虾稻共作产汇流过程中TANK-MIKE 11耦合模型的应用

何天楷，何 军，刘路广，范杨臻，黄 洁

（1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002； 2.湖北省水利水电科学研究院，湖北 武汉 430070）

0 引 言

涝灾是我国主要自然灾害之一，对我国经济社会发展产生严重的负面影响［1，2］。四湖流域位于湖北省荆州市，该地区土地肥沃，资源丰富，属全国重要粮棉油水产基地。但其地势低平，汛期雨量大，是典型的涝渍灾害多发区和重灾区［3，4］。近年来，为提高四湖流域涝渍低产田的经济效益，新兴综合种养模式虾稻共作田被提出，其种植面积更是逐年扩大［5］。该模式改变了传统水稻田的形态，灌排制度，增加了水面面积，对汛期区域农田排涝产生了深远影响［6，7］。针对虾稻田对区域径流的影响机理展开模型研究，旨在为虾稻共作模式下农田涝渍减灾综合技术的集成提供数据支撑。

TANK模型是一个原理简单、结构灵活，输入资料少且应用广泛的概念性水文模型［8-10］，有研究表明TANK模型能够较好的模拟稻田降雨径流过程且有较高精度［11，12］。MIKE 11模型是由丹麦水利研究所开发的，应用于模拟河口、河流、河网、灌溉系统的水流、水质、泥沙输运等一维问题的专业软件包［13］。其具有模拟效率高、底层逻辑稳定、输出结果处理方便、对各类人工排水系统有强大的模拟功能等突出优点，在洪水预报、水资源利用和河道防洪等方面均得到了实际的应用［14-16］。为了提高模拟精度，使其更好地模拟不同暴雨重现期下虾稻模式农田排涝规律，笔者以湖北省荆州市观音垱镇为例，针对虾稻共作田的特点，改进了适用于虾稻田块的TANK模型，调整了MIKE 11模型汇流方式，构建了TANK-MIKE 11产汇流耦合模型，并对模型的适应性进行了验证。以构建的耦合模型，进行不同降雨标准下，虾稻田种植面积占比、虾稻田上限排水深等条件变化对农排区径流影响规律的模拟研究，为虾稻共作下农田除涝降渍系统的规格布局，建立涝渍减灾综合技术集成应用模式提供数据支撑。

1 数据与方法

1.1 应用区概况

荆州市观音垱镇属于长湖灌区（图1），位于湖北省江汉平原相对低洼处，亚热带季风湿润区。该地区海拔26 m，1 月平均温度普遍在0 ℃以上，7 月平均温度一般为25 ℃左右，年日照时数1 401～1 945 h，农业气候条件优越，具有地势平缓、土地肥沃、热量丰富、水资源丰富等独特优势［17］。区内多年平均降雨量800～1 600 mm，汛期（一般为5-9月）降雨量约占年降雨总量的70%，年际变化显著。该地区因地势平坦低洼，汛期梅雨季节易造成“水高田低，外洪内涝”的情形，导致当地涝渍灾害频发。据调查，目前当地50%以上农田已开垦为虾稻共作田，普通水田面积占比约为27%，故对研究区内的虾稻田水层管理模式及排水特性进行研究具有重大意义。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

1.2 设计暴雨计算

选用排区内湖北省荆州市四湖工程管理局排灌试验站的1981-2020年共40 a的雨量资料进行降雨情况分析及P-Ⅲ型频率曲线拟合，得到不同设计频率下1、3和7 d的暴雨量，如表1所示。

表1 设计暴雨量Tab.1 Design rainfall

参考《湖北省暴雨径流查算图集》［18］，采用相关图表法，根据湖北省暴雨雨型表，计算得到不同重现期下1、3和7 d的设计暴雨时程分配过程，暴雨频率为5 a一遇（20%）、10 a一遇（10%）、100 a一遇（1%）3种频率，具体分配结果见图2。

图2 不同重现期设计暴雨分配过程Fig.2 Design rainstorm distribution process for different return periods

2 应用结果与分析

2.1 不同虾稻田种植比对区域外排水量的影响

当前试验区的虾稻共作田块面积占比达50%左右。为探究在1.2 m虾沟滞蓄水深上限现状下，不同暴雨重现期时，虾稻田块种植占比变化对区域径流的影响，运用耦合模型对表2中的3种情景设置进行不同历时暴雨下的模拟与分析。

表2 不同情境下的虾稻田种植占比Tab.2 The planting proportion of crayfish-rice culture in different situations

各重现期1 d暴雨情况下，不同虾稻田种植面积比在5 a一遇、10 a一遇和100 a一遇3种典型重现期时，对排区泵站外排水量的影响情况如表3。

表3 不同虾稻田种植比对泵站外排水量的影响（1 d暴雨）Tab.3 Effect of different planting ratio of crayfish-rice culture on the external drainage of pumping station（1 d rainstorm process）

由表3可知，5 a一遇1 d暴雨情况下，10%、50%、90%的虾稻田种植占比的外排水量为1 950、1 670和1 420 m3；10 a一遇1 d暴雨情况下，10%、50%、90%的虾稻田种植占比的外排水量为2 940、2 800和2 450 m3；100 a一遇1 d暴雨情况下，3种虾稻田种植占比时，其外排水量分别为4 380、4 130和3 982 m3。说明同一重现期1 d暴雨下，泵站外排水量随着虾稻种植占比的增加而减少，同一虾稻田种植占比下，外排水量随着暴雨重现期的增加而增加。

5 a一遇1 d暴雨情况下，相较于50%虾稻田种植比，10%和90%的虾稻田种植占比时，泵站外排水量分别增加17%和减少15%；10 a一遇1 d暴雨情况时，10%和90%的虾稻田种植占比下泵站外排水量分别增加12%和减少13%；100 a一遇1 d暴雨情况下，两者分别增加6%和减少3%。同一虾稻田种植占比下，外排水量减少比例随着重现期的增加而减小。

各重现期3 d暴雨情况下不同虾稻田种植比例的外排水量如表4。

表4 不同虾稻田种植比对泵站外排水量的影响（3 d暴雨）Tab.4 Effect of different planting ratio of crayfish-rice culture on the external drainage of pumping station（3 d rainstorm process）

由表4可知，5 a一遇3 d暴雨情况下，10%、50%、90%的虾稻田种植占比的外排水量为3 698.8、3 068.8和2 760.8 m3；10 a一遇3 d暴雨情况下，10%、50%、90%的虾稻田种植占比的外排水量为4 138.4、3 724和3 354.4 m3；100 a一遇3 d暴雨时，3种虾稻田种植占比的外排水量分别为5 754、5 362和5 101.6 m3。相较于现状50%虾稻田种植比，5 a一遇时，10%和90%的虾稻田种植占比下泵站外排水量分别增加21%和减少10%；10 a一遇时，两者分别增加11%和减少9%；100 a一遇情况下，两者分别增加7%和减少4%。由此可知同一重现期3 d暴雨下，随着虾稻田面积占比的增加，泵站外排水量逐渐减少。同一虾稻田种植占比下，随着暴雨重现期的增加，外排水量逐渐变大，外排水量减少比例逐渐变小。

各重现期7 d暴雨情况下不同虾稻田种植比例的外排水量如表5。

表5 不同虾稻田种植比对泵站外排水量的影响（7 d暴雨）Tab.5 Effect of different planting ratio of crayfish-rice culture on the external drainage of pumping station（7 d rainstorm process）

由表5可知，5 a一遇7 d暴雨情况下，10%、50%、90%的虾稻田种植占比的外排水量为5 941.6、4 648和3 810.8 m3；10 a一遇7 d暴雨情况下，10%、50%、90%的虾稻田种植占比的外排水量为6 669.6、5 303.2和4 415.6 m3；100 a一遇7 d暴雨情况下，3种虾稻田种植占比时，其外排水量分别为8 598.8、7 621.6和6 857.2 m3。相较于现状50%虾稻田种植比，5 a一遇时，10%和90%的虾稻田种植占比下泵站外排水量分别增加28%和减少18%；10 a一遇时，10%和90%的虾稻田种植占比下泵站外排水量分别增加26%和减少17%；100 a一遇时，10%和90%的虾稻田种植占比下泵站外排水量分别增加13%和减少10%。同1 d与3 d暴雨历时下相比，7 d暴雨历时各重现期下的外排水量减少比例要远高于两者，说明虾稻田块蓄水调水功能在长历时降雨情况下更为显著。

2.2 虾沟不同滞蓄水深上限对排区洪峰流量的影响

虾稻田一般是在传统水稻田开挖环形虾沟，环形虾沟中常年保持有一定水量，其水深随小龙虾、水稻生育期的变化而改变。研究区暴雨多发生在6-7月，此时正处于当地水稻生长的分蘖期，该阶段为虾稻分养阶段，小龙虾仅可在虾沟内自由活动，两者水体并不相连，由土埂隔开［19，20］。因此，在50%的虾稻共作田农排区占比现状下，设置暴雨后虾沟的不同滞蓄水深上限，以此模拟研究不同暴雨重现期情况下虾沟滞蓄水深变化对区域径流的影响，具体情景条件见表6。

表6 不同情境下的虾沟滞蓄水深方案控制Tab.6 Scheme control of impoundment depth in crayfish ditch under different situations

1 d暴雨情况下，虾沟不同滞蓄水深上限在5 a一遇、10 a一遇和100 a一遇3种典型重现期时，对排区闸前洪峰流量的影响情况如表7所示。

表7 不同虾沟滞蓄水深下洪峰流量的比较（1 d暴雨）Tab.7 Comparison of flood peak flow under different impoundment depths of crayfish ditch（1 d rainstorm process）

由表7可知，5 a一遇1 d暴雨情况下，1.2、1.3、1.4 m的虾沟上限排水深的洪峰流量分别为2.91、2.79和2.69 m3/s；10 a一遇1 d暴雨情况下，1.2、1.3、1.4 m的虾沟上限排水深的洪峰流量分别为2.96、2.84和2.76 m3/s；100 a一遇1 d暴雨情况下，1.2、1.3、1.4 m的虾沟上限排水深的洪峰流量分别为3.28、3.17和3.09 m3/s。同一重现期1 d暴雨情况下，洪峰流量随着虾沟滞蓄水深上限的增加而显著减小，同一虾沟滞蓄水深上限下，洪峰流量随着暴雨重现期的增加而明显变大。

5 a一遇1 d暴雨情况下，相比于1.2 m的虾沟滞蓄水深上限，1.3 m与1.4 m的虾沟滞蓄水深的洪峰流量分别减少4.12%和7.56%；10 a一遇1 d暴雨情况下，相较于1.2 m的虾沟滞蓄水深上限，1.3 m与1.4 m虾沟滞蓄水深情况下，洪峰流量分别减少4.05%与6.76%；100 a一遇1 d暴雨情况下，1.3 m与1.4 m的虾沟滞蓄水深的洪峰流量对比1.2 m时，分别减少3.35%及5.79%。同一重现期1 d暴雨情况下，洪峰流量减少比例随着虾沟滞蓄水深上限的增加而明显变大。同一虾沟滞蓄水深上限情况下，洪峰流量减少比例随着暴雨重现期的增加而不断减少。可见1 d暴雨情况下，虾沟上限水深的增大，能够有效减少排渠出口断面处的洪峰流量，起到削弱洪峰的作用。同时，虾沟滞蓄上限水深越高，暴雨重现期越小，削峰作用就越明显。

表8为重现期3 d暴雨下不同虾沟滞蓄水深上限的闸前断面洪峰流量表。

表8 不同虾沟滞蓄水深下洪峰流量的比较（3 d暴雨）Tab.8 Comparison of flood peak flow under different impoundment depths of crayfish ditch（3 d rainstorm process）

由表8可知，5 a一遇3 d暴雨情况下，1.2、1.3、1.4 m的虾沟滞蓄水深上限的洪峰流量分别为2.94、2.85和2.72 m3/s。以1.2 m虾沟滞蓄水深上限为标准作比，1.3 m与1.4 m时，洪峰流量的减少比例分别为3.06%和7.48%；10 a一遇3 d暴雨情况下，1.2、1.3、1.4 m的虾沟滞蓄水深上限的洪峰流量分别为3.01、2.88和2.75 m3/s，1.3与1.4 m虾沟滞蓄水深上限时，洪峰流量的减少比例分别为4.32%和8.64%；100 a一遇3 d暴雨情况下，1.2、1.3、1.4 m的虾沟滞蓄水深上限的洪峰流量分别为3.38、3.19和3.03 m3/s，1.3与1.4 m时，洪峰流量的减少比例分别为5.62%和10.36%。

同一重现期3 d暴雨情况下，洪峰流量随着虾沟滞蓄水深上限的变大而减小，流量减少比例（以1.2 m排水深为基准）随着滞蓄水深的变大而增加。与1 d暴雨历时不同，3 d时，洪峰流量暴雨重现期的增加而变大，流量减少比列也随着重现期的增加而变大。

各重现期7 d暴雨情况下不同虾沟上限排水深的闸前洪峰流量如表9。

表9 不同虾沟滞蓄水深下洪峰流量的比较（7 d暴雨）Tab.9 Comparison of flood peak flow under different impoundment depths of crayfish ditch（7 d rainstorm process）

由表9可知，5 a一遇7 d暴雨情况下，1.2、1.3、1.4 m的虾沟滞蓄水深上限的洪峰流量分别为2.99、2.90和2.82 m3/s；10 a一遇7 d暴雨情况下，1.2、1.3、1.4 m的虾沟滞蓄水深上限的洪峰流量分别为3.16、3.03和2.85 m3/s；100 a一遇7 d暴雨情况下，1.2、1.3、1.4 m的虾沟滞蓄水深上限的洪峰流量分别为3.35、3.21和3.09 m3/s。同一重现期7 d暴雨情况下，洪峰流量随着虾沟滞蓄水深上限的增加而减小，同一虾沟滞蓄水深下，洪峰流量随着暴雨重现期的增加而变大。

5 a一遇7 d暴雨情况下，相比于1.2 m的虾沟滞蓄水深上限，1.3与1.4 m的虾沟滞蓄水深的洪峰流量分别减少3.01%和5.69%；10 a一遇7 d暴雨情况下，相较于1.2 m的滞蓄水深上限，1.3与1.4 m虾沟滞蓄水深情况下，洪峰流量分别减少4.11%与9.81%；100 a一遇7 d暴雨情况下，1.3与1.4 m的虾沟滞蓄水深的洪峰流量分别减少4.18%及7.76%。同一重现期7 d暴雨情况下，洪峰流量减少比例随着虾沟滞蓄水深上限的增加而明显变大。当重现期为10 a一遇时，1.4 m滞蓄水深上限的虾沟对干渠洪峰流量的减少比例达到最大值9.81%。此时削弱洪峰的作用最好。

3 结 论

本文对已构建的适用于平原灌区虾稻共作田降雨-径流过程模拟的TANK-MIKE 11耦合模型进行应用，在推求试验区设计暴雨过程的基础上，模拟了不同虾稻种植占比和不同虾沟上限排水深时对区域径流的影响，结论如下。

（1）同一重现期暴雨下，排区内虾稻田面积占比越大，排区泵站外排总流量越少。排区虾稻田比例现状为50%，当虾稻田面积为10%和90%时，各重现期24 h暴雨下排区的泵站启外排水量分别增加6%～12%和减少3%～12%，72 h暴雨下分别增加7%～21%和减少4%～10%，168 h暴雨下分别增加13%～28%和减少10%～18%。

（2）在合理范围内提高虾稻田虾沟上限排水水深可以大幅度降低区域排涝压力。同一暴雨重现期下，虾稻田上限排水深越高，排区泵站断面处洪峰流量越小。在各种设计暴雨下，相较于1.2 m虾沟上限排水深，1.3 m时洪峰流量减小3.01%～5.62%，1.4 m时洪峰流量减小5.79%～10.36%。