灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展

黃修橋，郭圓圓，徐建新

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng)453003;2.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045)

21世紀(jì)全球普遍面臨人口、資源與環(huán)境問(wèn)題的三大挑戰(zhàn)，其中，水資源危機(jī)是三大挑戰(zhàn)中的核心［1］.隨著社會(huì)的發(fā)展，水資源短缺和水環(huán)境污染的問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，這就使得水資源開發(fā)利用的類型向多樣化發(fā)展，表現(xiàn)為由單一水資源的利用變?yōu)槎喾N水資源的聯(lián)合利用，常規(guī)水資源與非常規(guī)水資源的聯(lián)合利用.灌區(qū)水資源種類的增多，促使對(duì)灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究的興起，其關(guān)注要點(diǎn)主要是灌區(qū)可用水資源種類、人類活動(dòng)影響地下水循環(huán)演變機(jī)理、灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度模式等.灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究對(duì)于探討復(fù)雜環(huán)境下多種水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程、水資源高效利用及調(diào)控和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的理論和實(shí)踐意義，可為解決灌區(qū)水資源短缺問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)和科技支撐.

進(jìn)行灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究，要明確灌區(qū)大氣水－地表水－土壤水－地下水的轉(zhuǎn)換機(jī)制，促使水資源向有利的方向轉(zhuǎn)化，避免水資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)水資源的合理配置，達(dá)到節(jié)水灌溉、緩解灌溉用水短缺的目的.也就是，充分利用天然降水，積極開發(fā)新型水源，調(diào)節(jié)性地使用地表水，保護(hù)性地開采地下水，高效地轉(zhuǎn)化為供給植物利用的土壤水.

1 灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究進(jìn)展

1.1 田間尺度水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究

近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，人們一直在通過(guò)各種方式致力于研究土壤、大氣、植物之間的相互關(guān)系，隨著土壤物理學(xué)、植物生理學(xué)、農(nóng)田水利學(xué)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要，這些方面的研究取得了較大進(jìn)展.1966年，澳大利亞水文與土壤物理學(xué)家Philip提出了較完整的關(guān)于“土壤－植物－大氣連續(xù)體”(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC)的概念［2］，將“土壤－植物－大氣連續(xù)體”作為一個(gè)整體，用連續(xù)、系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)和統(tǒng)一的能量標(biāo)準(zhǔn)去定量研究系統(tǒng)中水分運(yùn)移、熱能傳輸?shù)奈锢韺W(xué)和生理學(xué)機(jī)理及其調(diào)控理論，奠定了現(xiàn)代農(nóng)田水分研究的理論基礎(chǔ).20世紀(jì)80年代中后期，雷志棟提出了大氣水、地表水、土壤水、地下水之間的“四水”轉(zhuǎn)化概念，首次論證了地下水入滲補(bǔ)給的存在及其補(bǔ)給系數(shù)，提出了新的潛水蒸發(fā)公式，從理論和實(shí)踐上對(duì)給水度概念做出了正確解釋.之后又于1998年在對(duì)我國(guó)內(nèi)陸干旱區(qū)平原綠洲水土資源利用的研究中，提出了以土壤水為中心的農(nóng)區(qū)－非農(nóng)區(qū)的“四水”轉(zhuǎn)化概念模型［3］，對(duì)潛水蒸發(fā)的有效性、綠洲內(nèi)生態(tài)耗水、內(nèi)陸干旱的旱排作用進(jìn)行了分析討論.1995年康紹忠等［4－5］建立了麥田“五水”(大氣水、地表水、地下水、土壤水和植物水)轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)模式，揭示了麥田水分微循環(huán)的規(guī)律，定量地給出了麥田水量轉(zhuǎn)化的關(guān)系.2005年，周愛(ài)國(guó)等［6］在對(duì)西北內(nèi)陸盆地水分垂直循環(huán)的研究中，將“四水”垂直循環(huán)這一微觀水文循環(huán)過(guò)程與區(qū)域水文循環(huán)過(guò)程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了由田間尺度向區(qū)域水循環(huán)關(guān)鍵尺度的轉(zhuǎn)化.2011年馬歡等［7］改進(jìn)Hydrus－1D模型模擬了田間水分運(yùn)移過(guò)程，與實(shí)測(cè)土壤含水率相比，模型具有較高的模擬精度.

1.2 區(qū)域水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究

在灌區(qū)水資源循環(huán)過(guò)程和水量轉(zhuǎn)化的研究中，大多以分布式水文循環(huán)模型為基礎(chǔ)，在不用尺度、不同地理環(huán)境下展開研究.1995年，夏軍等［8］通過(guò)單元系統(tǒng)的水均衡分析，對(duì)水網(wǎng)地區(qū)水量轉(zhuǎn)化進(jìn)行系統(tǒng)模擬，提出了一種能反映平原湖區(qū)水文基本特征的水資源系統(tǒng)模型，定量地描述了水資源的循環(huán)過(guò)程以及地下水的動(dòng)態(tài)變化.2003年，夏軍等［9］提出了分布式時(shí)變?cè)鲆嫠h(huán)模型(Distributed Time Variant Gain Model，DTVGM)的概念，將空間數(shù)字化信息與水文系統(tǒng)理論結(jié)合起來(lái)，DTVGM同時(shí)具有分布式水文概念性模擬的特征和水文系統(tǒng)強(qiáng)大的分析適應(yīng)能力，在水文資料信息不完全或者有不確定性干擾條件時(shí)也能獲得比較好的分布式水文模擬效率.2004 年，胡和平等［10－11］以干旱地區(qū)平原綠洲為研究對(duì)象，建立了干旱區(qū)平原綠洲散耗型水文模型，模型考慮了水在不同介質(zhì)和不同形態(tài)之間的交換或轉(zhuǎn)化，并重點(diǎn)考慮人類活動(dòng)對(duì)水平衡的影響，并在阿克蘇河流域平原區(qū)進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示模型效率系數(shù)超過(guò)90%，證明了模型較高的模擬精度.2005年，Gosain等［12］應(yīng)用SWAT模型預(yù)測(cè)了流域自然條件下的產(chǎn)流量，評(píng)價(jià)了人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水量平衡的影響.2006年，王浩等［13］提出了水資源全口徑層次化動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，將分布式水文模型與集總式水資源調(diào)配模型耦合，建立了二元水資源評(píng)價(jià)模型，并在黃河流域應(yīng)用，取得了滿意的成果.2009年，張銀輝等［14］在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)進(jìn)行水文學(xué)過(guò)程模擬，得出蒸散量、滲漏量、系統(tǒng)排水量和引水量的多年平均值，對(duì)比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了模型的合理性.同年，代俊峰等［15－16］改進(jìn)自然流域水文模型，建立了灌區(qū)分布式水文模型，改變了陸面水文過(guò)程的計(jì)算結(jié)構(gòu)，給出了不同尺度間水量平衡指標(biāo)的變化特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了模型在不同尺度下的應(yīng)用.2011年，夏軍等［17］將分布式水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型耦合，建立了變化環(huán)境下跨流域調(diào)水的大尺度水文循環(huán)模型(Largescale Distributed Time Variant Gain Model，LDTVGM)，不僅考慮了自然的產(chǎn)匯流規(guī)律，同時(shí)考慮了人類活動(dòng)的影響.

2 灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系研究存在的問(wèn)題

從灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究可以看出，灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究在理論和方法上都取得了顯著的進(jìn)展，并且隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，取得了很多有價(jià)值的研究成果.在研究方法上，灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化模型由單一的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型發(fā)展為數(shù)學(xué)規(guī)劃與現(xiàn)代模擬技術(shù)等的耦合模型，使模型對(duì)系統(tǒng)模擬更準(zhǔn)確、更合理;在研究目標(biāo)上，從注重灌區(qū)水源水量的研究發(fā)展為灌區(qū)水源水質(zhì)研究并重，對(duì)防止農(nóng)田污染和水資源的可持續(xù)利用有著重要意義;在研究尺度上，由田間尺度的水文循環(huán)研究發(fā)展為大尺度跨流域水資源循環(huán)研究，為水資源的合理配置和發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)提供了理論基礎(chǔ).但由于水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的復(fù)雜性，回顧已有成果，發(fā)現(xiàn)仍存在以下問(wèn)題.

1)相比于集總式水文模型，在處理復(fù)雜水文問(wèn)題上，分布式水文模型顯示出較強(qiáng)的適用性，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分布式水文模型成為近20年來(lái)水文建模領(lǐng)域的熱點(diǎn).以分布式水文模型為基礎(chǔ)的水文循環(huán)模型在應(yīng)用上不可避免地受到分布式水文模型的限制.分布式水文模型是基于物理學(xué)規(guī)律和概率理論來(lái)描述水文過(guò)程的，由于水文過(guò)程的復(fù)雜性和非線性，模型的建立存在許多假設(shè)和概化.因此，數(shù)學(xué)公式和物理方程在描述水資源循環(huán)機(jī)理上存在缺陷，模型本身不夠完善.另外，分布式水文模型的建立比較依賴地理環(huán)境和氣候資料，側(cè)重于地表徑流的模擬研究，這就使得模型在以地下水為主要水源的地區(qū)的應(yīng)用具有局限性，而現(xiàn)有的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Modflow、Feflow等將地表水流近似處理為一維明渠恒定流，不能真實(shí)地反映地表水流的水力特征，也未能與地表水循環(huán)很好地耦合.雷志棟等［18－20］在以土壤水為中心的“四水”轉(zhuǎn)化模型的基礎(chǔ)上，建立了干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型，通過(guò)對(duì)渭干河平原綠洲、塔里木盆地綠洲、新疆葉爾羌平原綠洲等各耗水單元的水量轉(zhuǎn)化和消耗過(guò)程的模擬，得出不同綠洲的耗水結(jié)構(gòu)，與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相吻合，顯示出較強(qiáng)的適用性，但模擬中用到的有關(guān)參數(shù)有其不確定性，在一定程度上影響了模擬結(jié)果的可靠性.這些不確定性主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集上的誤差，率定資料的不確定性，陸面模式和氣候模式耦合中的不確定性，尺度匹配造成的誤差，對(duì)空間關(guān)系描述不夠準(zhǔn)確等，模擬中不確定性的研究是當(dāng)前水科學(xué)研究的重點(diǎn).

2)灌區(qū)水資源系統(tǒng)不是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，灌區(qū)水資源的循環(huán)轉(zhuǎn)化必定會(huì)受到人工灌區(qū)系統(tǒng)即取水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的影響，人類活動(dòng)已經(jīng)改變了灌區(qū)以降水－產(chǎn)流機(jī)制為主的水文過(guò)程.目前的水文模型主要研究自然條件下的水資源循環(huán)情況，對(duì)灌區(qū)系統(tǒng)的影響考慮稍顯不足.因此，在研究中應(yīng)該將灌區(qū)取水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)耦合，與水資源系統(tǒng)統(tǒng)一考慮，需要建立“人工－自然”復(fù)合水文循環(huán)模型.雷志棟等開發(fā)研制了干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型，對(duì)干旱區(qū)平原綠洲的耗水過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，重點(diǎn)考慮了人類活動(dòng)對(duì)水均衡的影響，但并沒(méi)有建立真正意義上的“人工－自然”二元水文循環(huán)模型，對(duì)人類活動(dòng)影響的考慮也只是城鄉(xiāng)生活和工業(yè)的引、排水對(duì)灌區(qū)水資源循環(huán)的影響，對(duì)天文、氣候以及下墊面參數(shù)的影響考慮稍顯不足，沒(méi)能全面反映人類活動(dòng)對(duì)各個(gè)因素的影響.人類活動(dòng)對(duì)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響越來(lái)越受到關(guān)注，針對(duì)人類活動(dòng)強(qiáng)的地區(qū)，張俊娥等［21］以“四水”轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)，建立了MODCYCLE“人工－自然”復(fù)合水文循環(huán)模型，全面考慮各影響因素，充分體現(xiàn)了“人工－自然”的二元特性，這是目前對(duì)人類活動(dòng)影響比較全面的研究.該模型將區(qū)域水循環(huán)分為兩大過(guò)程進(jìn)行模擬:陸面水循環(huán)過(guò)程和水面水循環(huán)過(guò)程，但對(duì)這兩個(gè)循環(huán)過(guò)程的耦合存在很大的不確定性.

3)水質(zhì)是灌區(qū)可用水量的重要指標(biāo)，如果只進(jìn)行單一變量的分析，就難以反映水資源的真實(shí)特性.當(dāng)前的研究多是對(duì)水量的研究，較少考慮水質(zhì)的影響，應(yīng)對(duì)灌區(qū)水質(zhì)、水量進(jìn)行耦合研究，從而對(duì)區(qū)域水資源量有全面認(rèn)識(shí)，為灌區(qū)多水源的聯(lián)合調(diào)度提供更加可靠的理論基礎(chǔ).對(duì)水質(zhì)、水量聯(lián)合評(píng)價(jià)的研究中，大多受到水質(zhì)、水量資料缺乏的束縛.張永勇等［22］將分布式水量水質(zhì)耦合模型引入水資源評(píng)價(jià)中，較好地解決了這一問(wèn)題.該模型是以水循環(huán)過(guò)程為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有資料建立流域分布式水量水質(zhì)耦合模型，通過(guò)改變模型輸入和邊界條件，進(jìn)行分析和預(yù)測(cè).但目前關(guān)于水質(zhì)、水量聯(lián)合評(píng)價(jià)的研究較少，該方法處于初步探索階段，對(duì)參數(shù)的不確定性和合理性分析還需要進(jìn)一步研究.

3 展望

結(jié)合上述研究進(jìn)展，灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究呈現(xiàn)出以下趨勢(shì).

1)灌區(qū)水資源種類的增加.研究灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化的關(guān)系首先要確定研究區(qū)的水資源種類.已有研究中，將“四水”轉(zhuǎn)化作為灌區(qū)水循環(huán)的基本形式，即大氣水、地表水、地下水和土壤水之間的循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系，隨著雨水集蓄技術(shù)和中、污水回灌技術(shù)的興起，可用水資源種類的增多，促使現(xiàn)有模型和計(jì)算技術(shù)更新，未來(lái)的灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究必須考慮灌區(qū)可利用的多種水資源之間的循環(huán)轉(zhuǎn)化.

2)灌區(qū)水源資循環(huán)過(guò)程中各個(gè)要素影響的研究.隨著田間尺度水文循環(huán)研究向灌區(qū)水資源循環(huán)關(guān)系研究的過(guò)渡，水文循環(huán)模型也由自然系統(tǒng)水文模型轉(zhuǎn)為“人工－自然”二元水文循環(huán)模型，研究在人類活動(dòng)影響下灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系將是水循環(huán)研究的前沿之一.

3)協(xié)調(diào)關(guān)系的研究.這里的協(xié)調(diào)關(guān)系包括各行政區(qū)之間的用水調(diào)度協(xié)調(diào)、灌區(qū)多種水源供水量和供水時(shí)間的協(xié)調(diào)、水量與水質(zhì)的協(xié)調(diào)以及水資源循環(huán)系統(tǒng)與灌區(qū)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào).

4)多種方法的耦合研究.隨著研究因素的增加，面對(duì)多種水資源復(fù)雜的循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系，將多種方法耦合，揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮各優(yōu)化方法的優(yōu)勢(shì)，將是研究灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的重要途徑之一.

［1］鄭德鳳.雨洪資源與地下水資源聯(lián)合調(diào)控理論及應(yīng)用研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2005.

［2］ Philip J R.Plant water relations:some physical aspects［J］.Annual Review of Plant Physiology，1966，17:245 －268.

［3］雷志棟.塔里木河流域四水轉(zhuǎn)化關(guān)系的認(rèn)識(shí)［C］∥毛德華.塔里木河流域水資源、環(huán)境與管理學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1998:63－72.

［4］康紹忠，劉曉明，熊運(yùn)章.土壤－植物－大氣連續(xù)體水分傳輸［M］.北京:水利電力出版社，1994.

［5］康紹忠，蔡煥杰，劉曉明，等.農(nóng)田“五水”相互轉(zhuǎn)化的動(dòng)力學(xué)模式及其應(yīng)用［J］.西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，23(2):1－8.

［6］周愛(ài)國(guó)，馬瑞，張晨.中國(guó)西北內(nèi)陸盆地水分垂直循環(huán)及其生態(tài)學(xué)意義［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2005，16(1):127－133.

［7］馬歡，楊大文，雷慧閩，等.Hydrus－1D模型在田間水循環(huán)規(guī)律分析中的應(yīng)用及改進(jìn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(3):6－12.

［8］夏軍，劉德平.湖北平原水網(wǎng)區(qū)水文水資源系統(tǒng)模擬研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1995，11:46 －55.

［9］夏軍，王綱勝，呂愛(ài)鋒，等.分布式時(shí)變?cè)鲆媪饔蛩h(huán)模擬［J］.地理學(xué)報(bào)，2003，58(5):789 －796.

［10］胡和平，湯秋鴻，雷志棟，等.干旱區(qū)平原綠洲散耗型水文模型 －Ⅰ模型結(jié)構(gòu)［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2004，15(2):140－145.

［11］湯秋鴻，田富強(qiáng)，胡和平.干旱區(qū)平原綠洲散耗型水文模型 －Ⅱ模型應(yīng)用［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2004，15(2):146－150.

［12］ Gosain A，Sandhya R，Srinivasan R.Return-flow assessment for irrigation command in the Palleru river basin using SWAT model［J］.Hydrological Processes，2005，19:672－682.

［13］王浩，王建華，秦大庸，等.基于二元水循環(huán)模式的水資源評(píng)價(jià)理論方法［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37(12):1496－1502.

［14］張銀輝，羅毅.基于分布式水文學(xué)模型的內(nèi)蒙古河套灌區(qū)水循環(huán)特征研究［J］.資源科學(xué)，2009，31(5):763－771.

［15］代俊峰，崔遠(yuǎn)來(lái).基于SWAT的灌區(qū)分布式水文模型－Ⅰ模型構(gòu)建的原理與方法［J］.水利學(xué)報(bào)，2009，40(2):145－152.

［16］代俊峰，崔遠(yuǎn)來(lái).基于SWAT的灌區(qū)分布式水文模型－Ⅱ模型應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，2009，40(3):311 －318.

［17］夏軍，葉愛(ài)中，王蕊，等.跨流域調(diào)水的大尺度分布式水文模型研究與應(yīng)用［J］.南水北調(diào)與水利科技，2011，9(1):1 －7.

［18］雷志棟，楊漢波，倪廣恒，等.干旱區(qū)綠洲耗水分析［J］.水利水電技術(shù)，2006，37(1):15 －20.

［19］雷志棟，胡和平，楊詩(shī)秀，等.塔里木盆地綠洲耗水分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，37(12):1470 －1475.

［20］雷志棟，黃聿剛，楊詩(shī)秀，等.渭干河平原綠洲耗水過(guò)程及特點(diǎn)［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，44(12):1664－1667.

［21］張俊娥，陸垂裕，秦大庸，等.基于分布式水文模型的區(qū)域“四水”轉(zhuǎn)化［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2011，22(5):595－604.

［22］張永勇，王中根，夏軍，等.基于水循環(huán)過(guò)程的水量水質(zhì)聯(lián)合評(píng)價(jià)［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2009，24(7):1308－1314.