基于arcgis的淮北平原區(qū)域潛水蒸發(fā)量計(jì)算

李　飛，王科奇

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

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基于arcgis的淮北平原區(qū)域潛水蒸發(fā)量計(jì)算

李飛，王科奇

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

潛水蒸發(fā)是陸面水量損耗的重要部分，對(duì)農(nóng)作物生長有重要影響。區(qū)域潛水蒸發(fā)量的計(jì)算對(duì)區(qū)域水資源的合理配置及水均衡研究有重要意義。本文利用安徽省淮北平原151個(gè)淺層孔隙水水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)及周邊分布的8個(gè)水面蒸發(fā)站點(diǎn)某月監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過arcgis并插值生成柵格文件。用阿維揚(yáng)諾夫公式計(jì)算淮北平原該月區(qū)域潛水蒸發(fā)量為1.70E8 m3；利用Visual Modflow建立淮北平原區(qū)域地下水?dāng)?shù)值模型，計(jì)算數(shù)值模型區(qū)域潛水蒸發(fā)量。兩者進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證利用arcgis進(jìn)行不同時(shí)間尺度和空間尺度上的區(qū)域潛水蒸發(fā)量這一方法的可行性。

arcgis；區(qū)域潛水蒸發(fā)；阿維揚(yáng)諾夫公式

潛水含水層及潛水面以上的非飽和帶處于的近地表環(huán)境，與土壤、水、空氣以及人類等生物聯(lián)系最為密切，這些要素相互作用的三類過程包括生態(tài)過程、生物地球化學(xué)過程和水文過程[1]。其中水文過程通過潛水的水位變動(dòng)及土壤水汽運(yùn)移使得物質(zhì)和能量在時(shí)間和空間上得意重新分布，潛水蒸發(fā)就是該過程的重要環(huán)節(jié)。

潛水蒸發(fā)是指潛水通過毛管作用向非飽和帶輸送水分，并通過土壤蒸發(fā)進(jìn)入大氣的過程。這一過程伴隨著能量和物質(zhì)傳遞，蒸發(fā)的水分可以補(bǔ)給非飽和帶農(nóng)作物根系[2]，同時(shí)是區(qū)域水均衡中重要的排泄項(xiàng)之一[3]，這對(duì)農(nóng)作物生長及區(qū)域潛水含水層地下水資源量的評(píng)價(jià)、增加區(qū)域水均衡中其他各項(xiàng)的計(jì)算的可靠性有重要作用。但是目前潛水蒸發(fā)計(jì)算的研究多是在特定時(shí)間和地域條件下，在不同時(shí)間尺度和空間尺度上的潛水蒸發(fā)量計(jì)算還需要更多的研究。

生產(chǎn)實(shí)踐中常用的潛水蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式有以下幾種[4]：

(1)

葉水庭公式：E=E0e-aΔ

(2)

(3)

式中：E為潛水蒸發(fā)強(qiáng)度，m/d；E0為水面蒸發(fā)強(qiáng)度，m/d；Δ為埋深，m；Δ0為潛水蒸發(fā)極限埋深，m；n為與包氣帶土質(zhì)、氣候有關(guān)的蒸發(fā)指數(shù)，一般取1～3；k為與土質(zhì)有關(guān)的潛水蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；a是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與土質(zhì)和地下水埋深有關(guān)；r、b是擬合系數(shù)。其中，阿維里揚(yáng)諾夫公式、葉水庭公式被《中國水資源調(diào)查和評(píng)價(jià)工作技術(shù)細(xì)則》推薦為計(jì)算潛水蒸發(fā)的經(jīng)驗(yàn)公式。

本文選用阿維揚(yáng)諾夫公式[5]，根據(jù)研究區(qū)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，利用arcgis將研究區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水面蒸發(fā)強(qiáng)度和潛水埋深進(jìn)行插值生成柵格文件，通過柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)，得到單位柵格面積的平均水面蒸發(fā)強(qiáng)度和潛水埋深，利用屬性表進(jìn)行字段計(jì)算，最終求得區(qū)域潛水蒸發(fā)量。

1　研究區(qū)基本概況

安徽省淮北平原面積37 411 km2。地處黃淮海平原南部，包括淮河以北和霍邱、壽縣北部。為北亞熱帶和暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。冬季干旱少雨，夏季炎熱多雨，四季分明，氣候溫和。該區(qū)多年平均氣溫14℃～15℃,由南向北逐漸降低。年際變化不大，年內(nèi)最冷1月份為0℃左右,最熱7月份在27℃左右；光照充足,多年平均日照時(shí)數(shù)為2 085 h；無霜期較長,多年平均212 d。由于該區(qū)處在南北分界線上。屬冷暖氣團(tuán)經(jīng)常交鋒過渡地帶，年均降水量700～900 mm，年均蒸發(fā)量1 000～1 300 mm。汛期6～9月降水量占年總量的63%左右,多年蒸發(fā)量為1 181.3 mm。地下水資源豐富，以松散巖類孔隙含水巖組分布最廣。一般厚200～600 m，東部小于100 m，西部可達(dá)800 m。地表水屬淮河水系。淺部地下水資源豐富，埋藏淺。平原區(qū)松散巖類淺層孔隙潛水主要埋藏于全新世古河道砂層中，枯水期自西北往東南由3～4 m減至1～2 m，河間1～3 m，濱河2～4 m，黃河古道和山麓地帶3～8 m，豐水期可普遍上升1～2 m。目前，淺層孔隙水仍然是淮北平原農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村人畜飲水的重要水源。

2　利用arcgis計(jì)算潛水蒸發(fā)量

2.1潛水水位變化及分布

根據(jù)淮北平原分布的151個(gè)淺層孔隙水水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，某月的月平均水位利用arcgis插值成柵格文件，繪成潛水水位等值線(圖1a)，利用地表高程與潛水位求得淮北平原的潛水埋深分布，生成埋深等值線及其柵格文件，(圖2a)根據(jù)淮北平原及周邊分布的8個(gè)蒸發(fā)站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪成蒸發(fā)量等值線(圖1b)，利用arcgis插值成柵格文件(圖2b)。

(a)潛水埋深等值線圖

(b)水面蒸發(fā)等值線圖

2.2字段計(jì)算

每個(gè)柵格文件的面積均為992.47× 992.47 m2。將得到潛水埋深等值線和蒸發(fā)量等值線的柵格文件轉(zhuǎn)為點(diǎn)文件，每個(gè)柵格中心的一個(gè)點(diǎn)的蒸發(fā)量和潛水埋深代表該柵格所覆蓋位置的單位蒸發(fā)量和潛水埋深?；幢逼皆恋闹饕愋蜑樯敖谕梁忘S潮土，其中砂姜黑土約占54%，經(jīng)過大量的潛水蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，淮北平原的潛水發(fā)埋深的經(jīng)驗(yàn)值為6～7 m，此處設(shè)定為7 m。阿維揚(yáng)諾夫公式中理論潛水蒸發(fā)極限埋深為4 m。蒸發(fā)指數(shù)定為6.81。各柵格文件分別求的單位柵格的潛水蒸發(fā)量，然后求和計(jì)算得淮北平原潛水蒸發(fā)總量為1.70E8 m3。

(a)潛水埋深柵格圖

(b)水面蒸發(fā)柵格圖

3　VisualModflow模型驗(yàn)證

本文采用Visual MODFLOW 建立數(shù)值模擬模型。Visual Modflow中潛水線性蒸發(fā)的方程表述為：

(4)

式中：E為蒸發(fā)強(qiáng)度，mm/d；h為地下水水位標(biāo)高，m；hs為地面標(biāo)高，m；d為蒸發(fā)極限埋深，m。

3.1水文地質(zhì)概念模型

模型以安徽境內(nèi)淮河以北區(qū)域?yàn)槟M區(qū)，模擬區(qū)域面積約為37 411 km2，全區(qū)幾乎為松散巖類孔隙含水巖組所覆蓋，以埋深40 m且分布穩(wěn)定之粘性土為界，大致可分為淺層和深層兩個(gè)部分。淺層大部由上更新統(tǒng)亞粘土、亞砂土、粉砂和細(xì)砂組成，僅山丘坡麓為上更新統(tǒng)下部之粘性土，基巖侵蝕基準(zhǔn)面上覆有下更新統(tǒng)礫砂，北部黃泛區(qū)及河谷地帶為全新統(tǒng)砂性土和粘性土。根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件，將模擬區(qū)南側(cè)淮河定為水頭邊界。

3.2數(shù)學(xué)模型

根據(jù)水文地質(zhì)概念模型及含水層水力性質(zhì)，將模擬區(qū)地下水流概化成非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)，并建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

(5)

式中：Kx、Ky、Kz為滲透系數(shù)在x、y、z方向的分量(m/d)，(假定滲透系數(shù)主軸方向與坐標(biāo)軸的方向一致)；H為地下水水頭(m)；M為含水層厚度(m)；W為單位體積流量，用以代表流進(jìn)源或流出匯的水量；μs為含水層的儲(chǔ)水率(1/m)；H0為初始水頭(m)； t為時(shí)間(d)；D為模擬區(qū)范圍；Γ為二類邊界；q為邊界流量。

3.3模型識(shí)別與驗(yàn)證

通過模型參數(shù)的調(diào)整，六個(gè)潛水位觀測(cè)孔的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的基本擬合，模型識(shí)別曲線見圖3。

圖3　模型擬合曲線

可以利用模型水均衡模塊來驗(yàn)證基于arcgis的區(qū)域潛水蒸發(fā)值。根據(jù)模型運(yùn)行結(jié)果，該月淮北平原潛水蒸發(fā)量為1.47E8 m3。

4　結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算，已知基于arcgis利用阿維揚(yáng)諾夫公式求得淮北平原2010年12月區(qū)域潛水蒸發(fā)量為1.7E8 m3，利用Visual Modflow模型求得的區(qū)域同期潛水蒸發(fā)量為1.47×108m3，兩者相差13.5%。Visual Modflow蒸發(fā)模塊中的潛水蒸發(fā)計(jì)算公式均是關(guān)于水面蒸發(fā)強(qiáng)度、水位埋深、蒸發(fā)極限埋深的經(jīng)驗(yàn)公式，兩者產(chǎn)生差異的原因主要是阿維揚(yáng)諾夫公式中引入潛水蒸發(fā)指數(shù)，這一指數(shù)讓該公式適用范圍更廣。因此，基于arcgis利用阿維揚(yáng)諾夫公式計(jì)算區(qū)域潛水蒸發(fā)量準(zhǔn)確性有所增加。

本文以淮北平原為例，基于arcgis利用阿維揚(yáng)諾夫公式計(jì)算了淮北平原某一月份的區(qū)域潛水蒸發(fā)量，為計(jì)算不同時(shí)間尺度和空間尺度上的區(qū)域潛水蒸發(fā)量提供了一種方法。經(jīng)其與識(shí)別過的數(shù)值模型計(jì)算的蒸發(fā)量值比較，具有一定若可獲得計(jì)算區(qū)域內(nèi)土地類型及土壤分類資料，根據(jù)實(shí)測(cè)資料分別為潛水蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式的參數(shù)賦值，利用arcgis進(jìn)行字段分類計(jì)算，可使區(qū)域潛水蒸發(fā)量的計(jì)算更加精確。

[1]楊建鋒,張翠光.地球關(guān)鍵帶:地質(zhì)環(huán)境研究的新框架[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì).2014,41.

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

[3]岳衛(wèi)峰,楊金忠,高鴻永,et al.內(nèi)蒙河套灌區(qū)義長灌域水均衡分析[J].灌溉排水學(xué)報(bào).2004,23(6):25-28.

[4]束龍倉,荊艷東,黃修東,et al.改進(jìn)的無作物潛水蒸發(fā)經(jīng)驗(yàn)公式[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào) (地球科學(xué)版).2012,42(6):1859-1865.

[5]劉淼,郝振純,王加虎,et al.淮北平原裸地潛水蒸發(fā)計(jì)算公式比較[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)：地球科學(xué)版.2008,38(4):649-653.

Calculation on Huaibei Plain Regional Groundwater Evapotranspiration Based on Arcgis

LiFei，Wang Ke-qi

(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui)

The phreatic water evaporation is an important part of the land surface loss of water,it have a major effect on crop growth.It is important that Regional phreatic water evaporation calculation to the rational allocation of regional water resources.In this paper,we use Huaibei Plain 151 phreatic water level monitoring stations and 8 water surface evaporationmonitoring stationsdata a month and interpolated to generate raster files by arcgis.Then we get theHuaibei Plain region phreatic water evaporation the month is 1.7E8m3calculatedwith Aviriyanover’s empirical formula; Compared the value with the result calculated by regional groundwater numerical modelestablished with Visual Modflow,we can verify the feasibility of the phreatic water evaporationcalculate method.

Arcgis；region phreatic evaporation and Aviriyanover’s empirical formula

2016-05-03

李飛(1991-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，在讀碩士研究生，主攻方向：地下水資源評(píng)價(jià)與保護(hù)。

P641.2

A

1004-1184(2016)05-0010-02