王傳娟，王少麗，陳皓銳，陳 至

(1.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048；2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048；3.江蘇方洋集團方洋水務(wù)有限公司, 江蘇 連云港 222000)

中國是世界上洪澇災(zāi)害最為頻繁且嚴(yán)重的國家之一，洪澇災(zāi)害對社會經(jīng)濟發(fā)展的負(fù)面影響巨大[1]。近年來，由于全球氣候變化，人類活動頻繁，洪澇災(zāi)害的突發(fā)性、異常性和不可預(yù)見性日益凸顯，防洪除澇面臨巨大挑戰(zhàn)。Shimura根據(jù)稻田對洪水的調(diào)節(jié)作用，于20世紀(jì)80年代最早提出了稻田的防洪功能[2]。研究表明稻田具有減輕洪水、涵養(yǎng)地下水、凈化水質(zhì)、控制水土流失、凈化空氣、減緩氣候變化、保護生物多樣性、休閑娛樂等多功能價值[3]。Matsuno[4]等人總結(jié)了200多篇稻田多功能性價值研究文獻，指出研究最多的是稻田防洪控制功能，采用的分析方法包括水文頻率曲線法、蒙特卡羅方法、水文模型模擬等，管理措施主要有河流綜合治理、受益者承擔(dān)相應(yīng)防洪費用等，這些分析方法和管理措施給亞洲季風(fēng)地區(qū)未來稻田研究和應(yīng)用實踐提供了參考。Kim等人[5]開發(fā)了稻田日常水平衡模型，模擬評估了水稻種植期間稻田的儲水量，研究表明，汛期降雨在425～851 mm之間稻田的平均儲水量為333 mm。Sujono[6]分析了3種稻田不同灌溉模式下稻田的滯洪功能。Kim等人[3]研究指出稻田相對大壩的防洪作用更分散，稻田中儲水就像許多小型水庫。稻田的蓄雨調(diào)洪功能已經(jīng)在日本、韓國等國家得到廣泛認(rèn)可，但中國研究相對較少。中國是世界上最大的水稻生產(chǎn)國，擁有全球最大的稻田生態(tài)系統(tǒng)[2]，發(fā)揮稻田的防洪控制功能對防洪減災(zāi)至關(guān)重要。江蘇省地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是中國東部經(jīng)濟發(fā)展最活躍的省份之一，同時也是暴雨出現(xiàn)頻率較高的省份之一，通過稻田的蓄雨滯澇功能結(jié)合有效的管理措施，既減輕洪澇災(zāi)害又實現(xiàn)節(jié)水灌溉，值得關(guān)注和研究。

1 試驗材料與方法

1.1 田間試驗

試驗區(qū)位于江蘇省高郵灌區(qū)南部的龍奔鄉(xiāng)周邶墩村境內(nèi)。該試驗區(qū)屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，易澇易旱，年平均氣溫15 ℃，年平均降雨1 030 mm，年平均相對濕度67%，無霜期217 d。當(dāng)?shù)貙嵭械钧溳喿?，水稻品種為中稻，通常6月上旬泡田，6月中旬插秧，10月中旬收獲，栽培方式包括插秧和直播兩種。耕層土壤為黏壤土，全年淺層地下水位埋深為0.5～1.2 m。

田間試驗于2014-2015年的水稻生長季節(jié)進行。試驗區(qū)為一條斗渠(龔莊三斗)和兩條斗溝(見圖1)的控制區(qū)域，斗渠和斗溝灌排相間布置，兩斗溝間距200 m，斗渠控制面積18.67 hm2，典型田塊規(guī)格30 m×90 m。排水溝斷面為梯形，斗溝A(北側(cè))：上口寬約2 m，底寬0.9 m，溝深約1 m；斗溝B(南側(cè))：上口寬約2 m，底寬0.4 m，溝深約1 m。試驗區(qū)斗渠灌水通過沿線設(shè)置的放水口進入田間，稻田排水通過排水溝進入中市河。

圖1 試驗區(qū)布置圖Fig.1 Layout of experimental area

在試驗區(qū)不同位置安置水尺，田間自計水層觀測和人工觀測相結(jié)合,每日記錄一次田間水層變化，灌水期間每日上下午定時測量斗渠渠首斷面水位和流速，斗溝末端出口斷面每日定時測量水位及流速，灌溉期間和降雨期間加密觀測。根據(jù)觀測的水位確定過流斷面，采用流速面積法計算斷面流量，建立水位流量關(guān)系，用連續(xù)的自計水位數(shù)據(jù)得到流量變化過程。

1.2 模型構(gòu)建

水稻生育期間各階段的稻田水分變化取決于來水量和去水量的變化，來水主要有降雨量、 灌溉量，去水主要有作物騰發(fā)量、下滲量、排水量，根據(jù)水量平衡原理，水稻生育期內(nèi)的水平衡可用如下方程表示：

Ht=Ht-1+Pt+It-ETt-Dt-St

(1)

式中：Ht為第t天的稻田水層深度，mm；Ht-1為第t-1天的稻田水層深度，mm；Pt為第t天的降雨量，mm；It為第t天的灌水量，mm；ETt為第t天的作物騰發(fā)量，mm；Dt為第t天的排水量，mm；St為稻田第t天的滲漏量，mm。

根據(jù)日氣象觀測資料，采用Penman-Monteith公式[7]計算參考作物騰發(fā)量：

(2)

式中：ET0t為第t天參考作物騰發(fā)量，mm；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；U2為2 m高處的風(fēng)速，m/s；es和ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓，kPa;Δ為飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率，kPa/℃;γ為溫度計常數(shù)，kPa/℃，凈輻射可以根據(jù)凈短波Rns減去凈長波輻射Rnl計算。

采用單作物系數(shù)法計算水稻的逐日騰發(fā)量：

ETt=KctET0t

(3)

式中：Kct為第t天的作物系數(shù)；其他符號意義同上。

稻田滲漏是田間耗水主要組成部分，不同地區(qū)稻田滲漏量變化幅度較大，稻田田間存在水層時，采用如下公式[8]計算田間滲漏量：

St=aHt+b

(4)

式中：St表示第t天的稻田滲漏量，mm；a、b為參數(shù)，根據(jù)田間水層、降雨、灌溉、作物騰發(fā)、排水觀測值，采用方程式(1)進行擬合。

稻田田間無水層時，根層土壤水下移滲漏量采用下式[8]進行估算:

(5)

式中：K0為飽和水力傳導(dǎo)度，本研究根據(jù)田間鉆孔抽水試驗結(jié)果取0.2 m/d；α為經(jīng)驗常數(shù)，一般為50～250，土壤越黏重，其值越大，本研究取180；t為土壤含水率飽和狀態(tài)達到第t天水平時所經(jīng)歷的時間，d；H根層為水稻主根層深度，取0.3 m。

1.3 模型率定及驗證

水稻作物系數(shù)值參照羅玉峰等[7]在高郵灌區(qū)的研究結(jié)果，將水稻生長階段劃分為初始期、發(fā)展期、中期和末期等4個階段，試驗區(qū)水稻生長4個階段時間分別為20、30、55和30 d，對應(yīng)的Kc，ini、Kc，mid、Kc，end分別為0.942、1.488、0.94。根據(jù)實測值擬合田間滲漏量與田間水層相關(guān)關(guān)系式，另據(jù)實際觀測，取最大滲漏量為5 mm/d，參數(shù)a、b值通過率定獲得。

利用2015年7月田間水層觀測值與模擬值進行率定，根據(jù)圖形吻合程度直觀判斷模擬效果，同時采用統(tǒng)計學(xué)方法中的統(tǒng)計參數(shù)對模型模擬的效果進行定量驗證評價：

(8)

圖2為2015年7月份的模擬田面水層與實測田面水層對比圖，稻田滲漏擬合參數(shù)a值為0.3，b值為1，對應(yīng)平均滲漏量2.8 mm/d，與南方黏壤土地區(qū)單季中稻平均滲漏強度相符合[9]。從直觀上看田間水層模擬值與實測值趨勢一致，偏離程度不大。從定量上分析，該模擬時段對應(yīng)相關(guān)系數(shù)R值為0.84，表明模擬值與實測值具有較好的相關(guān)一致性，平均偏差值-0.6 mm，表明模型低估了田面水層，平均絕對偏差3.6 mm，表明模擬值平均偏離觀測值的程度不大，選用參數(shù)值能較好地反映當(dāng)?shù)貙嶋H情況。

采用相同的參數(shù)a，b值，由于2014年觀測值有限，使用2014年7月10日-7月19日的觀測值進行驗證，圖3為2014年模擬值與實測值對比圖，從圖3中可以看出模擬值與實測值偏差不大，圖形吻合較好，從統(tǒng)計參數(shù)來看R值為0.88，平均絕對偏差為3.0 mm，模型模擬效果較好，總體來看模型能夠較好地適應(yīng)于試驗區(qū)條件。

圖2 2015年田面水層實測值與模擬值對比Fig.2 Comparison of measured and simulated values of ponding depth in 2015

圖3 2014年田面水層實測值與模擬值對比Fig.3 Comparison of measured and simulated values of ponding depth in 2014

2 稻田水量調(diào)蓄管理

稻田水量調(diào)蓄受降雨量、騰發(fā)量、灌溉方式等影響，分析降雨量和騰發(fā)量的年際變化規(guī)律，并模擬分析不同頻率年及稻田不同灌溉模式條件下稻田水量平衡。其中稻田不同灌溉模式各生育期的水層控制指標(biāo)參照黃俊友[10]在江蘇地區(qū)的研究結(jié)果，如表1所示，水稻淺濕灌溉是淺水與濕潤反復(fù)交替、適時落干，淺濕干靈活調(diào)節(jié)的一種間歇灌溉模式；水稻淺濕調(diào)控灌溉是把淺水、濕潤、間歇3種灌溉方法科學(xué)的結(jié)合在一起灌溉模式。表1中Hmin為各生長期水稻所需要的水深下限(mm)，Hmax為各生長期水稻適宜水深上限(mm)。根據(jù)測量當(dāng)?shù)赝寥牢锢硇再|(zhì)得到土壤密度1.2 g/cm3，飽和含水量為30%，根層土壤深取0.3 m。

表1 稻田不同灌溉模式水層控制指標(biāo)Tab.1 The water control indicators for different irrigation techniques

注：HL為稻田根層深度，mm；θs為土壤飽和含水率，%。

稻田調(diào)蓄過程中，稻田田面與田埂間高度為潛在儲存量，為保證水稻生長要求，水稻各生長階段需要保持適宜的田間水層深度，經(jīng)過一段時間的消耗，當(dāng)田面水層低于適宜水層下限，需要進行灌水至適宜水層上限，此時若有降雨則儲存在田間，當(dāng)田面水層超過水田允許耐淹深度，則多余降水需全部排掉至耐淹深度[11]，每日稻田相應(yīng)的灌排規(guī)則表示如下：

(9)

式中：STt為第t天稻田蓄雨量，mm；Hp為水稻耐淹深度，mm。

2.1 不同頻率年稻田水量調(diào)蓄計算

降雨量和騰發(fā)量是影響稻田水平衡的主要要素，利用Mann-Kendall方法[12,13]分析1960-2015年54 a生育期降雨量與騰發(fā)量的演變規(guī)律，其中1967年和1968年數(shù)據(jù)缺失，如圖4和圖5所示，降雨量隨時間呈下降趨勢，線性減少率為0.51 mm/a，但下降趨勢并不顯著；騰發(fā)量隨時間呈一定上升趨勢，在20世紀(jì)90年代中后期上升明顯。水稻生育期降雨量減少，騰發(fā)量增加，灌溉需水量則相應(yīng)增大，根據(jù)Penman-Monteith公式，水稻騰發(fā)量受氣溫、相對濕度、平均風(fēng)速和日照時數(shù)等氣象因素影響，騰發(fā)量增加，表明氣象因素的變化趨勢有利于水稻生長，既要滿足逐漸增大的灌溉需水量同時要改變灌溉用水浪費現(xiàn)狀，因此需要合理利用生育期降雨，增加稻田蓄雨量，推廣和采用合理的灌溉模式實現(xiàn)節(jié)水灌溉。

圖4 水稻生育期降雨量多年變化Fig.4 Dynamic of precipitation in rice growth period

圖5 水稻生育期ETt多年變化Fig.5 Dynamic of evapotranspiration in rice growth period

根據(jù)54 a稻田生育期降雨量的頻率P計算，取不同頻率值范圍P<37.5%、37.5%62.5%[14]為豐水年組、平水年組、枯水年組，其中豐水年組和枯水年組均有20 a，平水年組有14 a。采用表1常規(guī)灌溉中各生育期水層控制標(biāo)準(zhǔn)計算每組年型下的各年份水平衡要素，每組取均值，以消除特殊情況帶來的差別，計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同頻率年水量調(diào)蓄計算平均值Tab.2 The average water balance components in different frequency years

對比豐平枯年型平均值計算結(jié)果(見表2),從稻田蓄雨角度分析，稻田蓄雨量隨年型變化明顯，豐水年年均蓄雨量比平水年多105 mm，平水年年均比枯水年多86 mm，降雨量大的年份相對蓄雨量大。定義稻田蓄雨量占降雨量的比例為稻田雨水利用率，豐、平、枯年型下稻田年均雨水利用率分別為67.3%、77.6%、84.5%，枯水年由于降雨量較小，大多降雨都能存蓄在田間得以利用，因此雨水的利用效率更高。從稻田灌水角度分析，豐、平、枯水年各年年均灌水量分別為521.5、618.8、755.1 mm，相鄰年型年均差別100 mm左右，一般而言降雨量少的年份灌水量相應(yīng)增加，田間水分無法得到雨水的及時補充只能通過灌溉進行補充。

分析可知，稻田調(diào)蓄水量受氣象條件影響較大，選取典型年份進一步分析，如表3所示。一方面，降雨量級及時間分布對灌溉需水量、稻田蓄水量影響較大。同一典型年下，如豐水年中，1991與2003年降雨量、騰發(fā)量、滲漏量相近，但其余要素差別明顯，與2003年相比，1991年灌水量多158 mm，排水量多285 mm，蓄水量少188 mm。1991年6月29日-7月11日的13 d內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)降雨，且有3次降雨超出100 mm，此時水稻處于分蘗前期，最大耐淹深度為80 mm，故雨水大多無法得到充分利用而排出，而2003年生育期降雨頻繁且均勻，能夠及時補充田間水層，有效減少灌溉需水量。不同年型中，豐水年1991年降雨量是枯水年1994年的近4倍，灌水量比1994年減少37%，蓄雨量約是1994年的2倍。另一方面，若出現(xiàn)高溫干燥的天氣，作物騰發(fā)量大，同樣影響調(diào)蓄水量的變化。如平水年型中，2014與2012年生育期降雨量、滲漏量雖接近，降雨量級分布存在差異，日降雨量超過80 mm的2012年有3次， 2014年僅有1次。其次，與2014年相比，2012年蒸騰量多147 mm，其生育期平均氣溫偏高，平均日照時數(shù)、平均風(fēng)速均偏大，相對濕度偏小，這些氣象因素決定2012年作物騰發(fā)量較大，影響灌溉需水量，因此2012年灌溉需水量要比2014年多210 mm，差距比較明顯。

表3 典型年水量調(diào)蓄結(jié)果Tab.3 The results of water balance factors in typical years

將54 a降雨量對應(yīng)的灌溉需水量、稻田蓄雨量和稻田雨水利用率繪制成圖，如圖6所示，灌水量和蓄雨量與降雨量間呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，即隨著降雨量的增大灌水量減少、蓄雨量增大；雨水利用率隨著降雨增大總體呈下降趨勢，但受降雨量級、降雨頻次等影響，雨水利用率上下波動較大。例如，稻田雨水利用率高于80%的20 a中，生育期內(nèi)平均降雨量482mm，平均暴雨次數(shù)1.9次，而雨水利用率小于70%的15 a中，生育期內(nèi)平均降雨量807mm，平均暴雨次數(shù)4.5次，可見出現(xiàn)集中大暴雨則需要及時排出地表從而無法得到充分利用，降低了雨水利用率。2010與2015年降雨量相近，但雨水利用率分別為85%、61%，其中2010年生育期暴雨次數(shù)1次，而2015年出現(xiàn)3次，因此降雨量級及出現(xiàn)頻次對雨水利用率影響較大。

圖6 灌水量、蓄水量和雨水利用率隨降雨量的變化Fig.6 Dynamic of irrigation requirement, rainfall storage and rainfall utilization

2.2 稻田不同灌溉模式下水量調(diào)蓄計算

根據(jù)表1中稻田不同灌溉模式各生育期水層控制指標(biāo)，分別模擬計算豐、平、枯3組年型下各灌溉模式的灌溉需水量、排水量和稻田蓄雨量，列入表4。其中雨水利用率為稻田蓄水量與降雨量的比值的均值，節(jié)水率為節(jié)水灌溉模式的節(jié)水量與常規(guī)灌溉用水量的比值的均值。

表4 豐、平、枯水年稻田不同灌溉模式水量調(diào)蓄平均值Tab.4 The average of water balance factors for different irrigation techniques in different frequency years

根據(jù)各年型下稻田不同灌溉模式的水平衡要素均值，從節(jié)水灌溉角度分析，相同降雨量條件下，淺濕調(diào)控灌溉模式所需灌水量最小，最為節(jié)水，如豐水年型中，淺濕調(diào)控灌溉比淺濕灌溉模式多節(jié)水10%。從稻田蓄雨角度分析，同一年型中，節(jié)水灌溉模式比常規(guī)灌溉模式蓄雨效果好，如平水年型中常規(guī)灌溉、淺濕灌溉、淺濕調(diào)控灌溉模式相應(yīng)的雨水利用率分別為77.6%、81.9%、84.3%，總體來看淺濕調(diào)控灌溉模式雨水利用率最高。淺濕調(diào)控灌溉模式由于灌水上限較低，每次所需灌水量少，可蓄雨量相對大，因此節(jié)水率、雨水利用率較高。同一節(jié)水灌溉模式的灌水量和蓄雨量隨年型變化規(guī)律與常規(guī)灌溉模式一致。

為更直觀對比各種灌溉模式54 a灌水量與蓄雨量隨降雨量的變化情況，圖7給出稻田不同灌溉模式灌水量和蓄雨量的年際變化。兩種節(jié)水灌溉模式與常規(guī)灌溉模式相比具有明顯節(jié)水效果，淺濕調(diào)控灌溉模式比淺濕灌溉模式更節(jié)水。由圖7(b)可知，無論何種灌溉模式均具有較好的稻田蓄雨作用，表明了稻田具有存蓄雨水降低洪澇災(zāi)害的功能。對比各種灌溉模式的蓄雨效果，淺濕調(diào)控灌溉比淺濕灌溉略好，淺濕灌溉比常規(guī)灌溉好，分析節(jié)水模式與常規(guī)模式蓄雨差別不大的原因可知，節(jié)水模式各生育期的水分控制指標(biāo)中灌水下限值較小，單次灌水量相對大，若此后出現(xiàn)降雨則能存蓄的雨水較少。同一節(jié)水模式的灌水量、蓄雨量和雨水利用率隨降雨量變化規(guī)律與常規(guī)模式一致。綜上分析，淺濕調(diào)控灌溉對于減少灌溉用水增大蓄雨更有利，故實際應(yīng)用中可采用淺濕調(diào)控灌溉模式以達到更好的效果。

2.3 不同頻率年和節(jié)水灌溉模式的灌排規(guī)律

根據(jù)54 a的水平衡計算結(jié)果，將不同頻率年的灌排水量、灌排頻次取平均匯總于表5，由表可以看出，54 a年均常規(guī)灌溉的灌溉頻次為25次，與2015年實測灌溉次數(shù)26次接近，采用節(jié)水灌溉模式，總灌水量減少，灌水頻次減少，單次平均灌水量增大，總排水量減少，排水頻次也減少。淺濕調(diào)控灌溉模式下，不計泡田灌水，54 a平均灌溉定額為3 642 m3/hm2，年平均灌水次數(shù)為8次，與常規(guī)灌溉相比灌水次數(shù)明顯減少，能夠省時省工，有效減輕農(nóng)民勞動強度。54 a年均排水量1 152 m3/hm2，年均排水次數(shù)為5次，排水量減少可以減輕田間肥料流失。淺濕灌溉模式年均所需灌水量、排水量與淺濕調(diào)控灌溉模式相比均略大，因此實際應(yīng)用中可以優(yōu)先采用淺濕調(diào)控灌溉模式，以上灌排規(guī)律理論上可以指導(dǎo)節(jié)水灌溉模式的實施，但由于實踐中各種條件的不確定，需要結(jié)合氣象預(yù)測預(yù)報進行合理的灌排管理。

圖7 不同灌溉模式稻田灌水量和蓄雨量的年際變化Fig.7 Dynamic of irrigation amount and rainfall storage in different water saving irrigation techniques

年型灌溉模式灌水量/(m3·hm-2)灌水次數(shù)單次平均灌水量/(m3·hm-2)排水量/(m3·hm-2)排水次數(shù)常規(guī)5218．021248．52842．110豐水年淺濕3258．48407．32215．48淺濕調(diào)控2733．76455．62010．77常規(guī)6191．024258．01397．59平水年淺濕4169．59463．31094．15淺濕調(diào)控3535．48441．9945．24常規(guī)7554．330251．8840．55枯水年淺濕5234．712436．2508．42淺濕調(diào)控4626．011420．5438．12常規(guī)6335．525253．43154．6854a均淺濕4226．610422．71292．55淺濕調(diào)控3642．48455．31152．05

3 結(jié) 語

根據(jù)建立的稻田水平衡模型，采用2014-2015年水量平衡觀測值，利用統(tǒng)計參數(shù)指標(biāo)分析方法，對稻田田面水層進行了率定檢驗，模擬的田間水層與實測田間水層吻合較好。利用所構(gòu)建的模型，模擬分析試驗區(qū)1960-2015年54 a的常規(guī)灌溉、淺濕灌溉和淺濕調(diào)控灌溉模式的灌溉需水量、蓄雨量等水平衡要素，主要結(jié)論如下。

(1)豐、平、枯水年所需灌溉量依次增大，蓄雨量依次減小，雨水利用率依次增大，稻田雨水利用率在42%～98.7%不等，能有效蓄存雨水減緩澇災(zāi)。稻田調(diào)蓄量受生育期降雨量級、時間分布、氣溫等氣象因素影響較大，近54 a生育期降雨量呈現(xiàn)減小趨勢，騰發(fā)量呈增加趨勢，灌溉需水量有所增加。

(2)與常規(guī)灌溉模式相比，淺濕調(diào)控節(jié)水灌溉模式所需灌水量最小，而稻田蓄雨量最大，豐平枯年型下年均節(jié)水率分別為47.6%、42.8%、38.8%，雨水利用率分別為76.3%、84.3%、91.6%，實踐中建議采用淺濕控制灌溉模式達到更好的節(jié)水蓄雨效果。

(3)與常規(guī)灌溉相比，采用節(jié)水灌溉模式，稻田生育期灌排總量減少，灌排頻次明顯減少，每次灌排量增大，節(jié)水灌溉模式既減少用水浪費又有效減少面源污染。

該研究為實際稻田蓄雨減災(zāi)、節(jié)水灌溉研究提供了理論技術(shù)支持，但由于實際情況多變，需要結(jié)合氣象預(yù)測預(yù)報進行合理的灌排管理。

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