天津市典型農(nóng)田排水小區(qū)排澇模數(shù) 試驗(yàn)研究

(天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061)

目前使用的《天津市平原地區(qū)農(nóng)田除澇水文手冊(cè)》編制于2003年，十幾年來(lái)氣候和下墊面已經(jīng)發(fā)生了變化。氣候變化使得全球范圍內(nèi)水循環(huán)過(guò)程加劇，降水量、蒸發(fā)量等水文水資源要素發(fā)生改變，降水時(shí)空分布更加不均勻[1-2]；城市化進(jìn)程的加快、設(shè)施農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展導(dǎo)致了不透水面積增大，對(duì)雨水下滲、地表蒸發(fā)、土壤水分狀況以及流域產(chǎn)流機(jī)制產(chǎn)生了十分重要的影響，這些因素引起排澇模數(shù)的改變，而合理的排澇模數(shù)，對(duì)降低農(nóng)田澇災(zāi)損失具有現(xiàn)實(shí)意義[3]。因此，在天津市選擇有代表性的農(nóng)田排水小區(qū)，結(jié)合北方平原區(qū)農(nóng)田產(chǎn)流特性，采用合理方法對(duì)排澇模數(shù)進(jìn)行研究，分析環(huán)境變化對(duì)農(nóng)田排澇模數(shù)的影響，為天津市農(nóng)田排澇模數(shù)的修訂提供技術(shù)支撐。

1 典型排水小區(qū)選擇及水文數(shù)據(jù)采集

為了研究天津市農(nóng)田排水小區(qū)排澇模數(shù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察，遴選出兩個(gè)代表不同農(nóng)田土地利用現(xiàn)狀且封閉的典型農(nóng)田排水小區(qū)，其分別位于西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)和寧河區(qū)豐臺(tái)鎮(zhèn)。西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)排水小區(qū)，面積0.507km2，排水小區(qū)地勢(shì)平坦，以種植設(shè)施農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)林木為主，2008年設(shè)施農(nóng)業(yè)面積占排水小區(qū)總面積的7%，2011年底，設(shè)施農(nóng)業(yè)占地面積進(jìn)一步擴(kuò)大，占排水小區(qū)總面積的15%，目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)占排水小區(qū)總面積的比例達(dá)到41%。寧河區(qū)豐臺(tái)鎮(zhèn)排水小區(qū)，面積2.93km2，緊鄰薊運(yùn)河，為薊運(yùn)河故道所包圍，排水小區(qū)下墊面比較單一，長(zhǎng)期以來(lái)一直為農(nóng)業(yè)用地。土壤疏松濕潤(rùn)，以黏性為主，地下水位淺，存在板結(jié)現(xiàn)象。排水小區(qū)地表平坦無(wú)起伏，以大田作物為主。

在排水小區(qū)布設(shè)超聲流量計(jì)、自動(dòng)雨量站、智能墑情監(jiān)測(cè)站、地下水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和脈沖型雷達(dá)水位計(jì)等設(shè)備，分別量測(cè)排水小區(qū)泵站排水量、降水量、土壤含水量、地下水位及河道水位等水文數(shù)據(jù)。通過(guò)量測(cè)，西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)排水小區(qū)共采集到8場(chǎng)降水?dāng)?shù)據(jù)，寧河區(qū)豐臺(tái)鎮(zhèn)排水小區(qū)共采集到5場(chǎng)降水?dāng)?shù)據(jù)，并采集到對(duì)應(yīng)降水時(shí)段的泵站排水量、土壤含水量、地下水位、河道水位等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為排澇模數(shù)的計(jì)算提供了必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 產(chǎn)流模型的構(gòu)建

我國(guó)水文研究者分析改進(jìn)了降雨-徑流相關(guān)圖，創(chuàng)建了以新安江模型為典型的蓄滿(mǎn)產(chǎn)流模式和以Horton模型為代表的超滲產(chǎn)流模式[4]，該產(chǎn)流理論對(duì)于流域面積大小無(wú)特殊要求，所需數(shù)據(jù)較易獲得，可用于小尺度平原地區(qū)產(chǎn)流計(jì)算，但對(duì)于多數(shù)流域，并不單只有一種產(chǎn)流模式，天津地處北溫帶半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，通常兩種產(chǎn)流方式交叉存在，結(jié)合天津市平原區(qū)農(nóng)田的產(chǎn)流特性，充分考慮在北方平原區(qū)可能同時(shí)發(fā)生超滲和蓄滿(mǎn)產(chǎn)流現(xiàn)象，建立了超滲-蓄滿(mǎn)垂向耦合產(chǎn)流模型，計(jì)算典型農(nóng)田小區(qū)的產(chǎn)流量。超滲-蓄滿(mǎn)垂向耦合產(chǎn)流模型流程見(jiàn)圖1。

圖1 超滲-蓄滿(mǎn)垂向耦合產(chǎn)流模型流程圖注 WM——土壤平均蓄水容量，mm；B——蓄水容量—面積分配曲線(xiàn)的指數(shù)；β——旱地及非耕地等透水面積流入溝渠的徑流分配系數(shù)，根據(jù)農(nóng)田實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，取值為0.3；IMP——不透水面積所占比例；WU——上層土壤含水量，mm；WL——下層土壤含水量，mm；WD——深層土壤含水量，mm；EL——下層土壤蒸散發(fā)量，mm；EU——深層土壤蒸散發(fā)量，mm。

采用有更好魯棒性的Sobol’敏感性分析方法，通過(guò)模型參數(shù)的一階敏感度、總敏感度和二階敏感度分析，確定產(chǎn)流模型的敏感性參數(shù)；模型參數(shù)率定采用參數(shù)優(yōu)選中最有效的SCE-UA算法[5]，通過(guò)參數(shù)自動(dòng)率定與人工率定結(jié)合法，得到優(yōu)選參數(shù)；選取徑流深相對(duì)誤差、地下水位相對(duì)變化量與土壤含水量變化量的相對(duì)誤差和Nash效率系數(shù)為指標(biāo)，模擬結(jié)果的有效性系數(shù)均在0.6以上，相對(duì)誤差均在±20%之內(nèi)，模型具有較好的適用性。

3 氣候變化對(duì)排澇模數(shù)影響分析

為研究氣候變化對(duì)排澇模數(shù)的影響，利用寧河站降水量月值數(shù)據(jù)(1964—2015年)、塘沽站降水量日值數(shù)據(jù)(1959—2016年)和海河閘站蒸發(fā)量月值數(shù)據(jù)(1960—2015年)，采用線(xiàn)性滑動(dòng)平均法、累積距平法、Mann-Kendall 趨勢(shì)分析法等趨勢(shì)檢驗(yàn)方法，采用Mann-Kendal突變檢驗(yàn)法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、Lee-Heghinian法等突變檢驗(yàn)方法對(duì)系列進(jìn)行診斷，確定降水量及蒸發(fā)量的變化趨勢(shì)及變異年份，推求設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程；采用假設(shè)情景法、時(shí)間類(lèi)比法、實(shí)景對(duì)比法三種方法進(jìn)行氣候情景設(shè)計(jì)，應(yīng)用超滲-蓄滿(mǎn)垂向耦合產(chǎn)流模型計(jì)算得到不同氣候情景下的農(nóng)田排水小區(qū)的產(chǎn)流量，采用平均排除法計(jì)算得到不同情景下的排澇模數(shù)。

以實(shí)測(cè)降水和蒸發(fā)輸入作為對(duì)照組，設(shè)計(jì)降水變化±5%、±10%、±15%，蒸發(fā)變化±0.05mm、±0.10mm、±0.15mm，進(jìn)行交叉組合，研究降水、蒸發(fā)兩個(gè)因素同時(shí)變化對(duì)排澇模數(shù)的影響。不同氣候組合下10年一遇的排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果及其變化值見(jiàn)表1。

表1 不同氣候組合下10年一遇排澇模數(shù)模擬結(jié)果及變化率

由表1可知，以降水增加5%、10%、15%為例，十年重現(xiàn)期排澇模數(shù)分別增加0.003m3/s/km2、0.005m3/s/km2、0.007m3/s/km2。在土地利用狀況不變的情況下，兩種方案下排澇模數(shù)變化較小，總體上氣候變化對(duì)排澇模數(shù)的影響很小。

4 設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)排澇模數(shù)影響分析

為研究設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)排澇模數(shù)的影響，利用西青站降水量月值數(shù)據(jù)(1990—2015年)和西青站蒸發(fā)量月值數(shù)據(jù)(2016—2017年)，采用線(xiàn)性滑動(dòng)平均法對(duì)降水系列進(jìn)行診斷，推求設(shè)計(jì)暴雨過(guò)程，用不同設(shè)施農(nóng)業(yè)占地比例進(jìn)行情景設(shè)計(jì)，應(yīng)用超滲-蓄滿(mǎn)垂向耦合產(chǎn)流模型計(jì)算得到不同設(shè)施農(nóng)業(yè)情景的排水小區(qū)產(chǎn)流量，進(jìn)而計(jì)算出不同情景下的排澇模數(shù)，并與《除澇手冊(cè)》中的排澇模數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。不同設(shè)施農(nóng)業(yè)占比下、不同重現(xiàn)期排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表2和圖2。

表2 不同設(shè)施農(nóng)業(yè)占比下四種重現(xiàn)期排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖2 不同重現(xiàn)期下設(shè)施農(nóng)業(yè)占比對(duì)排澇模數(shù)影響趨勢(shì)

由表2與圖2可知，在相同重現(xiàn)期下，隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)占比增加，排澇模數(shù)逐漸增大，且與原排澇模數(shù)相比，增大的幅度也逐漸變大。以十年重現(xiàn)期計(jì)算結(jié)果為例，當(dāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)所占比例為10%、50%、90%時(shí)，排澇模數(shù)分別為0.461m3/s/km2、0.503m3/s/km2、0.545m3/s/km2，與2003年《除澇手冊(cè)》中的排澇模數(shù)相比，增幅分別為0.88%、10.08%、19.26%。

在相同設(shè)施農(nóng)業(yè)占地面積下，排澇模數(shù)總體趨勢(shì)是隨著重現(xiàn)期增長(zhǎng)而增大，但是增大的幅度逐漸變小，即3年一遇時(shí)，排澇模數(shù)增大幅度最大，20年一遇時(shí)，排澇模數(shù)增大幅度最小。其中當(dāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)占地為10%，不同重現(xiàn)期下的排澇模數(shù)為0.185～0.678m3/s/km2，與原排澇模數(shù)相比，排澇模數(shù)增加1.65%～0.09%；當(dāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)占地為20%，不同重現(xiàn)期下的排澇模數(shù)依次為0.192～0.681m3/s/km2，與原排澇模數(shù)相比，排澇模數(shù)增加5.63%～0.64%；當(dāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)占地為30%，不同重現(xiàn)期下的排澇模數(shù)為0.202～0.691m3/s/km2，與原排澇模數(shù)相比，排澇模數(shù)增加10.88%～2.13%；當(dāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)占地為40%，不同重現(xiàn)期下的排澇模數(shù)依次為0.211～0.702m3/s/km2，與原排澇模數(shù)相比，排澇模數(shù)增加16.09%～3.63%；當(dāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)占地為50%，不同重現(xiàn)期下的排澇模數(shù)依次為0.221～0.712m3/s/km2，與原排澇模數(shù)相比，排澇模數(shù)增加21.34%～5.12%；當(dāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)占地為60%，不同重現(xiàn)期下的排澇模數(shù)依次為0.230～0.722m3/s/km2，與原排澇模數(shù)相比，排澇模數(shù)增加26.58%～6.62%；當(dāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)占地為70%，不同重現(xiàn)期下的排澇模數(shù)依次為0.240～0.732m3/s/km2，與原排澇模數(shù)相比，排澇模數(shù)增加31.83%～8.11%；當(dāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)占地為80%，不同重現(xiàn)期下的排澇模數(shù)依次為0.249～0.742m3/s/km2，與原排澇模數(shù)相比，排澇模數(shù)增加37.04%～9.60%；當(dāng)設(shè)施農(nóng)業(yè)占地為90%，不同重現(xiàn)期下的排澇模數(shù)依次為0.259～0.752m3/s/km2，與原排澇模數(shù)相比，排澇模數(shù)增加42.29%～11.10%。

西青排水小區(qū)現(xiàn)狀設(shè)施農(nóng)業(yè)占地比例為41%情況下，排水小區(qū)的排澇模數(shù)與《除澇手冊(cè)》中的排澇模數(shù)相比有了較大增幅，增大幅度隨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期增大而減小。5年重現(xiàn)期排澇模數(shù)增幅9.02%，10年重現(xiàn)期排澇模數(shù)增幅7.44%。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)在遴選出的兩個(gè)排水小區(qū)量測(cè)所需的水文數(shù)據(jù)，結(jié)合北方平原區(qū)農(nóng)田產(chǎn)流特性，充分考慮在北方平原區(qū)可能同時(shí)發(fā)生超滲和蓄滿(mǎn)產(chǎn)流現(xiàn)象，構(gòu)建出超滲-蓄滿(mǎn)垂向耦合產(chǎn)流模型，設(shè)置了多種情景方案，研究氣候變化及設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)排澇模數(shù)的影響，并與天津市《除澇手冊(cè)》中的排澇模數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，主要結(jié)論如下：

a.針對(duì)北方平原區(qū)農(nóng)田產(chǎn)流特性，構(gòu)建的超滲-蓄滿(mǎn)垂向耦合產(chǎn)流模型，具有較高的模擬精度和較好的適用性。

b.在土地利用狀況不變的情況下，氣候變化對(duì)排澇模數(shù)的影響很小。

c.設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展對(duì)排澇模數(shù)影響較大，設(shè)施農(nóng)業(yè)占地比例一定時(shí)排澇模數(shù)增大幅度隨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期增大而減小。排水小區(qū)現(xiàn)狀設(shè)施農(nóng)業(yè)占地比例情況下，3年、5年、10年、20年重現(xiàn)期較《除澇手冊(cè)》中的排澇模數(shù)增幅分別為16.48%、9.02%、7.44%、3.84%。