沈濤，沈瑞，于鳳存

（1.安徽?。ㄋ炕春铀瘑T會）水利科學研究院，安徽合肥 230088；2.水利水資源安徽省重點實驗室，安徽蚌埠 233000）

1 骨干溝排水與蓄水控制研究

安徽省淮北平原總面積3.74 萬km2，耕地面積205.9 萬hm2，主要種植小麥、玉米等糧食作物，是我國重要的商品糧基地?；幢逼皆瓕偎Y源緊缺地區(qū)，多年平均降水量890 mm，且降雨時空分布不均，易引發(fā)澇漬災害。經過多年水利治理，淮北地區(qū)洪澇漬害得到了有效控制，但隨之而來的是干旱問題變得突出，尤其是當時在進行除澇工程的設計和建設時片面強調排水，骨干排水溝缺乏控制工程配套，導致排水過度，不僅使地下水位下降，影響到原有灌溉工程效益的發(fā)揮，而且加劇了下游低洼地區(qū)的排水負擔。近年隨著經濟社會對水資源的需求量不斷增加，使得淮北地區(qū)水資源供需矛盾愈加突出。為此，安徽水科院研究了利用排水骨干溝控制蓄水以提高當地雨水資源利用效率的骨干溝排水、蓄水控制技術［1］。即在排水骨干溝上建造閘、壩等控制設施，根據降雨及作物不同生育階段對除澇降漬的需求，運用不同的控制方案，適度攔蓄地表水，抬高溝水位和農田地下水位，增加農田可利用水資源量，有效提高作物產量，進一步增強農田旱澇漬綜合治理水平［2，3］。同時，控制排水相應的減少了地下排水量，由此也可以減少硝態(tài)氮的淋洗損失量，從而減少硝態(tài)氮對地下水的污染［4］。

為研究排水溝控制工程在控制排水、蓄水調控等方面的機理效應，安徽水科院自2002年起在淮北平原中部利辛縣建立了農田排水試驗區(qū)。試驗區(qū)有車轍溝、駐馬溝、西紅絲溝3 條干溝，總面積80 km2，耕地面積6 000 hm2，地面高程在30～25 m 之間，2004-2020 年平均降雨量860 mm。根據多年試驗及研究成果，對比無控制排水干溝，試驗區(qū)利用節(jié)制閘進行控制排水可抬高溝水位1.26～1.67 m，影響范圍內（溝邊0～800 m）農田地下水位平均抬高0.52 m 左右，增加的地表水量和地下水量占年降雨量7%以上［5］。

為進一步研究骨干溝排水與蓄水控制效應，采用一、二維耦合模型，模擬車轍溝排水控制區(qū)域農田的產、匯流過程，研究小流域（面積10～50 km2）尺度的骨干溝排蓄控制工程對農田水資源的調控效應以及對作物生長的影響，為制定更加科學合理的排水、蓄水控制方案提供參考。

2 模型構建

農田排水的目標是滿足農作物除澇降漬要求，及時排除由于降雨產生的地面積水，減少淹水時間和淹水深度，并將地下水位盡快降至允許地下水埋深［6-8］。無論是除澇還是降漬，都與一定時間內農田排水量關系密切。為此，依據水循環(huán)與水動力學理論，以農田排水量最小為目標，構建骨干溝控制排水模擬模型，結合試驗區(qū)長系列觀測資料，開展排水、蓄水控制仿真模擬計算，分析、優(yōu)選控制方案。

2.1 模擬區(qū)概化

選取車轍溝江集閘與春店閘之間的匯流區(qū)域作為模擬區(qū)，區(qū)域面積29.8 km2，地面平均高程28.2 m，主要排水工程如下：①車轍溝在江集閘至春店閘之間的溝段，長度13.8 km，溝深4～5 m，上口寬25～30 m，底寬5 m，溝底比降為1/13 000；②直接匯入干溝的排水支溝28 條，均概化為梯形斷面形式，溝深1.2～3.5 m，上口寬3～15 m，底寬0.8～4 m；③干溝控制工程包括春店節(jié)制閘和江集節(jié)制閘，均按5 a 一遇除澇標準設計，其中春店閘位于車轍溝下游出口處，設計蓄水位27.0 m，最高蓄水位27.5 m，是車轍溝排水、蓄水主要工程，江集閘位于車轍溝上游入口處，在排蓄控制中主要任務是阻擋閘址以上來水。模擬區(qū)排水工程概化網絡見圖1，其中M3、M4、D6均為地下水位觀測孔位置。

圖1 模擬區(qū)概化示意圖Fig.1 Generalized schematic diagram of simulation area

2.2 模型系統(tǒng)組成

選用一維水力學模型、分布式水文模型和水量平衡方程共同組成模型系統(tǒng)。一維水力學模型選用丹麥學者研發(fā)的MIKE 11HD［9，10］，輸入參數由溝系文件、斷面文件、邊界文件、參數文件、模擬文件等五部分組成。溝系文件通過添加底圖勾繪或ArcGIS 中處理成SHP 文件導入生成；斷面文件用以定義溝系文件中干溝、支溝的斷面參數；邊界文件用以定義溝系文件中每條溝系的上下游邊界條件；參數文件定義模型的初始條件和河床糙率；模擬文件集成上述所有文件，使其成為一個整體，同時定義模擬時段T、時間步長ΔT、結果輸出等內容。

分布式水文模型選用MIKE SHE 模型［9，10］，參數包括地形、降雨、蒸散發(fā)、土地利用、下墊面特性、土壤質地類型等。地形參數反映模擬計算區(qū)下墊面特征，采用國家地理信息公共服務平臺（www.tianditu.gov.cn）發(fā)布的30 m精度DEM。降雨、蒸散發(fā)采用實際觀測資料。土地利用包括道路、耕地、居民用地、水面、林地等類型。下墊面特性包括影響坡面匯流的曼寧系數、蓄滯水深和初始水深。土壤質地類型參數包括土層分布、各層土壤水分特性參數以及用于非飽和帶下邊界的地下水位等。

水量平衡包括田間水量、干溝水量和地下水水量三部分。田間水量平衡考慮主要作物生長周期內田間貯水量、騰發(fā)量、對地下水的利用量以及灌溉水量和棄水量。干溝水量平衡包括計算時段庫容、降雨量、灌溉供水量、生態(tài)環(huán)境供水量、滲漏量以及區(qū)域進水量和外排水量。地下水水量平衡主要考慮地下水開采量、補給量以及及排泄量。

2.3 目標函數與模型求解

在農田排水系統(tǒng)中，排水溝系的控制運用應首先滿足農作物排水需求，然后才能通過控制排水技術盡可能減少區(qū)域外排水量，增加農田可利用水資源量［11］。因此，模型構建以區(qū)域排泄量最小為目標，以滿足作物除澇降漬需求（作物不發(fā)生澇漬災害，或因澇漬減產不超過10%）為約束。

（1）目標函數。

式中：SW為排水總量，指通過車轍溝排到控制區(qū)域以外的水量；SWi為第i時段排水量；i為計算時段；n為計算時段總數。

（2）除澇降漬需求。

①地表積水時間：

式中：Ti、TNi分別為第i時段地表積水時間和允許積水時間，d。

由于區(qū)域有一定的地面落差，此處積水時間是指位于車轍溝中段田間觀測點（M3、M4）的積水時間。

②受漬埋深：

式中：Zi、ZNi分別為第i時段地下水位埋深和作物受漬臨界埋深，m。

③地下水埋深：

式中：Zi、ZUi、ZDi分別為第i時段地下水位埋深、適宜埋深上限和適宜埋深下限，m。

根據已有研究成果，淮北平原主要農作物小麥、玉米不同生長階段地表允許積水時間、受漬臨界埋深和適宜地下水位埋深見表1。

表1 小麥、玉米排水約束指標Tab.1 Drainage constraint indexes of wheat and maize

（3）模型求解。結合溝系斷面、水文地質、控制工程水位、雨量站點實測系列數據以及歷史洪澇災害等已有資料，利用MIKE SHE 與MIKE11HD 耦合模型，模擬包括蒸散發(fā)、地表徑流、地下水流和明渠流及其相互作用的水文循環(huán)過程。

2.4 模型率定與驗證

利用2020 年1 月1 日-2020 年12 月31 日觀測孔M3、D6 實測資料與模擬計算數據進行對比分析，率定模型土壤分層及特性參數，擬合優(yōu)度檢驗可通過計算擬合優(yōu)度R2來判定。農田地下水位實測資料來自于觀測孔M3、D6（與車轍溝的垂直距離分別為150 m 和700 m，分布點位見圖1）。經過模擬計算，將率定期M3、D6觀測孔地下水位模擬值與實測值進行對比，R2分別為0.775、0.727，擬合結果見圖2。模擬結果表明，模型能較好的模擬計算區(qū)地下水位變化情況。率定后土壤分層及特性參數見表2。

表2 土壤分層及特性參數Tab.2 Soil stratification and characteristic parameters

圖2 率定期（2020年）M3、D6地下水位模擬值與實測值對比Fig.2 Comparison of simulated and measured values of M3 and D6 groundwater levels at regular intervals（2020）

以2019 年1 月1 日-2019 年12 月31 日為驗證期，將驗證期觀測孔M3 和D6 模擬值與實測值進行對比驗證。觀測孔M3 地下水位擬合R2=0.782，觀測孔D6 地下水位擬合R2=0.736，擬合對比情況見圖3。驗證結果表明，模型率定的參數取值結果合理可信。

圖3 驗證期（2019年）M3、D6地下水位模擬值與實測值對比Fig.3 Comparison of simulated and measured values of M3 and D6 groundwater levels during the verification period（2019）

3 模擬結果及分析

利用長系列觀測資料，擬定不同的控制運行方案，對模擬計算區(qū)2011 年1 月-2020 年12 月溝道水位、農田地下水位、蒸散發(fā)量、排水量等進行模擬計算，分析不同方案的農田積水、地下水變化和作物產量，以排水量最小為目標，以減產率為約束，優(yōu)選溝道水位、農田地下水位控制方案。

3.1 模擬方案

計算時段選取2011年1月-2020年12月，共10 a，計算時長累計3 653 d。溝水位控制方案如下：①方案0，即無控制方案，干溝下游出口處自由排水；②方案1，按干溝節(jié)制閘原設計蓄水方案進行控制，當閘上水位達到27.0 m（設計蓄水位）時即開閘放水，閘上水位降至25.5 m 關閘；③方案2，當閘上水位達到27.5 m（最高蓄水位）開閘泄水，閘上水位降至26.5 m關閘；④方案3，當閘上水位達到27.5 m（最高蓄水位）開閘泄水，閘上水位降至27.0 m 關閘；⑤方案4，當閘上水位達到27.0 m（設計蓄水位）開閘泄水，閘上水位降至26.0 m 關閘；⑥方案5，當閘上水位達到27.0 m（設計蓄水位）開閘泄水，閘上水位降至25.0 m關閘。

根據已有研究成果，模擬區(qū)農田地下水位受溝水位影響明顯，干溝節(jié)制閘對溝兩側地下水位影響范圍為0～800 m［1］，選取中游溝段距離溝邊400、600 m觀測點的地下水位進行分析研究，取其平均值作為模擬區(qū)農田地下水位。

3.2 模擬結果分析

3.2.1 水量平衡

模擬區(qū)2011 年1 月1 日-2020 年12 月31 日總降雨量8 111 mm，不同方案年均水量平衡計算結果見表3。在對所有方案年均水量平衡比較中看出，蒸散發(fā)以方案0 最小，方案3 最大，二者相差30.5 mm；排水量以方案0 最大，方案3 最小，二者相差108.8 mm?？刂品桨钢蟹桨?通過控制排水比無控制排水減少外排水量108.8 mm，占年均降雨量13.4%。說明控制工程對攔蓄降雨徑流、調節(jié)當地農田水資源有明顯效果。

表3 不同控制方案年均水量平衡要素統(tǒng)計mmTab.3 Statistics of annual average water balance elements for different control schemes

3.2.2 骨干溝水位

不同控制方案干溝水位（閘前水位）模擬結果統(tǒng)計見表4。不同控制方案中，骨干溝多年平均水位以方案3 最高，達到27.12m，方案1 為26.32 m，方案0 為24.99 m，控制工程對溝水位調控效果明顯，不同控制方案之間也有一定差別。

表4 不同控制方案骨干溝水位統(tǒng)計mTab.4 Statistics of water level in backbone ditch of different control schemes

3.2.3 地下水位

不同控制方案中，多年平均地下水位埋深以方案3最小，其次是方案2，埋深最大的為方案0（無控制方案）。方案3 與方案0比較，地下水平均抬高達1.76 m，汛期、非汛期分別抬高1.89 m和1.71 m。不同控制方案地下水埋深模擬結果見圖4。

圖4 不同模擬方案地下水埋深特征值Fig.4 Characteristic values of groundwater depth in different simulation schemes

以中游溝段距離溝邊400、600 m 田間觀測點為代表，統(tǒng)計該點位地表積水、受漬埋深、達到適宜地下水位等發(fā)生天數，取其平均值，列于表5。地下水埋深淺于受漬臨界埋深的天數以方案3 最多為264 d、占比7.2%，其次為方案2，無控制方案最少、僅為10 d；適宜地下水埋深的天數以方案3 最多，其次為方案2，無控制方案最少、僅為39 d。

表5 不同模擬方案地表積水與各特征地下水埋深統(tǒng)計dTab.5 Statistics of surface water and groundwater depth of different simulation schemes

3.3 控制方案優(yōu)選

根據不同方案模擬初步結果，控制排水可減少農田排水量、抬升溝水位和農田地下水位，但抬升溝水位和地下水位后，澇漬風險加大，尤其是豐水年份更是存在引發(fā)澇漬災害的可能，需要對控制排水方案進行進一步優(yōu)化。根據前述模擬結果，控制排水對溝水位和地下水埋深抬升的幅度隨控制運用方案不同而不同，因此，可以通過優(yōu)化控制運用方案，使地下水位控制在合理區(qū)間，以減少澇漬災害發(fā)生幾率。

3.3.1 澇漬影響分析

根據2011 年1 月-2020 年12 月長系列不同方案模擬結果，統(tǒng)計分析地表積水、地下水位、作物減產率等指標的變化情況，結果見表6。表中地表允許積水時間指作物持續(xù)淹水且不受災時允許的最長持續(xù)時間；受澇減產率指地表連續(xù)積水時間超過允許積水時間后每天的減產幅度［11，12］；累計受澇減產率是指多次減產率的累加值；受漬減產率是指地下水埋深淺于受漬埋深超過3 天后每天的減產率［13-15］；累計受漬減產率是多次受漬減產率的累加值。

表6 作物受澇漬減產統(tǒng)計Tab.6 Statistics of crop yield reduction due to waterlogging

從表6 中模擬結果可知，在小麥生長期因地面積水導致的澇災損失均發(fā)生在10月份，控制方案2和方案3均有減產，其他方案無減產情況，減產率大小與調控水位密切相關，控制水位越高減產率越大；在玉米生長期因地面積水導致的澇災損失多發(fā)生在7月份，各方案中方案2、方案3、方案4均出現減產，方案3控制水位最高，相應減產率最大。

在小麥生長期因受漬導致的損失主要發(fā)生在10月份，除方案0（無控制）外，其他方案均出現受漬減產，減產率大小與調控水位關系密切，調控水位越高減產率越大；在玉米生長期因受漬導致的損失多發(fā)生在7、8 月份，調控方案中除方案5 外均出現減產，其中方案1 年均減產率9.4%，方案3 減產率最大，年均減產率達到29.3%。

3.3.2 控制方案優(yōu)選

根據不同方案澇漬統(tǒng)計結果，以作物不受災（減產率≤10%）、排水量相對較小為目標，分析提出最優(yōu)控制方案及其對應的溝道水位和農田地下水位。各方案中，方案3 外排水量最少，但小麥、玉米減產率均超過10%，不滿足作物不受災的約束條件；其他方案雖然滿足減產率約束條件，但排水量較大。

模擬區(qū)主要農作物為小麥和玉米，小麥澇漬災害發(fā)生在非汛期（10-5月），玉米澇漬災害發(fā)生在汛期（6-9月），綜合考慮降雨及作物因素，以作物受災減產率≤10%為約束，從盡量減少排水量的角度出發(fā)，對原控制方案進行優(yōu)化，在小麥生長期采用方案3、玉米生長期采用方案1，組合成新的控制方案作為優(yōu)化方案，即汛期閘上水位達到27.0 m 時即開閘放水、降至25.5 m時關閘，非汛期閘上水位達到27.5 m 時開閘泄水、降至27.0 m時關閘。

對優(yōu)化方案進行模擬計算，計算期內降雨總量8 111 mm，蒸散發(fā)量6 636 mm，外排水量1 424 mm，溝道及土壤儲水量51 mm；多年平均溝水位26.59 m，其中汛期26.32 m，非汛期26.73 m；多年平均地下水埋深1.37 m，其中位于適宜地下水埋深區(qū)間557 d。優(yōu)化方案年均減產率小麥為7.0%、玉米為10.7%，總體減產幅度小于10%。優(yōu)化方案比無控制排水方案減少外排水量707 mm，占降雨總量8.7%；增加溝道及農田蓄水量589 mm，占降雨總量7.3%。

4 結論

根據模擬結果，利用干溝節(jié)制閘進行排水、蓄水控制可有效抬升溝水位和地下水位，抬升的幅度隨控制方案不同而變化，溝水位控制的越高，對地下水位的抬升效果越明顯?；幢逼皆饕r作物為小麥和玉米，小麥澇漬災害主要發(fā)生在10月份［14］，玉米澇漬災害主要發(fā)生在7、8 月份［15］。根據優(yōu)化方案及模擬結果，結合淮北平原區(qū)作物種植結構、節(jié)制閘特性，在淮北平原區(qū)以節(jié)制閘為控制工程的骨干溝，汛期（6-9 月）溝水位控制應以除澇降漬為主，最高蓄水位按設計蓄水位控制，閘前水位低于設計蓄水位1.5 m 時關閘蓄水，即溝水位應低于地面平均高程1.2 m 以上；非汛期（10-5月）溝水位控制以蓄水為主，最高蓄水位可在設計蓄水位基礎上提高0.5 m 左右，閘前水位低于最高蓄水位0.5 m時即可關閘蓄水。

淮北平原屬于旱澇交替區(qū)，通過干溝節(jié)制閘進行排蓄控制，不僅能夠減少外排水量、減輕農田面源污染，而且能夠抬高地下水位、增加蓄水量以補充作物所需。由于篇幅所限，本文只是分析了不同控制方案抬高溝水位、地下水位，以及可能引發(fā)的澇漬減產情況，沒有分析因增加蓄水而減輕旱災以及作物增產情況。