農田灌排系統雨洪調蓄模擬及分析

摘要為探究農田、溝渠、塘堰、小型水庫等組成的農田灌溉排水系統（簡稱“田-溝-塘-庫”系統）對雨洪調蓄的影響，以江西省灌溉試驗中心站研究基地的農田灌溉排水系統為研究對象，運用環境流體動力學模型（environmentalfluiddynamicscode，EFDC）構建典型小型灌溉排水系統的水量平衡模型，評估不同降雨頻率下農田、塘堰和水庫采用不同水管理模式對排水口洪峰流量、排水量的影響。結果表明：系統排水溝在正常水管理狀態下，通過蓄積一定的雨洪資源可以削減排水口洪峰流量29.55%，減少排水量31.08%；與淹水灌溉模式相比，間歇灌溉模式系統排水量減少12.69%；當塘堰控制水深為0.6m時，系統排水量最小。模擬結果表明，農田灌排系統可以削減徑流峰值、減少排水量，具有良好的蓄雨調洪能力。

關鍵詞灌溉排水；環境流體動力學模型；雨洪調蓄；情景分析

中圖分類號S27"文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2024）24-0177-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.038

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

SimulationandAnalysisofRainandFloodRegulationandStorageinFarmlandIrrigationandDrainageSystem

GONGLai-hong1，CAIShuo2，ZHAOShu-jun3etal

（1.JiangxiAuthorityofWaterConservancyProjectoftheGanfuPlain，Nanchang，Jiangxi330096;2.JiangxiCentralStationofIrrigationExperiment，Nanchang，Jiangxi330201;3.ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang，Hubei443002）

AbstractInordertoexploretheinfluencesoffarmlandirrigationanddrainagesystemcomposedoffarmland，ditch，pondweirandsmallreservoir（referredtoas“farmland-ditch-pond-reservoir”system）onrainwaterregulationandstorage，wetookfarmlandirrigationanddrainagesystemoftheresearchbaseinJiangxiCentralStationofIrrigationExperimentastheresearchobject，andusedtheenvironmentalfluiddynamicscode（EFDC）modeltoconstructwaterbalancemodelofthetypicalsmallirrigationanddrainagesystem，andevaluatetheinfluencesofdifferentwatermanagementmodeloffarmlandandpondweir，andreservoironoutletpeakdischargeandthe"drainagevolumeofthesystemunderdifferentrainfallfrequencies.Theresultsshowedthatthesystemcouldreducethepeakoutletrunoffby29.55%，andreducethedrainagevolumeby31.08%underthenormalwatermanagementstatus.Thedrainagevolumeoftheintermittentirrigationmodewasreducedby12.69%comparedwiththatoffloodedirrigationmode.Thedrainagevolumeofthesystemwastheminimumwhenthecontrolledwaterdepthofthepondweirwas0.6m.Thesimulationresultsshowedthatthefarmlandirrigationanddrainagesystemcouldreducethepeakrunoff"anddrainagevolume，andithadagoodrainwaterstorageandfloodregulationcapacity.

KeywordsIrrigationanddrainage;EFDC;Rainandfloodregulationandstorage;Scenarioanalysis

稻田、排水溝、塘堰和水庫共同組成了我國南方灌區典型的農田灌溉排水系統，在保障糧食生產上發揮了重要的作用。稻田在一定程度上具備蓄雨調洪的功能。Smiley等^［1］根據稻田對雨洪資源的調節作用，提出了稻田的防洪蓄雨功能。Matsuno等^［2］對稻田功能價值進行了評價，發現稻田的防洪蓄雨功能得到了廣泛研究。黃璜^［3］通過調查研究發現湖南省內稻田具備“隱形水庫”的功能。王傳娟等^［4］通過構建稻田水量平衡模型，研究發現稻田能有效蓄存雨水減緩澇災，且稻田不同灌溉模式中淺濕調控灌溉模式具有更好的節水、蓄雨效果。塘堰系統也有一定的納洪調蓄能力，鄭祖金等^［5］在研究塘堰攔蓄雨洪資源的能力時，提出了攔蓄系數，并將其用于衡量塘堰對地表徑流的調蓄能力。Ferrati等^［6］通過構建水平衡模型，模擬分析了Esteros del Ibera濕地的水位動態變化過程。李玲君等^［7］改進了WRSIS（灌溉-排水-濕地綜合管理系統）中的濕地系統、灌排系統、田間水位控制系統，并將其應用在我國南方水稻灌區，減少了灌溉水量。董斌等^［8］、魏小華等^［9］在廣西青獅潭灌區和湖北漳河灌區的田間試驗表明，農田灌排系統削減了灌溉水量，攔截了地表徑流，此外它對水質有凈化作用。此外，通過合理控制灌區灌排系統的灌排水量，可以重復利用農田排水，減輕下游防洪壓力^［10］，減少農田氮磷污染物排放^［11-12］。

目前，大部分學者^{［4，13-14］}以稻田、排水溝、塘堰濕地、水庫及灌溉排水系統的單一個體為研究對象來研究水平衡過程，而關于“田-溝-塘-庫”系統聯合調度水量的報道較少。對于灌溉排水系統，大多采用水文模型或數值模型，從流域或灌區角度評價節水灌溉措施對系統出口水量、水質的影響，而關于水庫管理和濕地水管理對水量影響的研究較少。環境流體動力學模型（environmental fluid dynamics code，EFDC）是一種兼備水動力和水質模擬計算的綜合性數學模型^［15-16］，主要應用于湖泊、河口、濕地、排水溝的水量、水質、泥沙等過程的水動力模擬^［17-19］，比如Okeechobe湖^［20］、Tasman and Golden海灣^［21］、St.Lucie河口^［22］等，在水庫、濕地和排水溝的水動力、水質和泥沙模擬中也有較好的模擬效果^［23-26］，可作為灌區農田灌排系統納洪減污效應綜合評價研究的方法^［27］。

筆者選取江西省灌溉試驗中心站內已建成的“田-溝-塘-庫”農田灌溉排水系統為研究對象，基于實地調研、實測數據資料建立EFDC水量平衡模型，模擬不同情景模式下的水力動力學過程，以系統總排水口的實測和模擬徑流過程評估“田-溝-塘-庫”系統的蓄雨調洪能力，以期為江西乃至南方地區的雨洪調蓄提供理論參考和實踐指導。

1研究區概況與方法

1.1研究區概況

江西省灌溉試驗中心站位于鄱陽湖流域贛撫平原灌區內，灌區內農業生產模式主要為雙季水稻，灌區流域經緯度為115°49′～116°46′E，28°24′～29°46′N，平均海拔約20m，南北走向170km，最大寬度約70km。試驗區土壤多為紅壤性水稻黏土，黏土多以高嶺石-石英-蒙脫石為礦物組成成分，鹽基飽和度較低（10.00%～25.00%）。土壤呈酸性，pH4.50～6.50。

試驗以江西省灌溉試驗中心站內已建成的“田-溝-塘-庫”農田灌溉排水系統（圖1）為研究對象。系統中，農田區域地勢呈北高南低，主農田排水溝位于稻田東側，區域內田塊按水稻不同處理分別管理。該研究涉及面積8400m2的試驗稻田4塊，長度110m的排水溝1條，面積460m2的塘堰3個。稻田排水進入排水溝后輸運至塘堰，最終匯入面積680m2的水庫進行儲水調蓄。

1.2數據來源

以水稻全生育期稻田水量變化過程為研究對象，通過試驗和模型相結合的方法開展研究，所需資料來源于江西省灌溉試驗中心站長系列灌溉試驗和現場實地調研。其中，降雨資料來源于研究基地氣象站1978—2019年的氣象資料。50%年單日最大降雨量為111.70mm，出現在2008年5月28日，并以該次降雨為典型降雨條件開展模擬。

EFDC模型水動力模塊需要搜集地形資料、流量資料、氣象要素資料、水工建筑物資料、水管理措施等資料；輸出項包括三維流速、水深、流量等隨時間變化的變量。

稻田的水平衡過程由試驗場內的需水量測坑測得，降雨量數據來自試驗場內的標準氣象場，蒸發蒸騰量、排水量、灌溉用水量由測坑實測。稻田排水處、排水溝、塘堰和水庫的進水、出水位置均設矩形薄壁堰，用于水量計量；在薄壁堰處設置HOBO-U20-001-04型號水位計，記錄數據間隔5min。塘堰和水庫通過管道連接，水庫的出水口為管道，管道上安裝水表，逐日計量塘堰至水庫進水量和水庫排水量。

1.3模型原理

EFDC模型水動力過程的計算采用Sigma坐標下的動量和質量守恒原理及方程，主控方程采用外模與內模分裂的方法進行數值求解，網格內和網格間可以在水量平衡過程計算的同時，對動力學過程進行計算，能夠滿足農田灌排系統最小單元及日尺度上的徑流過程計算。喬斌^［28］、王曉玲等^［29］利用EFDC模型對研究區內的農田、排水溝、塘堰進行了概化，研究了農田排水溝和塘堰降雨徑流過程及其氮磷凈化效果。該研究將小尺度的灌溉排水系統概化為一個有自由水面的大水箱，將稻田、塘堰、水庫概化為小水箱，小水箱內又劃分成多處網格，可開展水量平衡計算，系統內各單元的水動力計算過程適用于排水溝、系統出口徑流模擬。該研究選取EFDC模擬農田灌排系統對雨洪調蓄的影響。

研究區采用正交笛卡爾網格劃分，二維地形數據、高程數據由全站儀測得。稻田區域面積8400m2，長170.00m，寬68.00m，矩形網格尺寸大小為5.70m×5.70m；塘堰總面積1380m2，共3個塘堰，矩形網格尺寸0.60m×0.60m；水庫面積680m2，矩形網格尺寸0.60m×0.60m；“田-溝-塘-庫”系統共劃分7320個網格，網格劃分結果如圖2所示。網格劃分后，將高程數據導入EFDC模型，網格區域變為三維網格計算模型。

1.4模型的構建和率定

1.4.1模型的構建。模型的構建涉及邊界條件、初始條件、模型運行參數等。邊界條件：模型的邊界條件需要確定模型流量邊界、建筑物邊界、氣象要素等邊界條件。模型的初始條件包括水位初始條件、底部糙度等初始條件；模型的其他參數包括水動力計算的參數、時間步長參數等。

1.4.1.1

邊界條件。①流量邊界包括入流和出流邊界，模擬時以稻田的逐日灌溉流量、逐日排水流量的時間序列為入、出流邊界；②水工建筑物邊界，包含稻田、塘堰、水庫等設置的田埂和稻田-排水溝以及排水溝-塘堰所設置的薄壁堰；③開、閉邊界，包含模型區域與外界發生流量交換的部分，該研究中閉邊界為稻田、排水溝、塘堰、水庫等，其設置目的是避免與外界發生水體交換；④三維網格計算模型的上邊界為自由水面邊界，下邊界為固壁邊界。

1.4.1.2初始條件。①地形條件。包括稻田、排水溝、塘堰、水庫和地面底層標高，分別為20.19、20.19、19.29、18.59和20.85m。稻田隨生育期的不同有不同的蓄水深度，通過與排水溝連接的薄壁堰堰口高程調整；稻田、排水溝、塘堰、水庫等單元均設置田埂，且田埂高度30cm，高程20.49m。②底部糙度。糙度值與水動力的計算過程有關，其選取對于紊流計算結果的影響較大，根據經驗取為0.01。③水位初始條件。初始時，稻田水深為泡田結束時的水層深度（30mm），3塊塘堰的水深分別為200、400、600mm，水庫為排干狀態，排水溝中無水。

1.4.1.3

模型的其他運行參數。①干濕節點參數，用于判斷是否參與漫灘分析計算。若超過濕網格高程，參與水動力過程計算；若低于該值，為干網格，不參與計算；②時間步長。當時間步長較長時，模型網格發生水體溢出；若時間步長較短，則需要較長的計算時間。取0.03s為計算時間步長。

1.4.2 模型率定。對1978—2019年江西省雙季稻生長期內的長系列降雨資料進行排頻分析，確定2008年為50%降雨頻率水平年。以2008年作為50%典型年進行模擬，對實測值最齊全的2018年開展模型率定。參考EFDC模型參數敏感性分析相關文獻^［30］，發現風速、底部糙度為對水動力過程模擬的不確定性貢獻率較大的2個參數。選用上述2個參數進行手動調參，平均風速取灌溉試驗站氣象站實測的逐日風速、風向，底部糙度取0.01。基于實測資料，開展稻田水量平衡與塘堰水量平衡模型驗證。

1.4.2.1稻田水量平衡。

稻田水量平衡影響因素主要包含降雨量、騰發量、滲漏量、灌水量及各單元排水量。滲漏量包含深層滲漏和側向滲漏，該研究中側向滲漏較小，不予考慮。灌水量通過實測數據獲得，而排水量通過設定不同條件模擬獲得。水量平衡原理如圖3所示。

利用EFDC模型進行稻田水量平衡模擬，根據水稻不同生育期內水分控制方式的差異，在稻田內設置不同的田埂高度，以改變稻田雨后上限，模擬獲得系統排水量。在模型矩形薄壁堰堰口高程設置過程中，無法實現設置堰口高程隨時間序列的變化，必須手動輸入水稻不同生育期內控制堰口高程。故在模型模擬過程中，不同生育期改變堰口高程的同時，利用上一生育期末稻田模擬水深作為下一生育期稻田初始水位，根據不同生育期稻田水分控制方式模擬水量變化過程。

該研究利用水位作為驗證稻田水量平衡模型的重要特征。在排水量、滲漏量以及騰發量等去水量的作用下，田面水層會下降。在降雨量、灌水量等來水量的作用下，稻田水位又會逐漸上升。模型在設置初始條件的過程中，不能直接反映稻田的滲漏水量，故將滲漏量概化為實測的騰發量，經驗證準確有效。對2008年水稻全生育期內不同灌溉模式下稻田實測水位進行模型驗證，其結果如圖4所示。利用SPSS軟件分析2組數據的相關性，結果見表1。相對誤差計算公式如下：

RE=Pt-QtQt×100%

式中，RE為模型模擬相對誤差，Pt為模擬值，Qt為實測值。

通過對2008年水稻全生育期內不同灌溉模式下水位實測數據和模型模擬計算結果進行對比發現，間歇灌溉模式下2018年水稻全生育期內實測水位與模擬值相對誤差僅0.30%，相關系數為0.96；淹灌模式下實測水位與模擬值相對誤差為0.19%，相關系數為0.98。由此可見，模型模擬水位變化趨勢與實測數據相一致，模擬平均相對誤差為0.25%，相關系數均大于0.95，擬合程度較高，說明EFDC模型可用于模擬稻田的水量平衡過程。在模型模擬過程中，前期誤差范圍較大。究其原因，這是因為模型采用冷啟動方式，很難避免帶來起始誤差。在后期模型運行過程中主要受邊界條件的控制，誤差較小。

1.4.2.2塘堰水量平衡。塘堰水量平衡與稻田有一定的差異，其主要包含大氣降雨量、滲漏量、蒸發量、承接排水溝來水的入流量和匯入水庫的出流量，形式和結構與稻田相比更為簡單。塘堰降雨量、入流量等來水量以蒸發、滲漏和排水的形式離開。以2008年實測水位數據作為驗證塘堰水量平衡的表征指標，驗證結果如圖5所示。實測水位與模擬值十分接近，平均相對誤差僅4.4%，擬合程度較好，說明EFDC模型可用于模擬塘堰水量變化過程。

2結果與分析

基于所構建的“田-溝-塘-庫”EFDC水動力模型，對灌區“田-溝-塘-庫”農田灌排體系開展水動力過程模擬研究。模擬情景模式包括系統不同水位工況、不同灌溉模式和不同塘堰控制水深條件下系統的水量變化過程，研究其變化規律。

2.1不同水管理模式對灌排系統納洪效應的影響

2.1.1不同水管理模式試驗情景設置。

水稻生育期50%降雨頻率水平年（2008年）日最大降雨出現在5月28日，日降雨量為111.7mm。以該次降雨為平均水平年內日最大降雨，設置3種情景模式，分別模擬稻田、塘堰和水庫在正常水管理、蓄滿狀態、全部排干等水管理模式采用不同控制水深對排水過程的影響，研究不同水管理模式對系統出口排水過程的影響。由表2可知，當系統處于正常水管理模式時，稻田、塘堰、水庫水深分別為0.03、0.60和1.00m；當系統處于全部蓄滿狀態時，稻田、塘堰、水庫水深分別為0.08、0.90和1.60m。

2.1.2不同水管理模式下灌排系統對雨洪的響應。

由表3可知，在系統正常蓄水狀態下，在一日模擬降雨過程中，稻田水位上升至雨后上限值為80mm，即水位20.27m，通過薄壁堰的堰口調整，排水溝排水量和排水口洪峰流量分別為495.64m3和0.0062m3/s，較蓄滿狀態系統下減少排水量31.08%，排水口洪峰流量削減29.55%，同時水庫排水量為0m3，說明系統在正常水位狀態下同樣具備蓄積一日雨洪資源的能力。當系統處于全部蓄滿狀態時，系統均在較短時間內達到穩定的出流狀態，排水溝、塘堰、水庫排水口洪峰流量分別為0.0088、0.0115和0.0138m3/s，排水量分別為719.19、911.37和1093.46m3。系統全干狀態下的一日排水過程中，排水溝排水量為384.54m3，相較于全滿狀態排水量減少334.65m3，而塘堰、水庫均無排水量，說明系統在全干狀態下完全具備蓄積一日雨洪資源的能力。

2.2不同塘堰控制水深對灌排系統納洪效應的影響

2.2.1不同塘堰控制水深試驗情景設置。

在模擬過程中，通過改變塘堰出水口處堰高，實現對塘堰水深的控制。根據塘堰最大蓄水深度0.90m，正常控制水深0.60m，設定以0.20m為梯度的塘堰不同控制水深，具體情景設置見表4。根據不同情景模式設置，研究系統排水量在不同塘堰控制水深下的變化規律。為方便排水量和洪峰流量的計算，在EFDC模型水庫排水口處設置底部高程1.0m、面積2160m2的虛擬蓄水池（簡稱蓄水池），以便于利用蓄水池水深來計算系統的排水量。

2.2.2模擬結果分析。

圖6給出了不同控制水深的情景模式下模擬塘堰、水庫、蓄水池的水位變化。在情景1模式下，當塘堰控制水深為0m時，早稻生育期前期在少量降雨和蒸發蒸騰的作用下，整個系統水位變化不大；當集中發生大的降雨而由稻田產生地表徑流進入塘堰時，迅速通過排水管道匯入水庫。當水庫水位達到蓄滿狀態時，體系中多余的水量排入蓄水池蓄積。由此可見，在系統聯動蓄水、排水的作用下，可以有效滯后峰值排水流量。

在不同控制水深情景模擬下，根據系統水位變化過程計算出系統排水量。在塘堰不同控制水深情景模擬下，系統排水量為3731.43～4135.16m3。其中，系統排水量最大的是控制水深0m的塘堰，達4135.16m3；其次是控制水深0.80m的塘堰，系統排水量為3837.85m3；排水量較小的是正常控制水深0.60m與控制水深0.20m時的塘堰，排水量分別為3731.43和3747.71m3。因此，在水管理上可以通過合理控制塘堰水深，減少系統排水量，從而達到蓄水納洪的目的。

2.3不同灌溉模式對灌排系統納洪效應的影響

2.3.1不同灌溉模式試驗情景設置。

通過研究塘堰不同控制水深對“田-溝-塘-庫”系統納洪效應的影響，進一步開展不同灌溉模式下水稻全生育期內系統的水量模擬試驗，研究其在間歇灌溉和淹水灌溉2種灌溉模式下系統的排水量變化。2種灌溉模式下控制水深見表5。

2.3.2模擬結果分析。

在整個生育期，由于降雨量變化較大，利用模型模擬流量值來推算排水量誤差較大，故在模型系統出水口處建蓄水池（長54.00m、寬40.00m）。通過蓄水池水深變化推算系統排水量，模擬整個生育期不同灌溉模式下系統水位、蓄水池水位的變化，如圖7、8所示。

稻田不同灌溉模式下系統排水量計算結果如表6所示。由表6可知，2種灌溉模式下均有大量排水，間歇灌溉和淹水灌溉模式水庫排水量分別為3617.20和4142.75m3，在間歇灌溉模式下排水量較淹水灌溉模式減少12.69%。分析2種模式下系統水位的變化可知，在淹灌條件下水庫較間歇灌溉更快達到蓄滿狀態，減小了后期蓄水庫容，增大了系統排水量，從而降低了系統蓄雨納洪的能力。以上結果說明間歇灌溉條件下系統具備更好的納洪效應。

3結論

基于構建的“田-溝-塘-庫”水動力模型，研究在不同情景模式下系統的納洪效應，通過EFDC模型模擬不同塘堰控制水深（包括正常水管理狀態、蓄滿狀態和全干狀態）下的排水量變化，分析其對系統納洪效應的影響以及不同灌溉模式下系統排水量的變化。其主要結論如下：

（1）“田-溝-塘-庫”系統具備一定的雨洪資源調蓄能力。系統排水溝在正常水管理狀態下，可通過蓄積一定的雨洪資源削減系統洪峰流量29.55%，減少排水量30.18%，能夠有效降低灌區洪澇災害。

（2）塘堰不同控制水深對系統排水量有一定的影響。在正常控制水深為0.60m時，系統排水量最小（3731.43m3），可以為農田水管理提供一定的依據。

（3）在間歇灌溉條件下，相較于淹灌模式，“田-溝-塘-庫”系統可減少排水量525.55m3，減少幅度達12.69%，表現出較好的納洪效應。

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