农田灌排系统雨洪调蓄模拟及分析

摘要 为探究农田、沟渠、塘堰、小型水库等组成的农田灌溉排水系统（简称“田-沟-塘-库”系统）对雨洪调蓄的影响，以江西省灌溉试验中心站研究基地的农田灌溉排水系统为研究对象，运用环境流体动力学模型（environmental fluid dynamics code，EFDC）构建典型小型灌溉排水系统的水量平衡模型，评估不同降雨频率下农田、塘堰和水库采用不同水管理模式对排水口洪峰流量、排水量的影响。结果表明：系统排水沟在正常水管理状态下，通过蓄积一定的雨洪资源可以削减排水口洪峰流量29.55%，减少排水量31.08%；与淹水灌溉模式相比，间歇灌溉模式系统排水量减少12.69%；当塘堰控制水深为0.6 m时，系统排水量最小。模拟结果表明，农田灌排系统可以削减径流峰值、减少排水量，具有良好的蓄雨调洪能力。

关键词 灌溉排水；环境流体动力学模型；雨洪调蓄；情景分析

中图分类号 S 27  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）24-0177-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.038

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Simulation and Analysis of Rain and Flood Regulation and Storage in Farmland Irrigation and Drainage System

GONG Lai-hong1，CAI Shuo2，ZHAO Shu-jun3 et al

（1.Jiangxi Authority of Water Conservancy Project of the Ganfu Plain，Nanchang，Jiangxi 330096;2.Jiangxi Central Station of Irrigation Experiment，Nanchang，Jiangxi 330201;3.China Three Gorges University，Yichang，Hubei 443002）

Abstract In order to explore the influences of farmland irrigation and drainage system composed of farmland，ditch，pond weir and small reservoir （referred to as “farmland-ditch-pond-reservoir” system） on rainwater regulation and storage，we took farmland irrigation and drainage system of the research base in Jiangxi Central Station of Irrigation Experiment as the research object，and used the environmental fluid dynamics code （EFDC）model to construct water balance model of the typical small irrigation and drainage system，and evaluate the influences of different water management model of farmland and pond weir，and reservoir on outlet peak discharge and the  drainage volume of the system under different rainfall frequencies.The results showed that the system could reduce the peak outlet runoff by 29.55%，and reduce the drainage volume by 31.08% under the normal water management status.The drainage volume of the intermittent irrigation mode was reduced by 12.69% compared with that of flooded irrigation mode.The drainage volume of the system was the minimum when the controlled water depth of the pond weir was 0.6 m.The simulation results showed that the farmland irrigation and drainage system could reduce the peak runoff  and drainage volume，and it had a good rainwater storage and flood regulation capacity.

Key words Irrigation and drainage;EFDC;Rain and flood regulation and storage;Scenario analysis

稻田、排水沟、塘堰和水库共同组成了我国南方灌区典型的农田灌溉排水系统，在保障粮食生产上发挥了重要的作用。稻田在一定程度上具备蓄雨调洪的功能。Smiley等^［1］根据稻田对雨洪资源的调节作用，提出了稻田的防洪蓄雨功能。Matsuno等^［2］对稻田功能价值进行了评价，发现稻田的防洪蓄雨功能得到了广泛研究。黄璜^［3］通过调查研究发现湖南省内稻田具备“隐形水库”的功能。王传娟等^［4］通过构建稻田水量平衡模型，研究发现稻田能有效蓄存雨水减缓涝灾，且稻田不同灌溉模式中浅湿调控灌溉模式具有更好的节水、蓄雨效果。塘堰系统也有一定的纳洪调蓄能力，郑祖金等^［5］在研究塘堰拦蓄雨洪资源的能力时，提出了拦蓄系数，并将其用于衡量塘堰对地表径流的调蓄能力。Ferrati等^［6］通过构建水平衡模型，模拟分析了Esteros del Ibera湿地的水位动态变化过程。李玲君等^［7］改进了WRSIS（灌溉-排水-湿地综合管理系统）中的湿地系统、灌排系统、田间水位控制系统，并将其应用在我国南方水稻灌区，减少了灌溉水量。董斌等^［8］、魏小华等^［9］在广西青狮潭灌区和湖北漳河灌区的田间试验表明，农田灌排系统削减了灌溉水量，拦截了地表径流，此外它对水质有净化作用。此外，通过合理控制灌区灌排系统的灌排水量，可以重复利用农田排水，减轻下游防洪压力^［10］，减少农田氮磷污染物排放^［11-12］。

目前，大部分学者^{［4，13-14］}以稻田、排水沟、塘堰湿地、水库及灌溉排水系统的单一个体为研究对象来研究水平衡过程，而关于“田-沟-塘-库”系统联合调度水量的报道较少。对于灌溉排水系统，大多采用水文模型或数值模型，从流域或灌区角度评价节水灌溉措施对系统出口水量、水质的影响，而关于水库管理和湿地水管理对水量影响的研究较少。环境流体动力学模型（environmental fluid dynamics code，EFDC）是一种兼备水动力和水质模拟计算的综合性数学模型^［15-16］，主要应用于湖泊、河口、湿地、排水沟的水量、水质、泥沙等过程的水动力模拟^［17-19］，比如Okeechobe湖^［20］、Tasman and Golden海湾^［21］、St.Lucie河口^［22］等，在水库、湿地和排水沟的水动力、水质和泥沙模拟中也有较好的模拟效果^［23-26］，可作为灌区农田灌排系统纳洪减污效应综合评价研究的方法^［27］。

笔者选取江西省灌溉试验中心站内已建成的“田-沟-塘-库”农田灌溉排水系统为研究对象，基于实地调研、实测数据资料建立EFDC水量平衡模型，模拟不同情景模式下的水力动力学过程，以系统总排水口的实测和模拟径流过程评估“田-沟-塘-库”系统的蓄雨调洪能力，以期为江西乃至南方地区的雨洪调蓄提供理论参考和实践指导。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

江西省灌溉试验中心站位于鄱阳湖流域赣抚平原灌区内，灌区内农业生产模式主要为双季水稻，灌区流域经纬度为115°49′～116°46′E，28°24′～29°46′N，平均海拔约20 m，南北走向170 km，最大宽度约70 km。试验区土壤多为红壤性水稻黏土，黏土多以高岭石-石英-蒙脱石为矿物组成成分，盐基饱和度较低（10.00%～25.00%）。土壤呈酸性，pH 4.50～6.50。

试验以江西省灌溉试验中心站内已建成的“田-沟-塘-库”农田灌溉排水系统（图1）为研究对象。系统中，农田区域地势呈北高南低，主农田排水沟位于稻田东侧，区域内田块按水稻不同处理分别管理。该研究涉及面积8 400 m2的试验稻田4块，长度110 m的排水沟1条，面积460 m2的塘堰3个。稻田排水进入排水沟后输运至塘堰，最终汇入面积680 m2的水库进行储水调蓄。

1.2 数据来源

以水稻全生育期稻田水量变化过程为研究对象，通过试验和模型相结合的方法开展研究，所需资料来源于江西省灌溉试验中心站长系列灌溉试验和现场实地调研。其中，降雨资料来源于研究基地气象站1978—2019年的气象资料。50%年单日最大降雨量为111.70 mm，出现在2008年5月28日，并以该次降雨为典型降雨条件开展模拟。

EFDC模型水动力模块需要搜集地形资料、流量资料、气象要素资料、水工建筑物资料、水管理措施等资料；输出项包括三维流速、水深、流量等随时间变化的变量。

稻田的水平衡过程由试验场内的需水量测坑测得，降雨量数据来自试验场内的标准气象场，蒸发蒸腾量、排水量、灌溉用水量由测坑实测。稻田排水处、排水沟、塘堰和水库的进水、出水位置均设矩形薄壁堰，用于水量计量；在薄壁堰处设置HOBO-U20-001-04型号水位计，记录数据间隔5 min。塘堰和水库通过管道连接，水库的出水口为管道，管道上安装水表，逐日计量塘堰至水库进水量和水库排水量。

1.3 模型原理

EFDC模型水动力过程的计算采用Sigma坐标下的动量和质量守恒原理及方程，主控方程采用外模与内模分裂的方法进行数值求解，网格内和网格间可以在水量平衡过程计算的同时，对动力学过程进行计算，能够满足农田灌排系统最小单元及日尺度上的径流过程计算。乔斌^［28］、王晓玲等^［29］利用EFDC模型对研究区内的农田、排水沟、塘堰进行了概化，研究了农田排水沟和塘堰降雨径流过程及其氮磷净化效果。该研究将小尺度的灌溉排水系统概化为一个有自由水面的大水箱，将稻田、塘堰、水库概化为小水箱，小水箱内又划分成多处网格，可开展水量平衡计算，系统内各单元的水动力计算过程适用于排水沟、系统出口径流模拟。该研究选取EFDC模拟农田灌排系统对雨洪调蓄的影响。

研究区采用正交笛卡尔网格划分，二维地形数据、高程数据由全站仪测得。稻田区域面积8 400 m2，长170.00 m，宽68.00 m，矩形网格尺寸大小为5.70 m×5.70 m；塘堰总面积1 380 m2，共3个塘堰，矩形网格尺寸0.60 m×0.60 m；水库面积680 m2，矩形网格尺寸0.60 m×0.60 m；“田-沟-塘-库”系统共划分7 320个网格，网格划分结果如图2所示。网格划分后，将高程数据导入EFDC模型，网格区域变为三维网格计算模型。

1.4 模型的构建和率定

1.4.1 模型的构建。模型的构建涉及边界条件、初始条件、模型运行参数等。边界条件：模型的边界条件需要确定模型流量边界、建筑物边界、气象要素等边界条件。模型的初始条件包括水位初始条件、底部糙度等初始条件；模型的其他参数包括水动力计算的参数、时间步长参数等。

1.4.1.1

边界条件。①流量边界包括入流和出流边界，模拟时以稻田的逐日灌溉流量、逐日排水流量的时间序列为入、出流边界；②水工建筑物边界，包含稻田、塘堰、水库等设置的田埂和稻田-排水沟以及排水沟-塘堰所设置的薄壁堰；③开、闭边界，包含模型区域与外界发生流量交换的部分，该研究中闭边界为稻田、排水沟、塘堰、水库等，其设置目的是避免与外界发生水体交换；④三维网格计算模型的上边界为自由水面边界，下边界为固壁边界。