606洞庭湖區(qū)“三水”轉換分析

廖利國，李林華

（1.湖南省長沙水文水資源勘測局，湖南長沙410014；2.湖南省株洲水文水資源勘測局，湖南株洲412000）

606洞庭湖區(qū)“三水”轉換分析

廖利國1，李林華2

（1.湖南省長沙水文水資源勘測局，湖南長沙410014；2.湖南省株洲水文水資源勘測局，湖南株洲412000）

通過對洞庭湖水網(wǎng)區(qū)“三水”轉化規(guī)律的系統(tǒng)分析，提出了一個具有洞庭湖區(qū)特征的“三水”轉化系統(tǒng)模型，為洞庭湖區(qū)堤垸除澇排水和優(yōu)化調度提供科學決策依據(jù)。

洞庭湖區(qū)；“三水”轉換；水量平衡；地表水；地下水

1　引言

洞庭湖是我國的第二大淡水湖，湖區(qū)面積18780km2。目前洞庭湖城陵磯以上區(qū)域尚有3.96萬km2無水文站網(wǎng)控制，其區(qū)間產水量計算，大多是直接移用山丘區(qū)的相關研究成果，實際上山丘區(qū)水量轉化與湖區(qū)水網(wǎng)區(qū)很大的區(qū)別。本文在收集洞庭湖水網(wǎng)化地區(qū)的水文基礎資料之上，對水量轉化分析進行了大量試驗成果合理，令人滿意，為洞庭湖區(qū)綜合整治和堤垸排澇提供決策依據(jù)。

2　“三水”轉換系統(tǒng)模型

流域年產水量包括地表產水量Ws=Rs和地下水資量Wg= Rg+Eg，以及產水總量WT=Ws+Wg等。對流域水文模擬，它們的值依賴于流域各單元面積（F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3）的各水文要素觀測值和計算值的統(tǒng)計分析，如年降水總量、年蒸發(fā)總量、年產水總量等等。

2.1流域降水總量（PT）

2.2流域總蒸發(fā)（ET）

對單元面積降水不均情況下，流域年降水總量統(tǒng)計為各分區(qū)降雨P（ti）的加權平均求和，即：

流域總蒸發(fā)量ET包括水體蒸發(fā)E1和陸面蒸散發(fā)（E2+E3）兩個部分，其中潛水蒸發(fā)Eg作為土壤蒸散發(fā)直接供水隱含在陸面蒸散發(fā)中。在實際計算中陸面有水田、旱田之分，而水田部分在水作期（N1）和非水作期（N2）的蒸發(fā)特征是很不相同的，發(fā)生性質變化。所以，需要分別統(tǒng)計不同時期總蒸發(fā)量，然后再疊加，即：

2.2.1在水作期的流域蒸散發(fā)量為

2.2.2在非水作期的流域蒸發(fā)量為

因此，流域的總蒸發(fā)量ET為：

2.3流域的總灌溉水量（PIRT）

已知觀測記錄的逐日灌水流量IRl（ti）（m3/s），和灌溉面積Fr=（F1+F2），則流域輸入的總灌溉水量PIRT（mm）為：

2.4流域總潛水蒸發(fā)量（EgT）

潛水蒸發(fā)Eg（ti）是地下水的重要排泄量之一，輸送方向為表土層，流域總的潛水蒸發(fā)量，即：

（1）在非水作期（N1），透水面積僅為F1，所以該時期流域潛水蒸發(fā)量為：

（2）在非水作期（N1），透水面積僅為F1，所以該時期流域潛水蒸發(fā)量為：

故全年的流域潛水蒸發(fā)總量為：

2.5流域總入滲補給量（UPT）

對受灌溉水直接影響的湖區(qū)，當降水和灌溉水同時或先后經地面蓄積作用和表層土壤下滲后，在一定的土濕狀態(tài)下形成混合水源的入滲補給，即為流域總的入滲補給。先統(tǒng)計出流域總的入滲補給量UPT，如果有進一步的入滲補給試驗給出進一步的分割，還可以再細分入滲補給量，UPT確定如下，即：

2.6受灌溉水影響的流域產水總量WT（RSGT）及水量平衡約束條件

受灌溉水影響的流域產水總量（RSGT）實際是四部分水源總量之和：即流域不透水面積直接徑流量RSl，透水面積的地面產流量RS2，地下徑流排泄量Rg和潛水蒸發(fā)量Eg。前兩項之和可稱為地面產水總量，后兩項為地下產水總量。

流域地面產水總量Ws，記為RS，即Ws=RS=RSl+RS2

式中：

如果記地下出流（水平排泄）總量為Rg，即：

式中：Fg-地下水計算的控制面積（km2）。則含灌溉水影響的年地下產水量Wg記為：

含灌溉水影響的流域產水總量WT（記為RSGT）是RS和RgE之和，即：

或WT=Ws+Wg

含灌溉水影響的流域產水總徑流量RSGT為：

顯然，以上估算的產水總量關系是否正確和合理，應滿足如下二個基本水文物理關系的約束條件：

（1）流域的水量總平衡關系式：

（2）湖區(qū)水網(wǎng)區(qū)淺層地下水年水量平衡關系，即：

式（8）中各分項符合意義見前所述，如果V0-VN為年初（1月1日）和年末（12月31日）的流域總蓄水量二者變化很小，水量總平衡約束方程可近似為：P總+PIR-ET≈RSGT。

式（9）中是總補給量-總排泄量=地下蓄量變化。可計算的總補給量為降雨和灌溉水入滲補給UP。總的排泄為潛水蒸發(fā)總量Eg和河湖地下水平排泄總量Rg以及抽水總量DP之和。地下水蓄量年初末值分別為Rg0與RgN。

2.7流域凈產水總量R凈T估算

所謂流域凈產水總量RSGT是指式 （6～7）中剔除灌溉水PIRT影響的流域總產水量。由于在透水面積上地表和地下灌溉水與降水共同的作用發(fā)生水量交換，要想直接從每個層次單獨剔除灌溉水影響是十分困難的。故按實際的混合作用分析各水量交換關系，求出各個環(huán)節(jié)的水文過程，如逐年逐日Eg（ti），Up（ti），E3（ti），Hg（ti），Qg（ti）等等。則可依此可確定含灌水影響的各層次產水總量RS1，RS2和RSG，以及流域總產水量RSGT。然后設法從灌溉水影響關系整體上，合理確定流域凈的產水總量RSGT′。最后按各層次環(huán)節(jié)的水量轉化過程，按總量縮放，求出凈的各水文變化過程。事實上只要灌溉水貢獻為零，則RSGT′=RSGT。其具體的處理過程如下：

（1）先估算凈的產水總量RSGT′。一種直接依據(jù)水量平衡方程的比例關系為：

式中：EsT-流域地面蒸散發(fā)總量，可由總蒸發(fā)量ET與總潛水蒸發(fā)量EgT之差近似估算，即：

因此，剔除灌溉水影響的流域凈水資源總量為：

式中：RSGT由式（7）確定。

很顯然，如果PIR＝0，則RSGT′＝RSGT。另外，本文采用模擬方法可得到EsT的估算值 （即ET值與Eg）。它為估算產水總量RSGT′提供方便，否則直接觀測EsT，是非常困難的。

（2）估算凈的地面產水總量RS′及過程

通過前面，流域直接計算徑流的總產水量RS（RS1和RS2），則：

所以，剔除灌溉水影響的地面凈產水總量為：

（3）最后由凈產水總量RSGT′可確定凈的地下水產水量，即：

進一步還可確定凈水平排泄量Qg′，即：

這樣，通過將模型單項計算和總量控制相結合的辦法，可以近似估算剔除灌溉水影響的流域凈產水總量及各單項凈水量。

3　成果檢驗與分析

3.1模型參數(shù)及其率定

本模型有20幾個參數(shù)，共計可分為兩類：一類是可監(jiān)測的物理或水文參數(shù)，如流域面積F、給水度μ等；另一類是需要率定的參數(shù)，如穩(wěn)滲率Ks、潛水蒸發(fā)系數(shù)α等。前者可由觀測資料或試驗確定，后者則要從觀測資料中進行分析率定，而需要率定的參數(shù)僅有7個，詳見表1。

根據(jù)新灣實驗流域水文資料和資料模擬需要率定識別的參數(shù)數(shù)值為：Ks為 1.17、n1為 1.1、B為 0.10、α為 0.80、Vg為1.15、DP為0、Kd為1.85。

3.2實驗區(qū)流域概況

3.2.1實驗區(qū)流域特征

新灣徑流實驗站地處洞庭湖湖區(qū)，主要是為研究湖區(qū)水網(wǎng)地區(qū)降雨徑流關系以及區(qū)域水量平衡而設立。

本次分析的新灣實驗站是是目平湖內一小區(qū)。其實驗徑流小區(qū)面積為：0.98km2，徑流區(qū)周圍均以堤埂隔離，形成人為的閉合集水區(qū)域。區(qū)域特征值統(tǒng)計見表2。

表1　洞庭湖區(qū)“三水”轉換模型基本參數(shù)一覽表

表2　新灣徑流區(qū)土地面積統(tǒng)計表

選用新灣徑流區(qū)，從表2可以看出，水網(wǎng)密度大，溝渠、塘堰所占比重相當大，區(qū)域坡度較小，正體現(xiàn)了湖區(qū)和水網(wǎng)二大特征。

3.2.2區(qū)域站網(wǎng)及資料現(xiàn)狀

區(qū)內自1999年設立實驗區(qū)至2002年有4年觀測系列水文資料（降水量、水位（地下）、流量、蒸發(fā)）和相關調查資料（抽水量、灌溉水），盡管在項目觀測和站網(wǎng)布設上有些不同步或不配套，但總體來看，資料基本上滿足系統(tǒng)分析法和水量平衡法分析計算要求。

3.3流域蒸散發(fā)量與灌溉水量關系

蒸散發(fā)量E（t）是影響流域產水量（即產水量）的重要因子之一。利用流域水文模型的子結構關系，可以分別計算出流域每年逐日的水面蒸發(fā)E1和陸面蒸發(fā)（含土壤蒸發(fā)E3和截留蒸散發(fā)E2），見表3。

表3　新灣實驗流域蒸散發(fā)分析成果表　單位：mm

3.4降水入滲對地下水補給分析

3.4.1降水與入滲補給

利用新灣流域各項觀測資料和本課題水文水資源模型，分析了年逐日降水P（t），土濕W（t）和入滲補給Up（ti）的動態(tài)關系。其模擬結果表明，降水與入滲補給有一致對應的關系。基本特點是：當流域土濕未達飽和時，降水不產生入滲補給，降雨濕潤土壤。當土壤達田間持水量以后，入滲補給發(fā)生，一般入滲補給峰值較降水峰值滯后l～2日。

3.4.2入滲補給與地下水

湖區(qū)實驗流域小區(qū)入滲補給UP與地下水片Hg變化有直接聯(lián)系，但并非簡單的響應關系。入滲補給Up與地下水位Hp動態(tài)變化呈正比，而與地下水系統(tǒng)主要輸出之一的潛水蒸發(fā)Eg呈反比。當有入滲補給時，地下水位Hp多為上漲升幅變化。這時潛水蒸發(fā)Eg不大或作用不突出。當無入滲補給時，地下水位因無補給源，加之潛水蒸發(fā)和地下出流作用而產生消落。針對湖區(qū)新灣流域地下水埋深不是很大，潛水位較高等特點，通過分析認識到：湖區(qū)實驗流域小區(qū)入滲補給Up并非想象很小或可忽略不計，它在該地區(qū)三水轉化中扮演重要角色。在這類地區(qū)，降雨與入滲補給有較好一致性，同時入滲補給與地下水位變化也有很好的對應性。其中潛水蒸發(fā)Eg下水出流起了影響作用。此外，分析每組入滲補給平均強度Up（mm/d）和地下水位變幅△Hg（m）關系，也發(fā)現(xiàn)平均入滲補給強度愈大，對應△Hg也愈大，呈指數(shù)變化，部分摘錄見表4。

表4　入滲補給平均強度Up均與地下水位變幅△Hg的關系

3.5對潛水蒸發(fā)的影響分析

3.5.1潛水蒸發(fā)Eg的影響分析

影響潛水蒸發(fā)Eg數(shù)量及變化的因子很多。主要規(guī)律反映有如下幾點：①當土壤飽和發(fā)生入滲補給時，盡管農田潛水蒸發(fā)強度可能很大或地下水埋深小（Hg高），但由于土壤含水量無梯度變化，這時并沒有潛水蒸發(fā)作用。因此，潛水蒸發(fā)主要在包氣帶缺水狀態(tài)下發(fā)生。②當土濕W一定或處在非完全飽和狀態(tài)下，潛水蒸發(fā)與E0（t）和地下水埋深d=Hs-Hg有關。地下水位Hg愈高，Eg愈大。③在實際中，潛水蒸發(fā)Eg是不斷變化的。不同土濕、地下水埋深以及氣候條件下，它的數(shù)值是不同的。它是多種影響因素綜合作用下的地下水排泄通道之。

3.5.2潛水蒸發(fā)Eg的總量分析

從年總量評估角度，利用前述成果并通過統(tǒng)計可獲得湖區(qū)新勝垸流域逐年的潛水蒸發(fā)系數(shù)C=∑Eg/∑Eo，式中Eo為水體蒸發(fā)量。另外還可分析出地下水子系統(tǒng)中年潛水蒸發(fā)量占年總補給量的比例。

分析結果見表5，從中可以得到，湖區(qū)新勝垸流域由于挖溝修渠筑堤垸，有利于地下水的水平排泄。從分析結果看，年潛水蒸發(fā)量占年總補給量的42.9%，水平排泄略占上風。這說明了該流域地下水轉化的特點和潛水蒸發(fā)所起的作用。

表5　新灣實驗流域潛水蒸發(fā)量分析計算表　單位：mm

3.6年產水量轉換及水平衡分析

在湖區(qū)水量轉換研究中，水平衡分析是基礎，需要對水資源總量進行平衡分析和地下水水資源補排平衡分析。從中可以了解降水（含灌溉水）地表水（含土壤水）和地下水的相互轉化關系。

根據(jù)流域實測資料，已知系統(tǒng)輸入（降水量P），灌水量PIR），可以分析計算出流域總的蒸散發(fā)量ET，地表產水量Rs和入滲補給量Up。同時可進一步可估算出受灌水影響的水資源總量∑W1，即：

另一方面，利用實測資料∑R總對模型計算值∑R總＝∑Rs+∑Rg進行檢驗外，還可以利用水平衡關系式，即：

如果△V總差異不大的話，上式近似為：∑P+∑PIR-∑ET＝∑Rs+∑Rg。

湖區(qū)新灣實驗流域實測資料計算、模擬和檢驗的結果見表6。不僅與實測值吻合，而且也符合檢驗的要求。從多年平均數(shù)值看，結果比較滿意，相對誤差僅-3.97%。

表6　新灣實驗流域（含灌溉水）年產水總量平衡分析成果表　單位：mm

湖區(qū)新灣流域地下水補排關系分析見表7。從該項成果中可以看到，年總補給量與年總排泄量基本是平衡的，多年平均相對誤差很少。這就保證地下產水量估算的可行性。此外，利用該項成果還可進一步分析該流域地下水的垂直排泄和水平排泄的關系，以及各自占總補給的比例。

表7　新灣實驗流域地下水年補、排關系分析表　單位：mm

依據(jù)水平衡分析結果，可以分析受灌溉水影響的新灣實驗流域產水量轉換關系。各分項及總項結果列入表8。

從上述“三水”轉換分析中，可以認識到：地表和地下水產水總量各自比例相當，地表資源量略大。但就產生總徑流量而言，則地面徑流產了主導地位。所以，平原湖區(qū)水網(wǎng)區(qū)并非入滲補給可忽略不計，或潛水蒸發(fā)很小，地下水資源總量也是十分可觀。但從徑流總量看，的確以地面徑流為主。所以，那種認為“南方湖區(qū)水網(wǎng)區(qū)產水總量就等于地面產水量”的看法是不恰當?shù)摹?/p>

4　結語

本文 “三水”轉換規(guī)律僅就新灣徑流實驗小區(qū)進行了分析。總體上來說，基本上弄清楚了洞庭湖區(qū)產水和“三水”轉換一般規(guī)律以及堤垸滲漏變化基本情況，研究成果合理可靠。實際上“三水”轉換規(guī)律，在山丘區(qū)與平原區(qū)、華北平原與南方濕潤平原以及南方平原與南方湖區(qū)均有很大的不同。在分析方法上，本文在湖區(qū)水網(wǎng)區(qū)采用將各種水源層次分析又加以綜合的較大系統(tǒng)水文尺度模擬及其在水量轉換分析和產水量評價中的應用研究，提高了產水量的分析能力，獲得了許多中間環(huán)節(jié)影響的內部因子。但由于“降水-地表水-地下水”轉換頻繁，形成機理比較復雜，再加上人為的客水引入，地下抽水的干擾，使分析模型和模擬成果精度均帶來一定的影響。所以對“三水”轉換的分析只是為正確評價該地區(qū)產水量提供一種可行的分析方法，供流域規(guī)劃治理部門作為參證的一種可靠的手段。

表8　湖區(qū)新灣實驗流域小區(qū)受灌溉水影響的年產水總量及分配計算表　單位：mm

P618

A

2095-2066（2016）26-0090-03

2016-9-2

廖利國（1965-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，工程師，從事水文水資源監(jiān)測工作。

李林華（1964-），男，湖南祁陽人，高級工程師，從事水文水資源監(jiān)測基礎分析、水資源評價工作。