水稻灌區降雨徑流特征及其影響因素研究

劉鳳麗，熊玉江，范 樂，2，邵培寅

（1.長江水利委員會長江科學院農業水利研究所，武漢 430010；2.河海大學農業科學與工程學院，南京 210098；3.太原理工大學水利科學與工程學院，太原 030024）

0 引 言

降雨徑流是灌區水循環的重要組成部分，也是農田氮磷流失的主要驅動力［1］。因此，厘清灌區降雨徑流特征及其影響因素，對灌區防洪除澇減災和農業面源污染防治具有重要意義［2］。目前用于確定灌區降雨徑流方法包括直接求定法［3，4］、水文學法［5］、基于水量和能量平衡的動力學方法［6，7］。但由于灌區降雨徑流過程受降雨（降雨量、降雨雨型以及降雨歷時）、下墊面特征以及農田水管理等眾多因素影響，農田降雨徑流過程十分復雜［8］。平原水稻灌區由于河網縱橫、溝渠塘堰密布以及稻田田埂攔截等影響，其降雨徑流過程與自然流域存在較大差別，加劇了降雨徑流復雜程度［9］。同時，由于灌區下墊面、水管理措施在不同尺度存在差異，降雨徑流過程也存在尺度效應［10，11］。以往針對自然流域的降雨徑流方法沒有充分考慮灌區改造以及農業水管理對農田水文過程的影響。因此，本文通過試驗與模型相結合的方法，對平原水稻灌區降雨徑流特征及其影響因素進行研究，以期為平原水稻灌區防洪減災和農業面源污染提供依據。

1 研究區概況

研究區位于江蘇高郵灌區龍奔圩示范區（119°31′E，32°46′N），土地面積4.6 km2，其中耕地面積390 hm2（詳見圖1）。研究區屬亞熱帶季風氣候區，最高氣溫38.5oC，最低氣溫-18.5oC，年平均氣溫14.6oC，無霜期242 d，常年降雨量1 037 mm，多年平均蒸發量1 060 mm。試驗區降雨主要集中在6-9月份，汛期平均降雨量占多年平均降雨量的59.5%。淺層地下水埋深約為0.5～1.2 m。灌區為自流灌溉，以京杭大運河為供水主水源，里下河河網是灌區的輔助水源。試區農田0～30 cm 土壤容重為1.32 g/cm3。

圖1 研究區位置及試驗布置圖

2 試驗與方法

2.1 試驗設計

在龍奔圩內選擇稻田、排水斗溝、排水支溝等3個排水尺度進行降雨徑流過程試驗觀測。

（1）支溝尺度。以灌區龍奔圩內南關干渠、四支渠、五支渠和北澄子河范圍內農田為研究對象，耕地面積390 hm2，區域農田通過四支渠和五支渠進行灌溉，農田排水通過斗溝進入蔣馬河，最后經蔣馬河泵站排入北澄子河。在支溝尺度主要監測了四支渠和五支渠灌溉水量和蔣馬河泵站排水量，均通過在閘門前后布設水位觀測，通過閘門開度以及上下游水位以及水位流量關系，計算區域灌溉水量和排水量。

（2）斗溝尺度。在支溝尺度范圍內選擇了五支渠、彭莊三斗、彭莊一斗和蔣馬河范圍內的55 塊農田，耕地面積15.6 hm2（234 畝），共有排水溝兩條。在排水溝1和排水溝2末端設置三角堰和水位觀測井計量排水斗溝排水量。

（3）田間尺度。在排水溝1 控制范圍內選擇了試驗田1 和試驗田2（30 m×100 m）作為典型田塊觀測稻田降雨徑流過程。依靠田間逐小時水層監測（水位井自計式觀測）和水量平衡計算，推算稻田排水量。

在斗溝尺度內布設了1 處小型自動氣象站和1 處自計式雨量筒，觀測試驗區氣象數據。

2.2 模型方法

為分析稻田降雨徑流影響因素，采用2 層水箱模型模擬稻田徑流過程，通過試驗區8 次降雨徑流過程對模型參數進行率定與驗證。模型詳細結構和參數以及率定驗證過程詳見文獻［9］。

2.3 影響因子設計

（1）降雨量設計。搜集了高郵市1971-2013年短歷時暴雨資料，通過水文頻率分析得到不同頻率設計降雨參數（見表1）。選取1976年6月29日5∶00-6月30日5∶00 逐小時降雨作為典型暴雨過程，統計其1、3、6 和24 h 降雨量，計算相應的縮放系數，得到不同典型年24 h 設計暴雨量，采用同頻率法進行縮放得到設計暴雨過程（見圖2）。

圖2 典型降雨過程時程分配圖

表1 雨量頻率分布參數及不同水平年設計降雨量

（2）降雨雨型設計。天然的降雨雨型可歸納為3大類型：單峰雨型，多峰雨型和大致均勻的雨型。其中單峰雨型又可以分為雨峰靠前、雨峰靠中和雨峰靠后3種類型；多峰雨型可近似地看作是幾次單峰降雨的組合過程，故在此僅按照單峰雨型進行分析。以重現期20 a 降雨量作為設計雨量，降雨量為196.1 mm，降雨歷時為24 h，設計雨峰靠前、雨峰靠中、雨峰靠后和均勻降雨等4種降雨類型。

（3）稻田初始蓄水深度。高郵灌區屬于平原自流灌區，實行集水期灌制度［12］，按照當地習慣進行淺濕調控灌溉（當地習慣稱之為4、5、6），于泡田栽插期、分蘗期和曬田期以后，分別間隔4、5 和6 d 灌水一次，每次灌水時間為前期15 h、后期20 h，通常灌水時田間已經沒有水層，灌水后建立3～5 cm 水層。因此下雨前稻田可能出現無水層和有水層兩種水分狀況。為了分析稻田初始蓄水深度對稻田排水的影響，本文設定降雨前稻田田間水分狀況為田間持水量、飽和含水量、田間存蓄1、2、3、4 和5 cm共計8種情景。

3 結果與討論

3.1 降雨量對稻田區域徑流形成影響規律

不同重現期降雨稻田排水過程表現出相似的變化規律，隨著降雨發生，稻田排水呈現先增加后減小的規律（圖3）。不同重現期降雨稻田排水峰值均出現在降雨強度最大處，稻田排水總量隨著降雨量的增加而增加。重現期50、20和10 a降雨產生的稻田排水量分別為163.80、135.22和113.78 mm。不同重現期稻田排水量差值與降雨量差值相當，說明降雨量是影響稻田排水量的主要原因。隨著降雨量的增加稻田排水峰值明顯增加（表2）。重現期50、20 和10 a 降雨產生的稻田排水峰值分別為26.98、22.95 和19.42 mm。重現期50 a 較重現期20年降雨產生的稻田排水峰值增加17.6%，而重現期20 a 較重現期10 a 排水峰值增加18.2%。研究區稻田徑流系數隨著降雨量的增加而增加，重現期50、20 和10 a 稻田降雨徑流系數分別為0.72、0.69 和0.67。從稻田排水組成看，重現期50、20 和10 a 稻田排水中地表徑流排水量占總排水量的比例均高于90%，地表徑流是稻田排水主要途徑。

表2 不同水平年降雨排水過程結果表

圖3 不同水平年降雨徑流過程

3.2 降雨雨型對稻田區域徑流形成影響規律

隨著降雨雨型變化稻田排水過程也隨著變化。從排水過程曲線形狀看，隨著降雨峰值的推后，其曲線形狀更加瘦高；從排水峰值看，隨著降雨峰值的推后，其排水峰值也向后推遲（見圖4）。從排水總量分析，雨峰靠前、靠中、靠后和均勻降雨條件下稻田排水量分別為142.62、138.63、131.25 和132.69 mm（見表3）。因此，降雨雨型對稻田排水總量影響較小，而對稻田排水過程分布影響較為顯著。從排水峰值量分析，雨峰靠前、靠中、靠后和均勻降雨條件下稻田排水峰值分別為10.93、12.67、13.76 和6.86 mm。與均勻降雨相比雨峰偏前、中和后部的降雨稻田排水峰值分別增加59.3%、84.7%和100.6%。因此，雨峰靠后降雨條件下排水峰值最高，對下游防洪除澇工程最為不利。稻田排水峰值與降雨峰值出現的時間并不一致。對于雨峰靠前和靠中降雨，稻田排水峰值出現時間較雨峰時間分別延遲7和3 h，說明稻田具有一定的滯澇作用。雨峰靠后和均勻降雨，稻田排水峰值和雨峰同步出現，其主要原因是峰前降雨量削弱或抵消了稻田的滯蓄作用。

圖4 不同降雨雨型條件下48 h稻田排水過程

表3 不同雨型降雨排水過程結果表 mm

3.3 稻田初始蓄水深度對稻田排水影響規律

不同稻田初始蓄水深度下稻田排水過程差異主要表現在降雨前期（前12 h），而對稻田后期（12～48 h）排水的影響逐漸減小（見圖5）。在降雨量相同的情況下，稻田排水峰值隨著稻田初始蓄水深度的增加而增加（見表4）。降雨前稻田有水層時，其排水峰值明顯大于無水層時。以降雨雨峰靠前為例，當稻田初始蓄水深為田持、飽和、1 cm 水層、2 cm 水層、3 cm 水層、4 cm水層和5 cm 水層時，其排水峰值分別為9.58、10.93、11.49、12.09、12.63、13.22 和13.78 mm/h。降雨前稻田水層為5 cm 時的排水量比飽和狀況下增加26%，其說明降雨前灌水會大大增加了洪澇災害形成風險，因此應該避免在大的降雨前對稻田進行灌溉。由表4 可知，稻田初始蓄水深度對排水峰值的出現時間也存在一定影響，但因降雨雨型不同而其影響程度不同。對于雨峰靠前降雨，隨著稻田初始蓄水深度的增加，稻田排水峰值出現的時間略有提前；對于雨峰靠后降雨，稻田排水峰值出現的時間隨著稻田初始蓄水深度增加略有推遲；對于雨峰靠后和均勻降雨，稻田初始蓄水深度對排水峰值出現時間幾乎沒有影響。

圖5 降雨前期稻田不同水分狀況下降雨排水過程（48 h）

4 種雨型情況下，稻田排水總量均隨著稻田初始蓄水深度的增加而增加，稻田初始蓄水深度每增加1 cm，稻田排水量增加量約為10 mm（見表4）。結果表明，稻田類似于水庫，對降雨排水具有調控作用，其排水量隨著調節庫容的減少而增加。在3 種不同降雨量級條件下，稻田排水量均隨著稻田初始蓄水深度的增加而增加（見表5）。由表5可知，重現期為10 a的降雨條件下，降雨前稻田蓄水深為飽和含水率、3和5 cm水層稻田排水量為113.78、135.41 和154.54 mm；重現期為20 a 的降雨條件下為135.22、160.26 和179.45 mm；重現期為50 a 的降雨條件下為163.80、191.74 和210.97 mm。重現期20 a 的降雨在稻田初始蓄水深為飽和含水量情況下產生的稻田排水量與重現期10 a 的降雨在稻田初始蓄水深為3 cm 時產生的稻田排水量相當。同樣，重現期50 a 的降雨在稻田初始蓄水深為飽和含水量時產生的稻田排水與重現期20 a 的降雨在稻田初始蓄水深為3 cm 時產生的稻田排水相當。上述結果表明，通過調控稻田初始蓄水深度，可提高灌區防洪除澇工程的防洪除澇標準。以高郵灌區為例，高郵灌區采用傳統的灌溉方式，灌水后田間建立3～5 cm水層，灌區內防洪除澇工程設計能抵御10 a 一遇的澇水，若采用節水灌溉（控制灌溉）不建立水層，灌區防洪除澇工程的防洪除澇標準將提高到20 a一遇。

表4 不同稻田蓄水條件下稻田排水峰值與排水總量 mm

表5 降雨前期稻田不同蓄水條件下稻田排水總量 mm

3.4 灌區農田不同尺度對稻田排水影響規律

通過監測稻田、排水斗溝和排水支溝尺度降雨排水過程，分析農田不同尺度對稻田排水的影響。2013年和2014年排水斗溝尺度排水量分別較稻田尺度減少19.0%和17.5%，排水干溝尺度排水量分別較排水斗溝尺度減少20.7%和25.9%，排水干溝尺度排水量較稻田排水量分別減少35.8%和38.9%。因此，平原灌區排水存在尺度效應，其原因主要是平原水稻灌區存在大量的溝渠塘庫，具有一定的調蓄能力，有利于農田排水在灌區內的重復利用，存在回歸用水，能夠有效的減輕灌區下游的防洪壓力。

表6 水稻生育期不同尺度排水量統計表 mm

4 結 論

基于灌區不同尺度降雨徑流監測試驗，結合兩層水箱模型，分析了降雨、稻田初始蓄水深度和排水尺度對稻田排水的影響，主要研究結論如下。

（1）降雨是影響稻田排水的重要因素。隨著降雨量的增加，稻田排水總量和排水峰值均相應增加，且排水總量的增量與降雨量增幅相當。稻田排水以地表排水為主，地表排水量占總排水量90%以上。降雨雨型對稻田排水總量影響較小，但對降雨峰值影響較為顯著。降雨雨峰靠前、靠中和靠后較均勻降雨稻田排水峰值分別增加59.3%、84.7%和100.6%。雨峰靠后降雨是對防洪排澇工程最為不利的降雨形式。

（2）合理調控稻田水分能夠減少稻田排水量，增加灌區防洪排澇標準。稻田排水量和排水峰值均隨著稻田初始蓄水深度的增加而增加。稻田初始蓄水深度對稻田排水影響程主要集中于排水前期，隨著降雨的發生影響逐漸削弱。通過合理控制降雨前稻田蓄水深，可有效的抵御洪澇災害。

（3）平原水稻灌區排水存在明顯尺度效應。平原水稻灌區存在大量的溝渠塘庫，具有一定的調蓄能力，有利于農田排水在灌區內的重復利用，2013年和2014年排水干溝尺度排水量較稻田排水量分別減少35.8%和38.9%。