基于土地利用類型的水均衡方法及應(yīng)用

賀國平 張 彤 孫晉煒 M. Birkle O. Krol 李恒義

（1. 北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院 北京 100048 2. IITB Fraunhofer Institut Karlsruhe）

1 前言

地下水資源評價是在一定的天然和人工條件下，對地下水資源的質(zhì)和量在使用價值和經(jīng)濟效益等方面進行綜合分析、計算和論證。地下水資源量評價方法有水均衡法、解析法、數(shù)值法、開采試驗法、水文分析法等，每種方法都有各自的適用范圍。

水均衡法運用物質(zhì)不滅原理來分析計算地下水量，是其它水資源評價方法的基礎(chǔ)。水均衡法雖然是一種集中參數(shù)方法，但在一定條件下也能取得較為滿意的結(jié)果。水均衡法可粗可精，適應(yīng)性強，廣泛應(yīng)用于我國區(qū)域地下水資源、水源地可開采量的評價中。此外，水均衡方法可以為數(shù)值模擬方法提供輔助性驗證，兩種方法相輔相成，可以為區(qū)域地下水可持續(xù)開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

水均衡法原理明確，計算公式簡單，地下水均衡要素計算以地下水系統(tǒng)為對象，計算項目較多，有些均衡要素難于準(zhǔn)確預(yù)測，造成計算結(jié)果誤差很大。隨著人類活動對地下水系統(tǒng)影響的加劇，環(huán)境生態(tài)問題日益突出，現(xiàn)有地下水資源評價方法的局限性越來越明顯；因此，迫切需要對已有的評價方法進行拓寬和深化。

傳統(tǒng)地下水均衡計算是一種宏觀評價方法，有其自身優(yōu)勢，但已無法適應(yīng)城市下墊面快速變化、尤其像北京市這樣的缺水型大城市對地下水資源開發(fā)與管理的現(xiàn)實需要。特大型城市土地利用方式變化迅速，針對地下水資源評價如何響應(yīng)城市土地利用方式的變化，提高評價的準(zhǔn)確性問題，本文提出了基于土地利用類型的水均衡評價方法。

2 基于土地利用類型的水均衡評價方法8

嚴格的說，降雨、灌溉、部分地表水體并不是直接與地下水系統(tǒng)發(fā)生水力聯(lián)系，它們均是透過表層土壤層才到達含水層。因此，地下水垂向補給量最重要的影響因素是下墊面條件，即土地利用類型與土壤巖性?；谕恋乩妙愋偷乃庠u價方法以地表水系統(tǒng)與地下水系統(tǒng)的聯(lián)系紐帶——下墊面為研究對象，通過為每種土地利用類型建立相應(yīng)的水量平衡方程式，間接地計算出地下水補給量。

3 水 平衡方程式

一般地，平原區(qū)常見的土地利用類型有以下10種：水田、旱地、有林地、灌木林、疏林地、果園、草地、水域、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點。根據(jù)水量平衡方程式的差異，可將它們歸并為五組：

（1）第一組：灌木林、天然草地、疏林地

本組特點是不需要灌溉，降水是水量的唯一輸入（圖1），水量平衡方程式如下：

式中，Prec為降水量、SWRPrec為降水補給地表水量、GWRPrec為降水補給地下水量、ETPrec為蒸發(fā)蒸騰量、Preceff為有效降雨量。

圖1 第一組土地利用類型的水 平衡圖

式（1）中假定：

①水量交換主要發(fā)生在垂向，水平方向的壤中流可以忽略。

②SWRPrec與Prec成正比，即：

nET為系數(shù)，也僅與土地利用類型有關(guān)。由此可以推出下式：

進行水量平衡計算時，首先需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐耐恋乩妙愋驮u價nET和nSWR值。

式（1）是最基本的水量平衡方程式，是其它四組水量平衡方程式的基礎(chǔ)，同時，上述假設(shè)對其它四組也一樣成立。

（2）第二組：水田、旱地

本組特點是需要灌溉（圖2），水量平衡方程式如下：

圖2 第二組土地利用類型的水 平衡圖

式中，Irr為灌溉量、ETIrr為灌溉的蒸發(fā)蒸騰量、SWRIrr為灌溉補給地表水量、GWRIrr為灌溉補給地下水量。

由于北京地處干旱半干旱地區(qū)，蒸發(fā)蒸騰量非常大，nET可達0.7~0.95，與此同時，北京的農(nóng)業(yè)節(jié)水水平很高，因此，灌溉對地表水的補給SWRIrr可以忽略，式（7）可以簡化為：

灌溉量Irr是未知數(shù)，由作物需水量WD、降雨強度及分布、作物類型及生長期等確定。

（3）第三組：果園、有林地

本組土地利用類型與第二組相同，特點是植物截留大，對地下水補給（GWR）及灌溉量（Irr）小，方程同式（8）。

（4）第四組：城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村居民點

本組的特點是產(chǎn)生污水，同時污水用于農(nóng)業(yè)灌溉，并補給地下水（圖3）。水量平衡方程式如下：

式中，WW 為污水量、WWIrr為污水灌溉量、GWRWW為污水補給地下水量、ETWW為污水蒸發(fā)量、WWO為流向下游的污水量，WWDL為污水彌散損失。式（10）是在方程（1）上加了污水的水量平衡方程式。

圖3 第四土地利用類型的水 平衡圖

（5）第五組：水域

第五組為水域，包括永久性水域和季節(jié)性水域。水量輸入包括三部分：水域本身的SWRPrec，等于降雨量Prec；其次，非水域獲得的地表水補給通過河網(wǎng)進入水域，即SWRNWA；第三是上游徑流SWI。水量輸出項包括蒸發(fā)量ET、補給地下水量GWR和出流SWO（圖4）。水量平衡方程式如下：

水域的面積變化受三個因素的影響：降雨P(guān)rec、地表產(chǎn)流SWRNWA和上游徑流SWI。對干旱半干旱地區(qū)，可以認為水域面積的變化主要受降雨量影響。

在豐水年份，洼地、草地可以蓄水演化為季節(jié)性水域，而季節(jié)性水域蓄水后變?yōu)橛谰眯运颍辉诟珊导竟?jié)，水域面積縮小，甚至退化為沼澤地及草地。因此，為了反應(yīng)水域面積的變化，定義一種新的土地利用類型——新草地（New Meadow，簡稱NM）來描述季節(jié)性水域退化后的狀態(tài)，這種新草地與一般草地具有相同的屬性，其水量平衡同（1）。

引入水域面積權(quán)重f，計算公式如下：

式中，PrecEval為評價年的降水量，PrecBefore為評價年前一年的降水量，PrecMean為多年平均降水量。當(dāng) fi<1時，水域退化為草地（反方向演化），當(dāng)fi>1時，草地演化為水域（正方向演化）（圖5）。

圖4 第五組土地利用類型的水 平衡圖

圖5 水域與草地之 化示意圖

圖6 地下水系統(tǒng)水 平衡圖

（6）地下水系統(tǒng)水均衡地下水系統(tǒng)的補給包括地表水補給 GWRSW（等于 GWRWA）、降雨補給GWRPrec、灌溉補給GWRIrr、污水補給GWRww、山前側(cè)滲補給GWI，排泄包括開采ExplGW_Total、地下水出流GWO，代數(shù)和即為蓄變量△GW，如△GW>0，則地下水位上升，蓄變量增加；如△GW<0，地下水位下降，地下水超采（圖6），方程式如下：

4 應(yīng)用——以北京平原區(qū)為例

采用ARCGIS軟件對2000年的北京平原區(qū)土地利用圖（比例尺1:10萬）進行分類統(tǒng)計，平原區(qū)面積 6301.4km2，第一組、第二組、第三組、第四組與第五組土地利用類型的面積分別為 55.0、3718.5、309.6、1980.9與237.4km2，占平原區(qū)總面積的比例分別為0.9%、59.0%、4.9%、31.4%與3.8%。采用多年平均降雨量585mm，預(yù)測平原區(qū)地下水垂向總補給量為 17.4億m3，其中第一組、第二組、第三組、第四組與第五組對地下水的補給量分別占0.7%、49.3%、2.8%、22.3%與24.9%，對地下水的補給強度分別為22.4、23.1、16.0、19.5與182.3萬m3/km2。從對地下水補給強度來看，第五組水域?qū)Φ叵滤难a給強度最大（圖7），以后依次是第二組、第一組、第四組、第三組。

圖7 不同土地利用類型的地下水補給 強度比

與傳統(tǒng)水均衡項算法相比，LUWB法有顯著的優(yōu)點：（1）LUWB法考慮了均衡項污水。根據(jù)對北京市供水資料的統(tǒng)計分析，供水管網(wǎng)滲漏率高達15%，以此推算全市排水管網(wǎng)的滲漏量相當(dāng)可觀。因此，第四組城鎮(zhèn)用地與農(nóng)村居民點雖然硬化面積大，降水對地下水補給量大大減少，但由于管網(wǎng)的滲漏，該組對地下水的補給強度并不小。（2）LUWB法根據(jù)不同作物不同生長期的需水量扣除同期降水量來計算實際灌溉量。（3）基于LUWB法采用計算機編程可為數(shù)值模型提供高精度的時空離散的水均衡數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)水均衡計算方法以地下水系統(tǒng)為對象，計算公式簡單，結(jié)果誤差很大，已無法適應(yīng)城市下墊面快速變化、尤其像北京市這樣的缺水型大城市對地下水資源開發(fā)與管理的現(xiàn)實需要?；谕恋乩妙愋偷乃庠u價方法以下墊面為研究對象，不但考慮了污水對地下水的補給，而且可以合理預(yù)測農(nóng)業(yè)灌溉對地下水的補給量，可為地下水模型提供高精度的水均衡數(shù)據(jù)。