基于MIKE 模型的干沟排蓄控制方案优选

沈涛，沈瑞，于凤存

（1.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽合肥 230088；2.水利水资源安徽省重点实验室，安徽蚌埠 233000）

1 骨干沟排水与蓄水控制研究

安徽省淮北平原总面积3.74 万km2，耕地面积205.9 万hm2，主要种植小麦、玉米等粮食作物，是我国重要的商品粮基地。淮北平原属水资源紧缺地区，多年平均降水量890 mm，且降雨时空分布不均，易引发涝渍灾害。经过多年水利治理，淮北地区洪涝渍害得到了有效控制，但随之而来的是干旱问题变得突出，尤其是当时在进行除涝工程的设计和建设时片面强调排水，骨干排水沟缺乏控制工程配套，导致排水过度，不仅使地下水位下降，影响到原有灌溉工程效益的发挥，而且加剧了下游低洼地区的排水负担。近年随着经济社会对水资源的需求量不断增加，使得淮北地区水资源供需矛盾愈加突出。为此，安徽水科院研究了利用排水骨干沟控制蓄水以提高当地雨水资源利用效率的骨干沟排水、蓄水控制技术［1］。即在排水骨干沟上建造闸、坝等控制设施，根据降雨及作物不同生育阶段对除涝降渍的需求，运用不同的控制方案，适度拦蓄地表水，抬高沟水位和农田地下水位，增加农田可利用水资源量，有效提高作物产量，进一步增强农田旱涝渍综合治理水平［2，3］。同时，控制排水相应的减少了地下排水量，由此也可以减少硝态氮的淋洗损失量，从而减少硝态氮对地下水的污染［4］。

为研究排水沟控制工程在控制排水、蓄水调控等方面的机理效应，安徽水科院自2002年起在淮北平原中部利辛县建立了农田排水试验区。试验区有车辙沟、驻马沟、西红丝沟3 条干沟，总面积80 km2，耕地面积6 000 hm2，地面高程在30～25 m 之间，2004-2020 年平均降雨量860 mm。根据多年试验及研究成果，对比无控制排水干沟，试验区利用节制闸进行控制排水可抬高沟水位1.26～1.67 m，影响范围内（沟边0～800 m）农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］。

为进一步研究骨干沟排水与蓄水控制效应，采用一、二维耦合模型，模拟车辙沟排水控制区域农田的产、汇流过程，研究小流域（面积10～50 km2）尺度的骨干沟排蓄控制工程对农田水资源的调控效应以及对作物生长的影响，为制定更加科学合理的排水、蓄水控制方案提供参考。

2 模型构建

农田排水的目标是满足农作物除涝降渍要求，及时排除由于降雨产生的地面积水，减少淹水时间和淹水深度，并将地下水位尽快降至允许地下水埋深［6-8］。无论是除涝还是降渍，都与一定时间内农田排水量关系密切。为此，依据水循环与水动力学理论，以农田排水量最小为目标，构建骨干沟控制排水模拟模型，结合试验区长系列观测资料，开展排水、蓄水控制仿真模拟计算，分析、优选控制方案。

2.1 模拟区概化

选取车辙沟江集闸与春店闸之间的汇流区域作为模拟区，区域面积29.8 km2，地面平均高程28.2 m，主要排水工程如下：①车辙沟在江集闸至春店闸之间的沟段，长度13.8 km，沟深4～5 m，上口宽25～30 m，底宽5 m，沟底比降为1/13 000；②直接汇入干沟的排水支沟28 条，均概化为梯形断面形式，沟深1.2～3.5 m，上口宽3～15 m，底宽0.8～4 m；③干沟控制工程包括春店节制闸和江集节制闸，均按5 a 一遇除涝标准设计，其中春店闸位于车辙沟下游出口处，设计蓄水位27.0 m，最高蓄水位27.5 m，是车辙沟排水、蓄水主要工程，江集闸位于车辙沟上游入口处，在排蓄控制中主要任务是阻挡闸址以上来水。模拟区排水工程概化网络见图1，其中M3、M4、D6均为地下水位观测孔位置。

图1 模拟区概化示意图Fig.1 Generalized schematic diagram of simulation area

2.2 模型系统组成

选用一维水力学模型、分布式水文模型和水量平衡方程共同组成模型系统。一维水力学模型选用丹麦学者研发的MIKE 11HD［9，10］，输入参数由沟系文件、断面文件、边界文件、参数文件、模拟文件等五部分组成。沟系文件通过添加底图勾绘或ArcGIS 中处理成SHP 文件导入生成；断面文件用以定义沟系文件中干沟、支沟的断面参数；边界文件用以定义沟系文件中每条沟系的上下游边界条件；参数文件定义模型的初始条件和河床糙率；模拟文件集成上述所有文件，使其成为一个整体，同时定义模拟时段T、时间步长ΔT、结果输出等内容。

分布式水文模型选用MIKE SHE 模型［9，10］，参数包括地形、降雨、蒸散发、土地利用、下垫面特性、土壤质地类型等。地形参数反映模拟计算区下垫面特征，采用国家地理信息公共服务平台（www.tianditu.gov.cn）发布的30 m精度DEM。降雨、蒸散发采用实际观测资料。土地利用包括道路、耕地、居民用地、水面、林地等类型。下垫面特性包括影响坡面汇流的曼宁系数、蓄滞水深和初始水深。土壤质地类型参数包括土层分布、各层土壤水分特性参数以及用于非饱和带下边界的地下水位等。

水量平衡包括田间水量、干沟水量和地下水水量三部分。田间水量平衡考虑主要作物生长周期内田间贮水量、腾发量、对地下水的利用量以及灌溉水量和弃水量。干沟水量平衡包括计算时段库容、降雨量、灌溉供水量、生态环境供水量、渗漏量以及区域进水量和外排水量。地下水水量平衡主要考虑地下水开采量、补给量以及及排泄量。

2.3 目标函数与模型求解

在农田排水系统中，排水沟系的控制运用应首先满足农作物排水需求，然后才能通过控制排水技术尽可能减少区域外排水量，增加农田可利用水资源量［11］。因此，模型构建以区域排泄量最小为目标，以满足作物除涝降渍需求（作物不发生涝渍灾害，或因涝渍减产不超过10%）为约束。

（1）目标函数。

式中：SW为排水总量，指通过车辙沟排到控制区域以外的水量；SWi为第i时段排水量；i为计算时段；n为计算时段总数。

（2）除涝降渍需求。

①地表积水时间：

式中：Ti、TNi分别为第i时段地表积水时间和允许积水时间，d。

由于区域有一定的地面落差，此处积水时间是指位于车辙沟中段田间观测点（M3、M4）的积水时间。

②受渍埋深：

式中：Zi、ZNi分别为第i时段地下水位埋深和作物受渍临界埋深，m。

③地下水埋深：

式中：Zi、ZUi、ZDi分别为第i时段地下水位埋深、适宜埋深上限和适宜埋深下限，m。

根据已有研究成果，淮北平原主要农作物小麦、玉米不同生长阶段地表允许积水时间、受渍临界埋深和适宜地下水位埋深见表1。

表1 小麦、玉米排水约束指标Tab.1 Drainage constraint indexes of wheat and maize

（3）模型求解。结合沟系断面、水文地质、控制工程水位、雨量站点实测系列数据以及历史洪涝灾害等已有资料，利用MIKE SHE 与MIKE11HD 耦合模型，模拟包括蒸散发、地表径流、地下水流和明渠流及其相互作用的水文循环过程。

2.4 模型率定与验证

利用2020 年1 月1 日-2020 年12 月31 日观测孔M3、D6 实测资料与模拟计算数据进行对比分析，率定模型土壤分层及特性参数，拟合优度检验可通过计算拟合优度R²来判定。农田地下水位实测资料来自于观测孔M3、D6（与车辙沟的垂直距离分别为150 m 和700 m，分布点位见图1）。经过模拟计算，将率定期M3、D6观测孔地下水位模拟值与实测值进行对比，R²分别为0.775、0.727，拟合结果见图2。模拟结果表明，模型能较好的模拟计算区地下水位变化情况。率定后土壤分层及特性参数见表2。

表2 土壤分层及特性参数Tab.2 Soil stratification and characteristic parameters

图2 率定期（2020年）M3、D6地下水位模拟值与实测值对比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 日为验证期，将验证期观测孔M3 和D6 模拟值与实测值进行对比验证。观测孔M3 地下水位拟合R²=0.782，观测孔D6 地下水位拟合R²=0.736，拟合对比情况见图3。验证结果表明，模型率定的参数取值结果合理可信。

图3 验证期（2019年）M3、D6地下水位模拟值与实测值对比Fig.3 Comparison of simulated and measured values of M3 and D6 groundwater levels during the verification period（2019）

3 模拟结果及分析

利用长系列观测资料，拟定不同的控制运行方案，对模拟计算区2011 年1 月-2020 年12 月沟道水位、农田地下水位、蒸散发量、排水量等进行模拟计算，分析不同方案的农田积水、地下水变化和作物产量，以排水量最小为目标，以减产率为约束，优选沟道水位、农田地下水位控制方案。

3.1 模拟方案

计算时段选取2011年1月-2020年12月，共10 a，计算时长累计3 653 d。沟水位控制方案如下：①方案0，即无控制方案，干沟下游出口处自由排水；②方案1，按干沟节制闸原设计蓄水方案进行控制，当闸上水位达到27.0 m（设计蓄水位）时即开闸放水，闸上水位降至25.5 m 关闸；③方案2，当闸上水位达到27.5 m（最高蓄水位）开闸泄水，闸上水位降至26.5 m关闸；④方案3，当闸上水位达到27.5 m（最高蓄水位）开闸泄水，闸上水位降至27.0 m 关闸；⑤方案4，当闸上水位达到27.0 m（设计蓄水位）开闸泄水，闸上水位降至26.0 m 关闸；⑥方案5，当闸上水位达到27.0 m（设计蓄水位）开闸泄水，闸上水位降至25.0 m关闸。

根据已有研究成果，模拟区农田地下水位受沟水位影响明显，干沟节制闸对沟两侧地下水位影响范围为0～800 m［1］，选取中游沟段距离沟边400、600 m观测点的地下水位进行分析研究，取其平均值作为模拟区农田地下水位。

3.2 模拟结果分析

3.2.1 水量平衡

模拟区2011 年1 月1 日-2020 年12 月31 日总降雨量8 111 mm，不同方案年均水量平衡计算结果见表3。在对所有方案年均水量平衡比较中看出，蒸散发以方案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。控制方案中方案3通过控制排水比无控制排水减少外排水量108.8 mm，占年均降雨量13.4%。说明控制工程对拦蓄降雨径流、调节当地农田水资源有明显效果。

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

3.2.2 骨干沟水位

不同控制方案干沟水位（闸前水位）模拟结果统计见表4。不同控制方案中，骨干沟多年平均水位以方案3 最高，达到27.12m，方案1 为26.32 m，方案0 为24.99 m，控制工程对沟水位调控效果明显，不同控制方案之间也有一定差别。

表4 不同控制方案骨干沟水位统计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，埋深最大的为方案0（无控制方案）。方案3 与方案0比较，地下水平均抬高达1.76 m，汛期、非汛期分别抬高1.89 m和1.71 m。不同控制方案地下水埋深模拟结果见图4。

图4 不同模拟方案地下水埋深特征值Fig.4 Characteristic values of groundwater depth in different simulation schemes

以中游沟段距离沟边400、600 m 田间观测点为代表，统计该点位地表积水、受渍埋深、达到适宜地下水位等发生天数，取其平均值，列于表5。地下水埋深浅于受渍临界埋深的天数以方案3 最多为264 d、占比7.2%，其次为方案2，无控制方案最少、仅为10 d；适宜地下水埋深的天数以方案3 最多，其次为方案2，无控制方案最少、仅为39 d。

表5 不同模拟方案地表积水与各特征地下水埋深统计dTab.5 Statistics of surface water and groundwater depth of different simulation schemes

3.3 控制方案优选

根据不同方案模拟初步结果，控制排水可减少农田排水量、抬升沟水位和农田地下水位，但抬升沟水位和地下水位后，涝渍风险加大，尤其是丰水年份更是存在引发涝渍灾害的可能，需要对控制排水方案进行进一步优化。根据前述模拟结果，控制排水对沟水位和地下水埋深抬升的幅度随控制运用方案不同而不同，因此，可以通过优化控制运用方案，使地下水位控制在合理区间，以减少涝渍灾害发生几率。

3.3.1 涝渍影响分析

根据2011 年1 月-2020 年12 月长系列不同方案模拟结果，统计分析地表积水、地下水位、作物减产率等指标的变化情况，结果见表6。表中地表允许积水时间指作物持续淹水且不受灾时允许的最长持续时间；受涝减产率指地表连续积水时间超过允许积水时间后每天的减产幅度［11，12］；累计受涝减产率是指多次减产率的累加值；受渍减产率是指地下水埋深浅于受渍埋深超过3 天后每天的减产率［13-15］；累计受渍减产率是多次受渍减产率的累加值。

表6 作物受涝渍减产统计Tab.6 Statistics of crop yield reduction due to waterlogging

从表6 中模拟结果可知，在小麦生长期因地面积水导致的涝灾损失均发生在10月份，控制方案2和方案3均有减产，其他方案无减产情况，减产率大小与调控水位密切相关，控制水位越高减产率越大；在玉米生长期因地面积水导致的涝灾损失多发生在7月份，各方案中方案2、方案3、方案4均出现减产，方案3控制水位最高，相应减产率最大。

在小麦生长期因受渍导致的损失主要发生在10月份，除方案0（无控制）外，其他方案均出现受渍减产，减产率大小与调控水位关系密切，调控水位越高减产率越大；在玉米生长期因受渍导致的损失多发生在7、8 月份，调控方案中除方案5 外均出现减产，其中方案1 年均减产率9.4%，方案3 减产率最大，年均减产率达到29.3%。

3.3.2 控制方案优选

根据不同方案涝渍统计结果，以作物不受灾（减产率≤10%）、排水量相对较小为目标，分析提出最优控制方案及其对应的沟道水位和农田地下水位。各方案中，方案3 外排水量最少，但小麦、玉米减产率均超过10%，不满足作物不受灾的约束条件；其他方案虽然满足减产率约束条件，但排水量较大。

模拟区主要农作物为小麦和玉米，小麦涝渍灾害发生在非汛期（10-5月），玉米涝渍灾害发生在汛期（6-9月），综合考虑降雨及作物因素，以作物受灾减产率≤10%为约束，从尽量减少排水量的角度出发，对原控制方案进行优化，在小麦生长期采用方案3、玉米生长期采用方案1，组合成新的控制方案作为优化方案，即汛期闸上水位达到27.0 m 时即开闸放水、降至25.5 m时关闸，非汛期闸上水位达到27.5 m 时开闸泄水、降至27.0 m时关闸。

对优化方案进行模拟计算，计算期内降雨总量8 111 mm，蒸散发量6 636 mm，外排水量1 424 mm，沟道及土壤储水量51 mm；多年平均沟水位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，其中位于适宜地下水埋深区间557 d。优化方案年均减产率小麦为7.0%、玉米为10.7%，总体减产幅度小于10%。优化方案比无控制排水方案减少外排水量707 mm，占降雨总量8.7%；增加沟道及农田蓄水量589 mm，占降雨总量7.3%。

4 结论

根据模拟结果，利用干沟节制闸进行排水、蓄水控制可有效抬升沟水位和地下水位，抬升的幅度随控制方案不同而变化，沟水位控制的越高，对地下水位的抬升效果越明显。淮北平原主要农作物为小麦和玉米，小麦涝渍灾害主要发生在10月份［14］，玉米涝渍灾害主要发生在7、8 月份［15］。根据优化方案及模拟结果，结合淮北平原区作物种植结构、节制闸特性，在淮北平原区以节制闸为控制工程的骨干沟，汛期（6-9 月）沟水位控制应以除涝降渍为主，最高蓄水位按设计蓄水位控制，闸前水位低于设计蓄水位1.5 m 时关闸蓄水，即沟水位应低于地面平均高程1.2 m 以上；非汛期（10-5月）沟水位控制以蓄水为主，最高蓄水位可在设计蓄水位基础上提高0.5 m 左右，闸前水位低于最高蓄水位0.5 m时即可关闸蓄水。

淮北平原属于旱涝交替区，通过干沟节制闸进行排蓄控制，不仅能够减少外排水量、减轻农田面源污染，而且能够抬高地下水位、增加蓄水量以补充作物所需。由于篇幅所限，本文只是分析了不同控制方案抬高沟水位、地下水位，以及可能引发的涝渍减产情况，没有分析因增加蓄水而减轻旱灾以及作物增产情况。