基于分布式水文模型的水土保持水文水資源效應(yīng)研究

摘 要 傳統(tǒng)的水土保持水文水資源常用的研究方法有兩種，一種是水文法，另一種是水保法。由于這兩種研究方法還存在一些不合理之處，無法系統(tǒng)全面的分析出水土保持對水循環(huán)影響的作用關(guān)系，水資源評價口徑只能通過水資源資料來進(jìn)行了解，其分析結(jié)果對水土保持水文水資源效應(yīng)研究沒有多大的意義。文章首先對分布式水文模型、WEP-L模型進(jìn)行了分析，結(jié)合黃河治理區(qū)實(shí)例，探討水土保持下的水文水資源效應(yīng)，具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞 分布式水文模型；水土保持；水文水資源效應(yīng)

中圖分類號：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0046-01

1 分布式水文模型的研究

由于水體存在流動性、空間變異性的特點(diǎn)，現(xiàn)階段水文模型有兩種，分別是集總式水文模型、分布式水文模型，這兩種水文模型最大的不同是其水體的水利學(xué)特征分布是否均勻，根據(jù)水利學(xué)分布特征的不同，兩種水文模型在概念上有著很大的差別。分布式水文模型是通過水流的偏微分物理方程來展示水體在流域時間、流域空間上的變化規(guī)律，考慮到周邊環(huán)境、初始條件等數(shù)據(jù)，采用一種離散化的計(jì)算方式，對其進(jìn)行分析求解。影響水循環(huán)的因素有很多，模型參數(shù)主要依靠其水體移動介質(zhì)的物理特性來測量、推算，分布式水文模型可廣泛應(yīng)用于對流域下墊面的研究。1969年首次由國外學(xué)者研究出分布式水文模型，隨著時代和科技的發(fā)展，分布式水文模型也越來越受到人們的關(guān)注，通過與計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、遙感技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，提出了分布式水文模型更多的功能與效用。

2 WEP-L模型基本原理及水資源評價口徑

2.1 WEP-L模型基本原理

WEP-L模型是一種具有物理機(jī)制的分布式水文模型，通過參考WEP-L模型就能了解到自然界中水循環(huán)的各個要素模擬情況，WEP-L模型的模擬對象包括天然與人工這兩種，其中天然的對象是坡面-河道的主循環(huán)過程，人工的對象則是供-用-耗-排的側(cè)支循環(huán)過程，這兩種模擬對象的耦合關(guān)系需要水量平衡、各項(xiàng)循環(huán)要素間的水力聯(lián)系得以實(shí)現(xiàn)。WEP-L模型可由平面、垂直這兩種結(jié)構(gòu)形成，其平面結(jié)構(gòu)由坡面匯流計(jì)算出各項(xiàng)高帶高程、坡度、Manning糙率系數(shù)等，通過一維運(yùn)動坡法計(jì)算流體的坡面徑流，從其流域最上游開始計(jì)算，直到追算至最下游，凡是河道內(nèi)存在下游條件匯流就可使用一維運(yùn)動坡法。WEP-L模型垂直結(jié)構(gòu)是按照從上到下的方式，其研究對象包括融雪與冰川層、植被與建筑物截留層、土壤表層、過渡帶層以及深、淺層地下水層等，由于不均勻的土地利用，通過使用馬賽克法計(jì)算出每種土地類型平均面積值的地表面水熱通量，可反映出表層土壤含水率、土壤蒸發(fā)以及草、作物、樹木根系吸水等情況，為對生態(tài)需水中土壤水作用的研究打下了基礎(chǔ)。土壤、水面、植被蒸騰等各項(xiàng)蒸發(fā)量在水循環(huán)系統(tǒng)各要素模擬中，可參考土壤-植被-大氣通量交換方法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)地表徑流的產(chǎn)流模式可分為超滲、蓄滿，其計(jì)算方式也要有所區(qū)別，例如超滲可采用Green-Ampt模型，蓄滿可采用Richards方程計(jì)算。山坡斜面土壤層計(jì)算方法可采用壤中流法來計(jì)算， 淺層地下水運(yùn)動主要的計(jì)算方法是二維數(shù)值法計(jì)算，淺層地下水運(yùn)動與非飽和土壤水、河水呈動態(tài)藕合關(guān)系，融化積雪的算法主要依靠溫度指數(shù)法，為進(jìn)一步計(jì)算出蒸騰蒸發(fā)量，可通過WEP-L模型模擬地表面-大氣間能量循環(huán)過程，就能得出具體、精確的蒸騰蒸發(fā)量。

2.2 水資源評價口徑

水資源有三種評價準(zhǔn)則，基于水資源準(zhǔn)則的有效性、可控性、可再生性又可分為三種評價口徑，分別代表了狹義、廣義水資源量、國民經(jīng)濟(jì)可利用量。本文從狹義、廣義水資源口徑對水土保持水文水資源效應(yīng)做出評價。不重復(fù)的有效蒸散發(fā)量加上狹義水資源總量就可以得出廣義水資源總量，狹義水資源其中包括地表水資源量、不重復(fù)的地下水資源量，符合現(xiàn)階段水資源概念。

3 分布式水文模型應(yīng)用實(shí)例研究

3.1 研究實(shí)例概況

本文以黃河重點(diǎn)水土流失治理區(qū)為例，主要對基于分布式水文模型的水土保持水文水資源效應(yīng)進(jìn)行研究，本次研究區(qū)位于黃河中游的河龍區(qū)間，其中含有三個水資源三級區(qū)，分別為河龍區(qū)間左岸、吳堡以上右岸、吳堡以下右岸。河龍區(qū)黃河干流全長約為725千米，面積約達(dá)11萬平方千米，兩岸有眾多細(xì)小分支流匯人，黃土極厚，地形龜裂，集中降雨強(qiáng)度大，植被稀疏，嚴(yán)重的水土流失地帶，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，其也是黃河一帶重要的產(chǎn)沙區(qū)。

3.2 分析方法

通過WEP-L模型模擬河龍區(qū)四十五年的水循環(huán)過程，并將其下墊面條件與無水土保持措施條件的水循環(huán)模擬過程進(jìn)行對比，可直接反映出水土保持水文水資源效應(yīng)。具體分析方法如下，首先制定出劃分子流域與基本計(jì)算單元，將河龍區(qū)分為多個流域、高帶等，每個高帶則看作是一個計(jì)算單元。為保證WEP-L模型計(jì)算的精確性、有效性，可通過飽和導(dǎo)水系數(shù)、Manning糙率、地下水含水層的傳導(dǎo)系數(shù)與給水度等進(jìn)行校正。兩種對比的模擬過程在保證各項(xiàng)參數(shù)相等時，Manning糙率會隨著土地利用率而發(fā)生變化。

3.3 結(jié)果與探討

在河龍區(qū)采用有效的水土保持措施，可使植被條件、土壤條件、局部地形與地貌等條件發(fā)生改變，這些變化反映出水循環(huán)的垂向過程、水平過程、流域水循環(huán)各項(xiàng)要素過程，其過程的變化就出現(xiàn)了各種不同的水資源量評價口徑，隨之形成多種水資源量評價口徑。有效的水土保持措施使河龍區(qū)增多了局部蒸發(fā)量、減少了無效蒸發(fā)量、廣義水資源量明顯上升。河龍區(qū)采用水土保持措施，有效增加了水資源效應(yīng)與土地利用率，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境起到了積極作用。

4 結(jié)束語

綜上所述，水土保持水文水資源效應(yīng)就是水土保持對水體、流域、水沙等變化產(chǎn)生作用的結(jié)果。傳統(tǒng)研究水土保持水文水資源效應(yīng)的方法有水文法、水保法，但這兩種方法都無法反映出廣義水資源效應(yīng)，分布式水文模型則可為研究水土保持水文水資源效應(yīng)提供有力的依據(jù)?，F(xiàn)階段還沒有找出分布式水文模型計(jì)算減沙效應(yīng)的方法，但值得一提的是，分布式水文模型會是今后水土保持水文水資源效應(yīng)研究中的重要工具。

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作者簡介

李志義（1968-），男，吉林白山人，工程師，2004年畢業(yè)于中央廣播電視大學(xué)水利水電工程專業(yè)。endprint