的部分稱為易澇易漬農田，屬于中低產田的一種[1]。據統計，全國現有易澇耕地2 440 萬hm2，漬害田766.7 萬hm2[2]。為減輕澇漬災害，提高澇漬地的綜合經濟效益，國內外學者針對其特點及澇漬地的形成原因提出了一系列的治理利用方法，從傳統的明溝排水到機械化的暗管排水，從單一的豎井排水到井渠綜合排水，從各類的土壤改良措施到作物種類配合耕種措施，以及正在廣泛推廣的結合當地經濟、氣候、人文等實際情況提出的漁稻養作措施，均取得了較好的成效。

漁稻養作主要適用于平原湖區等水資源豐富的區域，能充分發揮當地的氣候優勢，做到水資源利用效益的最大化。在實踐層面上，該方法已經獲得了良好的應用效果和經濟效益；但在相關理論研究上，缺乏定量的數據分析。本文以四湖流域螺山排區為例，利用SWAT軟件模擬了在不同比例漁稻養作條件下，該排區排澇模數的變化情況，定量分析了漁稻養作措施對區域排澇模數影響的大小，為制定合理的排澇策略提供依據。

1 研究區域概況

湖北省四湖流域位于江漢平原腹地(112°00′～114°00′E，29°21′～30°00′N)，北依漢水，東抵東荊河，西靠荊州、荊門，南與江陵、監利接壤，主要由平原湖區和低丘崗地組成。該地屬北亞熱帶季風氣候，太陽年輻射量約450 kJ/cm2，年平均氣溫16.2 ℃，年平均降水量1 189.7 mm。四湖流域內河渠交織、湖塘密布、地勢平緩，由北向南傾斜，平原湖區地面坡降0.004%～0.010%。根據水系分布和灌排系統的走向，四湖流域分為福田寺、螺山、小港三個排區，本文以其中的螺山排區為研究對象。

螺山排區位于監利縣內，西面和南面以長江干堤為界，北面接四湖總干渠和洪排主隔堤，東抵螺山電排渠，總排水面積935.5 km2。該排區地勢低洼，水系多為人工水系，共有骨干排渠2條，主要排水支渠11條，設置有2處一級排水泵站多處二級排水泵站。螺山排區耕作土壤以水稻土和潮土為主，由于氣候適宜、土壤肥沃，其宜耕面積大，農業種植方面取得了很好的成就，但是由于地勢、氣候等原因，澇漬也一直是這里的心腹大患[3]。

另一方面，監利縣本身也是水產養殖大縣，小龍蝦為該縣主打水產品之一，到2016年，全縣已開發蝦稻共作面積1.33余萬hm2；以沈塘村為例，全村173 hm2水稻田，有146.7 hm2采用了蝦稻共作養殖模式。該模式不僅充分利用了低湖田、冷浸田等中低產稻田，而且極大地提高了經濟效益。

2 研究方法

SWAT是一個分布式水文模型，在20世紀90年代由SWRRB模型與河道演算ROTO模型整合而成，能夠方便客觀的反映氣候變化和下墊面因子的空間分布不均勻性對流域降雨徑流形成的影響。其基于水量平衡原理構建水文循環，根據河網水系將研究區域劃分為多個子流域，子流域再根據各自的不同土壤、土地利用方式等劃分為不同的水文響應單元[4]，每個水文響應單元分別計算各自的水文循環最后進行匯總，以得到相應模擬情況下流域的出口流量。本研究采用ArcGIS9.3平臺下的Arc-SWAT2009版本。

2.1 研究區域模型構建

2.1.1 SWAT模型數據的制備輸入

SWAT模型需要輸入的數據主要包括數字高程模型(DEM)數據，土壤屬性數據，土地利用數據，氣象數據等。DEM數據由Landsat TM影像得到，空間分辨率為30 m；土壤數據來自于中國土壤數據庫管理與共享平臺，通過Matlab樣條插值進行質地轉換、通過土壤參數水文預算模型SPAW得到土壤物理屬性參數；土地利用數據根據Landsat TM5影像、掃描地形圖和遙感圖片綜合處理得到；氣象數據來源于中國氣象科學數據共享服務網，選取距研究區域較近的監利、荊州、洪湖作為站點，提供日降水、氣溫、風速、相對濕度和太陽輻射等信息，通過模型自帶的天氣發生器進行處理得到模型運行需要的氣候參數；流量資料來自于出口泵站抽排流量，采用觀測系列較長的2012年和2013年的泵站抽排數據用于模型參數的校準及驗證。另外，由于本研究區域地勢高低起伏不大，且多為人工水系，因此不適合采取模型默認的根據高程提取河網的方法；需要根據實際情況制備數字化河網，通過“burn-in”算法對DEM進行凹陷化處理[5]，起到引導模型水系生成的作用，使生成的河流水系符合實際。

2.1.2 模型的校準和驗證

由于SWAT模型中影響產匯流的參數眾多[6]，但各參數對徑流模擬的影響大小不一，所以只選取對模擬結果影響較大、敏感性較高的參數進行率定。通過官網提供的SWAT-CUP軟件，采用SUFI-2算法[7]進行迭代運算，獲得敏感性排名靠前的6個參數并對其取值進行率定驗證。由于螺山排區并非自由出流，而是采用泵站抽排的方式，相對于自然狀況下的徑流量，抽排流量會有一個提前或滯后的過程；因此本研究中假定自由出流徑流量和抽排流量在總數上相等，將抽排流量按照降雨分布在時間上進行重分配，由此作為參數率定驗證的觀測數據。率定期采用2012年，驗證期采用2013年，選取時間段及對應排澇流量、模擬流量對比見表1、表2，降雨量及模擬流量對比如圖1、圖2所示，各參數率定值見表3。

表1 螺山排區率定期(2012年)流量對比 m3/s

表2 螺山排區驗證期(2013年)流量對比 m3/s

圖1 率定期(2012年)降雨量—模擬流量圖

圖2 驗證期(2013年)降雨量—模擬流量圖

模型參數ALPHA＿BFESCOSOL＿AWCSOL＿KGW＿REVAPCN2率定值0．60．320．1456000．2水田旱地建筑用地水域88759095

注：ALPHA_BF為基流衰退系數；ESCO為土壤蒸發補償因子；SOL_AWC為土層中可利用水的量；SOL_K為飽和導水率；GW_REVAP地下水再蒸發系數；CN2為SCS徑流曲線系數。

2.2 漁稻養作情景設置

2.2.1 CLUE-S模型簡介及原理

CLUE-S模型是20世紀末由荷蘭瓦赫寧根大學的P.H.Verburg等研制開發的，最初是針對大尺度區域模擬土地利用變化空間分布模型[8]。模型假設研究區域的土地利用需求直接控制土地利用類型的改變，同時地類分布狀況、需求量、區域的自然環境及經濟發展狀況呈現出一種動態平衡。在上述前提下，CLUE-S模型運用系統論的方法量化不同土地利類之間競爭關系，從而可以對不同土地利用類型的變化進行同步模擬。

該模型由土地利用需求變化驅動因素(非空間模塊)和土地利用變化格局制約因素(空間模塊)兩大模塊組成。非空間模塊通過對自然、經濟、人口等土地利用變化驅動因素分析，利用統計工具SPSS計算土地利用驅動因素的驅動力回歸系數；空間分析模塊利用導入的土地柵格圖、土地轉換彈性及預測的土地需求等參數分配土地柵格單元。CLUE-S模型的土地利用變化分配如圖3[9]所示。

圖3 基于柵格地圖的土地利用變化分配示意圖

2.2.2 不同土地利用情景圖的生成

運行CLUE-S模型需要輸入的參數文件如表4所示。

在本研究中，設定水域、旱地和建筑用地的分布狀況及其面積均保持不變，只在水田和漁稻養作兩者之間進行土地利用方式的轉化。將所需文件輸入到模型當中后，便可得到每種土地利用需求的空間分布格局ASCALL碼文件，將之轉化為柵格文件得到不同的土地利用重分配狀況見圖4。

表4 CLUE-S模型輸入文件表

2.2.3 漁稻養作情景參數選取

在漁稻養作模式下，田間增加了環形溝和十字溝，同時田邊田埂高度相對于普通稻田得到了提升，使得稻田在降雨時能蓄滯更多的雨量，對產流造成影響；另一方面，由于需要兼顧漁業水產的效益，稻田田間溝中常年保持較高水位，區域土壤長期處于飽和狀態，超滲產流能力相比普通水田要高得多，也會對產匯流造成影響。

本研究中，選擇SWAT模型中的SCS曲線[10]法進行產流計算，其降雨—徑流關系式如下：

(1)

式中：Ia為地表有積水前的初損量，mm；Rday指該天降雨量；S為流域當時可能的最大滯留雨量，mm，和土地利用狀況、坡度等因素有關，其具體計算公式為：

(2)

式中：CN值是一個無量綱數，SCS曲線將前期水分條件劃分為干燥、一般濕潤和濕潤三類，分別對應CN1、CN2、CN3。

根據漁稻養作的應用實際，田埂高度一般在25～30 cm之間，考慮到該模式下稻田本身具有一定的田面水深，由此將漁稻養作條件下的蓄滯水深S取15 cm，由公式(2)得到CN值為63。

模型中與土壤超滲產流能力相關的參數主要為SOL_K(土壤飽和導水率，影響土壤的超滲產流能力，增大則土壤下滲能力增大，超滲產流減少)，在漁稻養作模式下，由于超滲產流能力極強，因此結合黏性土滲透系數將該值取為30。

漁稻養作模式下，模型其余參數設置均與水田相同，不再作調整。

3 模擬結果

3.1 設計暴雨的選取

排澇流量的計算首先需要通過排頻得到不同重現期下的設計暴雨，然后通過產流計算得到設計凈雨過程，再對設計凈雨過程進行匯流計算得到設計流量。

螺山排區面積較大，選取監利、荊州、洪湖3個氣象站1958-2014年的降雨資料取算術平均值得到研究區域面雨量；對于系列中的缺測年份，采用臨近氣象站的降雨資料進行插補延長。本文暴雨歷時取1 d，采用年最大法選取設計暴雨，將系列中的1 d最大暴雨量與P-Ⅲ型頻率曲線擬合，從而得到不同重現期的暴雨量，結果如圖5所示。

圖4 不同土地利用重分配狀況

圖5 一日最大降雨頻率分析

根據排頻結果，取1979年7月9日降雨量(80.4 mm)為2年一遇典型暴雨，1979年8月12日降雨量(129.5 mm)為10年一遇典型暴雨,1979年6月4日降雨量(163.2 mm)為20年一遇典型暴雨。

3.2 排澇模數計算結果

以20年一遇24小時暴雨一日排完的排澇標準，利用SWAT模擬出不同漁稻養作比例下螺山排區的出流量后，再除以控制面積，得到區域排澇模數。計算結果如見表5及圖6。

表5 不同漁稻養作比例徑流量及排澇模數表

圖6 年總徑流和排澇模數變化趨勢圖

4 分析及結論

通過以上模擬結果，可以明顯看到隨著漁稻養作比例的增加，年總徑流量呈穩定的線性下降趨勢，2年一遇及10年一遇暴雨排澇模數也呈下降狀態，但是20年一遇暴雨排澇模數卻呈現先增再減。結合產匯流機理對該結果進行分析，我們可以得到如下結論。

(1)漁稻養作能較明顯的減小長時間段的區域累積產流量，且減小量隨著漁稻養作面積所占比例的增加而增加。

(2)雨型越小，漁稻養作對排澇模數的影響越明顯；在全部采用漁稻養作模式下，相對于常規水田，20年一遇暴雨排澇模數降低了22.3%，10年一遇情況下則降低了39.9%，2年一遇情況下該值達到了49.0%。

(3)排澇模數曲線曲率隨漁稻養作面積比例增加而增加，說明漁稻養作越集中連片，所占比例越大，對區域排澇模數的降低效果就越明顯。

(4)強降雨條件下，反而出現了排澇模數增加的情況。結合模型參數，分析其原因主要是由于漁稻養作模式中土壤下滲能力大大低于普通稻田，整個區域可以想象成底部密封的“大水盆”，相對的普通稻田則可等價于下部漏水的“小水盆”；漁稻養作增大“水盆”容積的同時又增加了其密閉性。降雨強度不大時，“水盆”增加的容積可以起到調蓄的作用，達到削峰的效果，延長產匯流時間，減小排澇模數；而強降雨條件下，漁稻養作的容積優勢被迅速抹平，其下滲能力弱的缺點反而得到凸顯，整體時間段的產匯流速度反而變快，導致徑流峰值增高，區域排澇模數增大。當進一步增大漁稻養作面積時，即“水盆”的容積進一步增大時，相對于之前容積的“大暴雨”不再顯得難以承蓄，容積優勢又成為影響產匯流速度的主要因子。所以在強降雨條件下，隨著漁稻養作面積的增加，區域排澇模數會呈現

出先增后減的狀態。

綜上所述，漁稻養作能承接較多雨量以進行水產品的養殖，一方面充分利用了當地豐富的降雨，另一方面也減低了排區的排澇壓力；但是在強降雨條件下，漁稻養作可能會增大區域的排澇模數，產生類似于“水庫漫壩”的效果，因此應該充分考慮區域規劃、氣候狀況，結合實際條件合理利用土地資源，同時綜合多種排澇措施，因地制宜的促進區域的經濟發展和降低澇漬風險。

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