基于MIKE 模型的干溝排蓄控制方案優(yōu)選

沈濤，沈瑞，于鳳存

（1.安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院，安徽合肥 230088；2.水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蚌埠 233000）

1 骨干溝排水與蓄水控制研究

安徽省淮北平原總面積3.74 萬(wàn)km2，耕地面積205.9 萬(wàn)hm2，主要種植小麥、玉米等糧食作物，是我國(guó)重要的商品糧基地。淮北平原屬水資源緊缺地區(qū)，多年平均降水量890 mm，且降雨時(shí)空分布不均，易引發(fā)澇漬災(zāi)害。經(jīng)過(guò)多年水利治理，淮北地區(qū)洪澇漬害得到了有效控制，但隨之而來(lái)的是干旱問(wèn)題變得突出，尤其是當(dāng)時(shí)在進(jìn)行除澇工程的設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)片面強(qiáng)調(diào)排水，骨干排水溝缺乏控制工程配套，導(dǎo)致排水過(guò)度，不僅使地下水位下降，影響到原有灌溉工程效益的發(fā)揮，而且加劇了下游低洼地區(qū)的排水負(fù)擔(dān)。近年隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)水資源的需求量不斷增加，使得淮北地區(qū)水資源供需矛盾愈加突出。為此，安徽水科院研究了利用排水骨干溝控制蓄水以提高當(dāng)?shù)赜晁Y源利用效率的骨干溝排水、蓄水控制技術(shù)［1］。即在排水骨干溝上建造閘、壩等控制設(shè)施，根據(jù)降雨及作物不同生育階段對(duì)除澇降漬的需求，運(yùn)用不同的控制方案，適度攔蓄地表水，抬高溝水位和農(nóng)田地下水位，增加農(nóng)田可利用水資源量，有效提高作物產(chǎn)量，進(jìn)一步增強(qiáng)農(nóng)田旱澇漬綜合治理水平［2，3］。同時(shí)，控制排水相應(yīng)的減少了地下排水量，由此也可以減少硝態(tài)氮的淋洗損失量，從而減少硝態(tài)氮對(duì)地下水的污染［4］。

為研究排水溝控制工程在控制排水、蓄水調(diào)控等方面的機(jī)理效應(yīng)，安徽水科院自2002年起在淮北平原中部利辛縣建立了農(nóng)田排水試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)有車轍溝、駐馬溝、西紅絲溝3 條干溝，總面積80 km2，耕地面積6 000 hm2，地面高程在30～25 m 之間，2004-2020 年平均降雨量860 mm。根據(jù)多年試驗(yàn)及研究成果，對(duì)比無(wú)控制排水干溝，試驗(yàn)區(qū)利用節(jié)制閘進(jìn)行控制排水可抬高溝水位1.26～1.67 m，影響范圍內(nèi)（溝邊0～800 m）農(nóng)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］。

為進(jìn)一步研究骨干溝排水與蓄水控制效應(yīng)，采用一、二維耦合模型，模擬車轍溝排水控制區(qū)域農(nóng)田的產(chǎn)、匯流過(guò)程，研究小流域（面積10～50 km2）尺度的骨干溝排蓄控制工程對(duì)農(nóng)田水資源的調(diào)控效應(yīng)以及對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，為制定更加科學(xué)合理的排水、蓄水控制方案提供參考。

2 模型構(gòu)建

農(nóng)田排水的目標(biāo)是滿足農(nóng)作物除澇降漬要求，及時(shí)排除由于降雨產(chǎn)生的地面積水，減少淹水時(shí)間和淹水深度，并將地下水位盡快降至允許地下水埋深［6-8］。無(wú)論是除澇還是降漬，都與一定時(shí)間內(nèi)農(nóng)田排水量關(guān)系密切。為此，依據(jù)水循環(huán)與水動(dòng)力學(xué)理論，以農(nóng)田排水量最小為目標(biāo)，構(gòu)建骨干溝控制排水模擬模型，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)系列觀測(cè)資料，開展排水、蓄水控制仿真模擬計(jì)算，分析、優(yōu)選控制方案。

2.1 模擬區(qū)概化

選取車轍溝江集閘與春店閘之間的匯流區(qū)域作為模擬區(qū)，區(qū)域面積29.8 km2，地面平均高程28.2 m，主要排水工程如下：①車轍溝在江集閘至春店閘之間的溝段，長(zhǎng)度13.8 km，溝深4～5 m，上口寬25～30 m，底寬5 m，溝底比降為1/13 000；②直接匯入干溝的排水支溝28 條，均概化為梯形斷面形式，溝深1.2～3.5 m，上口寬3～15 m，底寬0.8～4 m；③干溝控制工程包括春店節(jié)制閘和江集節(jié)制閘，均按5 a 一遇除澇標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其中春店閘位于車轍溝下游出口處，設(shè)計(jì)蓄水位27.0 m，最高蓄水位27.5 m，是車轍溝排水、蓄水主要工程，江集閘位于車轍溝上游入口處，在排蓄控制中主要任務(wù)是阻擋閘址以上來(lái)水。模擬區(qū)排水工程概化網(wǎng)絡(luò)見圖1，其中M3、M4、D6均為地下水位觀測(cè)孔位置。

圖1 模擬區(qū)概化示意圖Fig.1 Generalized schematic diagram of simulation area

2.2 模型系統(tǒng)組成

選用一維水力學(xué)模型、分布式水文模型和水量平衡方程共同組成模型系統(tǒng)。一維水力學(xué)模型選用丹麥學(xué)者研發(fā)的MIKE 11HD［9，10］，輸入?yún)?shù)由溝系文件、斷面文件、邊界文件、參數(shù)文件、模擬文件等五部分組成。溝系文件通過(guò)添加底圖勾繪或ArcGIS 中處理成SHP 文件導(dǎo)入生成；斷面文件用以定義溝系文件中干溝、支溝的斷面參數(shù)；邊界文件用以定義溝系文件中每條溝系的上下游邊界條件；參數(shù)文件定義模型的初始條件和河床糙率；模擬文件集成上述所有文件，使其成為一個(gè)整體，同時(shí)定義模擬時(shí)段T、時(shí)間步長(zhǎng)ΔT、結(jié)果輸出等內(nèi)容。

分布式水文模型選用MIKE SHE 模型［9，10］，參數(shù)包括地形、降雨、蒸散發(fā)、土地利用、下墊面特性、土壤質(zhì)地類型等。地形參數(shù)反映模擬計(jì)算區(qū)下墊面特征，采用國(guó)家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)（www.tianditu.gov.cn）發(fā)布的30 m精度DEM。降雨、蒸散發(fā)采用實(shí)際觀測(cè)資料。土地利用包括道路、耕地、居民用地、水面、林地等類型。下墊面特性包括影響坡面匯流的曼寧系數(shù)、蓄滯水深和初始水深。土壤質(zhì)地類型參數(shù)包括土層分布、各層土壤水分特性參數(shù)以及用于非飽和帶下邊界的地下水位等。

水量平衡包括田間水量、干溝水量和地下水水量三部分。田間水量平衡考慮主要作物生長(zhǎng)周期內(nèi)田間貯水量、騰發(fā)量、對(duì)地下水的利用量以及灌溉水量和棄水量。干溝水量平衡包括計(jì)算時(shí)段庫(kù)容、降雨量、灌溉供水量、生態(tài)環(huán)境供水量、滲漏量以及區(qū)域進(jìn)水量和外排水量。地下水水量平衡主要考慮地下水開采量、補(bǔ)給量以及及排泄量。

2.3 目標(biāo)函數(shù)與模型求解

在農(nóng)田排水系統(tǒng)中，排水溝系的控制運(yùn)用應(yīng)首先滿足農(nóng)作物排水需求，然后才能通過(guò)控制排水技術(shù)盡可能減少區(qū)域外排水量，增加農(nóng)田可利用水資源量［11］。因此，模型構(gòu)建以區(qū)域排泄量最小為目標(biāo)，以滿足作物除澇降漬需求（作物不發(fā)生澇漬災(zāi)害，或因澇漬減產(chǎn)不超過(guò)10%）為約束。

（1）目標(biāo)函數(shù)。

式中：SW為排水總量，指通過(guò)車轍溝排到控制區(qū)域以外的水量；SWi為第i時(shí)段排水量；i為計(jì)算時(shí)段；n為計(jì)算時(shí)段總數(shù)。

（2）除澇降漬需求。

①地表積水時(shí)間：

式中：Ti、TNi分別為第i時(shí)段地表積水時(shí)間和允許積水時(shí)間，d。

由于區(qū)域有一定的地面落差，此處積水時(shí)間是指位于車轍溝中段田間觀測(cè)點(diǎn)（M3、M4）的積水時(shí)間。

②受漬埋深：

式中：Zi、ZNi分別為第i時(shí)段地下水位埋深和作物受漬臨界埋深，m。

③地下水埋深：

式中：Zi、ZUi、ZDi分別為第i時(shí)段地下水位埋深、適宜埋深上限和適宜埋深下限，m。

根據(jù)已有研究成果，淮北平原主要農(nóng)作物小麥、玉米不同生長(zhǎng)階段地表允許積水時(shí)間、受漬臨界埋深和適宜地下水位埋深見表1。

表1 小麥、玉米排水約束指標(biāo)Tab.1 Drainage constraint indexes of wheat and maize

（3）模型求解。結(jié)合溝系斷面、水文地質(zhì)、控制工程水位、雨量站點(diǎn)實(shí)測(cè)系列數(shù)據(jù)以及歷史洪澇災(zāi)害等已有資料，利用MIKE SHE 與MIKE11HD 耦合模型，模擬包括蒸散發(fā)、地表徑流、地下水流和明渠流及其相互作用的水文循環(huán)過(guò)程。

2.4 模型率定與驗(yàn)證

利用2020 年1 月1 日-2020 年12 月31 日觀測(cè)孔M3、D6 實(shí)測(cè)資料與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，率定模型土壤分層及特性參數(shù)，擬合優(yōu)度檢驗(yàn)可通過(guò)計(jì)算擬合優(yōu)度R2來(lái)判定。農(nóng)田地下水位實(shí)測(cè)資料來(lái)自于觀測(cè)孔M3、D6（與車轍溝的垂直距離分別為150 m 和700 m，分布點(diǎn)位見圖1）。經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，將率定期M3、D6觀測(cè)孔地下水位模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，R2分別為0.775、0.727，擬合結(jié)果見圖2。模擬結(jié)果表明，模型能較好的模擬計(jì)算區(qū)地下水位變化情況。率定后土壤分層及特性參數(shù)見表2。

表2 土壤分層及特性參數(shù)Tab.2 Soil stratification and characteristic parameters

圖2 率定期（2020年）M3、D6地下水位模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)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 日為驗(yàn)證期，將驗(yàn)證期觀測(cè)孔M3 和D6 模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。觀測(cè)孔M3 地下水位擬合R2=0.782，觀測(cè)孔D6 地下水位擬合R2=0.736，擬合對(duì)比情況見圖3。驗(yàn)證結(jié)果表明，模型率定的參數(shù)取值結(jié)果合理可信。

圖3 驗(yàn)證期（2019年）M3、D6地下水位模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Comparison of simulated and measured values of M3 and D6 groundwater levels during the verification period（2019）

3 模擬結(jié)果及分析

利用長(zhǎng)系列觀測(cè)資料，擬定不同的控制運(yùn)行方案，對(duì)模擬計(jì)算區(qū)2011 年1 月-2020 年12 月溝道水位、農(nóng)田地下水位、蒸散發(fā)量、排水量等進(jìn)行模擬計(jì)算，分析不同方案的農(nóng)田積水、地下水變化和作物產(chǎn)量，以排水量最小為目標(biāo)，以減產(chǎn)率為約束，優(yōu)選溝道水位、農(nóng)田地下水位控制方案。

3.1 模擬方案

計(jì)算時(shí)段選取2011年1月-2020年12月，共10 a，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)累計(jì)3 653 d。溝水位控制方案如下：①方案0，即無(wú)控制方案，干溝下游出口處自由排水；②方案1，按干溝節(jié)制閘原設(shè)計(jì)蓄水方案進(jìn)行控制，當(dāng)閘上水位達(dá)到27.0 m（設(shè)計(jì)蓄水位）時(shí)即開閘放水，閘上水位降至25.5 m 關(guān)閘；③方案2，當(dāng)閘上水位達(dá)到27.5 m（最高蓄水位）開閘泄水，閘上水位降至26.5 m關(guān)閘；④方案3，當(dāng)閘上水位達(dá)到27.5 m（最高蓄水位）開閘泄水，閘上水位降至27.0 m 關(guān)閘；⑤方案4，當(dāng)閘上水位達(dá)到27.0 m（設(shè)計(jì)蓄水位）開閘泄水，閘上水位降至26.0 m 關(guān)閘；⑥方案5，當(dāng)閘上水位達(dá)到27.0 m（設(shè)計(jì)蓄水位）開閘泄水，閘上水位降至25.0 m關(guān)閘。

根據(jù)已有研究成果，模擬區(qū)農(nóng)田地下水位受溝水位影響明顯，干溝節(jié)制閘對(duì)溝兩側(cè)地下水位影響范圍為0～800 m［1］，選取中游溝段距離溝邊400、600 m觀測(cè)點(diǎn)的地下水位進(jìn)行分析研究，取其平均值作為模擬區(qū)農(nóng)田地下水位。

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 水量平衡

模擬區(qū)2011 年1 月1 日-2020 年12 月31 日總降雨量8 111 mm，不同方案年均水量平衡計(jì)算結(jié)果見表3。在對(duì)所有方案年均水量平衡比較中看出，蒸散發(fā)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通過(guò)控制排水比無(wú)控制排水減少外排水量108.8 mm，占年均降雨量13.4%。說(shuō)明控制工程對(duì)攔蓄降雨徑流、調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田水資源有明顯效果。

表3 不同控制方案年均水量平衡要素統(tǒng)計(jì)mmTab.3 Statistics of annual average water balance elements for different control schemes

3.2.2 骨干溝水位

不同控制方案干溝水位（閘前水位）模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。不同控制方案中，骨干溝多年平均水位以方案3 最高，達(dá)到27.12m，方案1 為26.32 m，方案0 為24.99 m，控制工程對(duì)溝水位調(diào)控效果明顯，不同控制方案之間也有一定差別。

表4 不同控制方案骨干溝水位統(tǒng)計(jì)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，埋深最大的為方案0（無(wú)控制方案）。方案3 與方案0比較，地下水平均抬高達(dá)1.76 m，汛期、非汛期分別抬高1.89 m和1.71 m。不同控制方案地下水埋深模擬結(jié)果見圖4。

圖4 不同模擬方案地下水埋深特征值Fig.4 Characteristic values of groundwater depth in different simulation schemes

以中游溝段距離溝邊400、600 m 田間觀測(cè)點(diǎn)為代表，統(tǒng)計(jì)該點(diǎn)位地表積水、受漬埋深、達(dá)到適宜地下水位等發(fā)生天數(shù)，取其平均值，列于表5。地下水埋深淺于受漬臨界埋深的天數(shù)以方案3 最多為264 d、占比7.2%，其次為方案2，無(wú)控制方案最少、僅為10 d；適宜地下水埋深的天數(shù)以方案3 最多，其次為方案2，無(wú)控制方案最少、僅為39 d。

表5 不同模擬方案地表積水與各特征地下水埋深統(tǒng)計(jì)dTab.5 Statistics of surface water and groundwater depth of different simulation schemes

3.3 控制方案優(yōu)選

根據(jù)不同方案模擬初步結(jié)果，控制排水可減少農(nóng)田排水量、抬升溝水位和農(nóng)田地下水位，但抬升溝水位和地下水位后，澇漬風(fēng)險(xiǎn)加大，尤其是豐水年份更是存在引發(fā)澇漬災(zāi)害的可能，需要對(duì)控制排水方案進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。根據(jù)前述模擬結(jié)果，控制排水對(duì)溝水位和地下水埋深抬升的幅度隨控制運(yùn)用方案不同而不同，因此，可以通過(guò)優(yōu)化控制運(yùn)用方案，使地下水位控制在合理區(qū)間，以減少澇漬災(zāi)害發(fā)生幾率。

3.3.1 澇漬影響分析

根據(jù)2011 年1 月-2020 年12 月長(zhǎng)系列不同方案模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析地表積水、地下水位、作物減產(chǎn)率等指標(biāo)的變化情況，結(jié)果見表6。表中地表允許積水時(shí)間指作物持續(xù)淹水且不受災(zāi)時(shí)允許的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間；受澇減產(chǎn)率指地表連續(xù)積水時(shí)間超過(guò)允許積水時(shí)間后每天的減產(chǎn)幅度［11，12］；累計(jì)受澇減產(chǎn)率是指多次減產(chǎn)率的累加值；受漬減產(chǎn)率是指地下水埋深淺于受漬埋深超過(guò)3 天后每天的減產(chǎn)率［13-15］；累計(jì)受漬減產(chǎn)率是多次受漬減產(chǎn)率的累加值。

表6 作物受澇漬減產(chǎn)統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistics of crop yield reduction due to waterlogging

從表6 中模擬結(jié)果可知，在小麥生長(zhǎng)期因地面積水導(dǎo)致的澇災(zāi)損失均發(fā)生在10月份，控制方案2和方案3均有減產(chǎn)，其他方案無(wú)減產(chǎn)情況，減產(chǎn)率大小與調(diào)控水位密切相關(guān)，控制水位越高減產(chǎn)率越大；在玉米生長(zhǎng)期因地面積水導(dǎo)致的澇災(zāi)損失多發(fā)生在7月份，各方案中方案2、方案3、方案4均出現(xiàn)減產(chǎn)，方案3控制水位最高，相應(yīng)減產(chǎn)率最大。

在小麥生長(zhǎng)期因受漬導(dǎo)致的損失主要發(fā)生在10月份，除方案0（無(wú)控制）外，其他方案均出現(xiàn)受漬減產(chǎn)，減產(chǎn)率大小與調(diào)控水位關(guān)系密切，調(diào)控水位越高減產(chǎn)率越大；在玉米生長(zhǎng)期因受漬導(dǎo)致的損失多發(fā)生在7、8 月份，調(diào)控方案中除方案5 外均出現(xiàn)減產(chǎn)，其中方案1 年均減產(chǎn)率9.4%，方案3 減產(chǎn)率最大，年均減產(chǎn)率達(dá)到29.3%。

3.3.2 控制方案優(yōu)選

根據(jù)不同方案澇漬統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以作物不受災(zāi)（減產(chǎn)率≤10%）、排水量相對(duì)較小為目標(biāo)，分析提出最優(yōu)控制方案及其對(duì)應(yīng)的溝道水位和農(nóng)田地下水位。各方案中，方案3 外排水量最少，但小麥、玉米減產(chǎn)率均超過(guò)10%，不滿足作物不受災(zāi)的約束條件；其他方案雖然滿足減產(chǎn)率約束條件，但排水量較大。

模擬區(qū)主要農(nóng)作物為小麥和玉米，小麥澇漬災(zāi)害發(fā)生在非汛期（10-5月），玉米澇漬災(zāi)害發(fā)生在汛期（6-9月），綜合考慮降雨及作物因素，以作物受災(zāi)減產(chǎn)率≤10%為約束，從盡量減少排水量的角度出發(fā)，對(duì)原控制方案進(jìn)行優(yōu)化，在小麥生長(zhǎng)期采用方案3、玉米生長(zhǎng)期采用方案1，組合成新的控制方案作為優(yōu)化方案，即汛期閘上水位達(dá)到27.0 m 時(shí)即開閘放水、降至25.5 m時(shí)關(guān)閘，非汛期閘上水位達(dá)到27.5 m 時(shí)開閘泄水、降至27.0 m時(shí)關(guān)閘。

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算期內(nèi)降雨總量8 111 mm，蒸散發(fā)量6 636 mm，外排水量1 424 mm，溝道及土壤儲(chǔ)水量51 mm；多年平均溝水位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，其中位于適宜地下水埋深區(qū)間557 d。優(yōu)化方案年均減產(chǎn)率小麥為7.0%、玉米為10.7%，總體減產(chǎn)幅度小于10%。優(yōu)化方案比無(wú)控制排水方案減少外排水量707 mm，占降雨總量8.7%；增加溝道及農(nóng)田蓄水量589 mm，占降雨總量7.3%。

4 結(jié)論

根據(jù)模擬結(jié)果，利用干溝節(jié)制閘進(jìn)行排水、蓄水控制可有效抬升溝水位和地下水位，抬升的幅度隨控制方案不同而變化，溝水位控制的越高，對(duì)地下水位的抬升效果越明顯。淮北平原主要農(nóng)作物為小麥和玉米，小麥澇漬災(zāi)害主要發(fā)生在10月份［14］，玉米澇漬災(zāi)害主要發(fā)生在7、8 月份［15］。根據(jù)優(yōu)化方案及模擬結(jié)果，結(jié)合淮北平原區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)、節(jié)制閘特性，在淮北平原區(qū)以節(jié)制閘為控制工程的骨干溝，汛期（6-9 月）溝水位控制應(yīng)以除澇降漬為主，最高蓄水位按設(shè)計(jì)蓄水位控制，閘前水位低于設(shè)計(jì)蓄水位1.5 m 時(shí)關(guān)閘蓄水，即溝水位應(yīng)低于地面平均高程1.2 m 以上；非汛期（10-5月）溝水位控制以蓄水為主，最高蓄水位可在設(shè)計(jì)蓄水位基礎(chǔ)上提高0.5 m 左右，閘前水位低于最高蓄水位0.5 m時(shí)即可關(guān)閘蓄水。

淮北平原屬于旱澇交替區(qū)，通過(guò)干溝節(jié)制閘進(jìn)行排蓄控制，不僅能夠減少外排水量、減輕農(nóng)田面源污染，而且能夠抬高地下水位、增加蓄水量以補(bǔ)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溝水位、地下水位，以及可能引發(fā)的澇漬減產(chǎn)情況，沒(méi)有分析因增加蓄水而減輕旱災(zāi)以及作物增產(chǎn)情況。