稻田水量調控模擬計算及分析

王傳娟，王少麗，陳皓銳，陳 至

(1.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100048；2.國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京 100048；3.江蘇方洋集團方洋水務有限公司, 江蘇 連云港 222000)

中國是世界上洪澇災害最為頻繁且嚴重的國家之一，洪澇災害對社會經濟發展的負面影響巨大[1]。近年來，由于全球氣候變化，人類活動頻繁，洪澇災害的突發性、異常性和不可預見性日益凸顯，防洪除澇面臨巨大挑戰。Shimura根據稻田對洪水的調節作用，于20世紀80年代最早提出了稻田的防洪功能[2]。研究表明稻田具有減輕洪水、涵養地下水、凈化水質、控制水土流失、凈化空氣、減緩氣候變化、保護生物多樣性、休閑娛樂等多功能價值[3]。Matsuno[4]等人總結了200多篇稻田多功能性價值研究文獻，指出研究最多的是稻田防洪控制功能，采用的分析方法包括水文頻率曲線法、蒙特卡羅方法、水文模型模擬等，管理措施主要有河流綜合治理、受益者承擔相應防洪費用等，這些分析方法和管理措施給亞洲季風地區未來稻田研究和應用實踐提供了參考。Kim等人[5]開發了稻田日常水平衡模型，模擬評估了水稻種植期間稻田的儲水量，研究表明，汛期降雨在425～851 mm之間稻田的平均儲水量為333 mm。Sujono[6]分析了3種稻田不同灌溉模式下稻田的滯洪功能。Kim等人[3]研究指出稻田相對大壩的防洪作用更分散，稻田中儲水就像許多小型水庫。稻田的蓄雨調洪功能已經在日本、韓國等國家得到廣泛認可，但中國研究相對較少。中國是世界上最大的水稻生產國，擁有全球最大的稻田生態系統[2]，發揮稻田的防洪控制功能對防洪減災至關重要。江蘇省地處亞熱帶季風氣候區，是中國東部經濟發展最活躍的省份之一，同時也是暴雨出現頻率較高的省份之一，通過稻田的蓄雨滯澇功能結合有效的管理措施，既減輕洪澇災害又實現節水灌溉，值得關注和研究。

1 試驗材料與方法

1.1 田間試驗

試驗區位于江蘇省高郵灌區南部的龍奔鄉周邶墩村境內。該試驗區屬于北亞熱帶季風氣候區，易澇易旱，年平均氣溫15 ℃，年平均降雨1 030 mm，年平均相對濕度67%，無霜期217 d。當地實行稻麥輪作，水稻品種為中稻，通常6月上旬泡田，6月中旬插秧，10月中旬收獲，栽培方式包括插秧和直播兩種。耕層土壤為黏壤土，全年淺層地下水位埋深為0.5～1.2 m。

田間試驗于2014-2015年的水稻生長季節進行。試驗區為一條斗渠(龔莊三斗)和兩條斗溝(見圖1)的控制區域，斗渠和斗溝灌排相間布置，兩斗溝間距200 m，斗渠控制面積18.67 hm2，典型田塊規格30 m×90 m。排水溝斷面為梯形，斗溝A(北側)：上口寬約2 m，底寬0.9 m，溝深約1 m；斗溝B(南側)：上口寬約2 m，底寬0.4 m，溝深約1 m。試驗區斗渠灌水通過沿線設置的放水口進入田間，稻田排水通過排水溝進入中市河。

圖1 試驗區布置圖Fig.1 Layout of experimental area

在試驗區不同位置安置水尺，田間自計水層觀測和人工觀測相結合,每日記錄一次田間水層變化，灌水期間每日上下午定時測量斗渠渠首斷面水位和流速，斗溝末端出口斷面每日定時測量水位及流速，灌溉期間和降雨期間加密觀測。根據觀測的水位確定過流斷面，采用流速面積法計算斷面流量，建立水位流量關系，用連續的自計水位數據得到流量變化過程。

1.2 模型構建

水稻生育期間各階段的稻田水分變化取決于來水量和去水量的變化，來水主要有降雨量、 灌溉量，去水主要有作物騰發量、下滲量、排水量，根據水量平衡原理，水稻生育期內的水平衡可用如下方程表示：

Ht=Ht-1+Pt+It-ETt-Dt-St

(1)

式中：Ht為第t天的稻田水層深度，mm；Ht-1為第t-1天的稻田水層深度，mm；Pt為第t天的降雨量，mm；It為第t天的灌水量，mm；ETt為第t天的作物騰發量，mm；Dt為第t天的排水量，mm；St為稻田第t天的滲漏量，mm。

根據日氣象觀測資料，采用Penman-Monteith公式[7]計算參考作物騰發量：

(2)

式中：ET0t為第t天參考作物騰發量，mm；Rn為凈輻射，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；U2為2 m高處的風速，m/s；es和ea分別為飽和水汽壓和實際水汽壓，kPa;Δ為飽和水汽壓-溫度曲線上的斜率，kPa/℃;γ為溫度計常數，kPa/℃，凈輻射可以根據凈短波Rns減去凈長波輻射Rnl計算。

采用單作物系數法計算水稻的逐日騰發量：

ETt=KctET0t

(3)

式中：Kct為第t天的作物系數；其他符號意義同上。

稻田滲漏是田間耗水主要組成部分，不同地區稻田滲漏量變化幅度較大，稻田田間存在水層時，采用如下公式[8]計算田間滲漏量：

St=aHt+b

(4)

式中：St表示第t天的稻田滲漏量，mm；a、b為參數，根據田間水層、降雨、灌溉、作物騰發、排水觀測值，采用方程式(1)進行擬合。

稻田田間無水層時，根層土壤水下移滲漏量采用下式[8]進行估算:

(5)

式中：K0為飽和水力傳導度，本研究根據田間鉆孔抽水試驗結果取0.2 m/d；α為經驗常數，一般為50～250，土壤越黏重，其值越大，本研究取180；t為土壤含水率飽和狀態達到第t天水平時所經歷的時間，d；H根層為水稻主根層深度，取0.3 m。

1.3 模型率定及驗證

水稻作物系數值參照羅玉峰等[7]在高郵灌區的研究結果，將水稻生長階段劃分為初始期、發展期、中期和末期等4個階段，試驗區水稻生長4個階段時間分別為20、30、55和30 d，對應的Kc，ini、Kc，mid、Kc，end分別為0.942、1.488、0.94。根據實測值擬合田間滲漏量與田間水層相關關系式，另據實際觀測，取最大滲漏量為5 mm/d，參數a、b值通過率定獲得。

利用2015年7月田間水層觀測值與模擬值進行率定，根據圖形吻合程度直觀判斷模擬效果，同時采用統計學方法中的統計參數對模型模擬的效果進行定量驗證評價：

(8)

圖2為2015年7月份的模擬田面水層與實測田面水層對比圖，稻田滲漏擬合參數a值為0.3，b值為1，對應平均滲漏量2.8 mm/d，與南方黏壤土地區單季中稻平均滲漏強度相符合[9]。從直觀上看田間水層模擬值與實測值趨勢一致，偏離程度不大。從定量上分析，該模擬時段對應相關系數R值為0.84，表明模擬值與實測值具有較好的相關一致性，平均偏差值-0.6 mm，表明模型低估了田面水層，平均絕對偏差3.6 mm，表明模擬值平均偏離觀測值的程度不大，選用參數值能較好地反映當地實際情況。

采用相同的參數a，b值，由于2014年觀測值有限，使用2014年7月10日-7月19日的觀測值進行驗證，圖3為2014年模擬值與實測值對比圖，從圖3中可以看出模擬值與實測值偏差不大，圖形吻合較好，從統計參數來看R值為0.88，平均絕對偏差為3.0 mm，模型模擬效果較好，總體來看模型能夠較好地適應于試驗區條件。

圖2 2015年田面水層實測值與模擬值對比Fig.2 Comparison of measured and simulated values of ponding depth in 2015

圖3 2014年田面水層實測值與模擬值對比Fig.3 Comparison of measured and simulated values of ponding depth in 2014

2 稻田水量調蓄管理

稻田水量調蓄受降雨量、騰發量、灌溉方式等影響，分析降雨量和騰發量的年際變化規律，并模擬分析不同頻率年及稻田不同灌溉模式條件下稻田水量平衡。其中稻田不同灌溉模式各生育期的水層控制指標參照黃俊友[10]在江蘇地區的研究結果，如表1所示，水稻淺濕灌溉是淺水與濕潤反復交替、適時落干，淺濕干靈活調節的一種間歇灌溉模式；水稻淺濕調控灌溉是把淺水、濕潤、間歇3種灌溉方法科學的結合在一起灌溉模式。表1中Hmin為各生長期水稻所需要的水深下限(mm)，Hmax為各生長期水稻適宜水深上限(mm)。根據測量當地土壤物理性質得到土壤密度1.2 g/cm3，飽和含水量為30%，根層土壤深取0.3 m。

表1 稻田不同灌溉模式水層控制指標Tab.1 The water control indicators for different irrigation techniques

注：HL為稻田根層深度，mm；θs為土壤飽和含水率，%。

稻田調蓄過程中，稻田田面與田埂間高度為潛在儲存量，為保證水稻生長要求，水稻各生長階段需要保持適宜的田間水層深度，經過一段時間的消耗，當田面水層低于適宜水層下限，需要進行灌水至適宜水層上限，此時若有降雨則儲存在田間，當田面水層超過水田允許耐淹深度，則多余降水需全部排掉至耐淹深度[11]，每日稻田相應的灌排規則表示如下：

(9)

式中：STt為第t天稻田蓄雨量，mm；Hp為水稻耐淹深度，mm。

2.1 不同頻率年稻田水量調蓄計算

降雨量和騰發量是影響稻田水平衡的主要要素，利用Mann-Kendall方法[12,13]分析1960-2015年54 a生育期降雨量與騰發量的演變規律，其中1967年和1968年數據缺失，如圖4和圖5所示，降雨量隨時間呈下降趨勢，線性減少率為0.51 mm/a，但下降趨勢并不顯著；騰發量隨時間呈一定上升趨勢，在20世紀90年代中后期上升明顯。水稻生育期降雨量減少，騰發量增加，灌溉需水量則相應增大，根據Penman-Monteith公式，水稻騰發量受氣溫、相對濕度、平均風速和日照時數等氣象因素影響，騰發量增加，表明氣象因素的變化趨勢有利于水稻生長，既要滿足逐漸增大的灌溉需水量同時要改變灌溉用水浪費現狀，因此需要合理利用生育期降雨，增加稻田蓄雨量，推廣和采用合理的灌溉模式實現節水灌溉。

圖4 水稻生育期降雨量多年變化Fig.4 Dynamic of precipitation in rice growth period

圖5 水稻生育期ETt多年變化Fig.5 Dynamic of evapotranspiration in rice growth period

根據54 a稻田生育期降雨量的頻率P計算，取不同頻率值范圍P<37.5%、37.5%62.5%[14]為豐水年組、平水年組、枯水年組，其中豐水年組和枯水年組均有20 a，平水年組有14 a。采用表1常規灌溉中各生育期水層控制標準計算每組年型下的各年份水平衡要素，每組取均值，以消除特殊情況帶來的差別，計算結果如表2所示。

表2 不同頻率年水量調蓄計算平均值Tab.2 The average water balance components in different frequency years

對比豐平枯年型平均值計算結果(見表2),從稻田蓄雨角度分析，稻田蓄雨量隨年型變化明顯，豐水年年均蓄雨量比平水年多105 mm，平水年年均比枯水年多86 mm，降雨量大的年份相對蓄雨量大。定義稻田蓄雨量占降雨量的比例為稻田雨水利用率，豐、平、枯年型下稻田年均雨水利用率分別為67.3%、77.6%、84.5%，枯水年由于降雨量較小，大多降雨都能存蓄在田間得以利用，因此雨水的利用效率更高。從稻田灌水角度分析，豐、平、枯水年各年年均灌水量分別為521.5、618.8、755.1 mm，相鄰年型年均差別100 mm左右，一般而言降雨量少的年份灌水量相應增加，田間水分無法得到雨水的及時補充只能通過灌溉進行補充。

分析可知，稻田調蓄水量受氣象條件影響較大，選取典型年份進一步分析，如表3所示。一方面，降雨量級及時間分布對灌溉需水量、稻田蓄水量影響較大。同一典型年下，如豐水年中，1991與2003年降雨量、騰發量、滲漏量相近，但其余要素差別明顯，與2003年相比，1991年灌水量多158 mm，排水量多285 mm，蓄水量少188 mm。1991年6月29日-7月11日的13 d內出現連續降雨，且有3次降雨超出100 mm，此時水稻處于分蘗前期，最大耐淹深度為80 mm，故雨水大多無法得到充分利用而排出，而2003年生育期降雨頻繁且均勻，能夠及時補充田間水層，有效減少灌溉需水量。不同年型中，豐水年1991年降雨量是枯水年1994年的近4倍，灌水量比1994年減少37%，蓄雨量約是1994年的2倍。另一方面，若出現高溫干燥的天氣，作物騰發量大，同樣影響調蓄水量的變化。如平水年型中，2014與2012年生育期降雨量、滲漏量雖接近，降雨量級分布存在差異，日降雨量超過80 mm的2012年有3次， 2014年僅有1次。其次，與2014年相比，2012年蒸騰量多147 mm，其生育期平均氣溫偏高，平均日照時數、平均風速均偏大，相對濕度偏小，這些氣象因素決定2012年作物騰發量較大，影響灌溉需水量，因此2012年灌溉需水量要比2014年多210 mm，差距比較明顯。

表3 典型年水量調蓄結果Tab.3 The results of water balance factors in typical years

將54 a降雨量對應的灌溉需水量、稻田蓄雨量和稻田雨水利用率繪制成圖，如圖6所示，灌水量和蓄雨量與降雨量間呈現較好的線性關系，即隨著降雨量的增大灌水量減少、蓄雨量增大；雨水利用率隨著降雨增大總體呈下降趨勢，但受降雨量級、降雨頻次等影響，雨水利用率上下波動較大。例如，稻田雨水利用率高于80%的20 a中，生育期內平均降雨量482mm，平均暴雨次數1.9次，而雨水利用率小于70%的15 a中，生育期內平均降雨量807mm，平均暴雨次數4.5次，可見出現集中大暴雨則需要及時排出地表從而無法得到充分利用，降低了雨水利用率。2010與2015年降雨量相近，但雨水利用率分別為85%、61%，其中2010年生育期暴雨次數1次，而2015年出現3次，因此降雨量級及出現頻次對雨水利用率影響較大。

圖6 灌水量、蓄水量和雨水利用率隨降雨量的變化Fig.6 Dynamic of irrigation requirement, rainfall storage and rainfall utilization

2.2 稻田不同灌溉模式下水量調蓄計算

根據表1中稻田不同灌溉模式各生育期水層控制指標，分別模擬計算豐、平、枯3組年型下各灌溉模式的灌溉需水量、排水量和稻田蓄雨量，列入表4。其中雨水利用率為稻田蓄水量與降雨量的比值的均值，節水率為節水灌溉模式的節水量與常規灌溉用水量的比值的均值。

表4 豐、平、枯水年稻田不同灌溉模式水量調蓄平均值Tab.4 The average of water balance factors for different irrigation techniques in different frequency years

根據各年型下稻田不同灌溉模式的水平衡要素均值，從節水灌溉角度分析，相同降雨量條件下，淺濕調控灌溉模式所需灌水量最小，最為節水，如豐水年型中，淺濕調控灌溉比淺濕灌溉模式多節水10%。從稻田蓄雨角度分析，同一年型中，節水灌溉模式比常規灌溉模式蓄雨效果好，如平水年型中常規灌溉、淺濕灌溉、淺濕調控灌溉模式相應的雨水利用率分別為77.6%、81.9%、84.3%，總體來看淺濕調控灌溉模式雨水利用率最高。淺濕調控灌溉模式由于灌水上限較低，每次所需灌水量少，可蓄雨量相對大，因此節水率、雨水利用率較高。同一節水灌溉模式的灌水量和蓄雨量隨年型變化規律與常規灌溉模式一致。

為更直觀對比各種灌溉模式54 a灌水量與蓄雨量隨降雨量的變化情況，圖7給出稻田不同灌溉模式灌水量和蓄雨量的年際變化。兩種節水灌溉模式與常規灌溉模式相比具有明顯節水效果，淺濕調控灌溉模式比淺濕灌溉模式更節水。由圖7(b)可知，無論何種灌溉模式均具有較好的稻田蓄雨作用，表明了稻田具有存蓄雨水降低洪澇災害的功能。對比各種灌溉模式的蓄雨效果，淺濕調控灌溉比淺濕灌溉略好，淺濕灌溉比常規灌溉好，分析節水模式與常規模式蓄雨差別不大的原因可知，節水模式各生育期的水分控制指標中灌水下限值較小，單次灌水量相對大，若此后出現降雨則能存蓄的雨水較少。同一節水模式的灌水量、蓄雨量和雨水利用率隨降雨量變化規律與常規模式一致。綜上分析，淺濕調控灌溉對于減少灌溉用水增大蓄雨更有利，故實際應用中可采用淺濕調控灌溉模式以達到更好的效果。

2.3 不同頻率年和節水灌溉模式的灌排規律

根據54 a的水平衡計算結果，將不同頻率年的灌排水量、灌排頻次取平均匯總于表5，由表可以看出，54 a年均常規灌溉的灌溉頻次為25次，與2015年實測灌溉次數26次接近，采用節水灌溉模式，總灌水量減少，灌水頻次減少，單次平均灌水量增大，總排水量減少，排水頻次也減少。淺濕調控灌溉模式下，不計泡田灌水，54 a平均灌溉定額為3 642 m3/hm2，年平均灌水次數為8次，與常規灌溉相比灌水次數明顯減少，能夠省時省工，有效減輕農民勞動強度。54 a年均排水量1 152 m3/hm2，年均排水次數為5次，排水量減少可以減輕田間肥料流失。淺濕灌溉模式年均所需灌水量、排水量與淺濕調控灌溉模式相比均略大，因此實際應用中可以優先采用淺濕調控灌溉模式，以上灌排規律理論上可以指導節水灌溉模式的實施，但由于實踐中各種條件的不確定，需要結合氣象預測預報進行合理的灌排管理。

圖7 不同灌溉模式稻田灌水量和蓄雨量的年際變化Fig.7 Dynamic of irrigation amount and rainfall storage in different water saving irrigation techniques

年型灌溉模式灌水量/(m3·hm-2)灌水次數單次平均灌水量/(m3·hm-2)排水量/(m3·hm-2)排水次數常規5218．021248．52842．110豐水年淺濕3258．48407．32215．48淺濕調控2733．76455．62010．77常規6191．024258．01397．59平水年淺濕4169．59463．31094．15淺濕調控3535．48441．9945．24常規7554．330251．8840．55枯水年淺濕5234．712436．2508．42淺濕調控4626．011420．5438．12常規6335．525253．43154．6854a均淺濕4226．610422．71292．55淺濕調控3642．48455．31152．05

3 結 語

根據建立的稻田水平衡模型，采用2014-2015年水量平衡觀測值，利用統計參數指標分析方法，對稻田田面水層進行了率定檢驗，模擬的田間水層與實測田間水層吻合較好。利用所構建的模型，模擬分析試驗區1960-2015年54 a的常規灌溉、淺濕灌溉和淺濕調控灌溉模式的灌溉需水量、蓄雨量等水平衡要素，主要結論如下。

(1)豐、平、枯水年所需灌溉量依次增大，蓄雨量依次減小，雨水利用率依次增大，稻田雨水利用率在42%～98.7%不等，能有效蓄存雨水減緩澇災。稻田調蓄量受生育期降雨量級、時間分布、氣溫等氣象因素影響較大，近54 a生育期降雨量呈現減小趨勢，騰發量呈增加趨勢，灌溉需水量有所增加。

(2)與常規灌溉模式相比，淺濕調控節水灌溉模式所需灌水量最小，而稻田蓄雨量最大，豐平枯年型下年均節水率分別為47.6%、42.8%、38.8%，雨水利用率分別為76.3%、84.3%、91.6%，實踐中建議采用淺濕控制灌溉模式達到更好的節水蓄雨效果。

(3)與常規灌溉相比，采用節水灌溉模式，稻田生育期灌排總量減少，灌排頻次明顯減少，每次灌排量增大，節水灌溉模式既減少用水浪費又有效減少面源污染。

該研究為實際稻田蓄雨減災、節水灌溉研究提供了理論技術支持，但由于實際情況多變，需要結合氣象預測預報進行合理的灌排管理。

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