王修貴，張華彬，羅文兵，孔東，溫季

(1．武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點試驗室，湖北 武漢 430072;2．長江科學(xué)院農(nóng)業(yè)水利研究所，湖北 武漢 430010;3．中國灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054;4．水利部農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453000)

湖北省四湖流域地處江漢平原腹地，據(jù)估計，四湖流域不同類型的澇漬地已達4 553 km2，占總面積的39．43%，嚴重制約著當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展［1］．綜合利用和治理澇漬地一直是該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展中的首要任務(wù)．四湖流域澇漬地早期采用以暗管排水為主的治理措施，如1981 年水利部曾在潛江、洪湖兩地開展了3．33 km2以上的暗管排水試點［2］，后來出現(xiàn)的旱地改水田的作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整措施以及近幾年出現(xiàn)的漁作養(yǎng)種復(fù)合農(nóng)業(yè)模式等，都是澇漬地綜合利用和治理的有效措施． 澇漬地的利用和治理直接導(dǎo)致下墊面的變化，引起流域內(nèi)下滲、蒸散發(fā)、徑流等水文要素的變化，從而影響流域產(chǎn)匯流過程，使一定排水標(biāo)準(zhǔn)下的排澇模數(shù)發(fā)生了較大變化［3］．

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型［4］是20 世紀90 年代由美國農(nóng)業(yè)部研究中心開發(fā)的流域分布式水文模型，并借助計算機和GIS/RS 技術(shù)，可方便、客觀地模擬氣候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［5］． 本文綜合流域地形、下墊面、土壤和氣象等因素，采用SWAT 2009，模擬四湖流域中部福田寺排區(qū)不同澇漬地利用和治理措施對排澇模數(shù)的影響，為制定合理的排澇減災(zāi)策略提供依據(jù)．

1 研究區(qū)域概況

四湖流域位于湖北省南部偏東，南濱長江、北臨漢江及東荊河，西北毗鄰漳河灌區(qū)，東經(jīng)112°00'—114°00'，北緯29°21'—30°00'，面積11 547 km2，屬長江中游一級支流內(nèi)荊河流域，因境內(nèi)原有4 個大型湖泊(長湖、三湖、白露湖、洪湖)而得名． 目前僅存長湖、洪湖2 個湖泊．四湖流域是江漢平原的重要組成部分，也是湖北重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地．流域長湖以上為丘陵地區(qū)，與宜漳山區(qū)接壤，最高山峰海撥278．7 m，地面坡降1/1 000 ～1/500;長湖以下為平原湖區(qū)，地面高程大多在海撥36．0 m 以下，最低高程23．5 m，地面坡降1/25 000 ～1/10 000;中下區(qū)屬長江中游圩區(qū)，內(nèi)垸面積7 135 km2，按水系和排灌系統(tǒng)分為中區(qū)、下區(qū)和螺山排區(qū)3 個排水區(qū)．本文研究區(qū)選定的是位于中區(qū)的福田寺排區(qū)，流域面積1 931 km2;地貌為平原類型，海拔24 ～37 m;屬亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨充沛，雨熱同期，年平均氣溫15 ～17 ℃，降雨量800 ～1 600 mm，年平均日照1 150 ～2 245 h;土壤類型有兩種:以馬肝泥土為代表的水稻土和以灰潮沙土為代表的潮土．福田寺排區(qū)有3 條主河道，分別為位于中部的四湖總干渠、東部的四湖東干渠、西部的四湖西干渠，3 條主河道匯合后流向福田寺防洪閘;目前主要以泵站抽排的方式進行排水．

2 模型的建立

為了模擬土地利用方式的改變對流域產(chǎn)匯流過程及流域澇水的影響，本文選擇可模擬土地利用狀況變化對產(chǎn)匯流過程影響的SWAT 模型，需要收集的數(shù)據(jù)主要包括DEM 數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)．

DEM 數(shù)據(jù)來自覆蓋江漢平原的Landsat － TM影像，采用30 m×30 m 柵格數(shù)據(jù)［1］，如圖1 所示．土地利用數(shù)據(jù)采用2000 年的Landsat －TM5 影像、掃描地形圖和遙感圖片，經(jīng)過獲得數(shù)字化柵格底圖文件、提取水系信息、輸出矢量數(shù)據(jù)，生成ARCGIS 的coverage 文件，如圖2 所示．土地利用按產(chǎn)流特性分為林地、水域、草地、建筑用地、水田、旱地6 大類，各類所占的比例見表1． 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，其中質(zhì)地轉(zhuǎn)換通過MATLAB采用三次樣條插值將國際制轉(zhuǎn)化為模型采用的美國制，采用土壤參數(shù)水文預(yù)算模型SPAW 得到SWAT需要的土壤物理屬性數(shù)據(jù)． 福田寺流域主要有兩種土壤:水稻土(SDT)和潮土(CT)，其面積所占總面積比例分別為76．06%和23．94%，如圖3 所示． 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)，選取研究區(qū)域內(nèi)監(jiān)利及臨近區(qū)域荊州、洪湖3 個國家氣象站作為天氣發(fā)生器中的氣象站點，見表2，提供逐日降水、最高最低氣溫、風(fēng)速、太陽輻射量、相對濕度等天氣數(shù)據(jù)．流量資料來自排區(qū)出口處福田寺閘豐水期日徑流觀測數(shù)據(jù)，用于模型的校準(zhǔn)和驗證．分別選擇資料觀測系列較長的2009 年為模型率定期、2013 年為模型驗證期．

圖1 福田寺流域DEM 圖

圖2 福田寺流域土地利用圖

表1 福田寺排區(qū)的土地類型

圖3 福田寺流域土壤圖

表2 氣象站點的信息

SWAT 模型針對研究區(qū)域河道的實際分布，采用基于高程修正DEM 的“Burn-In”方法對DEM 進行凹陷化處理［6］，該方法保持河道流經(jīng)柵格的高程值不變，而將其他非河道所在位置的柵格整體增加一個值，同樣可以加大河道所在柵格和周邊柵格之間的坡度，使得河道所在柵格的匯水能力增強，提高提取結(jié)果和真實河道的逼近程度［7］．通過“Burn-In”方法，在現(xiàn)有河道的基礎(chǔ)上，SWAT 模型將研究區(qū)域分為31 個子流域．河網(wǎng)和子流域分布分別如圖4 和圖5 所示．

圖4 福田寺流域河網(wǎng)圖

圖5 福田寺流域子流域劃分圖

3 參數(shù)的率定和驗證

SWAT 模型運行過程中涉及到眾多的關(guān)于徑流模擬效果的參數(shù)［8］，逐個進行校準(zhǔn)并不現(xiàn)實，這些參數(shù)對結(jié)果的影響有大有小，選取較高敏感性的主要參數(shù)進行率定也提高了SWAT 模型的效率． 采用模型自帶的SCE(Shuffled Complex Evolution)優(yōu)化算法進行參數(shù)率定較為繁瑣且收斂速度不理想［9］．本文采用的是SWAT 官網(wǎng)提供的用于參數(shù)率定的軟件SWATCUP，選取軟件內(nèi)5 種率定方法中的Abbaspour 等［10］開發(fā)的SUFI －2 算法［11］對模型參數(shù)進行不確定性分析、率定和驗證，選用SCS 徑流曲線系數(shù)(CN2)、基流α 系數(shù)(ALPHA_BF)、土壤蒸發(fā)補償系數(shù)(ESCO)、田間持水量(SOL_AWC)、飽和水力傳導(dǎo)度(SOL_K)、地下水再蒸發(fā)系數(shù)(GW_REVAP)共6 個參數(shù)進行率定［12］． CN2 作為敏感性最高的參數(shù)，對不同土地利用情況采用不同的結(jié)果，其他參數(shù)進行統(tǒng)一率定．參數(shù)率定值見表3，率定和驗證結(jié)果如圖6 和圖7 所示．

表3 SWAT 模型參數(shù)率定值

圖6 2009 年率定期模擬與實測流量圖

圖7 2013 年驗證期模擬與實測流量圖

SUFI－2 中所用模型的校正結(jié)果的評價指標(biāo)主要有3 種:ENS系數(shù)(Nash-Sutcliffe 效率系數(shù))、相關(guān)性系數(shù)(R2)和相對誤差(Re)，其計算公式如下:

式中:Qm，i為模擬值，m3/s;Qo，i為實測值，m3/s;為實測值的平均值，m3/s;Q—m為模擬值的平均值，m3/s．

由式(1)—(3)計算的結(jié)果見表4，其中ENS、R2和Re的取值范圍都是0 ～1，ENS數(shù)值越大、Re數(shù)值越小表示模擬值越接近實測值，R2越大表示模擬值與實測值的相關(guān)程度越高．一般而言，ENS＞0．5，R2＞0．6，Re＜0．2 即可認為模擬取得了顯著效果［13］．

表4 模擬與實測數(shù)據(jù)效果分析

在SWATCUP 中，參數(shù)敏感性分析采用t 值檢驗和P 值檢驗兩種方法．t 絕對值越大，P 值越接近于0，參數(shù)敏感性越強． SUFI －2 選取的對流域產(chǎn)流敏感的參數(shù)共6 個，其t 值和P 值見表5．相比而言，參數(shù)CN2 的t 值絕對值最大，P 值最小，對流域徑流影響最大，其余的5 個參數(shù)對產(chǎn)流的影響則稍微弱一些．

表5 參數(shù)敏感性

4 澇漬治理措施

當(dāng)?shù)氐臐碀n地利用與治理措施主要有3 種:旱地改水田(以下簡稱“旱改水”)、暗管排水和漁作養(yǎng)種．

旱改水是指充分利用澇漬地水資源相對豐富的特點，將原有的旱地變?yōu)樗铮N植水稻． 在SWAT模型里，旱改水通過將澇漬地區(qū)土地利用方式中旱地改為水田的方式實現(xiàn)．

暗管排水是指在農(nóng)田里埋設(shè)暗管排水設(shè)施，將田間土壤中的多余水分排入田間的末級明溝系統(tǒng)，控制地下水位，以創(chuàng)造適宜于農(nóng)作物生長的良好土壤環(huán)境，保證高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)． SWAT 中有布置暗管排水的管理模式，設(shè)置暗管埋深為90 cm，暗管布置間距為15 m，超出田間排水量的水量排出時間為12 h，暗管排水延遲時間為6 h．

漁作養(yǎng)種是種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)有機結(jié)合的一種新興生態(tài)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式［14］．主要有“回形池”和“日形池”兩種形式，池深1．0 ～1．5 m，池壁寬5 m．“回形池”以方形為典型，面積一般為2．89 hm2左右，稻田邊長為170 m．“日形池”由兩個相等的矩形稻田組成，稻田長、寬分別為170、120 m．“回形池”水面率為10．8%，“日形池”水面率為11．1%，如圖8 所示．漁作養(yǎng)種模式，水面率定為11．0%． 在SWAT 模型中，先將澇漬地通過“旱改水”的方式變?yōu)樗?，再采用改變水面率的方式模擬．

圖8 四湖流域漁作養(yǎng)種示意圖

5 排澇模數(shù)的計算

因中區(qū)排區(qū)面積較大，根據(jù)荊州、監(jiān)利、洪湖3個氣象站1960—2013 年的最大暴雨量氣象資料，利用算術(shù)平均法計算，將結(jié)果進行排頻，按照P－Ⅲ曲線求得一日暴雨量和三日暴雨量，見表6．

表6 不同重現(xiàn)期的一日和三日暴雨量及對應(yīng)降雨日期

四湖流域澇漬地的面積占總面積的39．43%［1］，主要分布在地勢低洼處，但缺乏在空間分布的具體位置和面積資料．本文假定澇漬地主要分布在地勢低洼的地段，量測表明28 m 等高線以下的面積占研究區(qū)域總面積的40．3%，接近澇漬地面積比． 選取28 m 等高線以下的區(qū)域作為澇漬地的分布位置．通過“Burn-In”方法將福田寺排區(qū)分為31 個子流域，其中28 m 等高線以下共有13 個區(qū)，序號分別是2、8、12、13、19、20、21、22、26、27、28、29、31． 研究區(qū)域的等高線如圖9 所示，13 個子流域的分布如圖10所示的陰影部分，即澇漬地治理范圍．

圖9 研究區(qū)域等高線圖

圖10 治理范圍分布圖

將研究區(qū)域采取的澇漬地治理措施的每種治理模式設(shè)置3 種狀態(tài)，每種狀態(tài)分別占澇漬地總面積的0%、50%、100%，形成10 種不同的組合．其中方案1—3、7—9 表示研究區(qū)域內(nèi)的澇漬地得到全部治理，方案4—6 表示研究區(qū)域內(nèi)的澇漬地得到50%的治理，上述方案中同一塊農(nóng)田只實施一種措施．方案10 表示維持現(xiàn)狀，不進行治理，作為對照．不同治理措施的組合方案見表7．

通過SWAT 模型對各個方案在不同重現(xiàn)期下進行模擬計算，一日暴雨和三日暴雨分別選取流量最大的日洪峰流量作為設(shè)計流量． 將洪峰流量除研究區(qū)域的面積，得到滿足自排條件下的排澇模數(shù)，結(jié)果見表8．

表7 不同澇漬地治理模式所占澇漬地面積比的組合方案%

表8 不同澇漬地治理模式下的排澇模數(shù)m3/(s·km2)

6 結(jié)果分析及結(jié)論

1)采用3 種不同治理模式單獨對所有澇漬地進行治理時(方案1、方案2、方案3 見表7)，同不治理相比較，可以發(fā)現(xiàn)，3 種澇漬地治理措施都會降低排澇流量．在相同的重現(xiàn)期的暴雨下，同不治理相比，各方案導(dǎo)致的排澇模數(shù)減少比例分別為:暗管排水為1．1% ～2．3%，旱改水為3．4% ～6．8%，漁作養(yǎng)種為5．8% ～9．1%． 其中旱改水最大，回形池次之，暗管排水最?。?/p>

從產(chǎn)匯流機理上分析，3 種方式中，暗管排水有效地降低了地下水位，騰空了降雨前土壤水的調(diào)蓄空間，有利于滯納暴雨，起到削減洪峰的作用． 旱地改水田增加的稻田具有一定的蓄水容積，降雨時可以容納較多的雨水，因而排澇期間的調(diào)蓄能力增強;漁作養(yǎng)種稻田可調(diào)蓄雨水，養(yǎng)魚池部分不僅用作排水溝，同時在排澇期間能夠起到一定的調(diào)蓄作用，調(diào)蓄能力最強．

2)對一種治理模式而不同的暴雨重現(xiàn)期而言，從表8 中可以看出，與方案10 不采取任何措施相比較，以方案1 暗管排水的排澇模數(shù)為例，在單獨采用暗管排水措施的情況下，一日暴雨所需的排澇模數(shù)在重現(xiàn)期為5 a 時，減少了2．3%;在重現(xiàn)期為10 a時，減少了1． 6%;在重現(xiàn)期為20 a 時，減少了1．1%．可以發(fā)現(xiàn)，在相同暴雨歷時下，所需的排澇模數(shù)隨暴雨重現(xiàn)期的增大而增加．此外，通過比較同一暴雨重現(xiàn)期、不同暴雨歷時的排澇流量可知，排澇模數(shù)隨著暴雨歷時的增加而減少，并且排澇模數(shù)減少的比例隨重現(xiàn)期的增加而減?。?這是因為澇災(zāi)非常嚴重時，超出了下墊面的排澇調(diào)蓄能力． 重現(xiàn)期越小，下墊面的調(diào)蓄能力越突出．

3)在單獨采用一種治理措施時，對于不同的治理程度，排澇模數(shù)則不同． 以暗管排水為例，從表8中可以看出，對比方案1 的100%的暗管排水和方案4 的50%的暗管排水，重現(xiàn)期為5 a 一日暴雨時，方案1 的排澇模數(shù)為0．240，方案4 的排澇模數(shù)為0．244，方案1 比方案4 的治理程度增加一倍，排澇模數(shù)減少了1．67%．其他方案也表明，在相同的治理模式下，排澇模數(shù)隨著治理程度的增加而減?。?/p>

4)多種治理模式組合時(方案7、方案8、方案9)，暗管排水和旱改水組合時排澇模數(shù)減少的幅度為1．8% ～3．7%，暗管排水與漁作養(yǎng)種組合時排澇模數(shù)減少的幅度為4．0% ～6．1%，漁作養(yǎng)種與旱改水組合時排澇模數(shù)減少的幅度為5．0% ～8．2%．排澇模數(shù)的變化幅度介于兩種治理模式單獨采用時的之間．

通過上述分析可知，3 種澇漬地利用和治理模式都有利于減少排澇模數(shù)，提高排區(qū)抵御澇災(zāi)的能力，澇漬地利用和治理程度越高，區(qū)域抵御澇漬地的能力越強．3 種模式對于減少排澇模數(shù)的作用從大到小依次為:漁作養(yǎng)種、旱改水、暗管排水．本文所模擬澇漬地利用和治理模式能減小排澇模數(shù)的根本原因在于，這3 種模式要么增加了水面率，要么增加了暴雨前土壤的通氣性，本質(zhì)上是增加了澇漬地調(diào)蓄暴雨的能力．

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