李 倫，吳士龍，羅 強(qiáng)，丁興艷，王 劍

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 湖北省荊門(mén)市水利科學(xué)研究所，湖北 荊門(mén) 448000；3.湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢 430070)

澇漬地是介于旱地與淺水地之間的土地資源，其中作為種植利用的部分稱(chēng)為易澇易漬農(nóng)田，屬于中低產(chǎn)田的一種[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)現(xiàn)有易澇耕地2 440 萬(wàn)hm2，漬害田766.7 萬(wàn)hm2[2]。為減輕澇漬災(zāi)害，提高澇漬地的綜合經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)其特點(diǎn)及澇漬地的形成原因提出了一系列的治理利用方法，從傳統(tǒng)的明溝排水到機(jī)械化的暗管排水，從單一的豎井排水到井渠綜合排水，從各類(lèi)的土壤改良措施到作物種類(lèi)配合耕種措施，以及正在廣泛推廣的結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、氣候、人文等實(shí)際情況提出的漁稻養(yǎng)作措施，均取得了較好的成效。

漁稻養(yǎng)作主要適用于平原湖區(qū)等水資源豐富的區(qū)域，能充分發(fā)揮當(dāng)?shù)氐臍夂騼?yōu)勢(shì)，做到水資源利用效益的最大化。在實(shí)踐層面上，該方法已經(jīng)獲得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益；但在相關(guān)理論研究上，缺乏定量的數(shù)據(jù)分析。本文以四湖流域螺山排區(qū)為例，利用SWAT軟件模擬了在不同比例漁稻養(yǎng)作條件下，該排區(qū)排澇模數(shù)的變化情況，定量分析了漁稻養(yǎng)作措施對(duì)區(qū)域排澇模數(shù)影響的大小，為制定合理的排澇策略提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

湖北省四湖流域位于江漢平原腹地(112°00′～114°00′E，29°21′～30°00′N(xiāo))，北依漢水，東抵東荊河，西靠荊州、荊門(mén)，南與江陵、監(jiān)利接壤，主要由平原湖區(qū)和低丘崗地組成。該地屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，太陽(yáng)年輻射量約450 kJ/cm2，年平均氣溫16.2 ℃，年平均降水量1 189.7 mm。四湖流域內(nèi)河渠交織、湖塘密布、地勢(shì)平緩，由北向南傾斜，平原湖區(qū)地面坡降0.004%～0.010%。根據(jù)水系分布和灌排系統(tǒng)的走向，四湖流域分為福田寺、螺山、小港三個(gè)排區(qū)，本文以其中的螺山排區(qū)為研究對(duì)象。

螺山排區(qū)位于監(jiān)利縣內(nèi)，西面和南面以長(zhǎng)江干堤為界，北面接四湖總干渠和洪排主隔堤，東抵螺山電排渠，總排水面積935.5 km2。該排區(qū)地勢(shì)低洼，水系多為人工水系，共有骨干排渠2條，主要排水支渠11條，設(shè)置有2處一級(jí)排水泵站多處二級(jí)排水泵站。螺山排區(qū)耕作土壤以水稻土和潮土為主，由于氣候適宜、土壤肥沃，其宜耕面積大，農(nóng)業(yè)種植方面取得了很好的成就，但是由于地勢(shì)、氣候等原因，澇漬也一直是這里的心腹大患[3]。

另一方面，監(jiān)利縣本身也是水產(chǎn)養(yǎng)殖大縣，小龍蝦為該縣主打水產(chǎn)品之一，到2016年，全縣已開(kāi)發(fā)蝦稻共作面積1.33余萬(wàn)hm2；以沈塘村為例，全村173 hm2水稻田，有146.7 hm2采用了蝦稻共作養(yǎng)殖模式。該模式不僅充分利用了低湖田、冷浸田等中低產(chǎn)稻田，而且極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益。

2 研究方法

SWAT是一個(gè)分布式水文模型，在20世紀(jì)90年代由SWRRB模型與河道演算ROTO模型整合而成，能夠方便客觀的反映氣候變化和下墊面因子的空間分布不均勻性對(duì)流域降雨徑流形成的影響。其基于水量平衡原理構(gòu)建水文循環(huán)，根據(jù)河網(wǎng)水系將研究區(qū)域劃分為多個(gè)子流域，子流域再根據(jù)各自的不同土壤、土地利用方式等劃分為不同的水文響應(yīng)單元[4]，每個(gè)水文響應(yīng)單元分別計(jì)算各自的水文循環(huán)最后進(jìn)行匯總，以得到相應(yīng)模擬情況下流域的出口流量。本研究采用ArcGIS9.3平臺(tái)下的Arc-SWAT2009版本。

2.1 研究區(qū)域模型構(gòu)建

2.1.1 SWAT模型數(shù)據(jù)的制備輸入

SWAT模型需要輸入的數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)，土壤屬性數(shù)據(jù)，土地利用數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)等。DEM數(shù)據(jù)由Landsat TM影像得到，空間分辨率為30 m；土壤數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)土壤數(shù)據(jù)庫(kù)管理與共享平臺(tái)，通過(guò)Matlab樣條插值進(jìn)行質(zhì)地轉(zhuǎn)換、通過(guò)土壤參數(shù)水文預(yù)算模型SPAW得到土壤物理屬性參數(shù)；土地利用數(shù)據(jù)根據(jù)Landsat TM5影像、掃描地形圖和遙感圖片綜合處理得到；氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，選取距研究區(qū)域較近的監(jiān)利、荊州、洪湖作為站點(diǎn)，提供日降水、氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度和太陽(yáng)輻射等信息，通過(guò)模型自帶的天氣發(fā)生器進(jìn)行處理得到模型運(yùn)行需要的氣候參數(shù)；流量資料來(lái)自于出口泵站抽排流量，采用觀測(cè)系列較長(zhǎng)的2012年和2013年的泵站抽排數(shù)據(jù)用于模型參數(shù)的校準(zhǔn)及驗(yàn)證。另外，由于本研究區(qū)域地勢(shì)高低起伏不大，且多為人工水系，因此不適合采取模型默認(rèn)的根據(jù)高程提取河網(wǎng)的方法；需要根據(jù)實(shí)際情況制備數(shù)字化河網(wǎng)，通過(guò)“burn-in”算法對(duì)DEM進(jìn)行凹陷化處理[5]，起到引導(dǎo)模型水系生成的作用，使生成的河流水系符合實(shí)際。

2.1.2 模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證

由于SWAT模型中影響產(chǎn)匯流的參數(shù)眾多[6]，但各參數(shù)對(duì)徑流模擬的影響大小不一，所以只選取對(duì)模擬結(jié)果影響較大、敏感性較高的參數(shù)進(jìn)行率定。通過(guò)官網(wǎng)提供的SWAT-CUP軟件，采用SUFI-2算法[7]進(jìn)行迭代運(yùn)算，獲得敏感性排名靠前的6個(gè)參數(shù)并對(duì)其取值進(jìn)行率定驗(yàn)證。由于螺山排區(qū)并非自由出流，而是采用泵站抽排的方式，相對(duì)于自然狀況下的徑流量，抽排流量會(huì)有一個(gè)提前或滯后的過(guò)程；因此本研究中假定自由出流徑流量和抽排流量在總數(shù)上相等，將抽排流量按照降雨分布在時(shí)間上進(jìn)行重分配，由此作為參數(shù)率定驗(yàn)證的觀測(cè)數(shù)據(jù)。率定期采用2012年，驗(yàn)證期采用2013年，選取時(shí)間段及對(duì)應(yīng)排澇流量、模擬流量對(duì)比見(jiàn)表1、表2，降雨量及模擬流量對(duì)比如圖1、圖2所示，各參數(shù)率定值見(jiàn)表3。

表1 螺山排區(qū)率定期(2012年)流量對(duì)比 m3/s

表2 螺山排區(qū)驗(yàn)證期(2013年)流量對(duì)比 m3/s

圖1 率定期(2012年)降雨量—模擬流量圖

圖2 驗(yàn)證期(2013年)降雨量—模擬流量圖

模型參數(shù)ALPHA＿BFESCOSOL＿AWCSOL＿KGW＿REVAPCN2率定值0．60．320．1456000．2水田旱地建筑用地水域88759095

注：ALPHA_BF為基流衰退系數(shù)；ESCO為土壤蒸發(fā)補(bǔ)償因子；SOL_AWC為土層中可利用水的量；SOL_K為飽和導(dǎo)水率；GW_REVAP地下水再蒸發(fā)系數(shù)；CN2為SCS徑流曲線系數(shù)。

2.2 漁稻養(yǎng)作情景設(shè)置

2.2.1 CLUE-S模型簡(jiǎn)介及原理

CLUE-S模型是20世紀(jì)末由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的P.H.Verburg等研制開(kāi)發(fā)的，最初是針對(duì)大尺度區(qū)域模擬土地利用變化空間分布模型[8]。模型假設(shè)研究區(qū)域的土地利用需求直接控制土地利用類(lèi)型的改變，同時(shí)地類(lèi)分布狀況、需求量、區(qū)域的自然環(huán)境及經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r呈現(xiàn)出一種動(dòng)態(tài)平衡。在上述前提下，CLUE-S模型運(yùn)用系統(tǒng)論的方法量化不同土地利類(lèi)之間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，從而可以對(duì)不同土地利用類(lèi)型的變化進(jìn)行同步模擬。

該模型由土地利用需求變化驅(qū)動(dòng)因素(非空間模塊)和土地利用變化格局制約因素(空間模塊)兩大模塊組成。非空間模塊通過(guò)對(duì)自然、經(jīng)濟(jì)、人口等土地利用變化驅(qū)動(dòng)因素分析，利用統(tǒng)計(jì)工具SPSS計(jì)算土地利用驅(qū)動(dòng)因素的驅(qū)動(dòng)力回歸系數(shù)；空間分析模塊利用導(dǎo)入的土地柵格圖、土地轉(zhuǎn)換彈性及預(yù)測(cè)的土地需求等參數(shù)分配土地柵格單元。CLUE-S模型的土地利用變化分配如圖3[9]所示。

圖3 基于柵格地圖的土地利用變化分配示意圖

2.2.2 不同土地利用情景圖的生成

運(yùn)行CLUE-S模型需要輸入的參數(shù)文件如表4所示。

在本研究中，設(shè)定水域、旱地和建筑用地的分布狀況及其面積均保持不變，只在水田和漁稻養(yǎng)作兩者之間進(jìn)行土地利用方式的轉(zhuǎn)化。將所需文件輸入到模型當(dāng)中后，便可得到每種土地利用需求的空間分布格局ASCALL碼文件，將之轉(zhuǎn)化為柵格文件得到不同的土地利用重分配狀況見(jiàn)圖4。

表4 CLUE-S模型輸入文件表

2.2.3 漁稻養(yǎng)作情景參數(shù)選取

在漁稻養(yǎng)作模式下，田間增加了環(huán)形溝和十字溝，同時(shí)田邊田埂高度相對(duì)于普通稻田得到了提升，使得稻田在降雨時(shí)能蓄滯更多的雨量，對(duì)產(chǎn)流造成影響；另一方面，由于需要兼顧漁業(yè)水產(chǎn)的效益，稻田田間溝中常年保持較高水位，區(qū)域土壤長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，超滲產(chǎn)流能力相比普通水田要高得多，也會(huì)對(duì)產(chǎn)匯流造成影響。

本研究中，選擇SWAT模型中的SCS曲線[10]法進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，其降雨—徑流關(guān)系式如下：

(1)

式中：Ia為地表有積水前的初損量，mm；Rday指該天降雨量；S為流域當(dāng)時(shí)可能的最大滯留雨量，mm，和土地利用狀況、坡度等因素有關(guān)，其具體計(jì)算公式為：

(2)

式中：CN值是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，SCS曲線將前期水分條件劃分為干燥、一般濕潤(rùn)和濕潤(rùn)三類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)CN1、CN2、CN3。

根據(jù)漁稻養(yǎng)作的應(yīng)用實(shí)際，田埂高度一般在25～30 cm之間，考慮到該模式下稻田本身具有一定的田面水深，由此將漁稻養(yǎng)作條件下的蓄滯水深S取15 cm，由公式(2)得到CN值為63。

模型中與土壤超滲產(chǎn)流能力相關(guān)的參數(shù)主要為SOL_K(土壤飽和導(dǎo)水率，影響土壤的超滲產(chǎn)流能力，增大則土壤下滲能力增大，超滲產(chǎn)流減少)，在漁稻養(yǎng)作模式下，由于超滲產(chǎn)流能力極強(qiáng)，因此結(jié)合黏性土滲透系數(shù)將該值取為30。

漁稻養(yǎng)作模式下，模型其余參數(shù)設(shè)置均與水田相同，不再作調(diào)整。

3 模擬結(jié)果

3.1 設(shè)計(jì)暴雨的選取

排澇流量的計(jì)算首先需要通過(guò)排頻得到不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨，然后通過(guò)產(chǎn)流計(jì)算得到設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程，再對(duì)設(shè)計(jì)凈雨過(guò)程進(jìn)行匯流計(jì)算得到設(shè)計(jì)流量。

螺山排區(qū)面積較大，選取監(jiān)利、荊州、洪湖3個(gè)氣象站1958-2014年的降雨資料取算術(shù)平均值得到研究區(qū)域面雨量；對(duì)于系列中的缺測(cè)年份，采用臨近氣象站的降雨資料進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)。本文暴雨歷時(shí)取1 d，采用年最大法選取設(shè)計(jì)暴雨，將系列中的1 d最大暴雨量與P-Ⅲ型頻率曲線擬合，從而得到不同重現(xiàn)期的暴雨量，結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同土地利用重分配狀況

圖5 一日最大降雨頻率分析

根據(jù)排頻結(jié)果，取1979年7月9日降雨量(80.4 mm)為2年一遇典型暴雨，1979年8月12日降雨量(129.5 mm)為10年一遇典型暴雨,1979年6月4日降雨量(163.2 mm)為20年一遇典型暴雨。

3.2 排澇模數(shù)計(jì)算結(jié)果

以20年一遇24小時(shí)暴雨一日排完的排澇標(biāo)準(zhǔn)，利用SWAT模擬出不同漁稻養(yǎng)作比例下螺山排區(qū)的出流量后，再除以控制面積，得到區(qū)域排澇模數(shù)。計(jì)算結(jié)果如見(jiàn)表5及圖6。

表5 不同漁稻養(yǎng)作比例徑流量及排澇模數(shù)表

圖6 年總徑流和排澇模數(shù)變化趨勢(shì)圖

4 分析及結(jié)論

通過(guò)以上模擬結(jié)果，可以明顯看到隨著漁稻養(yǎng)作比例的增加，年總徑流量呈穩(wěn)定的線性下降趨勢(shì)，2年一遇及10年一遇暴雨排澇模數(shù)也呈下降狀態(tài)，但是20年一遇暴雨排澇模數(shù)卻呈現(xiàn)先增再減。結(jié)合產(chǎn)匯流機(jī)理對(duì)該結(jié)果進(jìn)行分析，我們可以得到如下結(jié)論。

(1)漁稻養(yǎng)作能較明顯的減小長(zhǎng)時(shí)間段的區(qū)域累積產(chǎn)流量，且減小量隨著漁稻養(yǎng)作面積所占比例的增加而增加。

(2)雨型越小，漁稻養(yǎng)作對(duì)排澇模數(shù)的影響越明顯；在全部采用漁稻養(yǎng)作模式下，相對(duì)于常規(guī)水田，20年一遇暴雨排澇模數(shù)降低了22.3%，10年一遇情況下則降低了39.9%，2年一遇情況下該值達(dá)到了49.0%。

(3)排澇模數(shù)曲線曲率隨漁稻養(yǎng)作面積比例增加而增加，說(shuō)明漁稻養(yǎng)作越集中連片，所占比例越大，對(duì)區(qū)域排澇模數(shù)的降低效果就越明顯。

(4)強(qiáng)降雨條件下，反而出現(xiàn)了排澇模數(shù)增加的情況。結(jié)合模型參數(shù)，分析其原因主要是由于漁稻養(yǎng)作模式中土壤下滲能力大大低于普通稻田，整個(gè)區(qū)域可以想象成底部密封的“大水盆”，相對(duì)的普通稻田則可等價(jià)于下部漏水的“小水盆”；漁稻養(yǎng)作增大“水盆”容積的同時(shí)又增加了其密閉性。降雨強(qiáng)度不大時(shí)，“水盆”增加的容積可以起到調(diào)蓄的作用，達(dá)到削峰的效果，延長(zhǎng)產(chǎn)匯流時(shí)間，減小排澇模數(shù)；而強(qiáng)降雨條件下，漁稻養(yǎng)作的容積優(yōu)勢(shì)被迅速抹平，其下滲能力弱的缺點(diǎn)反而得到凸顯，整體時(shí)間段的產(chǎn)匯流速度反而變快，導(dǎo)致徑流峰值增高，區(qū)域排澇模數(shù)增大。當(dāng)進(jìn)一步增大漁稻養(yǎng)作面積時(shí)，即“水盆”的容積進(jìn)一步增大時(shí)，相對(duì)于之前容積的“大暴雨”不再顯得難以承蓄，容積優(yōu)勢(shì)又成為影響產(chǎn)匯流速度的主要因子。所以在強(qiáng)降雨條件下，隨著漁稻養(yǎng)作面積的增加，區(qū)域排澇模數(shù)會(huì)呈現(xiàn)

出先增后減的狀態(tài)。

綜上所述，漁稻養(yǎng)作能承接較多雨量以進(jìn)行水產(chǎn)品的養(yǎng)殖，一方面充分利用了當(dāng)?shù)刎S富的降雨，另一方面也減低了排區(qū)的排澇壓力；但是在強(qiáng)降雨條件下，漁稻養(yǎng)作可能會(huì)增大區(qū)域的排澇模數(shù)，產(chǎn)生類(lèi)似于“水庫(kù)漫壩”的效果，因此應(yīng)該充分考慮區(qū)域規(guī)劃、氣候狀況，結(jié)合實(shí)際條件合理利用土地資源，同時(shí)綜合多種排澇措施，因地制宜的促進(jìn)區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和降低澇漬風(fēng)險(xiǎn)。

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