虾稻共作模式对四湖流域典型区排涝减灾的影响

作     者：何天楷 

作者单位：三峡大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何军;刘路广

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：虾稻共作 TANK模型 MIKE模型 下垫面 区域排涝 

摘      要：涝灾是我国主要自然灾害之一,对我国经济社会发展产生严重的负面影响。四湖流域位于湖北省荆州市,该地区土地肥沃,资源丰富,属全国重要粮棉油水产基地。但其地势低平,汛期雨量大,也是典型的易涝区。为提高四湖流域涝渍低产田的经济效益,新兴综合种养模式虾稻共作被提出,种植面积逐年扩大。该模式改变了传统水稻田的形态,灌排制度,增加了水面面积,对汛期区域排涝产生了深远影响。本文针对虾稻田对区域排涝的影响机理展开模型研究,旨在为虾稻共作模式下农田涝渍减灾综合技术的集成提供数据支撑。本研究在荆州市沙市区四新垸农排区开展,在排区干渠的出口泵站(闸)处进行水位和流量监测,在排区内选取若干典型虾稻田和普通水田进行水深监测。以精准模拟该区域虾稻共作模式下降雨-产汇流过程为导向,本文选用概化多样、因地制宜的TANK模型来模拟排区田间产流过程;用计算功能强大的MIKE 11 HD模型模拟排区汇流过程并进行率定验证。在将两者耦合构建的基础上,模拟研究了不同降雨标准下,虾稻田种植面积占比、虾稻田上限排水深等条件变化对四新垸农排区排涝的影响,主要结论如下:(1)在监测、收集相关典型田块水深数据的基础上,运用TANK模型分别构建了水田和虾稻共作田暴雨后产流过程,并对构建模型的参数进行了率定与验证。结果显示绝对误差小,相关系数高,田块水深模拟值与实测值变化趋势一致,证明了构建的田间尺度产流模型的模拟有效性。(2)在收集四新垸排区降雨量、河道断面数据、土地利用面积、泵站排水额定功率等资料的基础上,利用MIKE 11在汇流方面的计算功能,将其与已构建的TANK模型进行耦合,并对水闸和泵站的模拟进行了合理调整与改进。利用耦合模型对四新垸农排区降雨-产汇流过程进行模拟,结果显示耦合模型对排区降雨-产汇流变化过程模拟表现较好。验证期,排区闸前水位的模拟值与观测值绝对误差MAE为0.14 m和0.19 m,相对误差ε为0.22%与0.30%,均方根误差RMSE为0.18 m和0.23 m,相关系数r为0.92和0.93,决定系数R为0.85和0.87。(3)利用构建的耦合模型模拟了改变虾稻种植结构条件下5年一遇、10年一遇、50年一遇及100年一遇的一日暴雨、三日暴雨和七日暴雨时排区泵站运行时长、外排水量及闸前水位过程线。结果表明:同一暴雨重现期下,排区内虾稻田种植面积比例越大,排区泵站运行时长越短,外排总流量越少。在不同历时暴雨重现期下,相较于50%现有虾稻共作种植面积,当虾稻田面积为10%与90%时,外排水量分别增加6%～28%和减少3%～18%。当暴雨重现期不断变大,虾稻种植比增加对排区泵站运行时长的削减比例逐渐变小,排区出口闸前水位过程线削峰程度明显增大。即虾稻种植面积增加,在中小降雨量情况下能有效减少泵站运行时长,降低区域水工建筑物的能源消耗。在大暴雨情况下,能有效削减径流水位峰值,使泵站闸前水位有效控制在起排水位以下。(4)利用构建的耦合模型模拟了改变虾稻田虾沟上限排水深条件下5年一遇、10年一遇及100年一遇的一日暴雨、三日暴雨和七日暴雨对区域排涝的影响。研究发现:提高虾稻田虾沟上限排水深可以有效调节汛期排区干渠水位,减轻排区泵站外排压力。同一暴雨重现期下,虾稻田上限排水深越高,排区泵站运行时长越短,外排总流量越少,排区泵站断面处洪峰流量越小,闸前水位波动频次也越少。在各种设计暴雨下,相较于1.2 m虾沟上限排水深,1.3 m时泵站外排水量减少23.39%～51.40%,洪峰流量减小3.01%～5.62%;1.4 m时泵站外排水量减少45.19%～82.56%,洪峰流量减小5.79%～10.36%。