WACM4.0模型模擬內蒙古河套地區山水林田湖草系統水循環

畢彥杰，趙 晶，張文鴿，趙 勇

·農業水土工程·

WACM4.0模型模擬內蒙古河套地區山水林田湖草系統水循環

畢彥杰1,2，趙 晶1※，張文鴿3，趙 勇2

（1. 華北水利水電大學，水資源學院，鄭州 450046；2. 中國水利水電科學研究院，流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；3. 黃河水利委員會黃河水利科學研究院，鄭州 450003）

內蒙古河套地區是中國重要的商品糧、油生產基地。區域內耕地密布，長期大規模河道外引水，引排水渠系縱橫交錯，人類活動劇烈，改變了原來的水循環環境，水循環要素變化具有時空變異性，水分轉化與運動過程及其復雜。為厘清河套地區山水林田湖草系統的水循環演變規律，該研究在“自然—人工”復合水循環理論基礎上，構建了適用于強人類活動地區的分布式水循環模型（Water Allocation and Cycle Model，WACM4.0），系統模擬分析了河套地區山水林田湖草各系統的水循環演變規律與水分運動過程。結果表明：烏梁素海、引排水渠道水循環特征以引水—排水的橫向運動為主；烏海灘涂水循環特征以地下水補給—蒸發的垂向運動為主；海子水循環以垂向與橫向綜合運動為主；耕地水循環特征為灌溉水入滲—蒸散發的垂向運動；人工林、草地、未利用地與居工地的水循環特征為降雨—入滲—潛水蒸發的垂向運動。山水林田湖草系統整體水循環特征以灌溉（降雨）—下滲—蒸發垂向水循環為主。河套地區地下水量逐年虧損，地下水循環過程為“負水平衡”垂向運動。河套地區引水灌溉平均每年致使黃河徑流量減少約42.0億m3。其中耕地耗黃水量最多，其次為引水渠道、烏梁素海、排水渠道、海子、草地。研究可為河套地區灌溉管理、水資源開發利用與山水林田湖草生態保護提供基礎支撐。

水循環；水均衡；WACM模型；山水林田湖草；河套地區

0 引 言

在太陽輻射和地心引力等自然驅動力的作用下，地球上各種形態的水通過蒸發蒸騰、水汽輸送、降雨、土壤入滲、地表徑流、地下徑流和湖泊海洋蓄積等環節，不斷地發生相態轉換和周而復始運動過程，稱為水循環（或水文循環）[1]。在全球氣候變暖的大背景下，人口擴張、城鎮化進程加快、社會經濟高速發展等人類活動導致世界范圍內一些流域/區域的陸地水循環發生了明顯變化[2-3]，引起水循環要素時空分布與水資源數量變化，進一步影響區域的水生態、水環境系統。變化環境下水循環特征與演變規律研究已成為目前國內外水科學、水文學領域研究的熱點。關于陸地水循環，國內外已開展了大量研究，水循環受氣象條件與地形、土壤、植被、地質等地理條件影響[4-5]。近年來與人類活動密切相關，人類活動通過改變土壤水、地表水、地下水的時空分布影響水循環[6-7]。不少學者對此進行了大量的試驗與數值模擬研究，促進了對區域水循環特征的認識[8-10]。各種人類活動，如水利工程建設、工農業發展、城市化、人工取用水等正在不斷干擾水循環過程[11-13]。城鎮化使得城鎮周邊的農田、林地等轉變為城鎮及建設用地，增加了大量地表不透水面積，影響降雨形成徑流與水分下滲[14]。水利建設項目、圍湖造田與毀林造田等一系列人類活動改變了下墊面條件，影響降雨-土壤水-地下水轉化規律[15]。農田灌溉、工業與生活取用水等人類活動改變了徑流量、土壤水、地下水等水循環要素變化的自然規律[12,16-17]，直接引起水資源演變規律發生變化。城鎮化引起的土地利用/土地覆蓋變化與人工取用水是人類活動影響水文過程的最主要方式[18]。

國內外關于山水林田湖草系統的研究剛剛起步，研究主要針對山水林田湖草系統均衡的內涵特征、機制、管理路徑和啟示作用等[19-22]，大部分仍停留在政策層面；也有部分研究針對山水林田湖草生態保護修復研究，如生態修復標準體系[23]、生態保護修復模式[24]、山水林田湖草的生態功能評價[25]、生態問題系統診斷[26]等，但均為定性研究，有學者構建山水林田湖草空間信息圖譜，采用空間自相關分析方法探究其時空演變特征與生態變化過程[27]。但關于山水林田湖草各系統水循環演變過程與規律的定量化研究仍缺乏。

內蒙古河套灌區是亞洲最大的一首制灌區和全國3個特大型灌區之一，也是國家和自治區重要的商品糧、油生產基地。河套地區地處中國干旱的西北高原，降雨量少、蒸發量大，當地水資源匱乏，其生產生活用水主要依賴過境黃河水。年引黃水量約47億m3，占黃河過境水量的七分之一。2019年習近平在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上指出堅持山水林田湖草綜合治理、系統治理、源頭治理，推動黃河流域高質量發展。解決黃河流域水資源與水生態相關問題的前提是厘清流域山水林田湖草系統的水循環演變特征。河套地區耕地密布、河泊濕地眾多，有大面積草地、人工林，屬于典型山水林田湖草系統，河套地區內引排水渠系縱橫交錯，水分轉化與運動過程及其復雜，水循環要素具有很大的時空變異性，該地區山水林田湖草各系統水分運動與水循環是一個極其復雜的動態過程，亟需深入研究。張銀輝等[28]應用DEHYDROS水循環模型研究河套灌區的水循環特征，但未涉及到山水林田湖草各系統水分運動過程與水循環規律。

綜上，本研究從山-水-林-田-湖-草各系統水量消耗過程入手，以不同類型耗水系統的水平衡機制和灌區尺度水循環要素標定為突破口，考慮地表水供水平衡、土壤水平衡、地下水平衡，通過蒸發、入滲以及單元間的水量交換將各個平衡系統聯系起來，構建適用于強人類活動地區的分布式水循環—WACM（Water Allocation and Cycle Model）模型，系統模擬分析河套地區山水林田湖草各系統的水分運動過程與水循環演變規律，為河套地區灌溉管理、水資源開發利用與山水林田湖草生態保護提供基礎支撐。

1 分布式水循環模型構建

WACM（Water Allocation and Cycle Model）模型是由中國水利水電科學研究院自主開發的基于自然水循環過程和人工影響過程構成的自然-人工復合水循環系統模型，尤其適用于人類活動頻繁的平原區水循環過程模擬[29]。經過了十幾年的發展，相繼開發出WACM1.0、WACM2.0、WACM3.0 與WACM4.0共4個版本[29-31]。可為水資源配置、自然-人工復合水循環模擬、物質循環模擬、氣候變化與人類活動影響等提供模擬研究的技術方法。

1.1 模型原理及結構

模型主要內容包括蒸散發、融雪、土壤水運動、地下水運動、產匯流、灌區的引水、灌水、排水、工業生活取用水、湖庫閘壩、調水等水利工程的模擬計算及植物生長計算、水資源配置計算等。

1）蒸散發模塊主要包括水面蒸發、裸地/植被覆蓋和不透水域蒸發，采用Noilhan-Planton模型、Penman公式和Penman-Monteith公式按照植被-土壤-大氣通量交換方法等進行計算。

2）融雪模塊分2層：表層積雪和下層積雪。

3）土壤水劃分為3層：地表貯流層、淺層與深層，應用Richards方程進行計算。

4）地下水分平原區與山區分別模擬，山區采用水均衡法，平原區地下水為2層：淺層和深層，采用二維地下水連續性方程計算。

5）山區匯流利用簡單的幾何框架和簡化的圣維南方程組來模擬天然坡面流。平原區坡面匯流計算時，按照就近入流的原則進行匯流計算。即通過地理信息獲取每個平原區計算單元最近的排水渠道，按照距離以及實際排水條件分時段匯入排水渠。河道匯流選擇一維運動波方程來模擬單個河道以及人工排水干溝的水流過程。

6）灌區引水模塊，在渠灌區設置一條引水干渠，根據灌區渠系工程圖的支渠引水節點位置，從上而下，逐個節點進行引水模擬，將水量從支渠分配到各個水循環單元。灌水模塊需要計算每個水循環計算單元的“當日灌水量”，由作物灌溉制度和農田小氣候決定，模型考慮了作物輪作以及復種對作物灌溉的影響，設置最大可接受輪作次數為3次。對于灌區排水，農溝、斗溝、支溝概念性的概化到各水循環單元內，體現在排水溝底板高程和滲漏損失上，而排水干溝在每個子流域均設置一條，子流域內屬于灌區的單元格按照一定的方式坡面匯流到排水干溝，再通過排水干溝匯到子流域的主河道，而子流域內不屬于灌區的單元格，按照天然的方式直接匯到子流域的主河道。

7）工業生活取用水：將生活與工業用水系統內部變化概化為黑箱，根據水資源配置的成果或實際調查統計與規劃資料，來進行每個水循環單元的生活與工業的取水、用水、耗水、排水、補給地下水和轉化水量的計算。

8）模型對水利工程的模擬，將各類水利工程概化為流域計算河網上的節點，通過按照一定規則和要求來計算節點的水平衡的方式，完成對水利工程的模擬。水庫調度過程分為非汛期與汛期兩種情況考慮。

9）植物生長模塊主要考慮能量和溫度作用以及水分受限對植物生理過程的影響。主要通過積溫及相關氣象、土壤條件計算植物生長速率，通過光合、呼吸、生長等生物過程完成碳循環過程；并以上述過程為載體完成水循環的耦合。

10）水資源配置模塊首先按照流域套行政區的方式，根據區域特點將整個水資源系統概化成由諸多計算單元、計算節點以及輸水網線構成的系統網絡圖，每個單元和節點有其單獨供需水平衡方程，在弄清各單元和節點之間聯系和約束條件后，可形成一個線性方程組。

各模塊具體計算詳見文獻[30-32]。WACM模型結構見圖1所示。

1.2 WACM4.0模型構建

1.2.1 研究區概況

內蒙古河套灌區（以下簡稱河套灌區或灌區）位于40°15′N～41°18′N，106°20′E～109°19′E之間，巴彥淖爾市境內，東西長250 km，南北寬50 km。河套灌區地勢平坦開闊，土層深厚，為一湖相沉積平原。土壤中土粒顆粒細、滲透性差，地形西南高而東北低，灌溉排水必須從西南流向東北然后從東南流入黃河[33]。

圖1 WACM 模型結構[30-32]

河套灌區地處干旱、半干旱、半荒漠草原地帶，冬季嚴寒少雪，夏季高溫干熱、蒸發大、降雨少、無霜期短，為典型的大陸性氣候區，易發生干旱，春旱尤其嚴重，必須靠灌溉發展農業。千百年來形成了獨特而又復雜的引水和排水渠系網絡。灌區引水系統包括總干渠1條，干渠13條，分干48條，支渠204條，以及復雜的斗區、農渠和毛渠共七級引水渠系；排水系統包括總排水干溝1條，干溝12條，分干溝59條，支溝210條，以及更小的排水溝，與當地的河湖水系共同構成縱橫交錯的排水網絡。

灌區內有300多個天然湖泊，湖泊濕地總面積約440 km2，類型繁多，是候鳥遷徙的主要場所，在維持生物多樣性和區域生態平衡中起著巨大作用，是中國北方地區重要的生態屏障。其中灌區東端的烏梁素海面積最大，約293 km2，是灌區農田退水、工業廢水及生活污水唯一的承泄渠道，接納了灌區90%以上的農田排水，致使烏梁素海水質偏差。烏蘭布和沙漠東緣重建了長154 km的大型防風固沙林帶，有效地防止烏蘭布和沙漠東侵。

1.2.2 模型輸入數據

河套地區涵蓋 7 個市縣，分別為臨河市、磴口縣、杭錦后旗、五原縣、烏拉特前旗、烏拉特中旗和烏拉特后旗。氣象數據資料來自河套灌區管理局監測站點及國家氣象局網站共享數據，包括2009—2018年7個氣象站點（烏拉特中旗、五原、磴口、杭錦后旗、臨河、烏拉特前旗與烏拉特后旗）的日降雨、最高與最低氣溫、平均氣溫、平均風速、相對濕度、日照時數等。研究區DEM 信息采用美國國家航空航天最新發布的2009年的全球DEM數據，數據采樣精度為30 m，海拔精度為7～14 m。土壤分布信息采用南京土壤所公布的全國土壤分布圖，主要土壤類型為鹽土（43.3%）、鹽化灌淤土（28.3%）和潮灌淤土（15.9%）。考慮到整個含水層的水文地質條件和水力特性，模型分為2層，第一層厚度變化不大（設置平均厚度7.4 m），第二層厚度20～300 m，含水層自東向西，自南向北逐漸增加，總體規律是由東南向西北變厚。淺層地下水采用平面二維數值方法進行模擬計算。除山前區域外，灌區大部分區域的給水度較小，位于0.02～0.05之間。灌區社會經濟用水數據根據巴彥淖爾市水資源公報、水資源綜合規劃等整理得到。

土地利用數據來自巴彥淖爾市自然資源局提供的2009年與2017年土地利用圖，包括耕地（水澆地與旱田）、水域（烏梁素海、海子、水庫、坑塘、烏海灘涂、排水渠系、引水渠系）、林地（果園、其他園地、有林地、灌木林地、其他林地）、草地（天然牧草地、人工牧草地、其他草地）、居工地（鐵路用地、公路用地、農村道路、水工建筑用地、設施農用地、城市、建制鎮、村莊、采礦用地、風景名勝及特殊用地）、未利用地（田坎、沙地、鹽堿地與裸土地）等共32種類型。土地利用空間分布圖見圖2，各部分土地利用面積見表1。其中耕地覆蓋面積最大，占地區總面積的58.34%；其次為未利用地、草地、居工地、水域、林地，分別占地區總面積的14.00%、8.58%、8.40%，7.72%與2.98%。

圖2 研究區土地利用圖

表1 2017年研究區土地利用面積

1.2.3 研究區計算單元劃分

計算單元空間劃分需兼顧子流域、行政區劃、灌區范圍等特征信息。首先，依據河套地區所在的黃河流域水資源三級分區范圍與河套地區行政區劃范圍確定研究區外邊界，這也是提取DEM、土地利用與土壤等信息的邊界；其次，根據河套地區現狀灌溉范圍和DEM分布特征，考慮與河套地區具有顯著水力聯系的毗陵區域確定研究區內山區與平原區邊界范圍，然后對山區按照子流域匯流特征劃分計算單元，平原區則考慮引排水渠系分布特征進行單元劃分。

模擬山區水循環過程主要是為了給平原區單元提供地表匯流和山前側滲補給的邊界信息。因此，在山區單元計算中，主要依據山區DEM信息對其匯水單元進行劃分和提取，得到40個計算單元。根據河套灌區總干渠、干渠、分干渠和支渠分布情況，以末級渠段對應的灌溉范圍為依據，同時兼顧行政區范圍，劃分引水灌域單元共354個。根據灌區總干溝、干溝、支溝和分支溝的分布，以末級排水溝對應的排水范圍為依據，同時兼顧行政區范圍，劃分排水域單元共421個。為便于地下水數值模擬計算，將平原區1 km×1 km正方形柵格進行劃分，得到11 779個計算單元，見圖3。

圖3 河套地區地下水計算單元

將劃分的柵格單元與上一步得到的引排水單元進行空間疊加，建立柵格單元與引排水單元的拓撲關系，即明確了每個柵格單元所在的引水域、排水域及行政區，便于模型進行信息輸入和統計輸出。將山區和平原區劃分的單元進行合并，即得到模擬計算所需的單元共計11 819個，見圖4。根據確定的計算單元，對土地利用、土壤信息、水文地質參數等按照單元范圍進行提取，得到每個單元各種土地利用類型、土壤類型的分布面積與水文地質參數分區值。

圖4 研究區總的計算單元

1.2.4 參數率定和模型驗證

本文所構建的分布式水循環WACM4.0模型，模擬時間2009—2018年，其中2009—2014為參數率定期，2015—2018年模型驗證期。通過對比分析逐月水面蒸發、灌區排水過程、地下水實測值與模擬值驗證模型。

1）水面蒸發驗證

將研究區各區縣監測的水面蒸發資料（2009—2018年）與模擬結果進行對比，結果見表2。相對誤差均在11%以內，相關系數在0.85以上，納什效率系數在0.82以上，模擬值與觀測值一致性較好。

表2 各區縣水面蒸發量的率定與驗證

2）灌區排水過程

將灌區22條主要排水干溝及總排干4個控制斷面2009—2018年長系列月流量數據與模型結果進行對比。結果見表3。相對誤差均在20%以內，相關系數在0.86以上，納什效率系數在0.72以上，模擬值與觀測值一致性較好。

表3 排水過程率定與驗證

3）地下水驗證

將河套地區224眼淺層地下水觀測井2009—2018年逐月埋深序列資料與模型輸出的地下水模擬結果進行對比，其中2018年地下水埋深模擬值與實測值的空間分布對比結果見圖5，可以看出，模擬結果中地下水漏斗區存在位置與觀測值存在位置一致，模擬的地下水埋深空間變化與觀測結果一致性很好。本文所構建的WACM4.0模型率定和驗證狀況良好。

注：圖中數據為地下水埋深，m。

2 結果與分析

2.1 “湖”水分通量特征

“湖”主要包括烏梁素海、烏海灘涂與海子。

2.1.1 烏梁素海

根據WACM4.0模型模擬結果，烏梁素海水分輸入項為入烏水量與降雨。因排水渠道的水幾乎都排到烏梁素海內，由烏梁素海的烏毛計退水閘排水至黃河，故烏海水分來源大部分為排水入烏水量，占水分總輸入量的95%（包括三部分：生態補水量、農田退水量與山洪水），降雨量僅占水分總輸入量的5%。烏梁素海水分輸出項為排水入黃與蒸發，排水入黃量4.53億m3，蒸發量3.80億m3，分別占水分總輸出量的52%、48%。烏梁素海水循環特征以引水—排水的橫向運動為主。

圖6a為2009—2018年烏梁素海水分通量變化特征，隨著引黃水量的減少，農田退水量減少，近幾年生態補水量增多，排水入黃量也隨之上升，尤其是2018年，生態補水量高達6.50億m3，排水入黃量明顯增多。

2.1.2 烏海灘涂

2009—2018年烏海灘涂水分通量特征見圖6b，烏海灘涂水分輸入項為降雨與地下水補給，10a平均降雨量0.13億m3，地下水補給量1.00億m3，分別占水分總輸入量的12%和88%。水分輸出項包括蒸發量1.08億m3，入滲量0.05億m3，分別占水分總輸出量的95.5%和4.5%。烏海灘涂水循環特征以地下水補給—蒸發的垂向運動為主。地下水補給量呈先降后升趨勢，降雨量、蒸發量受當地氣候與烏海灘涂面積影響，呈波動式變化。

2.1.3 海子

2009—2018年海子水分通量特征見圖6c。當地降雨稀少，海子主要依靠排水補給與地下水補給。排水補給量與地下水補給量分別占水分總輸入量的48%和42%。水分輸出包括蒸發量1.32億m3、灌溉取用水量0.21億m3、入滲量0.05億m3，分別占水分總輸入量的83%、3%和13%。海子水循環以垂向與橫向綜合運動特征為主。排水補給整體呈先升后降趨勢，地下水補給呈先降后升趨勢。蒸發為海子水分輸出的主要方式，呈先降后升趨勢。隨引黃水量的減少，灌溉取用水量逐年增加。

注：正值表示水分輸入，負值表示水分輸出。下同。

2.2 “林”“田”“草”水分通量特征

“林”主要指人工林。2009—2018年人工林水分通量特征見圖7a，人工林水分輸入項為降雨、潛水蒸發，10a平均降雨量0.91億m3，潛水蒸發量0.5億m3，分別占水分總輸入量的65%和35%。水分輸出項包括蒸散發量1.33億m3、地表產流量0.04億m3、入滲量0.04億m3，分別占水分總輸入量的94%、3%%和3%。人工林水循環特征為降雨—入滲—潛水蒸發的垂向運動。受地下水位影響，潛水蒸發整體呈減少趨勢。地表產流與下滲量變化不大。

2009—2018年耕地水分通量特征見圖7b。耕地水分輸入項為降雨、黃河水經引水渠道進入田間的灌溉水量、潛水蒸發，10a平均降雨量10.57億m3，灌溉水量23.19億m3，潛水蒸發量22.61億m3。分別占輸入水量的19%、41%和40%。水分輸出包括蒸發量43.72億m3、農田排水量6.48億m3、入滲量5.75億m3，分別占水分總輸出量的78%、10%和12%。耕地水循環特征為灌溉水入滲—蒸散發的垂向運動。隨著引黃水量的減少，灌溉水量整體呈減少趨勢，潛水蒸發受地下水位影響整體呈下降趨勢。受當地氣候因素與耕地面積影響，降雨量整體呈略微上升趨勢，蒸散發量整體呈略微下降趨勢。

2009—2018年草地水分通量特征見圖7c。草地水分輸入項為降雨、潛水蒸發，10a平均降雨量1.49億m3，潛水蒸發量1.21億m3，分別占水分總輸入量的56%和44%。水分輸出包括蒸發量2.0億m3、地表產流量0.20億m3、入滲量0.62億m3，分別占水分總輸出量的71%、7%和22%。草地的水循環特征為降雨—入滲—潛水蒸發的垂向運動。潛水蒸發呈逐年減少趨勢，水分消耗以蒸散發為主。下滲量與產流量變化不大。

圖7 2009—2018年“林、田、草”水分通量特征

2.3 “水”水分通量特征

引水渠道2009—2018年水分通量特征見圖8a。引水渠道水分輸入項包括降雨量0.45億m3，潛水蒸發量0.01億m3，引黃水量45.31億m3，引地表水量0.21億m3，分別占水分總輸入量的1.0%、98.5%、0.5%和0.04%。水分輸出包括田間水量22.98億m3、滲漏量19.41億m、蒸發量3.62億m3，分別占水分總輸出量的50%、42%和8%。引黃水量呈逐年下降趨勢，由2009年的51億m3下降到2018年的45億m3。

排水渠道2009—2018年水分通量變化特征圖8b。水分輸入項包括降雨量0.18億m3，地表產流與排水量6.42億m3，地下水補給量3.55億m3，工業生活排水量0.26億m3，分別占水分總輸入量的2%、62%、34%和3%。水分輸出項包括排出水量3.64億m3，蒸發量1.43億m3，補給湖泊量0.74億m3，滲漏量4.97億m3，分別占水分總輸出量的31%、14%、7%和48%。隨著工業快速發展與人口增多，工業生活排水量呈上升趨勢，因引黃水量的減少，地表產流與排水量整體呈下降趨勢。

2.4 未利用地與居工地水分通量特征

2.4.1 未利用地

未利用地2009—2018年水分通量變化見圖9a。水分輸入包括降雨量2.54億m3，潛水蒸發量1.51億m3，分別占水分總輸入量的63%和37%。水分輸出包括蒸發量2.97億m3，地表產流量0.013億m3，入滲量1.06億m3，分別占水分輸出量的73.3%、0.3%和26.4%。未利用地水循環特征為降雨-入滲-潛水蒸發的垂向運動。潛水蒸發呈逐年減少趨勢，下滲量與產流量變化不大。

2.4.2 居工地

居工地2009—2018年水分通量變化特征見圖9b。水分輸入項包括降雨量1.51億m3，潛水蒸發量2.51億m3，分別占水分總輸入量的37%和63%。輸出水量包括產流量1.769億m3，取用地下水量1.56億m3，蒸散發量0.44億m3，入滲量0.29億m3，分別占水分總輸出量的43%、39%、11%和7%。居工地的水循環特征以降雨—入滲—潛水蒸發的垂向運動為主。潛水蒸發呈逐年減少趨勢，下滲量與產流量變化不大。

2.5 地下水均衡特征

淺層地下水均衡特征見圖10。水分總輸入量31.89億m3，包括渠系入滲量24.38億m3、土壤入滲補給量5.75億m3、山前側滲補給量1.73億m3，分別占水分總輸入量的77%、18%、5%。總排泄量33.17億m3，包括潛水蒸發量20.89億m3、農田灌溉開采量4.67億m3、補給渠道量3.55億m3、補給河湖濕量1.66億m3、地工業生活開采量1.66億m3、地下水深層滲漏量0.85億m3，分別占水分總輸出量的63.0%、14%、11%、5%、5%與3%。水分總輸入量較總排泄量少1.3億m3，意味著河套地區每年地下水儲存量減少（虧損量）1.3億m3，可以稱這種水循環過程為“負水平衡”垂向水循環。

圖9 2009—2018年未利用地與居工地水分通量特征

圖10 2009—2018年地下水均衡

2008—2009年渠道滲漏補給量因引黃水量的下降整體呈下降趨勢，土壤水入滲量呈先降后升再降趨勢，山前側滲漏補給與黃河側滲漏補給量變化很小。潛水蒸發整體呈逐年下降趨勢。工業生活開采與農田灌溉開采量呈逐年上升趨勢。地下水深層滲漏、補給河湖濕地與補給渠道排泄量整體變化不大。地下水虧損量逐年增加，2018年有所減緩，是由于其生態補水量明顯增加。

2.6 灌區水分通量特征

灌區水分輸入項包括降雨量18.39億m3、引黃河水量45.31億m3、山前及黃河側滲補給量3.23億m3，分別占水分總輸入量的27%、68%和5%，水分輸出包括蒸發量62.01億m3，排水量4.92億m3，分別占水分總輸出量的93%與7%。

圖11為灌區2009—2018年不同年份水量平衡結果，受大氣環流與云量的影響，降雨量整體呈先降后升的波動式變化趨勢，引黃水量整體呈下降趨勢，排水量呈波動式變化。受氣溫、日照時數、風速與相對濕度及太陽輻射的影響，蒸發呈波動式變化，整體呈下降趨勢。山前側滲補給量主要受降雨影響，整體呈下降后升的波動式變化趨勢。

2.7 灌區水分運動過程

解決水問題的關鍵在于將水循環的各個環節聯結成整體、厘清區域水分運動過程。河套地區水分運動過程（見圖12）：2009—2018年10年平均引黃灌溉水量45.31億m3，先經過引水渠道進入田間，產生滲漏量19.41億m3 到達地下水層。進入田間的水量經過農田蒸散發（43.72億m3）、下滲（5.75億m3，包括降雨在內）剩余的水量進入排水渠道（6.48億m3）。排水渠道的水量經過滲漏（4.98億m3）、補給海子（0.76億m3）與蒸發（1.45億m3）后排到烏梁素海（7.84億m3，也包括農田退水、生態補水與山洪水）。進入烏梁素海的水量經過水面蒸發（3.80億m3，包括降雨在內）后經烏毛計退水閘排水入黃（4.53億m3，包括降雨在內）。經過引水渠道、耕地與排水渠道下滲到地下水的水量（地下水補給的主要來源）補給烏海灘涂（1.00億m3）、海子（0.66億m3），另一部分水量經過人工林（0.51億m3）、耕地（23.19億m3）、草地（1.21億m3）、未利用地（1.506億m3）與居工地（2.53億m3）潛水蒸發消耗。

圖11 河套地區2009—2018年水分通量特征

注：P表示降雨，108 m3，ET表示蒸散發，108 m3，R表示徑流量，108 m3，Qgi為下滲量，108 m3，Egi為潛水蒸發，108 m3，Qrg取用地下水，108 m3，Qr引黃水量，108 m3；QDR進入田間水量，108 m3，RG山前側滲補給，108 m3，Qrs地下水補給，108 m3，Qps農田排水量，108 m3，Qsh排水入黃，108 m3，Qpw排水入烏，108 m3，Qpj排水補給，108 m3。

3 討 論

內蒙古河套地區屬于典型的大陸性干旱氣候，年平均降雨量小于200 mm（6—9月雨量占全年的70%～80%），年平均蒸發量1 500～2 000 mm。年徑流深在10 mm以下，徑流系數小于0.05[28]，這是河套地區天然水循環狀況。目前河套地區通過引水渠道人工引導部分黃河水加入到區域內的水分運動過程中，最終通過排水渠道將多余水分回置到區域外水體的天然水循環中，引水灌溉改變了該地區水循環規律，呈現明顯的自然—人工復合水循環特征。除了在灌溉引水排水工程系統內的增強外，人類活動對水循環的影響還表現為水平徑流輸出減弱，垂向蒸散發、下滲輸出的增加[34]。目前河套地區內山水林田湖草系統的水循環以灌溉（降雨）—下滲—蒸發垂向水循環為主。其中耕地以灌溉水垂向入滲—植物蒸散發消耗的垂向運動為主，與郝芳化等[34]研究結論一致；海子以地下水補給—蒸發消耗的垂向運動為主，與王國帥等[35]研究結果一致；人工林、草地、未利用地與居工地以降雨—潛在蒸發—蒸發消耗的垂向運動為主。因引黃水量的減少，區域多年平均灌溉水與降雨總入滲補給不能滿足區域地下水的總消耗，區域地下水埋深呈逐年下降趨勢，地下水逐年虧損，與郝芳化等[34]研究結論一致。本文研究結果可靠，可為山-水-林-田-湖-草系統水資源分析提供重要參考。

河套灌區引水灌溉過程中大量的黃河水消耗于蒸發和作物蒸騰作用，使黃河徑流量減少。2009—2018年每年致使黃河徑流量平均每年減少約42.00億m3，其中耕地耗黃水量最大，為30.02億m3，占總耗黃水量的71.48%，其次引水渠道（3.09億m3）、烏梁素海（2.89億m3）、排水渠道（1.25億m3）、海子（1.16億m3）。可見，接近82%左右的黃河水消耗于農業引水灌溉過程，僅18%左右的黃河水通過排水進入烏梁素海、通過渠道滲漏與土壤水下滲進入地下水，再補給海子、林草地與荒地等的水分消耗，可稱為生態耗水量。這部分水量對維持河套地區的生態環境需水至關重要。

本研究深入開展了河套灌區山水林田湖草系統的水循環演變特征與規律研究。但未涉及山水林田湖草系統適宜水量的計算，該地區適宜水量影響因素眾多，如氣象條件、地下水位、水鹽平衡、節水措施、烏梁素海水質要求或生態保護目標等等都會對各土地利用類型的適宜水量產生影響，亟需進一步深入系統研究。

4 結 論

本文從山-水-林-田-湖-草各系統水量消耗過程入手，構建了適用于強人類活動地區的分布式水循環模型WACM4.0，通過對比逐月水面蒸發量、灌區排水過程、地下水位實測值與模擬值驗證模型，模擬值與觀測值一致性很好，可應用到河套地區。

1）河套地區水量輸入以引黃河水（68%）為主，水分輸出以蒸發（93%）為主，山水林田湖草系統的水循環特征以灌溉（降雨）—下滲—蒸發垂向水循環為主。烏梁素海水循環以引水—排水的橫向運動特征為主。烏海灘涂水循環以地下水補給—蒸發的橫向運動特征為主。海子水循環以垂向與橫向綜合運動特征為主。耕地水循環特征為灌溉水入滲—植物蒸散發的垂向運動。人工林、草地、未利用地與居工地的水循環特征為降雨—入滲—潛水蒸發的垂向運動。引水渠道、排水渠道水循環特征為引水—排水的橫向運動。

2）河套地區引水灌溉平均每年致使黃河徑流量減少約42.00億m3。其中耕地耗黃水量30.02億m3，占總耗黃水量的71.48%，其次為引排水渠道，耗黃水量3.09億m3，烏梁素海耗黃水量2.89億m3。

3）河套地區水分運動過程：黃河水經過引水渠道進入田間，土壤水入滲到下地水層，剩余的水量進入排水渠道，引排水過程的滲漏量補給地下水，再通過地下水運動補給海子、烏海灘涂，另一部分水量經過人工林、耕地、草地、未利用地與居工地的潛水蒸發消耗。排水渠道排水到烏梁素海，經過水面蒸發經烏毛計退水閘排水入黃。因引黃水量的減少，河套地區地下水埋深呈逐年下降趨勢，地下水逐年虧損，地下水循環過程為“負水平衡”垂向運動特征。

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Simulation of hydrological cycle for mountain-water-forest-cropland-lake- grass system in Hetao region, Inner Mongolia of China by WACM4.0 model

Bi Yanjie1,2, Zhao Jing1※, Zhang Wenge3, Zhao Yong2

(1.,450046,; 2.,,100038,; 3.,,450003,)

Hetao region is an important production base of commodity grain and oil crops in China. The large-scale water transferred from outside the river in a long term has resulted in the most headraces and drainage system, covering many cultivated lands in this region. However, human activities have posed a great change on the original hydrological cycle and the natural environment. Some spatio-temporal features, and the process of water conversion and movement are extremely complicated, due to the variation of hydrological cycle elements. In this study, a Water Allocation and Cycle Model (WACM4.0) was constructed suitable for the regions with strong human activities based on the "natural-artificial" composite water cycle theory. The WACM4.0 model was applied to simulate the evolution law and characteristic of hydrological cycle of each mountain-water-forest-cropland-lake-grass system in Hetao region. The main findings are as follows: In the hydrological cycle process, 1) the Wuliangsuhai was mainly characterized by lateral movement of water diversion and drainage, 2) the Wuhai mudflat was the vertical movement of groundwater recharge-evaporation, 3) Haizi region was dominated by vertical and horizontal comprehensive movement characteristics, 4) the cultivated land was the vertical movement characteristics of irrigation water infiltration-evapotranspiration, 5) the planted forest, grassland, unutilized land, and construction sites were the vertical movement characteristics of rainfall-infiltration-phreatic water evaporation, 6) the drainage and channels were drainage water-lateral movement characteristics of drainage water, and 7) the overall system of mountain-water-forest-cropland-lake-grass was the vertical water cycle of irrigation (precipitation)-infiltration-evaporation. The amount of groundwater in Hetao region has been losing year by year, indicating the characteristic of “negative water balance” vertical movement in the circulation process. Specifically, the water from the Yellow River entered the cropland through water diversion channels, leading to the formation of soil water from irrigation water, and then infiltrated the groundwater aquifer, while the remaining water went into the drainage channels, indicating the amount of leakage in this process can be used to replenish groundwater. Two part of groundwater can be divided, one was used to replenish Haizi and Wuhai mudflat, and another part of water consumed away via phreatic water evaporation of artificial cultivated land, grassland, unutilized land, and construction site. The water in drainage channels entered Wuliangsuhai, with the loss water through surface evaporation, while the remained water discharged into the Yellow River through the Wumaoji escape gate. The average annual runoff of the Yellow River can be consumed away by approximately 4.2 billion m3 due to diversion irrigation in the Hetao region. The amount of the Yellow River water consumed by each system was as follows: the water consumption of cultivated land was 3.02 billion m3, the grassland was 114 million m3, the unutilized land was 65 million m3, Haizi region was 116 million m3, the Wuliangsuhai was 289 million m3, the Wuhai mudflat was 83 million m3, the planted forest was 91 million m3, the construction site was 0.09 million m3, the headrace channel was 309 million m3, and the drainage channel was 125 million m3. The research findings can provide a basic support for irrigation management, utilization of water resources, and ecological protection of mountain-water-forest-cropland-lake-grass system.

hydrological cycle; water balance; WACM model; mountain-water-forest-cropland-lake-grass; Hetao region

畢彥杰，趙晶，張文鴿，等. WACM4.0模型模擬內蒙古河套地區山水林田湖草系統水循環[J]. 農業工程學報，2020，36(14)：148-158.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.018 http://www.tcsae.org

Bi Yanjie, Zhao Jing, Zhang Wenge, et al. Simulation of hydrological cycle for mountain-water-forest-cropland-lake-grass system in Hetao region, Inner Mongolia of China by WACM4.0 model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 148-158. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.018 http://www.tcsae.org

2020-03-20

2020-06-28

國家重點研發計劃（2016YFC0401407，2017YFC1502405，2017YFC0405805-03）；華北水利水電大學高層次人才科研基金（201702016）

畢彥杰，博士，講師。主要從事流域水循環模擬與實驗、氣候變化方面研究。Email：835938470@qq.com。

趙晶，博士，講師。主要從事水利經濟與水資源管理研究。Email：zhaojing19870515@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.018

P339

A

1002-6819(2020)-14-0148-11