华北低平原农田排水沟平填及洪涝灾害风险分析
赵晓宇，张凤荣※，李 超
（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193； 2. 国土资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100193）
摘 要：近20 a 来，华北平原普遍出现平填农田排水沟现象。为分析排水沟平填状况及平填后洪涝灾害的发生风险，该研究基于土地利用调查数据库，以地处华北低平原的河北沧县为例，运用ArcGIS10.2 分析1992－2010 年间沧县排水沟面积变化情况，采用实地调查法来验证和分析排水沟平填现象，并从降水量、地下水位、土壤水、上游来水等方面对排水沟平填后可能发生的洪涝灾害风险进行分析。研究结果表明：1992－2010 年间，排水沟面积减少了37.73%，其中农田末级排水沟平填最为严重，排水体系贯通性下降；通过水文要素分析得出沧县地区洪涝灾害的发生风险有所降低，平填末级排水沟对洪涝灾害的发生影响不大。基于此，该文认为华北平原的不同区域，应根据所处地形地势、地下水位土壤状况来重新设计排水体系，通过土地整治，使其既能增加耕地面积，又不致引发洪涝灾害。该研究结果可为土地整治规划及农田基础设施建设提供参考。
关键词：土壤；洪涝；灾害；排水沟平填；土地整治；华北低平原
0 引 言
农田排水沟是为了将农田中的地面水和土层中的多余水分汇集后，流入多级输水沟道（农沟－斗沟－支沟－干沟）逐级下泄，最终排入容泄区的农田基础设施。农田排水沟在防洪泄洪、除涝治碱[1-2]上具有重要作用。
洪涝是制约华北平原农业生产发展的主要因素。为解决洼地易涝问题，发展农业生产，自二十世纪五、六十年代，黄淮海流域的人民按照“统一规划、综合治理”的方针，相继开展了以水利建设为核心的农田基本建设，通过开挖明沟，形成了一套完善的“干－支－斗－农”排水体系，基本摆脱了几千年所受洪涝灾害的严重威胁，为农业生产发展创造了良好的条件[3-4]。
1978 年中国农村逐步实行以“包产到户”为主要特征的家庭联产承包责任制，极大地调动了农民的生产积极性，提高了粮食生产能力。但公众受益的农田水利改革仍为空白，加之国家对其投入大幅降低，农田水利建设与保护陷入低潮。自20 世纪90 年代以来，华北平原地区的农民不惜上一代人辛苦劳动成果自行将承包地范围内的农沟（甚至斗沟）进行平填耕种的现象日渐凸显。针对此现象，有必要对排水沟平填状况及平填后洪涝灾害的发生风险进行分析，这对指导土地整治工作[5-6]、农田基础设施建设及维持粮食高产稳产具有重要的理论及现实意义[7-9]。
当前，国内外众多学者围绕排水沟渠的设计技术、环境效应与生态景观功能、防治土壤盐渍化方面进行了卓有成效的研究，Verma A K 等[10]基于反演理论进行双层排水系统设计，Fu Dafang 等[11]采用实验对比法研究生态沟渠与土沟在减缓太湖流域水体富营养化差异性；IrinaH 等[12]提出沟渠的生物群落结构影响农田生态系统水分平衡和养分循环；张会敏等[13]依据堤防区域产汇流特性。提出了排水沟断面设计及间距的优化方法；陆海明等[14]从环境效应与生态功能提出排水沟渠的构建与管理技术；李山等[15]，王秀丽等[16]，潘延鑫等[17]主要利用水文模型DRAINMOD、ArcGIS 空间分析与试验分析方法研究农田与排水沟水盐交换及排水沟治理土壤盐渍化效果。这为农田水利设施建设提供了科学支撑，但对农田排水沟平填状况分析及平填后洪涝灾害发生风险的研究鲜有报道。
本文以农田排水沟损毁严重的河北沧县为例，探讨分析农田排水沟平填现象，并对当前排水体系下洪涝灾害的发生风险进行分析，提出华北平原地区农田排水沟建设的建议，以期为华北平原地区土地整治规划的制定与实施提供参考[18]。
1 研究区概况
沧县位于河北省东南部，东距渤海70 km，地处冲积平原向滨海平原的过渡地带，地势呈西南高、东北低，海拔高程为4～11 m，坡降1/8 500。沧县坐落于38°05′N～38°33′N ， 116°27′E ～ 117°09′E 之间， 全县总面积1 520 km2。属暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均降水量500～600 mm，降水多集中于夏秋两季。加之位于冲积平原下部，境内低洼地较多，地下水位高，历来是受洪涝的重灾之域。年平均蒸发量为1 928.4 mm，年蒸发量约为降水量的3.45 倍，由于蒸降比大、地下水位及其矿化度高，也是盐渍化区域。
2 数据来源与研究方法
2.1 数据来源
土地利用现状图来源于沧县国土资源局的第1 次与第2 次土地调查成果数据库（两次的调查成图比例尺均为1∶10 000）；沧县地区1954－2011 年降水量日值数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.gov.cn/）的《中国地面气候资料日值数据集》；华北平原浅层地下水位变化特征数据来源于《华北灌溉农业与地下水适应性研究》[19]；有关沧县地区洪涝灾害发生情况的数据来源于《沧县县志（1954－2004）》[3]、《沧县水利志》[4]；排水沟照片（图3）为2015 年8 月在沧县实地调查时拍摄获得。
2.2 研究方法
排水沟，特别是农沟和斗沟需要有高分辨率的遥感影像才能够判读。早期的土地调查没有高分辨率的遥感影像，这是本文未采用遥感影像进行排水沟变化分析的原因。
土地利用现状调查要求线状地物丈量精确到0.1 m，实地宽度≥2 m，长度≥100 m 的线状地物都要上图[20]。第1 次和第2 次土地调查中的农村土地调查针对不同宽度的线状地物采用图斑或中心线的上图方式，对于排水沟这样的线状地物，土地利用调查时以遥感影像为参照，主要通过实地调查制图。在这2 次不同时段的土地调查中，不仅调绘精度高而且地类划定标准也相同，数据成果具有可比性。由于每年土地利用变更调查成果中不体现线状地物的变化，因此本文采用沧县土地利用现状调查成果数据库与沧县第2 次土地调查农村土地调查数据库来分析排水沟平填情况。
2.2.1 农田排水沟平填状况研究方法
1）排水沟面积占比计算方法
排水沟面积占比n 计算公式如下
式中n 为排水沟面积占比，%；m 为区域排水沟面积，km2；S 为区域总面积，km2。
2）排水沟密度计算方法
排水沟密度是指排水沟的疏密程度，密度越大，代表排水沟网络连通性越好[21]。通过计算不同时期排水沟密度，可分析得出排水沟内部完善性与贯通性的变化情况。排水沟密度R 计算公式如下
式中R 为排水沟密度，km/km2；L 为排水沟总长度，km；S 为区域总面积，km2。
3）实地调查法
实地调查法可以用来进一步检验依据数据运算结果的正确性，更重要的是能够深入了解农田排水沟平填情况，弥补单纯依靠数据运算得出结果可能存在的误差及不完整性。本文选取沧县南顾屯村作为典型实地调查区域，南顾屯是沧县人口密度最大的农业村，村民一直以农业生产为主要的经济来源，种田是农民的重要收入来源。
2015 年8 月份对沧县南顾屯村开展实地调查。调查内容主要包括以下2 个方面：1）结合土地利用现状图，深入农田内部实地核实排水沟平填状况，观察排水沟平填特征及利用方式的变化；2）通过与村委会成员以及熟悉村情况70 岁以上的老人进行访谈，一方面获悉当地农民生产、生活方式，另一方面获取20 世纪60 年代农田排水沟建设及当前排水沟平填情况，同时从农民的视角了解当地排水沟平填原因。通过实地量测排水沟的长宽和观察排水沟体系及其平填状况，发现排水沟实际状况与土地利用调查数据库成果匹配度很高。
2.2.2 洪涝灾害风险分析方法
针对沧县地区历史上洪涝灾害的发生原因，从气候水文方面选取指标来分析洪涝灾害的发生风险。
1）降水量变化趋势
采用线性趋势拟合方法分析沧县地区年与季节降水量的变化趋势。本文所采用的线性回归方程为
Yi = a + bxi i=1,2,3,…,n。 （3）
式中Yi 为第i 年降水量，mm；xi 为第i 年序列号，即1，2，3，…；a、b 分别为线性回归方程的截距与斜率。若
回归系数b 为正值，表示降水量有增加趋势；b 为负值，表示降水量有减少趋势，其绝对值越大，变化趋势越明显[21]。
2）降水量距平百分率
某时段降水量距平百分率Pa 计算公式如下
式中Pa 为降水量距平百分率，%；P 为某时段降水量，mm； P 为计算时段同期平均降水量，mm。
参考《气象干旱等级》国家标准[22]和相关文献[23]，确定出降水量距平百分率的旱涝等级划分（表1）。
3）土壤水储量计算
一定深度干土层储水能力计算公式[24]如下
式中Qn 为某土层储水量，mm；D 为土壤容重，g/cm3；H 为土层厚度，mm；Cf 为土壤饱和含水百分率；Ch 为土
壤萎蔫含水百分率。
3 结果与分析
3.1 排水沟面积变化
1992 年沧县排水沟面积为9 971.47 hm2，占全县土地总面积的6.08%；2010 年排水沟面积为6 209.66 hm2，占
全县土地总面积的4.05%。与1992 年相比，排水沟面积减少了37.73%，排水沟面积占比下降了2 个百分点。对沧县各村庄1992 年与2010 年排水沟面积占比进行做差统计，由表2 可知，沧县80.98%的村庄排水沟面积占比存在着不同程度的减少，减少最多的高达34 个百分点；有19.01%的村庄排水沟面积占比增加，但增长幅度很小。访谈熟悉当地情况的村民后得知，排水沟面积占比增加的这些村庄大多靠近高速公路建设区、开发区，是这些建设取土和对排水的需求造成的,也有些是因农民建房用土拓宽了现有的排水沟。
3.2 排水沟密度变化
图1 为1992－2010 年沧县各村排水沟密度的变化情况。由图1 可知，71%的村庄排水沟密度存在不同程度减少（图1），体现出沧县绝大部分村庄排水沟的网络连通性与贯通性已不如以前。
3.3 典型区域排水沟平填情况分析
1992 年南顾屯村排水沟面积为80.20 hm2，占村土地总面积的7.13%，2010 年排水沟面积减少到24.62 hm2，占村土地总面积的2.19%。与1992 年相比，南顾屯村排水沟面积减少69.30%，面积占比下降了约5 个百分点。1992 年南顾屯村排水沟网络密度为6.36 km/km2，2010年排水沟网络密度为0.88 km/km2，对比南顾屯村前后2个时期排水沟密度，发现排水沟密度有所降低。图2 为南顾屯村1992 与2010 年排水沟对比图。由图2 可知，1992 年沧县南顾屯村的田间末级排水沟（农沟）有零星分布，2010 年农沟已不存在，甚至一些斗沟也被部分破坏，丧失了排水体系的完整性与贯通性。
图3 为南顾屯村农田排水沟平填状况。由图3 可知，南顾屯村农沟平填较为严重，大都用来种植玉米等粮食作物，更严重的是一些地方已经分辨不出农沟的痕迹。与当地农民进行访谈，了解到是因近年来降水少，旱情突出，故而农民将地头旁的排水沟进行平填后耕种，增加了耕种面积。部分斗沟平填是因农户在承包地周边无田间路可通行，只能通过绕行的方式进入农田作业，这给播种与收割带来了极大的不便。农民则平填斗沟，导致与田间路平行的斗沟出现间断现象，使得斗沟现在已变成“竹节沟”，丧失了排水体系的完整性与贯通性。
3.4 平填排水沟洪涝灾害的发生风险分析
3.4.1 基于降水量变化的洪涝灾害发生风险分析
图4 为1954－2011 年沧县地区年降水量变化情况。由图4 可知，1954－2011 年沧县地区年降水量呈现减少趋势。20世纪50－70 年代为降水量偏丰时期（时段为1954－1979 年），降水比较充沛，平均降水量630.21 mm；80 年代以来为降水量偏枯时期（时段为1980－2011 年），平均降水量542.26 mm，相比1954－1979 时段的降水量减少了13.96%。
图5 为1954－2011 年沧县地区四季降水量变化情况。由图5 可知，沧县地区降水年内分配不均，主要集中在6－9 月。1954－2011 年春季（3－5 月）、夏季（6－8 月）、秋季（9－11 月）、冬季（12－次年2 月）降水量平均值分别占多年平均降水量的11.52%、70.99%、15.29%、2.20%。1954－2011 年春季、秋季降水量呈增加趋势，夏季降水量呈显著减少趋势，冬季减少趋势不明显。但是由于夏季降水量占全年降水量的比重较大，故由夏季降水量变化主导的年降水量呈现减少态势。故在年降水量呈现出逐年减少的趋势下，洪涝灾害发生的风险会降低。
图6 为1954－2011 年沧县地区年降水量距平百分率的变化情况。由图6 可知，1954－2011 年，降水量距平百分
率呈下降趋势。这表明降水量波动幅度变小，降水量趋于稳定，极端降水事件发生概率减小。尤其自1978 年以来，降水量波动幅度明显变小，同时年降水量距平百分率为负值出现的年份逐渐增多。说明沧县地区自20 世纪80 年代以来，旱情比较突出，由强降水引发的洪涝灾害出现的概率有所下降。
基于沧县1954－2011 年降水量距平百分率时间序列与沧县旱涝灾害史料记载，根据降水量距平百分率旱涝等级划分确定出各年的旱涝类型，分别统计出旱涝发生频数与频率，如表3 所示。近60 a 来，沧县总体上呈现出洪涝减弱、干旱加剧的形势。
3.4.2 基于地下水位变化及土壤水分匮缺的洪涝灾害
发生风险分析
表4 为华北平原浅层地下水变化特征。由表4 可知，近60 a 来，地下水位呈下降趋势，其中山前平原区浅层地下水位下降15～40 m，中部平原区下降5～15 m，滨海平原区下降0～5 m。沧县地处华北平原的中部平原与滨海平原过渡地带，在降水量趋于减少与河川径流量补给减少的情形下，沧县主要供水水源是地下水，由于大量开采导致地下水位以平均1～2 m/a 的速度逐年下降[19]。
地下水位降低，通过土壤毛管补充土体的水分减少，使得土壤在雨季过后一直到春夏之交、雨季来临前土壤干旱，腾出了大量的土壤库容，来接纳雨季降水[25]。由土壤普查资料[26]得知沧县地区表层土壤质地为壤土。依据土壤物理原理[27]，参考土壤试验数据[28]，通过式（5）计算得知1 m 深的干燥壤土可蓄纳140 mm 的降水，土壤蓄水能力对于减少地表径流量、防洪减灾具有重要作用。
3 3.4.3 基于上游水库建设与生态恢复的洪涝灾害发生风险分析
建国后，中国开展了大规模的水利建设，不仅平原区完善了灌溉排水体系，上游山区也修建了水库。在太行山区，大中小型水库星罗棋布，拦截山区坡面径流，有效的起到了防洪、灌溉的作用。改革开放以来，随着工业化与城市化进程的加快，工业用水和生活用水都在增加，上游水库拦蓄的水给予农业的逐步减少，水库功能逐步转向城市用水，如北京、天津等城市供水水源主要分别来自密云水库与于桥水库等，致使下游城市难以获得水库供水[29]。
另一方面，工业化与城市化的发展给许多农民带来了就业机会，也给农民带来更多收入。山区农民也不再单纯地依靠“刨山根”、耕种来维持生存，使得山区植被得以恢复，覆盖率增加。这也使得上游山区生态用水增加[30]，坡面径流进入河道和水库的来水减少。
由以上分析可知，上游来水不会增加下游城市洪涝灾害的发生风险。据《沧县水利志》记载，1983 年以后境内四大行洪河道（南运河、南排水河、捷地减河和黑龙港河）基本无客水入境。沧县地区因上游来水导致的洪涝灾害发生风险降低。
综上，通过对降水、地下水、土壤水、上游来水等水文要素的分析，可得出沧县地区洪涝灾害发生风险有所降低，平填末级排水沟对洪涝灾害的发生影响不大。
4 讨 论
1）农民平填农田排水沟的原因沧县耕地资源稀缺，人地矛盾突出，2010 年农民人均耕地面积仅0.11 hm2[31]。同时，沧县经济发展相对落后，许多农民，特别是一些不能外出的中老年人还主要靠耕种来维持收入。通过实地走访农民了解到每增加1 hm2耕地，农民则可增收14 925 元。增加收入与扩大耕地面积成为农民的客观需求，于是农民将田块周围的排水沟进行平填用于耕种。
2）平填排水沟可以增加耕地面积，但还必须保证畅通的排水体系平填排水沟有增加耕地的效应，能够促进农民增产增收，这可能是土地整治增加耕地面积的有效途径。虽然平填后的多数年份里基本没有洪涝灾害的发生，但通过实地
调查发现，在连续的强降雨过后，部分农田还有短期被淹的情况。因此，从防洪排涝角度，保留农田排水沟是有必要的。尤其像沧县这样的低平原地区至少要保留斗沟，特别要注意斗沟－支沟－干沟排水体系的畅通。
当前农民无规则的滥填排水沟，导致排水沟中间阻断，无法畅通排水，并且地势稍高的区域也因阻断无法顺利的将积水排到下游中去，使得排水不畅通，存在“肠梗阻”。要防止农民无规则的滥填排水沟造成的“肠梗阻”，必须由政府统一规划、组织与实施土地整治工程，科学进行农田基础设施建设，同时也要设有明确的农田基础设施维护与管护主体，否则，排水体系的建设与保护将无从谈起。
5 结 论
1）华北低平原地区农田排水沟平填较为严重，排水体系贯通性下降。1992－2010 年间，沧县排水沟面积减少了37.73%，排水沟面积占土地总面积的比例下降了2个百分点，并且71%的村庄沟渠密度有所下降。
2）平填排水沟并未增加洪涝灾害的发生风险。近60 a来，降水总量减少、降水季节分布更加均匀、地下水位下降、土壤水分匮缺、上游来水减少的情形下，沧县地区洪涝灾害的发生风险在降低。在相同的气候条件下，平填末级排水沟对洪涝灾害的发生影响不大。
3）华北平原的不同区域，应综合考虑水文、地形地势、土壤状况等因素，重新设计排水体系，通过土地整治，使其既能增加耕地面积，又不致引发洪涝灾害，以实现耕地数量与质量并重保护目标。
[参 考 文 献]
[1] 石元春. 黄淮海平原的水盐运动[M]. 北京：中国农业大学出版社，2013.
[2] 熊毅. 排水在华北平原防治土壤盐渍化中的重要意义[C]//中国科学院南京土壤研究所，熊毅文集. 北京：科学出版
社，2003：169－174.
[3] 河北省沧县地方志办公室. 沧县志（1950－2004）[M]. 北京：中国和平出版社，2011.
[4] 沧县水利志编纂委员会. 沧县水利志[M]. 北京：方志出版社，1997.
[5] 刘彦随. 科学推进中国农村土地整治战略[J]. 中国土地科学，2011，4(4)：3－8.
[6] 郧文聚，宇振荣. 中国农村土地整治生态景观建设策略[J].农业工程学报，2011，27(4)：1－6.
[7] 冯应斌，杨庆媛. 转型期中国农村土地综合整治重点领域与基本方向[J]. 农业工程学报，2014，30(1)：175－182.
[8] 赵晓丽，张增祥，汪潇，等. 中国近30 a 耕地变化时空特征及其主要原因分析[J]. 农业工程学报，2014，30(3)：1－11.
[9] 周建，张凤荣，王秀丽，等. 中国土地整治新增耕地时空变化及其分析[J]. 农业工程学报，2014，30(19)：282－289.
[10] Verma A K, Gupta S K, Singh K, et al. Design of bi-leveldrainage systems: An analytical solution using inversion theorem[J]. Journal of Agricultural Engineering, 2007, 44(4):31－37.
[11] Fu Dafang, Gong Wenjuan, Xu Yan, et al. Nutrient mitigation capacity of agricultural drainage ditches in Tailake basin[J]. Ecological Engineering, 2014(71): 101－107.
[12] Irina H, Helenius J. Agricultural drainage ditches, their biological importance and functioning[J]. Biological
Conservation, 2008, 141(5): 1171－1183.
[13] 张会敏，李占斌，姚文艺. 黄河下游堤防排水沟设计方法[J].水利学报，2006，37(7)：865－869.
[14] 陆海明，孙金华，邹鹰，等. 农田排水沟渠的环境效应与生态功能综述[J]. 水科学进展，2010，21(5)：719－
725.
[15] 李山，罗纨，贾忠华，等. 反渗条件下排水沟与农田水盐交换关系[J]. 农业工程学报，2015，31(2)：94－101.
[16] 王秀丽，张凤荣，王跃朋，等. 农田水利工程治理天津市土壤盐渍化的效果[J]. 农业工程学报，2013，29(20)：
82－88.
[17] 潘延鑫，罗纨，贾忠华，等. 排水沟蓄水条件下农田与排水沟水盐监测[J]. 生态学报，2014，34(3)：597－604.
[18] 张正峰. 土地整治可持续性的标准与评估[J]. 农业工程学报，2012，28(7)：1－7.
[19] 张光辉，费宇红，王金哲，等. 华北灌溉农业与地下水适应性研究[M]. 北京：科学出版社，2012.
[20] 河北省土地管理局. 河北省土地利用现状调查技术规则[M]. 北京：农业出版社，1989.
[21] 薛建，郧文聚，杜国明，等. 基于遥感的现代与传统农业区域土地利用格局差异分析[J]. 农业工程学报，2012，
28(24)：245－251.
[22] GB/T 20481-2006，气象干旱等级[S].
[23] 鞠笑生，杨贤为，陈丽娟，等. 我国单站旱涝指标确定和区域旱涝级别划分的研究[J]. 应用气象学报，1997，8(1)：
26－33.
[24] 张北赢，徐学选，刘文兆. 黄土丘陵沟壑区不同水保措施条件下土壤水分状况[J]. 农业工程学报，2009，25(4)：54－58.
[25] 张利，张彩英，彭春香. 沧州地区土壤水资源研究[J]. 自然资源学报，1990，5(3)：230－236.
[26] 河北省沧州地行政公署农业局. 沧州地区第二次土壤普查专题报告[M]. 沧州：沧州地区出版社，1985.
[27] 姚贤良，程云生.土壤物理学[M]. 北京：农业出版社，1986.
[28] 张利，张彩英，彭春香.沧州地区发展蓄水工程的研究[J].农业工程学报，1988，4(4)：22－30.Zhang Li, Zhang Caiying, Peng Chunxiang
[29] 鲍超. 中国城镇化与经济增长及用水变化的时空耦合关系[J].地理学报，2014，69(12)：1799－1809.
[30] 苗鸿，魏彦昌，姜立军，等. 生态用水及其核算方法[J].生态学报，2003，23(6)：1156－1164.
[31] 河北省人民办公厅. 河北农村统计年鉴（1995－2011）[M].北京：中国统计出版社，2011.Risk