2.2　农田涝灾影响机制

农田涝灾是自然因素与人为因素非线性叠加的结果，涝灾自然致灾因子包括降雨、地形地貌、土壤特性等，人为致灾因子包括城市化进程加快、植被破坏、水面率下降、种植结构调整、不当灌排方式、农业生产方式转变等。随着人类文明的进步及社会经济的发展，包括土地利用、水利工程建设等人类活动也改变了涝灾的发生、发展环境，农田涝灾发生已不再是远古时代大自然客观规律单纯作用的结果，人类对自然干预的不断增强，致使人为因素对涝灾的影响亦不断加大。

2.2.1　形成机制

图2.4给出农田涝灾的形成过程，农田涝灾形成的最主要影响因子是降水量过多或降雨强度过大，通常强降雨或异常降雨是在一定天气气候条件下形成的，而气候的变化会受到人类活动的干扰。近年来，我国极端降雨发生的概率呈上升趋势。关颖慧（2015）评估了长江流域极端气候的变化特征，指出1960—2012年期间，尽管总降雨量未发生显著变化，但极端降雨量、极端强降雨量、最大一天降雨量、连续五天最大降雨量均呈现显著增加趋势，尤其在长江中下游地区的增幅最为明显。王胜等（2012）分析了1961—2008年间淮河流域117个气象站的降雨资料，发现淮河流域主汛期内极端降雨事件总体表现出增加趋势，且2003年以后的增加趋势更为显著。贺振等（2014）对黄河流域76个气象站1960—2012年的降雨资料进行了分析，指出黄河流域的极端降雨量在该流域的西部和北部以及西安周边地区呈不断增加趋势，极端降雨频率在西部和北部也呈增加态势。仅2016年，我国就发生了51次强降雨过程，其中长江发生了1998年以来的最大洪水、太湖发生了流域性特大洪水，海河流域发生罕见暴雨洪水，淮河、西江发生超警戒洪水，此外，中小河流的洪水也呈多发频发态势（杨卫忠等，2017）。

在涝灾的形成和发展过程中又受到了自然环境和社会环境的影响，其中自然环境包括地形地貌条件、下垫面条件、土壤条件、地下水位条件以及水系连通情况等，而社会环境则包括社会经济发展水平、人类面对潜在或现实的涝灾威胁时采取回避、适应或防御的对策等。在涝灾成灾机理研究中，最为重要的基础工作是揭示涝水的产汇流过程与机理，而各自然环境和社会环境因素对涝水的产汇流过程有重要影响。

农田涝灾最主要的承灾对象为农作物，农田涝灾使得土壤孔隙中的空气含量降低，影响作物根系呼吸功能，导致作物减产、烂根，甚至死亡。

2.2.2　自然因素

涝既是一种自然现象，又与人类活动密切相关，是在一定的地理、资源、环境、人口及社会条件下发生和发展的，也就是说在一定的自然驱动力和人为驱动力共同作用下不断演变而成。影响农田涝灾形成的自然因素主要包括高强度降雨以及自然地理环境（图2.5）。

2.2.2.1　高强度降雨

高强度降雨是形成农田涝灾的最直接因素。受夏季风气候影响，我国由南到北、由东向西会出现5个降雨集中期，期间的高强度降雨较为集中，分别是华南前汛期降雨、江淮初夏梅雨期降雨、北方盛夏期降雨、东部沿海台风降雨和华西秋季降雨时期（彭广等，2003）。华南地区主要包括广东、广西、福建、湖南、江西南部和海南等地，这些地区每年受夏季风的影响最早但结束的时间最晚，雨季和汛期最长，前汛期受西风带环流影响，易产生高强度降雨，24h降雨量时常出现200～400mm，这间接说明了珠江流域涝灾主要集中在5—7月的原因。每年初夏时期，在长江中下游、淮河流域地区，会形成降雨非常集中的特殊连阴雨天气。江淮初夏梅雨期降雨具有范围广、持续时间长、暴雨过程频繁等特点，虽然降雨强度不是特别大，却是涝灾发生的最集中时期，梅雨期的时间以及降雨量的大小均对于长江流域和黄河流域的水旱灾害有很大影响，梅雨期长、降雨量大易导致洪涝灾害，而梅雨期短、降雨量小又易形成干旱灾害。受梅雨期降雨影响，淮河流域重大洪涝灾害一般集中于6—8月。通常当江淮梅雨结束后，我国主要降雨会进一步北移，进入北方盛夏降雨期，华北、东北和西南地区进入一年中降雨最集中的时期，许多特大暴雨洪涝灾害多发生于这一时期，该时期的降雨特点主要是雨强大，但雨区分布范围相对较小。台风降雨是造成我国沿海地区洪涝灾害的重要因素，沿海地区登陆的台风大多集中于7—9月，很多特大暴雨都由台风所致，台风深入内地也会产生特大暴雨，造成洪涝灾害。每年9—10月，夏季风南撤时，西南地区会出现第二个降雨集中期，降雨范围大、持续时间长，也会引起秋季暴雨。

2.2.2.2　自然地理环境

自然地理环境是形成农田涝灾的背景因素，涵盖了地理纬度、海陆分布、地形地貌条件、下垫面条件、土壤条件、地下水位条件以及水系分布及连通情况等。

（1）地理纬度及海陆分布。我国面积辽阔，地理纬度跨度大，海陆分布对比强，自北向南跨越寒温带、中温带、暖温带、亚热带、热带和赤道带共6个气候带，气候要素的南北分布差异较大，降雨量呈现出南多北少的分布特点，东部地区濒临太平洋，盛行海陆气团交替影响的季风气候，该区域内发生涝灾的频率较高，而西部地区深入欧亚大陆腹地，属于干燥的大陆性气候，涝灾发生频率相对较低。

（2）地形及地势。我国地势西高东低，由西向东可划分为3级阶梯，其中的第3阶梯为涝灾多发地带，其位于大兴安岭、太行山、巫山以及云贵高原一线以东直至滨海地区，此范围内的平原面积辽阔、地势平坦、水流缓慢、排水不畅，极易形成涝灾，尤其是位于七大河流域的中下游平原是主要的涝灾区域。例如位于长江流域中游的江汉平原，背靠大洪山、东连大别山和鄂东南丘陵、西邻鄂西山地，形成了三面隆起、中间平坦低洼的格局，海拔一般在40m以下，是易涝分布最集中的地区，位于江汉平原腹地的四湖流域是最为低洼的地区，由一系列河间洼地组成，是非常具有代表性的涝渍分布区。又如淮河流域平原面积广阔、地势低平，沿河湖地面高程大多低于常遇洪水位，常出现涝灾，该流域内低洼易涝区占总耕地面积50%以上，重点平原洼地集中在沿淮地区、淮北平原地区、淮南支流地区、里下河地区、白宝湖地区、南四湖地区、坯苍郯新地区、分洪河道沿线以及行蓄洪区洼地等（王九大，2008）。

（3）土壤条件。土壤条件也是形成涝灾的影响因素之一，土壤渗透性能越好，渗入土壤中的降雨越多，产生的地表径流就越少，形成涝灾的概率越低，反之易于形成涝灾。以江汉平原为例，该地区的土壤类型以潮土为主，含水岩相由砂、亚砂土、黏土交互组成，且黏土分布面积约占平原面积一半，土壤透水性能有限，降雨后易形成积水。对淮北平原来说，其广泛覆盖着不同厚度的第四纪上更新统河湖相沉积物，以砂姜黑土为代表，土壤质地黏重致密，黏粒矿物组成以蒙脱石为主，黑土层蒙脱石含量在50%～60%，耕作层也达40%以上，具有遇水膨胀和遇旱收缩的特性，降雨后由于土壤透水性差，易产生地表积水，尤其在缺乏田间排水情况下，极易形成涝灾（李燕等，2012）。此外，涝灾也会导致土壤向更不利于排涝的方向发生质变，并最终形成恶性循环。

（4）地下水位条件。土壤可以容蓄部分降雨，蓄存的水量不但取决于土壤条件，还受地下水位条件影响。一些地区之所以发生涝灾并非因为土壤条件不好，而是由于持续的降雨导致地下水位不断上升，使得土壤所能容蓄的水分不断下降，形成蓄满产流，最终导致涝灾。对南方地区，汛期通常是地下水位较高时期，在江汉平原湖区每100mm降水一般可使地下水位上升90～100cm，而四湖流域有约43%的土地面积，地下水埋深小于60cm（朱建强，2007），发生大降雨后极易导致地下水位上升至地表，形成积水进而发生涝灾。此外，较高的地下水位还会导致土壤特性恶化，如土壤沼泽化、潜育化、盐碱化等，这进一步加剧了农田涝灾发生。以陕西渭南灌区为例，其主要依赖灌溉满足作物生长需求，这导致地下水位逐年升高，与上世纪70—80年代相比，该地区地下水位上升了3～7m，不但造成土壤次生盐碱化，还增加了受涝概率，尤其遇到强秋霖天气形成的长时间连续降雨后，更易引发部分低洼地区的涝灾。

（5）水系分布及连通性。水系分布及连通情况对降雨调蓄以及涝水排除都具有重要影响。以里下河腹地为例，为了抵御洪水及挡潮，1950年后加固了洪泽湖大堤，开挖了灌溉总渠，加固了里运河堤防，对通扬公路沿线进行了水系封闭，阻挡通南地区高地洪水入境，致使里下河腹地成为一个相对独立且封闭的水系，由于河湖的连通性被分割，加之河网结构复杂且密度总体处于较高水平，致使区域内的自排能力减弱，而抽排又受到外河水位严重限制，使得涝水难以排泄，进而加剧了涝灾发生。

2.2.3　人为因素

虽然现阶段内人类活动在防灾减灾方面起到了积极作用，但在人类认识涝灾过程中，仍存在着许多增加涝灾发生概率的活动及现象。人为因素的致灾作用主要包括森林过度采伐、植被破坏、城市化进程加剧、围湖造田、湿地退化、农田种植结构不合理调整、排水除涝工程管护不当等。

（1）森林植被破坏。水文调节功能是森林与水相互作用后产生的综合功能，其体现在调节气候、涵养水源、保持水土等方面，是森林生态系统服务功能的重要组成（曹云等，2006）。森林植被对降雨的截留作用主要表现在林冠层的截留和凋落物层的截留。在茂密森林中，林冠层对次降雨的截留量可达10～20mm，且年截留量与年降雨量以及年内降雨次数有关，可达到年降雨量的15%～45%，甚至更高（王爱娟等，2009）。一般情况下，凋落物的持水能力是其干重的2～5倍，刘广全等（2002）分析了黄河流域秦岭锐齿栎林、龄油松林、华山松林凋落物对降雨的蓄存作用，三种林地凋落物层的蓄留量均值为45mm，占同期降雨4.5%。赵鸿雁等（2001）提出黄土高原人工油松林枯枝落叶降雨截留率为12.5%。此外，凋落物层的分解会增加土壤的有机质含量，改善土壤理化性质，提高土壤孔隙率，增大土壤渗透性能，有利于减少地表径流及水土流失（赵鸿雁等，2003）。20世纪50年代以来，我国人口快速增长，为了满足食物和木材需求，多地大规模开荒扩种，森林滥伐、滥垦、滥牧现象普遍，20世纪80年代后森林覆盖率虽有所增加，但许多天然森林被改造为人工林和经济林，这增加了林地经济效益，但森林的调控降雨能力趋于下降，森林资源主导的生态环境恶化趋势并未得到有效遏制。

（2）城镇化建设加剧。随着我国经济迅速发展，城镇化进展不断加快，硬化地面不断增加，大部分降雨落地后经过地面汇流进入地下排水管网，地面汇流时间明显缩短，导致河道洪水峰值增大且出现时间提前。肖君健等（2014）分析了感潮河网地区城镇化对排涝模数的影响，表明2003—2012年间大岗排区城镇化面积占有率由9.69%提高到24.25%，在20年一遇同等排涝标准下，排涝模数由1.77m3/（s·km2）提高到2.81m3/（s·km2），当排涝模数均为1.77m3/（s·km2）时，2003年能满足20年一遇排涝标准，而2012年只能满足约15年一遇标准，城镇化降低了排区的排涝标准。秦莉俐等（2005）讨论了城镇化对径流的长期影响，指出随着城镇化发展，径流深度和径流系数均显著增加。陈云霞等（2007）分析了城镇化下浙东沿海鄞东南地区河网水系的变化情况，指出城镇化改变了河网的形态及结构，城镇化水平越高的地区，其河网密度与河网水面率的降幅越大，河网遭受的破坏也越大，河网结构则越简单，天然河网潜在的调蓄能力大为削弱，河道行洪排涝功能降低，加剧了涝灾威胁。此外，“热岛效应”会使城镇散发的热量不断向上空抬升，导致空气层结构不稳定，在一定程度上将增大降雨频次以及各种降雨强度等级的降雨概率。

（3）水土流失严重。我国是世界上水土流失严重的国家之一，约占全世界水土流失面积的14.2%，1950—2005年全国土壤流失量年均约为45亿t，水土流失区的土壤流失速度远高于土壤形成速度（李智广等，2008）。森林植被破坏及城镇化建设中的重开发、轻保护的现象均会引发严重的水土流失。以长江流域为例，由于开发建设和城镇化引起的水土流失面积每年达到1200km2，年新增水土流失量约1.5亿t（冯浩等，2010）。水土流失导致土层变薄、土地砂砾化和石化面积扩大，使得土壤蓄满产流的历时变短，减少了土壤蓄存水量，改变了地表水和地下水资源的分配，河流上游的土壤蓄水库容减小还会增大下游的洪峰流量。此外，水土流失还会增加水流的泥沙携带量，使得河床抬高，沟道、河道和水库淤积严重，而水库淤积则导致防洪库容大幅减少，防洪能力下降，水库防洪标准降低，直接威胁着广大人民群众的生命和财产安全。如官厅水库的累积淤积达6.5亿m3，占原设计总库容的29%，使得永定河库区的调节库容大大减少，20世纪80年代初，官厅水库的防洪标准已由原设计的千年一遇降到370年一遇。1986年将水库大坝加高到492m，虽增大了防洪库容，但仍难以满足设计标准，严重威胁北京和天津等地的防洪安全（刘孝盈等，2011）。

（4）湖泊、湿地、沟塘等面积缩减。湖泊、湿地可被视为调节河流水位的蓄水库，对洪水具有重要的调蓄作用。湖泊调蓄能力与其湖面面积密切相关，每增加1km2湖面，湖泊调蓄水量平均增大163万m3（饶恩明等，2014）。自20世纪60年代大规模围垦造田以来，湖泊的数量逐年减少且面积不断萎缩，调蓄功能难以发挥作用，直至1998年大水后，随着退田还湖的实施，部分湖泊的调蓄能力得到一定恢复。基于全国湖泊调查数据，近几十年来，我国湖泊（＞1.0km2）数量减少243个，其中因围垦消失的湖泊101个，约占消失总量42%，且都分布在东部平原湖区，其中安徽省10个、河北省8个、湖北省55个、湖南省9个、江苏省8个、上海市1个、浙江省2个（马荣华，2011）。1978—2008年间，我国内陆和滨海自然湿地总面积持续减少，减少面积达到11.28万km2，人工湿地有所增加，约增加了1.19万km2，但仅占减少面积的10%左右（宫宁，2015）。

（5）种植结构变化。种植结构会影响降雨产汇流过程，不同的作物对降雨的拦截作用、蒸发蒸腾下的土壤水分再分配过程、土壤渗透性的影响有所差别，还会影响到地表容蓄水量、行洪路径等。与旱作物相比，水稻具有更好的耐淹性能，且稻田对洪水具有一定的滞留拦蓄作用，可减小降雨径流系数，利于削减洪峰流量，减轻沟道及河道排涝负担。Ohnishi和Nakanishi（2010）指出具有较大稻田面积流域内的洪峰流量和径流速率更小；Wu等（2001）对稻田、荒地、旱地三种土地利用类型进行了长期径流模拟，稻田的排水量仅为旱地的一半，约占降雨量27%，且田埂越高，削峰效果越好。向平安等（2005）以湖南稻田为研究对象，指出若考虑稻田6—7月中旬可蓄20cm深水层，即可形成53亿m3的巨大隐形水库，可见稻田对蓄水除涝起到显著作用。近30年来，我国水稻种植区内有超过50%地区水稻种植面积出现缩减态势，主要分布于珠江三角洲、福建、浙江、上海以及江苏南部，这些地区经济发达，涝灾导致的损失也比较大。水稻种植面积的缩减会导致农田降雨调蓄能力变小，沟道及河道排涝负担增加，更易产生内涝。

（6）排水工程管护不当。农田除涝排水工程作为重要的水利基础设施，对控制农田涝渍盐碱危害、保障农业生产可持续发展和粮食安全具有重要意义。但传统的重灌轻排思想依然存在，特别是北方地区降雨少、气候干燥，人们对洪涝灾害的防范意识较为淡薄，对农田排水系统建设和管理的投入不足，沟坡坍塌、淤积、破损问题严重，部分地区甚至出现填沟造地、在沟道上筑坝蓄水等现象，这严重影响农田除涝排水功能的发挥，加剧了涝灾发生。此外，重灌轻排还导致灌排体系失衡，若遭遇连续暴雨或长时期连阴雨侵袭，农田内涝灾害在所难免，且危害更加严重（王友贞等，2008）。以淮北平原为例，该地排水沟断面的设计标准为5年一遇，但由于沟道淤积（图2.6）、排水控制或连接建筑物损毁、末级排水沟被填平（图2.7）等导致各级排水沟的实际排涝能力大都未达到3年一遇标准。产生这些不利因素的原因，一是该地历史上曾出现连续干旱年份，致使农民除涝排水意识松懈，出现田间毛沟被填平种地或为了便于机械通过而临时隔断农沟的现象；二是地方水务管理机构也缺乏维护排水工程的意识。

近年来，受全球气候变化的影响，局部地区强降雨事件呈突发、多发、并发趋势，加之农田除涝排水工程管护不善，北方农田受降雨影响产生内涝时有出现。如陕西渭北地区，由于长期重灌轻排，引起地下水升高，各级沟道长时间没有清淤维护，淤积严重，排涝能力显著下降，遇到秋季持续强降雨即会形成低洼内涝灾害。2010年8—9月，该地区连续遭受强降雨，临渭区14个乡镇的农田积水面积达0.727万hm2，受灾面积超过2万hm2，其中绝收面积0.2万hm2，减产面积1.8万hm2，直接经济损失1.1亿元以上（白鹏翔，2011）。自2003年以来陕西交口灌区发生3次较为严重的内涝灾害，其中2011年9—10月，农田积水面积达2万hm2，受灾面积超过4.7万hm2（姜渭玲等，2012）。内蒙古河套灌区地处黄河流域上游末端，降雨少，蒸发强烈，灌区支、斗沟及以下级别的排水沟道淤积严重，个别地方填平排干沟复垦、种树；扬水站均建于上世纪60—70年代，泵站附属设施配套不完善，处于带病运行状态，总排干出口段运行多年，泥沙淤积严重，虽进行过局部清淤，但大部分一直未能彻底清理底泥，造成灌区排水不畅。2012年，内蒙古自治区持续普降大到暴雨，集中强降雨引发严重洪涝灾害，上百万亩良田被积水覆盖，大量农作物被淹（图2.8），造成直接经济损失超过44亿元。自2012年11月起，河套灌区的排水改造工程全面展开，据内蒙古河套灌区管理总局发布的数据显示，截止2015年年底，累计完成沟道清淤9687条，当年全灌区入乌梁素海排水量6.49亿m3、排盐量111万t，分别比正常年份同期增加36.9%和15.2%，粮食增产2.25亿kg。为了加快乌梁素海综合治理，彻底打通灌区排水通道，2017年河套灌区管理总局筹措资金7000余万元，启动实施了总排干出口段整治。

汛期是我国农田涝灾发生的关键时期，排水工程维护不当是致灾的主要原因之一。加快灌区农田排水系统建设是预防农田涝灾发生的根本对策，为了提高农田防灾减灾能力，减小涝灾危害，必须建立农田排水工程管护长效机制，保证农田排水工程安全稳定运行。