蝦稻共作產(chǎn)匯流過程中TANK-MIKE 11耦合模型的應(yīng)用

何天楷，何 軍，劉路廣，范楊臻，黃 潔

（1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070）

0 引 言

澇災(zāi)是我國主要自然災(zāi)害之一，對我國經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生嚴(yán)重的負面影響［1，2］。四湖流域位于湖北省荊州市，該地區(qū)土地肥沃，資源豐富，屬全國重要糧棉油水產(chǎn)基地。但其地勢低平，汛期雨量大，是典型的澇漬災(zāi)害多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)［3，4］。近年來，為提高四湖流域澇漬低產(chǎn)田的經(jīng)濟效益，新興綜合種養(yǎng)模式蝦稻共作田被提出，其種植面積更是逐年擴大［5］。該模式改變了傳統(tǒng)水稻田的形態(tài)，灌排制度，增加了水面面積，對汛期區(qū)域農(nóng)田排澇產(chǎn)生了深遠影響［6，7］。針對蝦稻田對區(qū)域徑流的影響機理展開模型研究，旨在為蝦稻共作模式下農(nóng)田澇漬減災(zāi)綜合技術(shù)的集成提供數(shù)據(jù)支撐。

TANK模型是一個原理簡單、結(jié)構(gòu)靈活，輸入資料少且應(yīng)用廣泛的概念性水文模型［8-10］，有研究表明TANK模型能夠較好的模擬稻田降雨徑流過程且有較高精度［11，12］。MIKE 11模型是由丹麥水利研究所開發(fā)的，應(yīng)用于模擬河口、河流、河網(wǎng)、灌溉系統(tǒng)的水流、水質(zhì)、泥沙輸運等一維問題的專業(yè)軟件包［13］。其具有模擬效率高、底層邏輯穩(wěn)定、輸出結(jié)果處理方便、對各類人工排水系統(tǒng)有強大的模擬功能等突出優(yōu)點，在洪水預(yù)報、水資源利用和河道防洪等方面均得到了實際的應(yīng)用［14-16］。為了提高模擬精度，使其更好地模擬不同暴雨重現(xiàn)期下蝦稻模式農(nóng)田排澇規(guī)律，筆者以湖北省荊州市觀音垱鎮(zhèn)為例，針對蝦稻共作田的特點，改進了適用于蝦稻田塊的TANK模型，調(diào)整了MIKE 11模型匯流方式，構(gòu)建了TANK-MIKE 11產(chǎn)匯流耦合模型，并對模型的適應(yīng)性進行了驗證。以構(gòu)建的耦合模型，進行不同降雨標(biāo)準(zhǔn)下，蝦稻田種植面積占比、蝦稻田上限排水深等條件變化對農(nóng)排區(qū)徑流影響規(guī)律的模擬研究，為蝦稻共作下農(nóng)田除澇降漬系統(tǒng)的規(guī)格布局，建立澇漬減災(zāi)綜合技術(shù)集成應(yīng)用模式提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 應(yīng)用區(qū)概況

荊州市觀音垱鎮(zhèn)屬于長湖灌區(qū)（圖1），位于湖北省江漢平原相對低洼處，亞熱帶季風(fēng)濕潤區(qū)。該地區(qū)海拔26 m，1 月平均溫度普遍在0 ℃以上，7 月平均溫度一般為25 ℃左右，年日照時數(shù)1 401～1 945 h，農(nóng)業(yè)氣候條件優(yōu)越，具有地勢平緩、土地肥沃、熱量豐富、水資源豐富等獨特優(yōu)勢［17］。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量800～1 600 mm，汛期（一般為5-9月）降雨量約占年降雨總量的70%，年際變化顯著。該地區(qū)因地勢平坦低洼，汛期梅雨季節(jié)易造成“水高田低，外洪內(nèi)澇”的情形，導(dǎo)致當(dāng)?shù)貪碀n災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)調(diào)查，目前當(dāng)?shù)?0%以上農(nóng)田已開墾為蝦稻共作田，普通水田面積占比約為27%，故對研究區(qū)內(nèi)的蝦稻田水層管理模式及排水特性進行研究具有重大意義。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of study area

1.2 設(shè)計暴雨計算

選用排區(qū)內(nèi)湖北省荊州市四湖工程管理局排灌試驗站的1981-2020年共40 a的雨量資料進行降雨情況分析及P-Ⅲ型頻率曲線擬合，得到不同設(shè)計頻率下1、3和7 d的暴雨量，如表1所示。

表1 設(shè)計暴雨量Tab.1 Design rainfall

參考《湖北省暴雨徑流查算圖集》［18］，采用相關(guān)圖表法，根據(jù)湖北省暴雨雨型表，計算得到不同重現(xiàn)期下1、3和7 d的設(shè)計暴雨時程分配過程，暴雨頻率為5 a一遇（20%）、10 a一遇（10%）、100 a一遇（1%）3種頻率，具體分配結(jié)果見圖2。

圖2 不同重現(xiàn)期設(shè)計暴雨分配過程Fig.2 Design rainstorm distribution process for different return periods

2 應(yīng)用結(jié)果與分析

2.1 不同蝦稻田種植比對區(qū)域外排水量的影響

當(dāng)前試驗區(qū)的蝦稻共作田塊面積占比達50%左右。為探究在1.2 m蝦溝滯蓄水深上限現(xiàn)狀下，不同暴雨重現(xiàn)期時，蝦稻田塊種植占比變化對區(qū)域徑流的影響，運用耦合模型對表2中的3種情景設(shè)置進行不同歷時暴雨下的模擬與分析。

表2 不同情境下的蝦稻田種植占比Tab.2 The planting proportion of crayfish-rice culture in different situations

各重現(xiàn)期1 d暴雨情況下，不同蝦稻田種植面積比在5 a一遇、10 a一遇和100 a一遇3種典型重現(xiàn)期時，對排區(qū)泵站外排水量的影響情況如表3。

表3 不同蝦稻田種植比對泵站外排水量的影響（1 d暴雨）Tab.3 Effect of different planting ratio of crayfish-rice culture on the external drainage of pumping station（1 d rainstorm process）

由表3可知，5 a一遇1 d暴雨情況下，10%、50%、90%的蝦稻田種植占比的外排水量為1 950、1 670和1 420 m3；10 a一遇1 d暴雨情況下，10%、50%、90%的蝦稻田種植占比的外排水量為2 940、2 800和2 450 m3；100 a一遇1 d暴雨情況下，3種蝦稻田種植占比時，其外排水量分別為4 380、4 130和3 982 m3。說明同一重現(xiàn)期1 d暴雨下，泵站外排水量隨著蝦稻種植占比的增加而減少，同一蝦稻田種植占比下，外排水量隨著暴雨重現(xiàn)期的增加而增加。

5 a一遇1 d暴雨情況下，相較于50%蝦稻田種植比，10%和90%的蝦稻田種植占比時，泵站外排水量分別增加17%和減少15%；10 a一遇1 d暴雨情況時，10%和90%的蝦稻田種植占比下泵站外排水量分別增加12%和減少13%；100 a一遇1 d暴雨情況下，兩者分別增加6%和減少3%。同一蝦稻田種植占比下，外排水量減少比例隨著重現(xiàn)期的增加而減小。

各重現(xiàn)期3 d暴雨情況下不同蝦稻田種植比例的外排水量如表4。

表4 不同蝦稻田種植比對泵站外排水量的影響（3 d暴雨）Tab.4 Effect of different planting ratio of crayfish-rice culture on the external drainage of pumping station（3 d rainstorm process）

由表4可知，5 a一遇3 d暴雨情況下，10%、50%、90%的蝦稻田種植占比的外排水量為3 698.8、3 068.8和2 760.8 m3；10 a一遇3 d暴雨情況下，10%、50%、90%的蝦稻田種植占比的外排水量為4 138.4、3 724和3 354.4 m3；100 a一遇3 d暴雨時，3種蝦稻田種植占比的外排水量分別為5 754、5 362和5 101.6 m3。相較于現(xiàn)狀50%蝦稻田種植比，5 a一遇時，10%和90%的蝦稻田種植占比下泵站外排水量分別增加21%和減少10%；10 a一遇時，兩者分別增加11%和減少9%；100 a一遇情況下，兩者分別增加7%和減少4%。由此可知同一重現(xiàn)期3 d暴雨下，隨著蝦稻田面積占比的增加，泵站外排水量逐漸減少。同一蝦稻田種植占比下，隨著暴雨重現(xiàn)期的增加，外排水量逐漸變大，外排水量減少比例逐漸變小。

各重現(xiàn)期7 d暴雨情況下不同蝦稻田種植比例的外排水量如表5。

表5 不同蝦稻田種植比對泵站外排水量的影響（7 d暴雨）Tab.5 Effect of different planting ratio of crayfish-rice culture on the external drainage of pumping station（7 d rainstorm process）

由表5可知，5 a一遇7 d暴雨情況下，10%、50%、90%的蝦稻田種植占比的外排水量為5 941.6、4 648和3 810.8 m3；10 a一遇7 d暴雨情況下，10%、50%、90%的蝦稻田種植占比的外排水量為6 669.6、5 303.2和4 415.6 m3；100 a一遇7 d暴雨情況下，3種蝦稻田種植占比時，其外排水量分別為8 598.8、7 621.6和6 857.2 m3。相較于現(xiàn)狀50%蝦稻田種植比，5 a一遇時，10%和90%的蝦稻田種植占比下泵站外排水量分別增加28%和減少18%；10 a一遇時，10%和90%的蝦稻田種植占比下泵站外排水量分別增加26%和減少17%；100 a一遇時，10%和90%的蝦稻田種植占比下泵站外排水量分別增加13%和減少10%。同1 d與3 d暴雨歷時下相比，7 d暴雨歷時各重現(xiàn)期下的外排水量減少比例要遠高于兩者，說明蝦稻田塊蓄水調(diào)水功能在長歷時降雨情況下更為顯著。

2.2 蝦溝不同滯蓄水深上限對排區(qū)洪峰流量的影響

蝦稻田一般是在傳統(tǒng)水稻田開挖環(huán)形蝦溝，環(huán)形蝦溝中常年保持有一定水量，其水深隨小龍蝦、水稻生育期的變化而改變。研究區(qū)暴雨多發(fā)生在6-7月，此時正處于當(dāng)?shù)厮旧L的分蘗期，該階段為蝦稻分養(yǎng)階段，小龍蝦僅可在蝦溝內(nèi)自由活動，兩者水體并不相連，由土埂隔開［19，20］。因此，在50%的蝦稻共作田農(nóng)排區(qū)占比現(xiàn)狀下，設(shè)置暴雨后蝦溝的不同滯蓄水深上限，以此模擬研究不同暴雨重現(xiàn)期情況下蝦溝滯蓄水深變化對區(qū)域徑流的影響，具體情景條件見表6。

表6 不同情境下的蝦溝滯蓄水深方案控制Tab.6 Scheme control of impoundment depth in crayfish ditch under different situations

1 d暴雨情況下，蝦溝不同滯蓄水深上限在5 a一遇、10 a一遇和100 a一遇3種典型重現(xiàn)期時，對排區(qū)閘前洪峰流量的影響情況如表7所示。

表7 不同蝦溝滯蓄水深下洪峰流量的比較（1 d暴雨）Tab.7 Comparison of flood peak flow under different impoundment depths of crayfish ditch（1 d rainstorm process）

由表7可知，5 a一遇1 d暴雨情況下，1.2、1.3、1.4 m的蝦溝上限排水深的洪峰流量分別為2.91、2.79和2.69 m3/s；10 a一遇1 d暴雨情況下，1.2、1.3、1.4 m的蝦溝上限排水深的洪峰流量分別為2.96、2.84和2.76 m3/s；100 a一遇1 d暴雨情況下，1.2、1.3、1.4 m的蝦溝上限排水深的洪峰流量分別為3.28、3.17和3.09 m3/s。同一重現(xiàn)期1 d暴雨情況下，洪峰流量隨著蝦溝滯蓄水深上限的增加而顯著減小，同一蝦溝滯蓄水深上限下，洪峰流量隨著暴雨重現(xiàn)期的增加而明顯變大。

5 a一遇1 d暴雨情況下，相比于1.2 m的蝦溝滯蓄水深上限，1.3 m與1.4 m的蝦溝滯蓄水深的洪峰流量分別減少4.12%和7.56%；10 a一遇1 d暴雨情況下，相較于1.2 m的蝦溝滯蓄水深上限，1.3 m與1.4 m蝦溝滯蓄水深情況下，洪峰流量分別減少4.05%與6.76%；100 a一遇1 d暴雨情況下，1.3 m與1.4 m的蝦溝滯蓄水深的洪峰流量對比1.2 m時，分別減少3.35%及5.79%。同一重現(xiàn)期1 d暴雨情況下，洪峰流量減少比例隨著蝦溝滯蓄水深上限的增加而明顯變大。同一蝦溝滯蓄水深上限情況下，洪峰流量減少比例隨著暴雨重現(xiàn)期的增加而不斷減少。可見1 d暴雨情況下，蝦溝上限水深的增大，能夠有效減少排渠出口斷面處的洪峰流量，起到削弱洪峰的作用。同時，蝦溝滯蓄上限水深越高，暴雨重現(xiàn)期越小，削峰作用就越明顯。

表8為重現(xiàn)期3 d暴雨下不同蝦溝滯蓄水深上限的閘前斷面洪峰流量表。

表8 不同蝦溝滯蓄水深下洪峰流量的比較（3 d暴雨）Tab.8 Comparison of flood peak flow under different impoundment depths of crayfish ditch（3 d rainstorm process）

由表8可知，5 a一遇3 d暴雨情況下，1.2、1.3、1.4 m的蝦溝滯蓄水深上限的洪峰流量分別為2.94、2.85和2.72 m3/s。以1.2 m蝦溝滯蓄水深上限為標(biāo)準(zhǔn)作比，1.3 m與1.4 m時，洪峰流量的減少比例分別為3.06%和7.48%；10 a一遇3 d暴雨情況下，1.2、1.3、1.4 m的蝦溝滯蓄水深上限的洪峰流量分別為3.01、2.88和2.75 m3/s，1.3與1.4 m蝦溝滯蓄水深上限時，洪峰流量的減少比例分別為4.32%和8.64%；100 a一遇3 d暴雨情況下，1.2、1.3、1.4 m的蝦溝滯蓄水深上限的洪峰流量分別為3.38、3.19和3.03 m3/s，1.3與1.4 m時，洪峰流量的減少比例分別為5.62%和10.36%。

同一重現(xiàn)期3 d暴雨情況下，洪峰流量隨著蝦溝滯蓄水深上限的變大而減小，流量減少比例（以1.2 m排水深為基準(zhǔn)）隨著滯蓄水深的變大而增加。與1 d暴雨歷時不同，3 d時，洪峰流量暴雨重現(xiàn)期的增加而變大，流量減少比列也隨著重現(xiàn)期的增加而變大。

各重現(xiàn)期7 d暴雨情況下不同蝦溝上限排水深的閘前洪峰流量如表9。

表9 不同蝦溝滯蓄水深下洪峰流量的比較（7 d暴雨）Tab.9 Comparison of flood peak flow under different impoundment depths of crayfish ditch（7 d rainstorm process）

由表9可知，5 a一遇7 d暴雨情況下，1.2、1.3、1.4 m的蝦溝滯蓄水深上限的洪峰流量分別為2.99、2.90和2.82 m3/s；10 a一遇7 d暴雨情況下，1.2、1.3、1.4 m的蝦溝滯蓄水深上限的洪峰流量分別為3.16、3.03和2.85 m3/s；100 a一遇7 d暴雨情況下，1.2、1.3、1.4 m的蝦溝滯蓄水深上限的洪峰流量分別為3.35、3.21和3.09 m3/s。同一重現(xiàn)期7 d暴雨情況下，洪峰流量隨著蝦溝滯蓄水深上限的增加而減小，同一蝦溝滯蓄水深下，洪峰流量隨著暴雨重現(xiàn)期的增加而變大。

5 a一遇7 d暴雨情況下，相比于1.2 m的蝦溝滯蓄水深上限，1.3與1.4 m的蝦溝滯蓄水深的洪峰流量分別減少3.01%和5.69%；10 a一遇7 d暴雨情況下，相較于1.2 m的滯蓄水深上限，1.3與1.4 m蝦溝滯蓄水深情況下，洪峰流量分別減少4.11%與9.81%；100 a一遇7 d暴雨情況下，1.3與1.4 m的蝦溝滯蓄水深的洪峰流量分別減少4.18%及7.76%。同一重現(xiàn)期7 d暴雨情況下，洪峰流量減少比例隨著蝦溝滯蓄水深上限的增加而明顯變大。當(dāng)重現(xiàn)期為10 a一遇時，1.4 m滯蓄水深上限的蝦溝對干渠洪峰流量的減少比例達到最大值9.81%。此時削弱洪峰的作用最好。

3 結(jié) 論

本文對已構(gòu)建的適用于平原灌區(qū)蝦稻共作田降雨-徑流過程模擬的TANK-MIKE 11耦合模型進行應(yīng)用，在推求試驗區(qū)設(shè)計暴雨過程的基礎(chǔ)上，模擬了不同蝦稻種植占比和不同蝦溝上限排水深時對區(qū)域徑流的影響，結(jié)論如下。

（1）同一重現(xiàn)期暴雨下，排區(qū)內(nèi)蝦稻田面積占比越大，排區(qū)泵站外排總流量越少。排區(qū)蝦稻田比例現(xiàn)狀為50%，當(dāng)蝦稻田面積為10%和90%時，各重現(xiàn)期24 h暴雨下排區(qū)的泵站啟外排水量分別增加6%～12%和減少3%～12%，72 h暴雨下分別增加7%～21%和減少4%～10%，168 h暴雨下分別增加13%～28%和減少10%～18%。

（2）在合理范圍內(nèi)提高蝦稻田蝦溝上限排水水深可以大幅度降低區(qū)域排澇壓力。同一暴雨重現(xiàn)期下，蝦稻田上限排水深越高，排區(qū)泵站斷面處洪峰流量越小。在各種設(shè)計暴雨下，相較于1.2 m蝦溝上限排水深，1.3 m時洪峰流量減小3.01%～5.62%，1.4 m時洪峰流量減小5.79%～10.36%。