澇漬地漁稻養(yǎng)作對區(qū)域排澇模數(shù)的影響研究

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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2. 湖北省荊門市水利科學(xué)研究所，湖北 荊門 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)，全國現(xiàn)有易澇耕地2 440 萬hm2，漬害田766.7 萬hm2[2]。為減輕澇漬災(zāi)害，提高澇漬地的綜合經(jīng)濟(jì)效益，國內(nèi)外學(xué)者針對其特點(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，從各類的土壤改良措施到作物種類配合耕種措施，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，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)，北依漢水，東抵東荊河，西靠荊州、荊門，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)為研究對象。

螺山排區(qū)位于監(jiān)利縣內(nèi)，西面和南面以長江干堤為界，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處一級排水泵站多處二級排水泵站。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、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，全縣已開發(fā)蝦稻共作面積1.33余萬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)來自于中國土壤數(shù)據(jù)庫管理與共享平臺，通過Matlab樣條插值進(jìn)行質(zhì)地轉(zhuǎn)換、通過土壤參數(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)來源于中國氣象科學(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、相對濕度和太陽輻射等信息，通過模型自帶的天氣發(fā)生器進(jìn)行處理得到模型運(yùn)行需要的氣候參數(shù)；流量資料來自于出口泵站抽排流量，采用觀測系列較長的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“burn-in”算法對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)對徑流模擬的影響大小不一，所以只選取對模擬結(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，相對于自然狀況下的徑流量，抽排流量會有一個(gè)提前或滯后的過程；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)間段及對應(yīng)排澇流量、模擬流量對比見表1、表2，降雨量及模擬流量對比如圖1、圖2所示，各參數(shù)率定值見表3。

表1 螺山排區(qū)率定期(2012年)流量對比 m3/s

表2 螺山排區(qū)驗(yàn)證期(2013年)流量對比 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等研制開發(fā)的，最初是針對大尺度區(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型的改變，同時(shí)地類分布狀況、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之間競爭關(guān)系，從而可以對不同土地利用類型的變化進(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。非空間模塊通過對自然、經(jīng)濟(jì)、人口等土地利用變化驅(qū)動因素分析，利用統(tǒng)計(jì)工具SPSS計(jì)算土地利用驅(qū)動因素的驅(qū)動力回歸系數(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，也會對產(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)無量綱數(shù)，SCS曲線將前期水分條件劃分為干燥、一般濕潤和濕潤三類，分別對應(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)算首先需要通過排頻得到不同重現(xiàn)期下的設(shè)計(jì)暴雨，然后通過產(chǎn)流計(jì)算得到設(shè)計(jì)凈雨過程，再對設(shè)計(jì)凈雨過程進(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；對于系列中的缺測年份，采用臨近氣象站的降雨資料進(jìn)行插補(bǔ)延長。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)變化趨勢圖

4 分析及結(jié)論

通過以上模擬結(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，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，說明漁稻養(yǎng)作越集中連片，所占比例越大，對區(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)，相對于之前容積的“大暴雨”不再顯得難以承蓄，容積優(yōu)勢又成為影響產(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)作可能會增大區(qū)域的排澇模數(shù)，產(chǎn)生類似于“水庫漫壩”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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[1] 朱建強(qiáng).易澇易漬農(nóng)田排水應(yīng)用基礎(chǔ)研究[M].北京:科學(xué)出版社，2007.

[2] 水利部農(nóng)村水利司. 新中國農(nóng)田水利史略[M].北京：中國水利出版社,1999.

[3] 日高修吾,黃智敏,黃 璟,等. 四湖地區(qū)澇漬地農(nóng)用土地適宜性評價(jià)[J]. 長江流域資源與環(huán)境,2002,(1):52-55.

[4] 丁 飛. SWAT模型小尺度流域模擬的適宜性研究[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2007.

[5] Shrestha M K, Recknagel F, Frizenschaf J, et al. Assessing SWAT models based on single and multi-site calibration for the simulation of flow and nutrient loads in the semi-arid Onkaparinga catchment in South Australia[J]. Agricultural Water Management, 2016,175:61-71.

[6] Li M X, Ma Z G, Du J W. Regional soil moisture simulation for Shaanxi Province using SWAT model validation and trend analysis[J]. Science China Earth Science, 2010,53(4):575-590.

[7] 左德鵬, 徐宗學(xué). 基于SWAT模型和SUFI-2算法的渭河流域月徑流分布式模擬[J]. 北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2012,48(5):490-496.

[8] 任梅芳. 基于CLUE-S模型的南寧市土地利用景觀格局時(shí)空動態(tài)變化模擬研究[D]. 南寧：廣西師范學(xué)院,2012.

[9] 李 聞. 基于CLUE-S模型的土地利用模擬研究[D]. 南京：南京師范大學(xué),2011.

[10] 劉家福, 蔣衛(wèi)國, 占文鳳,等. SCS模型及其研究進(jìn)展[J]. 水土保持研究, 2010,17(2):120-124.