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, 邵培寅

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节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2022 ›› (5) : 95-100.
农田水利

水稻灌区降雨径流特征及其影响因素研究

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Characteristics and Influencing Factors of Rainfall-Runoff in Rice Irrigation District

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摘要

为了研究水稻灌区降雨径流特征及其影响因素，以高邮灌区典型圩区为试验区开展不同尺度排水监测，利用农田涝水模型模拟不同降雨、稻田初始蓄水深度对农田降雨径流的影响机制。结果表明：降雨量是影响稻田排水量的主要原因，稻田排水总量随着降雨量的增加而增加，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；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，合理调控稻田水分能够减少稻田排水量，增加灌区防洪排涝能力；平原水稻灌区排水存在明显尺度效应，2013年和2014年排水支沟尺度排水量分别较稻田尺度减少35.8%和38.9%。

Abstract

To study the characteristics and influencing factors of rainfall-runoff in the rice irrigation districts， a typical polder area of Gaoyou Irrigation District was taken as the experimental area to carry out different scale drainage monitoring. The farmland waterlogging process model was used to simulate the influence mechanism of rainfall and water management of paddy fields on farmland rainfall runoff. The results showed that rainfall was the main factor affecting the drainage amount of the paddy field， and the total drainage amount increased with the increase of rainfall. The drainage amount of the paddy field was 163.80， 135.22 and 113.78 mm， respectively， in the recurrence period of 50， 20 and 10 years. Rainfall type has little effect on the total amount of paddy drainage but has a significant effect on the distribution of the paddy drainage process. When the initial water storage depth increases by 1cm， the increase of paddy drainage is about 10mm. Reasonable regulation of paddy water can reduce paddy drainage and increase flood control and drainage standards in irrigation districts. A scale effect in the drainage of plain rice irrigation areas was found in our study. In 2013 and 2014， the drainage of branch ditch scale decreased by 35.8% and 38.9%， respectively， compared with the paddy field scale.

关键词

水稻灌区 / 降雨 / 地表径流 / 影响因素

Key words

rice irrigation area / rainfall / surface runoff / influencing factors

基金

国家重点研发计划(2018YFC1508303)
长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费用项目(CKSF2019174/NY)
江西省水利厅重大科技项目(202022ZDKT07)
国家自然科学基金(51709010)

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刘凤丽 , 熊玉江 , 范乐 , 邵培寅. 水稻灌区降雨径流特征及其影响因素研究[J].中国农村水利水电, 2022(5): 95-100
Feng-li LIU , Yu-jiang XIONG , Le FAN , Pei-yin SHAO. Characteristics and Influencing Factors of Rainfall-Runoff in Rice Irrigation District[J].China Rural Water and Hydropower, 2022(5): 95-100

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38.5 oC，最低气温-18.5 oC，年平均气温14.6 oC，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

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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）。
表1 雨量频率分布参数及不同水平年设计降雨量
参数 1 h 3 h 6 h 24 h
EX/mm 40.96 63.14 81.13 110.00
Cv 0.35 0.36 0.39 0.41
Cs/Cv 2.66 2.33 2.77 2.93
P2% /mm 76.96 119.31 162.65 228.41
P5% /mm 67.68 105.12 140.95 196.10
P10% /mm 60.16 93.54 123.56 170.42
图2 典型降雨过程时程分配图

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（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。
图3 不同水平年降雨径流过程

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表2 不同水平年降雨排水过程结果表
水平年 降雨量/mm 径流量/mm 地表径流/mm 壤中流/mm 峰值/（mm·h-1） 径流系数
降雨重现期50 a 228.42 163.80 155.23 8.58 26.98 0.72
降雨重现期20 a 196.12 135.22 127.81 7.41 22.95 0.69
降雨重现期10 a 170.42 113.78 106.53 7.26 19.42 0.67

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

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表3 不同雨型降雨排水过程结果表 (mm)
雨型 降雨 排水
总量 峰值（出现时间） 总量 峰值（出现时间）
雨峰靠前 196.1 19.56 （1 h） 142.62 10.93 （8 h）
雨峰靠中 196.1 19.56 （12 h） 138.63 12.67 （15 h）
雨峰靠后 196.1 19.56 （24 h） 131.25 13.76 （24 h）
均匀降雨 196.1 8.17（/） 132.69 6.86 （24 h）

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）

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表4 不同稻田蓄水条件下稻田排水峰值与排水总量 (mm)
排水 雨型 蓄水条件
田持 饱和 1 cm 2 cm 3 cm 4 cm 5 cm
排水峰值 雨峰偏前 9.58 （8 h）* 10.93 （8 h） 11.49 （7 h） 12.09 （7 h） 12.63 （6 h） 13.22 （6 h） 13.78 （6 h）
雨峰偏中 11.93 （14 h） 12.67 （14 h） 13.61 （14 h） 14.12 （14 h） 14.49 （15 h） 14.74 （15 h） 14.94 （14 h）
雨峰偏后 13.64 （24 h） 13.76 （24 h） 15.02 （24 h） 15.48 （24 h） 15.64 （24 h） 15.70 （24 h） 15.74 （24 h）
雨峰均匀 5.98 （24 h） 6.86 （24 h） 6.87 （24 h） 6.87 （24 h） 6.88 （24 h） 6.88 （24 h） 6.88 （24 h）
排水总量 雨峰偏前 123.67 142.62 152.60 162.58 172.56 182.55 192.54
雨峰偏中 125.55 138.63 148.35 158.15 167.98 177.88 187.85
雨峰偏后 123.02 131.25 140.58 150.08 159.63 169.28 179.05
雨峰均匀 116.83 132.69 142.56 152.51 162.50 172.50 182.50
注：表中排水峰值行中数据格式为“排水峰值（峰值出现时间）”，其中排水峰值出现时间均是从降雨开始时计算。
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5 降雨前期稻田不同蓄水条件下稻田排水总量 (mm)
蓄水条件 田持 饱和 1 cm 2 cm 3 cm 4 cm 5 cm
降雨重现期10 a 107.88 113.78 117.97 125.98 135.41 144.93 154.54
降雨重现期20 a 129.32 135.22 141.39 150.78 160.26 169.81 179.45
降雨重现期50 a 156.90 163.80 172.77 182.22 191.74 201.33 210.97

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)
年份 排水尺度
农田尺度 排水斗沟尺度 排水支沟尺度
2013 1 525.3 1 235.1 978.9
2014 1 664.2 1 372.5 1 016.9

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%。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
1
张展羽，袁自瑛，孔莉莉，等. 不同毛沟布置方式下农田次降雨氮素流失特性分析［J］. 农业工程学报， 2010，26（10）：51-55.
本文引用 [1]
2
郭爱军，畅建霞，王义民，等. 近50年泾河流域降雨-径流关系变化及驱动因素定量分析［J］. 农业工程学报， 2015（14）：165-171.
本文引用 [1]
3
孔莉莉，张展羽，孟佳佳. 若干农田降雨地表径流计算方法述评［J］. 水利水电科技进展， 2010，30（2）：82-86..
本文引用 [1]
4
BIN F U， WANG Y K， REN Y， et al. Study on rain-runoff process in the peripheral mountainous area of the Sichuan Basin［J］. Chinese Journal of Geochemistry， 2008，27（2）：183-188.
本文引用 [1]
5
朱映新. 苏州市降雨径流关系及下垫面变化对径流量影响研究［D］. 南京：河海大学， 2007.
本文引用 [1]
6
张书函，康绍忠，蔡焕杰. 天然降雨条件下坡地水量转化的动力学模式及其应用［J］. 水利学报， 1998（4）：55-62.
本文引用 [1]
7
王船海，王娟，程文辉，等. 平原区产汇流模拟［J］. 河海大学学报（自然科学版）， 2007（6）：19-24.
本文引用 [1]
8
代俊峰，崔远来.基于SWAT的灌区分布式水文模型：Ⅰ.模型构建的原理与方法［J］. 水利学报， 2009，40（2）：145-152.
本文引用 [1]
9
熊玉江，徐俊增，李亚龙，等. 南方平原灌区稻田涝水过程模拟［J］. 排灌机械工程学报，2018，36（8）：725-731.
本文引用 [2]
10
韩松俊，王少丽，许迪，等. 淮北平原农田暴雨径流过程的尺度效应［J］. 农业工程学报， 2012，28（8）：32-37.
本文引用 [1]
11
夏军.水文尺度问题［J］. 水利学报， 1993（5）：32-37.
本文引用 [1]
12
李坤霖，孙勇，卫琦，等. 高邮灌区“集水期灌”稻田水平衡模型及期灌制度改进［J］. 中国农村水利水电， 2018，430（8）：60-64，71. （上接第94页）
本文引用 [1]
13
强昌林，孙玉华.城市供水加压泵站节能降耗的探索与实践［J］.中国给水排水，2013，29（2）：16-18.
14
徐波，高琛，夏辉.开孔导流墩几何参数对闸站工程前池整流效果的影响［J］.长江科学院院报，2019，36（2）：58-62.
15
江文，于建忠，傅宗甫.弯道河段下游泵站进水前池流态及整流措施［J］.人民黄河，2019，41（4）：83-87，118.
16
佟宏伟，王晓升.城市泵站调节池流态改善措施研究［J］.中国农村水利水电，2018（2）：136-139.
17
白玉川，李彬，徐海珏.大跨度泵站多人字型前池导流墩整流分析［J］.水电能源科学，2019，37（6）：75-79.
18
韩峰，梁金栋.单侧向泵站进水前池流态数值模拟与改善［J］.中国农村水利水电，2018（8）：190-193.
19
赵浩儒，杨帆，刘超.侧向进水泵站流态模拟及改善研究［J］.水利水电技术，2017，48（7）：79-84.
20
罗灿，刘超.多机组泵站侧向进水特性模拟和改进研究［J］.水力发电学报，2015，34（1）：207-214.
21
施伟，成立.水源地取水泵站水流流态数值模拟与改善［J］.南水北调与水利科技（中英文），2020，18（2）：159-176.
22
常美，徐国宾.最小能耗率原理的数值水槽模拟验证［J］.泥沙研究，2013（2）：67-71.
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