天津市典型農田排水小區(qū)排澇模數 試驗研究

(天津市水利科學研究院，天津 300061)

目前使用的《天津市平原地區(qū)農田除澇水文手冊》編制于2003年，十幾年來氣候和下墊面已經發(fā)生了變化。氣候變化使得全球范圍內水循環(huán)過程加劇，降水量、蒸發(fā)量等水文水資源要素發(fā)生改變，降水時空分布更加不均勻[1-2]；城市化進程的加快、設施農業(yè)迅速發(fā)展導致了不透水面積增大，對雨水下滲、地表蒸發(fā)、土壤水分狀況以及流域產流機制產生了十分重要的影響，這些因素引起排澇模數的改變，而合理的排澇模數，對降低農田澇災損失具有現實意義[3]。因此，在天津市選擇有代表性的農田排水小區(qū)，結合北方平原區(qū)農田產流特性，采用合理方法對排澇模數進行研究，分析環(huán)境變化對農田排澇模數的影響，為天津市農田排澇模數的修訂提供技術支撐。

1 典型排水小區(qū)選擇及水文數據采集

為了研究天津市農田排水小區(qū)排澇模數，通過現場勘察，遴選出兩個代表不同農田土地利用現狀且封閉的典型農田排水小區(qū)，其分別位于西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)和寧河區(qū)豐臺鎮(zhèn)。西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)排水小區(qū)，面積0.507km2，排水小區(qū)地勢平坦，以種植設施農業(yè)與經濟林木為主，2008年設施農業(yè)面積占排水小區(qū)總面積的7%，2011年底，設施農業(yè)占地面積進一步擴大，占排水小區(qū)總面積的15%，目前，設施農業(yè)占排水小區(qū)總面積的比例達到41%。寧河區(qū)豐臺鎮(zhèn)排水小區(qū)，面積2.93km2，緊鄰薊運河，為薊運河故道所包圍，排水小區(qū)下墊面比較單一，長期以來一直為農業(yè)用地。土壤疏松濕潤，以黏性為主，地下水位淺，存在板結現象。排水小區(qū)地表平坦無起伏，以大田作物為主。

在排水小區(qū)布設超聲流量計、自動雨量站、智能墑情監(jiān)測站、地下水位監(jiān)測系統和脈沖型雷達水位計等設備，分別量測排水小區(qū)泵站排水量、降水量、土壤含水量、地下水位及河道水位等水文數據。通過量測，西青區(qū)張家窩鎮(zhèn)排水小區(qū)共采集到8場降水數據，寧河區(qū)豐臺鎮(zhèn)排水小區(qū)共采集到5場降水數據，并采集到對應降水時段的泵站排水量、土壤含水量、地下水位、河道水位等實測數據，為排澇模數的計算提供了必要的基礎數據。

2 產流模型的構建

我國水文研究者分析改進了降雨-徑流相關圖，創(chuàng)建了以新安江模型為典型的蓄滿產流模式和以Horton模型為代表的超滲產流模式[4]，該產流理論對于流域面積大小無特殊要求，所需數據較易獲得，可用于小尺度平原地區(qū)產流計算，但對于多數流域，并不單只有一種產流模式，天津地處北溫帶半干旱半濕潤季風氣候區(qū)，通常兩種產流方式交叉存在，結合天津市平原區(qū)農田的產流特性，充分考慮在北方平原區(qū)可能同時發(fā)生超滲和蓄滿產流現象，建立了超滲-蓄滿垂向耦合產流模型，計算典型農田小區(qū)的產流量。超滲-蓄滿垂向耦合產流模型流程見圖1。

圖1 超滲-蓄滿垂向耦合產流模型流程圖注 WM——土壤平均蓄水容量，mm；B——蓄水容量—面積分配曲線的指數；β——旱地及非耕地等透水面積流入溝渠的徑流分配系數，根據農田實踐經驗，取值為0.3；IMP——不透水面積所占比例；WU——上層土壤含水量，mm；WL——下層土壤含水量，mm；WD——深層土壤含水量，mm；EL——下層土壤蒸散發(fā)量，mm；EU——深層土壤蒸散發(fā)量，mm。

采用有更好魯棒性的Sobol’敏感性分析方法，通過模型參數的一階敏感度、總敏感度和二階敏感度分析，確定產流模型的敏感性參數；模型參數率定采用參數優(yōu)選中最有效的SCE-UA算法[5]，通過參數自動率定與人工率定結合法，得到優(yōu)選參數；選取徑流深相對誤差、地下水位相對變化量與土壤含水量變化量的相對誤差和Nash效率系數為指標，模擬結果的有效性系數均在0.6以上，相對誤差均在±20%之內，模型具有較好的適用性。

3 氣候變化對排澇模數影響分析

為研究氣候變化對排澇模數的影響，利用寧河站降水量月值數據(1964—2015年)、塘沽站降水量日值數據(1959—2016年)和海河閘站蒸發(fā)量月值數據(1960—2015年)，采用線性滑動平均法、累積距平法、Mann-Kendall 趨勢分析法等趨勢檢驗方法，采用Mann-Kendal突變檢驗法、滑動t檢驗法、Lee-Heghinian法等突變檢驗方法對系列進行診斷，確定降水量及蒸發(fā)量的變化趨勢及變異年份，推求設計暴雨過程；采用假設情景法、時間類比法、實景對比法三種方法進行氣候情景設計，應用超滲-蓄滿垂向耦合產流模型計算得到不同氣候情景下的農田排水小區(qū)的產流量，采用平均排除法計算得到不同情景下的排澇模數。

以實測降水和蒸發(fā)輸入作為對照組，設計降水變化±5%、±10%、±15%，蒸發(fā)變化±0.05mm、±0.10mm、±0.15mm，進行交叉組合，研究降水、蒸發(fā)兩個因素同時變化對排澇模數的影響。不同氣候組合下10年一遇的排澇模數計算結果及其變化值見表1。

表1 不同氣候組合下10年一遇排澇模數模擬結果及變化率

由表1可知，以降水增加5%、10%、15%為例，十年重現期排澇模數分別增加0.003m3/s/km2、0.005m3/s/km2、0.007m3/s/km2。在土地利用狀況不變的情況下，兩種方案下排澇模數變化較小，總體上氣候變化對排澇模數的影響很小。

4 設施農業(yè)對排澇模數影響分析

為研究設施農業(yè)對排澇模數的影響，利用西青站降水量月值數據(1990—2015年)和西青站蒸發(fā)量月值數據(2016—2017年)，采用線性滑動平均法對降水系列進行診斷，推求設計暴雨過程，用不同設施農業(yè)占地比例進行情景設計，應用超滲-蓄滿垂向耦合產流模型計算得到不同設施農業(yè)情景的排水小區(qū)產流量，進而計算出不同情景下的排澇模數，并與《除澇手冊》中的排澇模數進行了對比。不同設施農業(yè)占比下、不同重現期排澇模數計算結果分別見表2和圖2。

表2 不同設施農業(yè)占比下四種重現期排澇模數計算結果

圖2 不同重現期下設施農業(yè)占比對排澇模數影響趨勢

由表2與圖2可知，在相同重現期下，隨著設施農業(yè)占比增加，排澇模數逐漸增大，且與原排澇模數相比，增大的幅度也逐漸變大。以十年重現期計算結果為例，當設施農業(yè)所占比例為10%、50%、90%時，排澇模數分別為0.461m3/s/km2、0.503m3/s/km2、0.545m3/s/km2，與2003年《除澇手冊》中的排澇模數相比，增幅分別為0.88%、10.08%、19.26%。

在相同設施農業(yè)占地面積下，排澇模數總體趨勢是隨著重現期增長而增大，但是增大的幅度逐漸變小，即3年一遇時，排澇模數增大幅度最大，20年一遇時，排澇模數增大幅度最小。其中當設施農業(yè)占地為10%，不同重現期下的排澇模數為0.185～0.678m3/s/km2，與原排澇模數相比，排澇模數增加1.65%～0.09%；當設施農業(yè)占地為20%，不同重現期下的排澇模數依次為0.192～0.681m3/s/km2，與原排澇模數相比，排澇模數增加5.63%～0.64%；當設施農業(yè)占地為30%，不同重現期下的排澇模數為0.202～0.691m3/s/km2，與原排澇模數相比，排澇模數增加10.88%～2.13%；當設施農業(yè)占地為40%，不同重現期下的排澇模數依次為0.211～0.702m3/s/km2，與原排澇模數相比，排澇模數增加16.09%～3.63%；當設施農業(yè)占地為50%，不同重現期下的排澇模數依次為0.221～0.712m3/s/km2，與原排澇模數相比，排澇模數增加21.34%～5.12%；當設施農業(yè)占地為60%，不同重現期下的排澇模數依次為0.230～0.722m3/s/km2，與原排澇模數相比，排澇模數增加26.58%～6.62%；當設施農業(yè)占地為70%，不同重現期下的排澇模數依次為0.240～0.732m3/s/km2，與原排澇模數相比，排澇模數增加31.83%～8.11%；當設施農業(yè)占地為80%，不同重現期下的排澇模數依次為0.249～0.742m3/s/km2，與原排澇模數相比，排澇模數增加37.04%～9.60%；當設施農業(yè)占地為90%，不同重現期下的排澇模數依次為0.259～0.752m3/s/km2，與原排澇模數相比，排澇模數增加42.29%～11.10%。

西青排水小區(qū)現狀設施農業(yè)占地比例為41%情況下，排水小區(qū)的排澇模數與《除澇手冊》中的排澇模數相比有了較大增幅，增大幅度隨設計重現期增大而減小。5年重現期排澇模數增幅9.02%，10年重現期排澇模數增幅7.44%。

5 結 語

通過在遴選出的兩個排水小區(qū)量測所需的水文數據，結合北方平原區(qū)農田產流特性，充分考慮在北方平原區(qū)可能同時發(fā)生超滲和蓄滿產流現象，構建出超滲-蓄滿垂向耦合產流模型，設置了多種情景方案，研究氣候變化及設施農業(yè)對排澇模數的影響，并與天津市《除澇手冊》中的排澇模數進行對比分析，主要結論如下：

a.針對北方平原區(qū)農田產流特性，構建的超滲-蓄滿垂向耦合產流模型，具有較高的模擬精度和較好的適用性。

b.在土地利用狀況不變的情況下，氣候變化對排澇模數的影響很小。

c.設施農業(yè)的發(fā)展對排澇模數影響較大，設施農業(yè)占地比例一定時排澇模數增大幅度隨設計重現期增大而減小。排水小區(qū)現狀設施農業(yè)占地比例情況下，3年、5年、10年、20年重現期較《除澇手冊》中的排澇模數增幅分別為16.48%、9.02%、7.44%、3.84%。