水稻灌区降雨径流特征及其影响因素研究

刘凤丽，熊玉江，范 乐，2，邵培寅

（1.长江水利委员会长江科学院农业水利研究所，武汉 430010；2.河海大学农业科学与工程学院，南京 210098；3.太原理工大学水利科学与工程学院，太原 030024）

0 引 言

降雨径流是灌区水循环的重要组成部分，也是农田氮磷流失的主要驱动力［1］。因此，厘清灌区降雨径流特征及其影响因素，对灌区防洪除涝减灾和农业面源污染防治具有重要意义［2］。目前用于确定灌区降雨径流方法包括直接求定法［3，4］、水文学法［5］、基于水量和能量平衡的动力学方法［6，7］。但由于灌区降雨径流过程受降雨（降雨量、降雨雨型以及降雨历时）、下垫面特征以及农田水管理等众多因素影响，农田降雨径流过程十分复杂［8］。平原水稻灌区由于河网纵横、沟渠塘堰密布以及稻田田埂拦截等影响，其降雨径流过程与自然流域存在较大差别，加剧了降雨径流复杂程度［9］。同时，由于灌区下垫面、水管理措施在不同尺度存在差异，降雨径流过程也存在尺度效应［10，11］。以往针对自然流域的降雨径流方法没有充分考虑灌区改造以及农业水管理对农田水文过程的影响。因此，本文通过试验与模型相结合的方法，对平原水稻灌区降雨径流特征及其影响因素进行研究，以期为平原水稻灌区防洪减灾和农业面源污染提供依据。

1 研究区概况

研究区位于江苏高邮灌区龙奔圩示范区（119°31′E，32°46′N），土地面积4.6 km2，其中耕地面积390 hm2（详见图1）。研究区属亚热带季风气候区，最高气温38.5oC，最低气温-18.5oC，年平均气温14.6oC，无霜期242 d，常年降雨量1 037 mm，多年平均蒸发量1 060 mm。试验区降雨主要集中在6-9月份，汛期平均降雨量占多年平均降雨量的59.5%。浅层地下水埋深约为0.5～1.2 m。灌区为自流灌溉，以京杭大运河为供水主水源，里下河河网是灌区的辅助水源。试区农田0～30 cm 土壤容重为1.32 g/cm3。

图1 研究区位置及试验布置图

2 试验与方法

2.1 试验设计

在龙奔圩内选择稻田、排水斗沟、排水支沟等3个排水尺度进行降雨径流过程试验观测。

（1）支沟尺度。以灌区龙奔圩内南关干渠、四支渠、五支渠和北澄子河范围内农田为研究对象，耕地面积390 hm2，区域农田通过四支渠和五支渠进行灌溉，农田排水通过斗沟进入蒋马河，最后经蒋马河泵站排入北澄子河。在支沟尺度主要监测了四支渠和五支渠灌溉水量和蒋马河泵站排水量，均通过在闸门前后布设水位观测，通过闸门开度以及上下游水位以及水位流量关系，计算区域灌溉水量和排水量。

（2）斗沟尺度。在支沟尺度范围内选择了五支渠、彭庄三斗、彭庄一斗和蒋马河范围内的55 块农田，耕地面积15.6 hm2（234 亩），共有排水沟两条。在排水沟1和排水沟2末端设置三角堰和水位观测井计量排水斗沟排水量。

（3）田间尺度。在排水沟1 控制范围内选择了试验田1 和试验田2（30 m×100 m）作为典型田块观测稻田降雨径流过程。依靠田间逐小时水层监测（水位井自计式观测）和水量平衡计算，推算稻田排水量。

在斗沟尺度内布设了1 处小型自动气象站和1 处自计式雨量筒，观测试验区气象数据。

2.2 模型方法

为分析稻田降雨径流影响因素，采用2 层水箱模型模拟稻田径流过程，通过试验区8 次降雨径流过程对模型参数进行率定与验证。模型详细结构和参数以及率定验证过程详见文献［9］。

2.3 影响因子设计

（1）降雨量设计。搜集了高邮市1971-2013年短历时暴雨资料，通过水文频率分析得到不同频率设计降雨参数（见表1）。选取1976年6月29日5∶00-6月30日5∶00 逐小时降雨作为典型暴雨过程，统计其1、3、6 和24 h 降雨量，计算相应的缩放系数，得到不同典型年24 h 设计暴雨量，采用同频率法进行缩放得到设计暴雨过程（见图2）。

图2 典型降雨过程时程分配图

表1 雨量频率分布参数及不同水平年设计降雨量

（2）降雨雨型设计。天然的降雨雨型可归纳为3大类型：单峰雨型，多峰雨型和大致均匀的雨型。其中单峰雨型又可以分为雨峰靠前、雨峰靠中和雨峰靠后3种类型；多峰雨型可近似地看作是几次单峰降雨的组合过程，故在此仅按照单峰雨型进行分析。以重现期20 a 降雨量作为设计雨量，降雨量为196.1 mm，降雨历时为24 h，设计雨峰靠前、雨峰靠中、雨峰靠后和均匀降雨等4种降雨类型。

（3）稻田初始蓄水深度。高邮灌区属于平原自流灌区，实行集水期灌制度［12］，按照当地习惯进行浅湿调控灌溉（当地习惯称之为4、5、6），于泡田栽插期、分蘖期和晒田期以后，分别间隔4、5 和6 d 灌水一次，每次灌水时间为前期15 h、后期20 h，通常灌水时田间已经没有水层，灌水后建立3～5 cm 水层。因此下雨前稻田可能出现无水层和有水层两种水分状况。为了分析稻田初始蓄水深度对稻田排水的影响，本文设定降雨前稻田田间水分状况为田间持水量、饱和含水量、田间存蓄1、2、3、4 和5 cm共计8种情景。

3 结果与讨论

3.1 降雨量对稻田区域径流形成影响规律

不同重现期降雨稻田排水过程表现出相似的变化规律，随着降雨发生，稻田排水呈现先增加后减小的规律（图3）。不同重现期降雨稻田排水峰值均出现在降雨强度最大处，稻田排水总量随着降雨量的增加而增加。重现期50、20和10 a降雨产生的稻田排水量分别为163.80、135.22和113.78 mm。不同重现期稻田排水量差值与降雨量差值相当，说明降雨量是影响稻田排水量的主要原因。随着降雨量的增加稻田排水峰值明显增加（表2）。重现期50、20 和10 a 降雨产生的稻田排水峰值分别为26.98、22.95 和19.42 mm。重现期50 a 较重现期20年降雨产生的稻田排水峰值增加17.6%，而重现期20 a 较重现期10 a 排水峰值增加18.2%。研究区稻田径流系数随着降雨量的增加而增加，重现期50、20 和10 a 稻田降雨径流系数分别为0.72、0.69 和0.67。从稻田排水组成看，重现期50、20 和10 a 稻田排水中地表径流排水量占总排水量的比例均高于90%，地表径流是稻田排水主要途径。

表2 不同水平年降雨排水过程结果表

图3 不同水平年降雨径流过程

3.2 降雨雨型对稻田区域径流形成影响规律

随着降雨雨型变化稻田排水过程也随着变化。从排水过程曲线形状看，随着降雨峰值的推后，其曲线形状更加瘦高；从排水峰值看，随着降雨峰值的推后，其排水峰值也向后推迟（见图4）。从排水总量分析，雨峰靠前、靠中、靠后和均匀降雨条件下稻田排水量分别为142.62、138.63、131.25 和132.69 mm（见表3）。因此，降雨雨型对稻田排水总量影响较小，而对稻田排水过程分布影响较为显著。从排水峰值量分析，雨峰靠前、靠中、靠后和均匀降雨条件下稻田排水峰值分别为10.93、12.67、13.76 和6.86 mm。与均匀降雨相比雨峰偏前、中和后部的降雨稻田排水峰值分别增加59.3%、84.7%和100.6%。因此，雨峰靠后降雨条件下排水峰值最高，对下游防洪除涝工程最为不利。稻田排水峰值与降雨峰值出现的时间并不一致。对于雨峰靠前和靠中降雨，稻田排水峰值出现时间较雨峰时间分别延迟7和3 h，说明稻田具有一定的滞涝作用。雨峰靠后和均匀降雨，稻田排水峰值和雨峰同步出现，其主要原因是峰前降雨量削弱或抵消了稻田的滞蓄作用。

图4 不同降雨雨型条件下48 h稻田排水过程

表3 不同雨型降雨排水过程结果表 mm

3.3 稻田初始蓄水深度对稻田排水影响规律

不同稻田初始蓄水深度下稻田排水过程差异主要表现在降雨前期（前12 h），而对稻田后期（12～48 h）排水的影响逐渐减小（见图5）。在降雨量相同的情况下，稻田排水峰值随着稻田初始蓄水深度的增加而增加（见表4）。降雨前稻田有水层时，其排水峰值明显大于无水层时。以降雨雨峰靠前为例，当稻田初始蓄水深为田持、饱和、1 cm 水层、2 cm 水层、3 cm 水层、4 cm水层和5 cm 水层时，其排水峰值分别为9.58、10.93、11.49、12.09、12.63、13.22 和13.78 mm/h。降雨前稻田水层为5 cm 时的排水量比饱和状况下增加26%，其说明降雨前灌水会大大增加了洪涝灾害形成风险，因此应该避免在大的降雨前对稻田进行灌溉。由表4 可知，稻田初始蓄水深度对排水峰值的出现时间也存在一定影响，但因降雨雨型不同而其影响程度不同。对于雨峰靠前降雨，随着稻田初始蓄水深度的增加，稻田排水峰值出现的时间略有提前；对于雨峰靠后降雨，稻田排水峰值出现的时间随着稻田初始蓄水深度增加略有推迟；对于雨峰靠后和均匀降雨，稻田初始蓄水深度对排水峰值出现时间几乎没有影响。

图5 降雨前期稻田不同水分状况下降雨排水过程（48 h）

4 种雨型情况下，稻田排水总量均随着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，稻田排水量增加量约为10 mm（见表4）。结果表明，稻田类似于水库，对降雨排水具有调控作用，其排水量随着调节库容的减少而增加。在3 种不同降雨量级条件下，稻田排水量均随着稻田初始蓄水深度的增加而增加（见表5）。由表5可知，重现期为10 a的降雨条件下，降雨前稻田蓄水深为饱和含水率、3和5 cm水层稻田排水量为113.78、135.41 和154.54 mm；重现期为20 a 的降雨条件下为135.22、160.26 和179.45 mm；重现期为50 a 的降雨条件下为163.80、191.74 和210.97 mm。重现期20 a 的降雨在稻田初始蓄水深为饱和含水量情况下产生的稻田排水量与重现期10 a 的降雨在稻田初始蓄水深为3 cm 时产生的稻田排水量相当。同样，重现期50 a 的降雨在稻田初始蓄水深为饱和含水量时产生的稻田排水与重现期20 a 的降雨在稻田初始蓄水深为3 cm 时产生的稻田排水相当。上述结果表明，通过调控稻田初始蓄水深度，可提高灌区防洪除涝工程的防洪除涝标准。以高邮灌区为例，高邮灌区采用传统的灌溉方式，灌水后田间建立3～5 cm水层，灌区内防洪除涝工程设计能抵御10 a 一遇的涝水，若采用节水灌溉（控制灌溉）不建立水层，灌区防洪除涝工程的防洪除涝标准将提高到20 a一遇。

表4 不同稻田蓄水条件下稻田排水峰值与排水总量 mm

表5 降雨前期稻田不同蓄水条件下稻田排水总量 mm

3.4 灌区农田不同尺度对稻田排水影响规律

通过监测稻田、排水斗沟和排水支沟尺度降雨排水过程，分析农田不同尺度对稻田排水的影响。2013年和2014年排水斗沟尺度排水量分别较稻田尺度减少19.0%和17.5%，排水干沟尺度排水量分别较排水斗沟尺度减少20.7%和25.9%，排水干沟尺度排水量较稻田排水量分别减少35.8%和38.9%。因此，平原灌区排水存在尺度效应，其原因主要是平原水稻灌区存在大量的沟渠塘库，具有一定的调蓄能力，有利于农田排水在灌区内的重复利用，存在回归用水，能够有效的减轻灌区下游的防洪压力。

表6 水稻生育期不同尺度排水量统计表 mm

4 结 论

基于灌区不同尺度降雨径流监测试验，结合两层水箱模型，分析了降雨、稻田初始蓄水深度和排水尺度对稻田排水的影响，主要研究结论如下。

（1）降雨是影响稻田排水的重要因素。随着降雨量的增加，稻田排水总量和排水峰值均相应增加，且排水总量的增量与降雨量增幅相当。稻田排水以地表排水为主，地表排水量占总排水量90%以上。降雨雨型对稻田排水总量影响较小，但对降雨峰值影响较为显著。降雨雨峰靠前、靠中和靠后较均匀降雨稻田排水峰值分别增加59.3%、84.7%和100.6%。雨峰靠后降雨是对防洪排涝工程最为不利的降雨形式。

（2）合理调控稻田水分能够减少稻田排水量，增加灌区防洪排涝标准。稻田排水量和排水峰值均随着稻田初始蓄水深度的增加而增加。稻田初始蓄水深度对稻田排水影响程主要集中于排水前期，随着降雨的发生影响逐渐削弱。通过合理控制降雨前稻田蓄水深，可有效的抵御洪涝灾害。

（3）平原水稻灌区排水存在明显尺度效应。平原水稻灌区存在大量的沟渠塘库，具有一定的调蓄能力，有利于农田排水在灌区内的重复利用，2013年和2014年排水干沟尺度排水量较稻田排水量分别减少35.8%和38.9%。