蘇北四市應(yīng)用單層蓄滿產(chǎn)流模型分割旱地地下水研究

楊樹(shù)灘 胡曉雨

（江蘇省水資源服務(wù)中心 南京 210029）

蘇北四市應(yīng)用單層蓄滿產(chǎn)流模型分割旱地地下水研究

楊樹(shù)灘 胡曉雨

（江蘇省水資源服務(wù)中心 南京 210029）

針對(duì)平原水網(wǎng)區(qū)旱地下墊面類型，對(duì)單層蓄滿產(chǎn)流模型適當(dāng)改進(jìn)，提出以飽和含水量和田間持水量為界限劃分地表與地下產(chǎn)流的方法。該方法在江蘇蘇北四市進(jìn)行應(yīng)用，所得旱地地下水產(chǎn)流量成果與江蘇省水資源綜合規(guī)劃成果、江蘇省水資源公報(bào)比較，結(jié)果擬合較好，表明該方法可行。

平原河網(wǎng)地區(qū) 單層蓄滿產(chǎn)流模型 產(chǎn)流分割 地下水

一、引言

徑流過(guò)程的分割和水源的劃分是工程水文學(xué)中的一個(gè)基本問(wèn)題，其在水文預(yù)報(bào)中的降雨—徑流關(guān)系模擬、流域水資源調(diào)查評(píng)價(jià)、水資源供需分析、水資源調(diào)配等問(wèn)題研究中具有重要意義。受流域的調(diào)蓄作用不同，各徑流成分在流量過(guò)程線上的反應(yīng)是不一樣的，因此水源劃分是上述問(wèn)題的研究基礎(chǔ)，較大程度上決定著研究成果的精度。

目前，徑流分割的方法主要有圖解法、時(shí)間步長(zhǎng)法、電子濾波法、同位素徑流分割法、水文模型法等，各具優(yōu)缺點(diǎn)。圖解法依據(jù)流量過(guò)程線退水段所表現(xiàn)的拐點(diǎn)推理作為劃分依據(jù)，主觀性較強(qiáng)，計(jì)算較為繁瑣，不便于大量計(jì)算；時(shí)間步長(zhǎng)法、電子濾波法等雖采用模仿人工分割流量過(guò)程線的數(shù)學(xué)方法，避免了人工方法的主觀性，但其缺乏嚴(yán)格的物理意義，使其應(yīng)用受到限制；同位素徑流分割法是基于質(zhì)量平衡方程和濃度平衡方程的推導(dǎo)，具有一定的物理基礎(chǔ)，但徑流水源在量化時(shí)存在相當(dāng)大的不確定性；以新安江模型、薩克拉門托模型為代表的水文模型法的模型參數(shù)多，難以率定，長(zhǎng)系列模擬時(shí)需要對(duì)實(shí)測(cè)徑流資料還原計(jì)算，對(duì)模擬區(qū)內(nèi)的下墊面屬性、蓄引提水量及相應(yīng)灌溉面積等歷史資料的要求高，在不同地區(qū)應(yīng)用時(shí)模型的可靠性和適用性亦無(wú)法保證。

對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)，其地勢(shì)平坦，通常為非封閉多出口的系統(tǒng)，河網(wǎng)縱橫交錯(cuò)，水流方向往復(fù)不定，缺少?gòu)搅骺刂菩詳嗝?，因此很難用上述方法分割地下產(chǎn)流。如果模擬區(qū)為不連續(xù)的平原旱地，由于其呈現(xiàn)斑狀分布，使用上述方法分割其產(chǎn)流中的地下產(chǎn)流更難。

相對(duì)于上述方法，水文模型法中的單層蓄滿產(chǎn)流模型盡管受模型原理的局限性，只能模擬得到總產(chǎn)流量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)地表和地下產(chǎn)流分割，但由于其參數(shù)少，物理意義明確，對(duì)歷史資料的要求不高，易于率定，適用于資料缺乏地區(qū)，如果能夠進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，是可以應(yīng)用于這些地區(qū)地下產(chǎn)流模擬的。

江蘇省的淮安、宿遷、徐州、連云港市（以下簡(jiǎn)稱蘇北四市）總面積為3.7329萬(wàn)km2，平原區(qū)約占84.2%，水面約占12.6%，屬典型平原河網(wǎng)地區(qū)，難以形成封閉性控制，且缺乏徑流控制站，水資源管理實(shí)踐中又迫切需要一種適應(yīng)該地區(qū)特點(diǎn)且簡(jiǎn)單易行的方法進(jìn)行旱地產(chǎn)流中的地下水源分割，針對(duì)這些特點(diǎn)和需求，本文選擇水文模型中的最簡(jiǎn)單的單層蓄滿產(chǎn)流模型予以改進(jìn)，提出平原河網(wǎng)地區(qū)旱地地下產(chǎn)流的分割方法，建立蘇北四市旱地單層蓄滿產(chǎn)流水源分割模型。

二、旱地地下水源分割模型

1.構(gòu)建思路

江蘇蘇北四市屬于典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，汛期地下水埋深較淺，土壤含水量較高且宜得到補(bǔ)充，因此對(duì)于旱地產(chǎn)流量采用單層蓄滿產(chǎn)流模型計(jì)算。

蘇北四市旱地多呈不連續(xù)的斑狀分布，水田在水稻收獲到次年種植前，也以旱地（種植旱作物）的屬性呈現(xiàn)，根據(jù)多年產(chǎn)流經(jīng)驗(yàn)判斷，在旱地產(chǎn)流模型中，以飽和含水量和田間持水量為界限劃分地表與地下產(chǎn)流，符合這些地區(qū)旱地產(chǎn)流的特點(diǎn)。

2.模型改進(jìn)

旱地產(chǎn)流及水源劃分的推求過(guò)程如下：

式中：P為日平均降雨量（mm）；K為蒸發(fā)折算系數(shù)；W為初始時(shí)刻的土壤含水量（mm）；E為雨期時(shí)段蒸發(fā)量（mm）；EE為旱地蒸發(fā)量（mm）；A為土壤前期含水量（mm）；WM為流域平均蓄水量，即土層最大可能的缺水量（mm）；Wb為飽和含水量；Wm為田間持水量；WM M為蓄水容量曲線的最大值（mm）；WbM為流域飽和含水量的最大值（mm）；WmM為流域田間持水量的最大值（mm）；B為蓄水容量曲線指數(shù)；R3為旱地地表日凈雨深（mm）；R3下為旱地地下日凈雨深（mm）。

三、應(yīng)用實(shí)例

1.區(qū)域概況

蘇北四市主要分布在淮河沖積平原。區(qū)域地形平坦開(kāi)闊，地貌類型為丘陵、山前沖積平原、淮河沖積平原以及沖積湖積平原?；幢逼皆艿綒v史上黃河泛濫改道和奪淮的影響，自蘭考經(jīng)徐州至濱海的廢黃河，高于兩側(cè)地面，形成淮河與沂沭泗水系的分界?；窗?、徐州以及連云港一帶有丘陵分布，平原之間的低洼地形成帶狀湖群，其中最大的是南四湖。南四湖以東及南部為中、低山丘陵。徐州附近地面高程30m左右，向東南逐漸降低，坡降為1/6000～1/10000，沿運(yùn)河兩側(cè)洼地最大的是駱馬湖。

蘇北四市降水量相對(duì)較枯，多年平均降雨量900mm，由南向北遞減，年際變化較大，豐水年1054mm，特枯年613mm，見(jiàn)表1。蘇北四市多年平均蒸發(fā)量900～1100mm，多年平均水資源總量為116.7億m3。

表1 蘇北四市多年平均降水量統(tǒng)計(jì)表

2.旱地分布屬性

土地屬性與利用情況是區(qū)域自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的集中體現(xiàn)，也是旱地產(chǎn)流模擬的基礎(chǔ)。近年來(lái)，蘇北四市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展較快，尤其是城市化進(jìn)程加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及水域利用方式的變化，一些區(qū)域下墊面條件發(fā)生了較大改變，因此，模擬蘇北四市的旱地產(chǎn)流并進(jìn)行水源分割，需要對(duì)模擬區(qū)的旱地分布進(jìn)行劃分。

采用經(jīng)過(guò)輻射改正的2000年汛前平水期ETM衛(wèi)片，對(duì)蘇北四市地表屬性分布進(jìn)行了解譯劃分。根據(jù)劃分成果，蘇北四市旱地面積為2.38萬(wàn)km2，占區(qū)域總面積63.8%，其中徐州0.85萬(wàn)km2，連云港0.47萬(wàn)km2，淮安0.58萬(wàn)km2，宿遷0.49萬(wàn)km2。

3.模型參數(shù)率定

選取2001～2002年降雨量、蒸發(fā)量等資料，對(duì)旱地地下水源分割模型進(jìn)行參數(shù)率定，模擬結(jié)果見(jiàn)表2。相對(duì)誤差不超過(guò)10%，說(shuō)明該套參數(shù)合理，旱地產(chǎn)流參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 2001年與2002年旱地地下水產(chǎn)流模擬結(jié)果

表3 旱地產(chǎn)流參數(shù)表

4.模擬區(qū)旱地地下產(chǎn)流分割成果

采用1956～2010年、2003～2011年降雨量、蒸發(fā)量等資料，利用本文改進(jìn)的模型進(jìn)行長(zhǎng)系列產(chǎn)流量模擬及旱地地下水產(chǎn)流量分割。經(jīng)計(jì)算，蘇北四市多年平均（1956～2010年）旱地地下水產(chǎn)流量為40.16億m3，而江蘇省水資源綜合規(guī)劃成果為38.48億m3，相對(duì)誤差為4%。同時(shí)，模擬的2003～2011年地下水產(chǎn)流量，與江蘇省水資源公報(bào)成果的擬合較好（見(jiàn)圖1），平均相對(duì)誤差10%。由此可見(jiàn)，該模型模擬精度較高，可以應(yīng)用于平原水網(wǎng)區(qū)的旱地地下水源分割。

圖1 2003～2011年旱地地下水產(chǎn)流量成果對(duì)比

四、結(jié)語(yǔ)

本文以江蘇蘇北四市為研究區(qū)，針對(duì)旱地下墊面類型建立單層蓄滿產(chǎn)流模型進(jìn)行產(chǎn)流模擬，并對(duì)模型適當(dāng)改進(jìn)進(jìn)行水源分割。在旱地產(chǎn)流模型中，創(chuàng)新性地提出以飽和含水量和田間持水量為界限劃分地表與地下產(chǎn)流的方法，并與江蘇省水資源綜合規(guī)劃1956～2010年成果、江蘇省水資源公報(bào)2003～2011年成果比較，結(jié)果擬合較好，表明該方法可行。此方法的提出與首次運(yùn)用，不僅解決了單層蓄滿產(chǎn)流模型無(wú)法分割地下水的問(wèn)題，而且能為水資源管理提供更詳盡的水資源量成果，為水資源管理與分配提供科學(xué)可信的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)■