劉鳳麗，熊玉江，范 樂，2，邵培寅

（1.長江水利委員會(huì)長江科學(xué)院農(nóng)業(yè)水利研究所，武漢 430010；2.河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098；3.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

0 引 言

降雨徑流是灌區(qū)水循環(huán)的重要組成部分，也是農(nóng)田氮磷流失的主要驅(qū)動(dòng)力［1］。因此，厘清灌區(qū)降雨徑流特征及其影響因素，對灌區(qū)防洪除澇減災(zāi)和農(nóng)業(yè)面源污染防治具有重要意義［2］。目前用于確定灌區(qū)降雨徑流方法包括直接求定法［3，4］、水文學(xué)法［5］、基于水量和能量平衡的動(dòng)力學(xué)方法［6，7］。但由于灌區(qū)降雨徑流過程受降雨（降雨量、降雨雨型以及降雨歷時(shí)）、下墊面特征以及農(nóng)田水管理等眾多因素影響，農(nóng)田降雨徑流過程十分復(fù)雜［8］。平原水稻灌區(qū)由于河網(wǎng)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(fù)雜程度［9］。同時(shí)，由于灌區(qū)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(yīng)［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(qū)改造以及農(nóng)業(yè)水管理對農(nóng)田水文過程的影響。因此，本文通過試驗(yàn)與模型相結(jié)合的方法，對平原水稻灌區(qū)降雨徑流特征及其影響因素進(jìn)行研究，以期為平原水稻灌區(qū)防洪減災(zāi)和農(nóng)業(yè)面源污染提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇高郵灌區(qū)龍奔圩示范區(qū)（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(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，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(fā)量1 060 mm。試驗(yàn)區(qū)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(qū)為自流灌溉，以京杭大運(yùn)河為供水主水源，里下河河網(wǎng)是灌區(qū)的輔助水源。試區(qū)農(nóng)田0～30 cm 土壤容重為1.32 g/cm3。

圖1 研究區(qū)位置及試驗(yàn)布置圖

2 試驗(yàn)與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在龍奔圩內(nèi)選擇稻田、排水斗溝、排水支溝等3個(gè)排水尺度進(jìn)行降雨徑流過程試驗(yàn)觀測。

（1）支溝尺度。以灌區(qū)龍奔圩內(nèi)南關(guān)干渠、四支渠、五支渠和北澄子河范圍內(nèi)農(nóng)田為研究對象，耕地面積390 hm2，區(qū)域農(nóng)田通過四支渠和五支渠進(jìn)行灌溉，農(nóng)田排水通過斗溝進(jìn)入蔣馬河，最后經(jīng)蔣馬河泵站排入北澄子河。在支溝尺度主要監(jiān)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(shè)水位觀測，通過閘門開度以及上下游水位以及水位流量關(guān)系，計(jì)算區(qū)域灌溉水量和排水量。

（2）斗溝尺度。在支溝尺度范圍內(nèi)選擇了五支渠、彭莊三斗、彭莊一斗和蔣馬河范圍內(nèi)的55 塊農(nóng)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(shè)置三角堰和水位觀測井計(jì)量排水斗溝排水量。

（3）田間尺度。在排水溝1 控制范圍內(nèi)選擇了試驗(yàn)田1 和試驗(yàn)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(shí)水層監(jiān)測（水位井自計(jì)式觀測）和水量平衡計(jì)算，推算稻田排水量。

在斗溝尺度內(nèi)布設(shè)了1 處小型自動(dòng)氣象站和1 處自計(jì)式雨量筒，觀測試驗(yàn)區(qū)氣象數(shù)據(jù)。

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(yàn)區(qū)8 次降雨徑流過程對模型參數(shù)進(jìn)行率定與驗(yàn)證。模型詳細(xì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)以及率定驗(yàn)證過程詳見文獻(xiàn)［9］。

2.3 影響因子設(shè)計(jì)

（1）降雨量設(shè)計(jì)。搜集了高郵市1971-2013年短歷時(shí)暴雨資料，通過水文頻率分析得到不同頻率設(shè)計(jì)降雨參數(shù)（見表1）。選取1976年6月29日5∶00-6月30日5∶00 逐小時(shí)降雨作為典型暴雨過程，統(tǒng)計(jì)其1、3、6 和24 h 降雨量，計(jì)算相應(yīng)的縮放系數(shù)，得到不同典型年24 h 設(shè)計(jì)暴雨量，采用同頻率法進(jìn)行縮放得到設(shè)計(jì)暴雨過程（見圖2）。

圖2 典型降雨過程時(shí)程分配圖

表1 雨量頻率分布參數(shù)及不同水平年設(shè)計(jì)降雨量

（2）降雨雨型設(shè)計(jì)。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(jìn)行分析。以重現(xiàn)期20 a 降雨量作為設(shè)計(jì)雨量，降雨量為196.1 mm，降雨歷時(shí)為24 h，設(shè)計(jì)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(qū)屬于平原自流灌區(qū)，實(shí)行集水期灌制度［12］，按照當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行淺濕調(diào)控灌溉（當(dāng)?shù)亓?xí)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(shí)間為前期15 h、后期20 h，通常灌水時(shí)田間已經(jīng)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(xiàn)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(shè)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(jì)8種情景。

3 結(jié)果與討論

3.1 降雨量對稻田區(qū)域徑流形成影響規(guī)律

不同重現(xiàn)期降雨稻田排水過程表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，隨著降雨發(fā)生，稻田排水呈現(xiàn)先增加后減小的規(guī)律（圖3）。不同重現(xiàn)期降雨稻田排水峰值均出現(xiàn)在降雨強(qiáng)度最大處，稻田排水總量隨著降雨量的增加而增加。重現(xiàn)期50、20和10 a降雨產(chǎn)生的稻田排水量分別為163.80、135.22和113.78 mm。不同重現(xiàn)期稻田排水量差值與降雨量差值相當(dāng)，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(xiàn)期50、20 和10 a 降雨產(chǎn)生的稻田排水峰值分別為26.98、22.95 和19.42 mm。重現(xiàn)期50 a 較重現(xiàn)期20年降雨產(chǎn)生的稻田排水峰值增加17.6%，而重現(xiàn)期20 a 較重現(xiàn)期10 a 排水峰值增加18.2%。研究區(qū)稻田徑流系數(shù)隨著降雨量的增加而增加，重現(xiàn)期50、20 和10 a 稻田降雨徑流系數(shù)分別為0.72、0.69 和0.67。從稻田排水組成看，重現(xiàn)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(jié)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(qū)域徑流形成影響規(guī)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(xiàn)的時(shí)間并不一致。對于雨峰靠前和靠中降雨，稻田排水峰值出現(xiàn)時(shí)間較雨峰時(shí)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(xiàn)，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(jié)果表 mm

3.3 稻田初始蓄水深度對稻田排水影響規(guī)律

不同稻田初始蓄水深度下稻田排水過程差異主要表現(xiàn)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?。ㄒ妶D5）。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(shí)，其排水峰值明顯大于無水層時(shí)。以降雨雨峰靠前為例，當(dāng)?shù)咎锍跏夹钏顬樘锍?、飽和? cm 水層、2 cm 水層、3 cm 水層、4 cm水層和5 cm 水層時(shí)，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(shí)的排水量比飽和狀況下增加26%，其說明降雨前灌水會(huì)大大增加了洪澇災(zāi)害形成風(fēng)險(xiǎn)，因此應(yīng)該避免在大的降雨前對稻田進(jìn)行灌溉。由表4 可知，稻田初始蓄水深度對排水峰值的出現(xiàn)時(shí)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(xiàn)的時(shí)間略有提前；對于雨峰靠后降雨，稻田排水峰值出現(xiàn)的時(shí)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(xiàn)時(shí)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(jié)果表明，稻田類似于水庫，對降雨排水具有調(diào)控作用，其排水量隨著調(diào)節(jié)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(xiàn)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(xiàn)期為20 a 的降雨條件下為135.22、160.26 和179.45 mm；重現(xiàn)期為50 a 的降雨條件下為163.80、191.74 和210.97 mm。重現(xiàn)期20 a 的降雨在稻田初始蓄水深為飽和含水量情況下產(chǎn)生的稻田排水量與重現(xiàn)期10 a 的降雨在稻田初始蓄水深為3 cm 時(shí)產(chǎn)生的稻田排水量相當(dāng)。同樣，重現(xiàn)期50 a 的降雨在稻田初始蓄水深為飽和含水量時(shí)產(chǎn)生的稻田排水與重現(xiàn)期20 a 的降雨在稻田初始蓄水深為3 cm 時(shí)產(chǎn)生的稻田排水相當(dāng)。上述結(jié)果表明，通過調(diào)控稻田初始蓄水深度，可提高灌區(qū)防洪除澇工程的防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)。以高郵灌區(qū)為例，高郵灌區(qū)采用傳統(tǒng)的灌溉方式，灌水后田間建立3～5 cm水層，灌區(qū)內(nèi)防洪除澇工程設(shè)計(jì)能抵御10 a 一遇的澇水，若采用節(jié)水灌溉（控制灌溉）不建立水層，灌區(qū)防洪除澇工程的防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)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(qū)農(nóng)田不同尺度對稻田排水影響規(guī)律

通過監(jiān)測稻田、排水斗溝和排水支溝尺度降雨排水過程，分析農(nóng)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(qū)排水存在尺度效應(yīng)，其原因主要是平原水稻灌區(qū)存在大量的溝渠塘庫，具有一定的調(diào)蓄能力，有利于農(nóng)田排水在灌區(qū)內(nèi)的重復(fù)利用，存在回歸用水，能夠有效的減輕灌區(qū)下游的防洪壓力。

表6 水稻生育期不同尺度排水量統(tǒng)計(jì)表 mm

4 結(jié) 論

基于灌區(qū)不同尺度降雨徑流監(jiān)測試驗(yàn)，結(jié)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(jié)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(yīng)增加，且排水總量的增量與降雨量增幅相當(dāng)。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(diào)控稻田水分能夠減少稻田排水量，增加灌區(qū)防洪排澇標(biāo)準(zhǔn)。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(fā)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(zāi)害。

（3）平原水稻灌區(qū)排水存在明顯尺度效應(yīng)。平原水稻灌區(qū)存在大量的溝渠塘庫，具有一定的調(diào)蓄能力，有利于農(nóng)田排水在灌區(qū)內(nèi)的重復(fù)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%。