四水轉(zhuǎn)換模型在強灌排活動影響下的應(yīng)用
——以松嫩平原典型區(qū)為例

周光濤

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

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四水轉(zhuǎn)換模型在強灌排活動影響下的應(yīng)用
——以松嫩平原典型區(qū)為例

周光濤

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

摘要：“四水”轉(zhuǎn)化關(guān)系是指“大氣降水、地表水、土壤水和地下水”之間的關(guān)系，貫穿于區(qū)域水循環(huán)過程中，具有較強的區(qū)域特性，其中降水產(chǎn)流、土壤水下滲、潛水蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)及植被蒸騰等過程是整個水循環(huán)過程的核心環(huán)節(jié)，也是聯(lián)結(jié)大氣降水-地表水、土壤水-地下水及土壤水-大氣水相互轉(zhuǎn)化的紐帶。松嫩平原地區(qū)地下水開采量大，區(qū)域性的地下水埋深普遍較深，文章研究“四水”轉(zhuǎn)化的關(guān)系對松嫩平原水資源的調(diào)配具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：“四水”轉(zhuǎn)化；模型；訥謨爾河；呼蘭河

0前言

“四水”轉(zhuǎn)化關(guān)系是指“四水”(即大氣降水、地表水、土壤水和地下水)之間相互聯(lián)系、相互依存、相互制約、相互作用和相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系。“四水”轉(zhuǎn)化關(guān)系貫穿于區(qū)域水循環(huán)過程中，具有較強的區(qū)域特性，其中降水產(chǎn)流、土壤水下滲、潛水蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)及植被蒸騰等過程是整個水循環(huán)過程的核心環(huán)節(jié)，也是聯(lián)結(jié)大氣降水-地表水、土壤水-地下水及土壤水-大氣水相互轉(zhuǎn)化的紐帶。

自20世紀(jì)70—80年代以來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展和人民生活水平的提高，對水資源的需求量越來越大，人類活動對下墊面條件的改變也日益加劇。其中水利化程度的提高、農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及城市化進程等都發(fā)生了顯著的改變。松嫩平原地區(qū)，由于大規(guī)模的開采地下水，導(dǎo)致平原區(qū)區(qū)域性的地下水埋深普遍增大。而平原地區(qū)地下水埋深加大可以使得土壤包氣帶變厚，土壤包氣帶蓄水容量的增加，導(dǎo)致相同的降水量入滲補給土壤水的水量增多，所產(chǎn)生的徑流量則相應(yīng)減少。因此研究“四水”轉(zhuǎn)化關(guān)系對松嫩平原水資源的調(diào)配具有重要的意義。

1松嫩平原“四水”轉(zhuǎn)化模型結(jié)構(gòu)[1]

四水轉(zhuǎn)化模型是建立在流域水文模型基礎(chǔ)上的一種用于水文水資源數(shù)量評估計算的模擬技術(shù)，是水資源系統(tǒng)工程的一個組成部分。首先把流域下墊面分為透水面積和不透水面積，不透水面積指常年需水的坑、塘、河、渠等，其蒸發(fā)等于水面蒸發(fā)量。該面積上的降水可以直接形成產(chǎn)流量RS1，稱為直接產(chǎn)流量；在透水面積上，又分為上下兩層，各層土壤含水量分別設(shè)置了張力水和重力水容量，以及重力水出流系數(shù)。

透水面積上的產(chǎn)流量又分為3種：①地表徑流RS2；②壤中流RS3；③地下徑流RS4。透水面積上的蒸散量分別設(shè)置了上層張力水蒸散項和下層張力水蒸散項。蒸散量計算的模型是線性的，它與張力水蓄水量成正比。

模型結(jié)構(gòu)見圖1。

2模型中各項水文要素[1]及計算

模型中主要水文要素有：①平均降雨量；②蒸散能力；③灌溉水量；④蒸發(fā)量ET；⑤上層總產(chǎn)水量；⑥土壤含水量TWC；⑦上層地表水出流量RS2；⑧上層對下層的補水量FWG1；⑨下層張力水TWC2；⑩下層重力水WG2。

3建立數(shù)學(xué)模型

松嫩平原水系眾多，但是水文站站點較稀少。本次選取訥謨爾河中上游和呼蘭河秦家水文站上游流域作為小流域建立模型模擬。建模的過程為：

1)參數(shù)初值的確定。

2)參數(shù)的率定。

3)參數(shù)的綜合。

4)模型的檢驗等。

圖1松嫩平原“四水”轉(zhuǎn)化模型結(jié)構(gòu)

3.1基本情況

3.1.1訥謨爾河流域

該流域為嫩江左側(cè)支流，流域面積13 740 km2；德都水文站位于訥謨爾河中上游，控制面積7 200 km2，德都水文站以上流域坡度1.5‰，多年平均降水量500～700 mm，土質(zhì)為黏壤土，多年平均徑流系數(shù)0.1～0.4，植被條件較好，灌溉作物主要是為水田。

3.1.2呼蘭河流域

該流域為松花江左側(cè)支流，流域面積35 700 km2；秦家水文站位于呼蘭河中上游，控制面積9 809 km2，秦家水文站以上流域坡度1.5‰，多年平均降水量500～750 mm，土質(zhì)多為黏壤土，多年平均徑流系數(shù)0.1～0.2，植被條件較好，灌溉作物主要是為水田。

3.2研究成果

兩站主要參數(shù)率定值見表1，年徑流模擬和檢驗結(jié)果見表2。

表1　德都、秦家站主要參數(shù)率定值

3.3結(jié)果對比

通過對德都水文站和秦家水文站控制面積內(nèi)建立模型推求水資源量，可以看出在1991—2000年10 a間，計算年徑流量與實測年徑流量較為吻合，僅個別年份兩者差別較大(德都站1999年和1992年，秦家站1996年)，影響因素很多，用水統(tǒng)計不全有可能是主要原因。

但是從檢驗結(jié)果可以看出，兩站模擬計算供20次，2次超過20%，合格率為90%，符合《水文情報預(yù)報規(guī)范》定的計算標(biāo)準(zhǔn)，因此利用此模型的模擬結(jié)果較好。

表2　德都和秦家站模擬和檢驗結(jié)果

4松嫩平原“四水”轉(zhuǎn)化關(guān)系探究

通過對訥謨爾河和呼蘭河流域單站模型的建立和檢驗，可以看出，“四水”轉(zhuǎn)換模型對松嫩平原水資源量模擬出來的結(jié)果有一定的參考價值，松嫩平原水文站點較少，特別是流域控制站較少，對流域年徑流的推求可以考慮采用建立模型法進行推求。同時本模型可用于各種人類活動影響條件下的水量轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究，水資源的評估、開發(fā)、利用和保護等。

根據(jù)上述模型，不改變模型參數(shù)，將地下水供水量增加20%，計算秦家水文站及德都水文站水資源量見表3。

表3　地下水增供20%后單站徑流量變化情況

由表3可以看出，地下水增加供水后，其它參數(shù)不變的情況下，年徑流量有所減少，主要是由于地下水開采量加大后，土壤水增加導(dǎo)致產(chǎn)流減少所致。

由于松嫩平原中二級支流嫩江和松花江干流均有外省徑流，外省區(qū)域資料不全，無法對大的區(qū)域進行水文模擬分析和驗證，因此“四水”轉(zhuǎn)換關(guān)系對于松嫩平原大區(qū)域的應(yīng)用有待于相鄰兄弟省的積極配合，以期取得更好的效果。

參考文獻：

[1]陳明.第二松花江干流四水轉(zhuǎn)化模型研究及應(yīng)用[J]，東北水利水電，2001，19(11)：3-6.

文章編號：1007-7596(2016)02-0015-03

[收稿日期]2016-01-06

[作者簡介]周光濤(1979-)，男，山東蓬萊人，高級工程師，。

中圖分類號：P334.92

文獻標(biāo)識碼：B