天津市典型農田排水小區排澇模數 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生了變化。氣候變化使得全球范圍內水循環過程加劇，降水量、蒸發量等水文水資源要素發生改變，降水時空分布更加不均勻[1-2]；城市化進程的加快、設施農業迅速發展導致了不透水面積增大，對雨水下滲、地表蒸發、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，結合北方平原區農田產流特性，采用合理方法對排澇模數進行研究，分析環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 典型排水小區選擇及水文數據采集

為了研究天津市農田排水小區排澇模數，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，其分別位于西青區張家窩鎮和寧河區豐臺鎮。西青區張家窩鎮排水小區，面積0.507km2，排水小區地勢平坦，以種植設施農業與經濟林木為主，2008年設施農業面積占排水小區總面積的7%，2011年底，設施農業占地面積進一步擴大，占排水小區總面積的15%，目前，設施農業占排水小區總面積的比例達到41%。寧河區豐臺鎮排水小區，面積2.93km2，緊鄰薊運河，為薊運河故道所包圍，排水小區下墊面比較單一，長期以來一直為農業用地。土壤疏松濕潤，以黏性為主，地下水位淺，存在板結現象。排水小區地表平坦無起伏，以大田作物為主。

在排水小區布設超聲流量計、自動雨量站、智能墑情監測站、地下水位監測系統和脈沖型雷達水位計等設備，分別量測排水小區泵站排水量、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，西青區張家窩鎮排水小區共采集到8場降水數據，寧河區豐臺鎮排水小區共采集到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，通常兩種產流方式交叉存在，結合天津市平原區農田的產流特性，充分考慮在北方平原區可能同時發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——下層土壤蒸散發量，mm；EU——深層土壤蒸散發量，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。

以實測降水和蒸發輸入作為對照組，設計降水變化±5%、±10%、±15%，蒸發變化±0.05mm、±0.10mm、±0.15mm，進行交叉組合，研究降水、蒸發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 設施農業對排澇模數影響分析

為研究設施農業對排澇模數的影響，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情景的排水小區產流量，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%。

西青排水小區現狀設施農業占地比例為41%情況下，排水小區的排澇模數與《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量測所需的水文數據，結合北方平原區農田產流特性，充分考慮在北方平原區可能同時發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.設施農業的發展對排澇模數影響較大，設施農業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。排水小區現狀設施農業占地比例情況下，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%。