基于SWAT模型的青海引黃灌區(qū)耗水系數模擬

周鴻文+孫艷偉+呂文星+劉東旭+王玉明

摘要：在系統(tǒng)分析和總結現有灌區(qū)耗水量及耗水系數研究成果的基礎上，以青海典型灌區(qū)大峽灌區(qū)為例，基于灌區(qū)的不同作物生育過程需水、耗水機理和水平衡原理，利用SWAT（soil and water assessment tool）建立了灌區(qū)分布式水循環(huán)模型，從區(qū)域水循環(huán)機理出發(fā)，模擬降水和灌溉引水量在灌區(qū)的蒸散發(fā)和入滲等情況，并對灌區(qū)引水、耗水和排水進行了系統(tǒng)分析和精確計算。模擬結果表明，2013年引水量為4 976.0萬m3，扣除無效引水后進入到田間地塊的水量為2 985.6萬m3，作物耗水量為2 130.6萬m3，入滲水量為1 634.1萬m3，平均耗水系數為0.517。研究成果為科學率定農業(yè)灌溉耗水系數、加強農業(yè)用水管理提供了依據。

關鍵詞：耗水系數；SWAT模型；引黃灌區(qū)；青海省

中圖分類號： TV211；TV213文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）23-0248-03

本研究在對灌區(qū)耗水量研究現狀分析的基礎上，采用基于物理機制的SWAT（soil and water assessment tool）模型來模擬灌區(qū)的耗水量及水量轉化關系，以黃河一級支流湟水流域的大峽灌區(qū)為例，模擬其耗水系數，從而為灌區(qū)水資源的高效利用提供理論依據。

1灌區(qū)耗水系數和耗水機理

近年來不少學者在不同時空尺度、水分循環(huán)過程、耗水結構和對象水源等方面進行研究，從不同角度對耗水量概念的內涵進行界定[6]。研究的空間尺度有流域、行政區(qū)、工業(yè)用水區(qū)、灌區(qū)和地塊等，對包括降水、地表水、地下水、土壤水和再生水等不同水源在取用水過程中的損失途徑、消耗驅動因素及空間異質性對耗水量的影響等問題進行了研究。一般的耗水量，也稱用水消耗量，是指毛用水量在輸水、用水過程中，通過蒸騰蒸發(fā)、土壤吸收、產品帶走、居民和牲畜飲用等多種途徑消耗掉而不能回歸到地表水體或地下含水層的水量，可分為農田灌溉以及工業(yè)、生活、其他用水戶的耗水量[7]。由于研究區(qū)僅針對農業(yè)用水量進行研究，不包括居民生活用水和工業(yè)用水，因此，此處所界定的耗水量為農田灌溉的耗水量，即在灌溉的過程中通過作物蒸騰作用蒸發(fā)的水量、深層滲漏而最終不能回歸到地表水體的水量。基于此，耗水系數等于耗水量除以引水量。

根據秦大庸等的研究，耗水系數的計算主要有河段差法、引排差法和最大蒸發(fā)量法，3種方法各有其優(yōu)缺點[5]。其中，河段差法主要基于黃委會上中游水文局控制的上下游測站資料，即利用入境水文測站和出境水文測站實測資料，以及區(qū)間的匯入、調出水量等資料，根據水平衡原理來分析和計算耗用的黃河水量，但受控制斷面和地下徑流測定復雜性特點的影響，河段差法在計算耗水系數時容易產生較大誤差。引排差法通過對引水干渠全面監(jiān)測和對主要排水溝進行駐測、巡測，對漏測部分利用鄰近排水溝排水模數進行插補計算，從而計算出控制區(qū)域內的引水量、耗水量和排水量，但受測量精度的影響，其結果的精確性很難保證。除此之外，引排差法沒有考慮有效降水量的影響。第3種方法為最大蒸發(fā)量法，采用彭曼公式計算作物蒸騰蒸發(fā)量（即植株蒸騰量和棵間蒸發(fā)量的總和），再換算成灌區(qū)耗水量，該方法通常利用點試驗數據進行區(qū)域的大面積估算，計算誤差較大。

2基于水量平衡的灌區(qū)耗水量及耗水系數計算模型

2.1模型設計

通過對已有灌區(qū)耗水量計算方法的總結和系統(tǒng)分析，結合灌區(qū)引黃灌區(qū)現狀，并考慮引黃灌區(qū)的水循環(huán)規(guī)律和作物耗水機理，提出了一套基于水量平衡原理的灌區(qū)水均衡模型，并在SWAT平臺上，通過構建模型進行作物耗水量、潛水蒸發(fā)量、入滲水量、土壤水變化量的計算，并在此基礎上，計算整個灌區(qū)的耗水系數。

為體現模型參數的空間變異性，同時便于分析計算，在綜合考慮地貌地形的基礎上，從灌區(qū)管理的角度出發(fā)，依據灌渠引水斗門及種植結構的不同，將灌區(qū)細化為基本的不同耗水單元，其中每個耗水單元都有明確的引水量、排水量、土地利用形式和不同的作物種植結構。

在垂向結構上，根據灌區(qū)的水量轉化關系，將其分為大氣層、地表層、土壤層和淺層地下水層。在大氣層考慮的主要因素有太陽輻射、降雨、風速等與作物耗水量相關的因素；在地表層，耗水單元間通過渠系和排水溝進行水量交換；在土壤層，耗水單元間相互獨立；在潛水層，只考慮耗水單元在垂向上與土壤水發(fā)生的水量交換。以土壤層為例，其水量平衡方程為

SWt=SW0+∑ti=1（Rday+Irr+Revap-Qsurf-Ea-wseep-Lat-Tile）。（1）

式中：SWt為末時段土壤含水量，mm；SW0為第i天初始土壤含水量；mm；t為計算時間，d；Rday為第i天的降雨量，mm；Qsurf為第i天的地表徑流量，mm；Ea為第i天的蒸發(fā)量，mm；wseep為第i天的入滲水量，mm；Lat為第i天的壤中流，mm；Tile為第i天的暗管排水量，mm；Irr為第i天的灌溉水量，mm；Revap為第i天的潛水蒸發(fā)量，mm。

2.2水平衡系統(tǒng)組成要素計算

SWAT模型中水平衡系統(tǒng)作物蒸騰蒸發(fā)量、入滲水量、壤中流、潛水蒸發(fā)量等的計算主要采用蒸散發(fā)模型、土壤水計算模型和地下徑流計算模型來實現，簡要概述如下。

2.2.1蒸散發(fā)模型彭曼公式法將蒸發(fā)所需的熱能、水和水蒸氣運動的動能以及接觸層的蒸散發(fā)阻力等因素均考慮在內，因此，本研究采用彭曼公式來計算作物的蒸騰蒸發(fā)量。彭曼公式所需要的數據主要包括太陽輻射、日最高最低氣溫、相對濕度和風速。其中，中國氣象科學數據共享服務網提供了日最高最低氣溫、相對濕度、風速和日照時數等數據。具體公式如下：

λE=Mγ+ΔM（Rn-G）Δ+ρCp（es-e）ratm。（2）

式中：λE為水分進入大氣的潛在通量，W·m2；λ為蒸發(fā)潛熱，J/kg；E為水汽質量通量，kg/（s·m2）；γ為空氣濕度常數，Pa/K；Δ為飽和水汽壓梯度，Pa/K；es-e為蒸氣壓差，Pa；ρ為空氣密度，kg/m3；Cp為恒壓下的比熱容，J/（kg·K）；M為可供水汽量；ratm為蒸散發(fā)阻力，s/m；Rn-G為凈輻射與地面輻射之差，W/m2。endprint

2.2.2土壤水計算模型從地表下滲到土壤中的水分可以被植被吸收，也可以通過土壤表層或植被蒸散發(fā)，或可以下滲補給地下水，還有一部分在一定條件下會發(fā)生水平運動，形成壤中流。依據SWAT模型，采用動力貯水方法計算壤中流流量，該方法是根據塊體連續(xù)方程在傾斜山坡的二維橫截面上進行的計算，具體計算公式為

Qlat=0.0242×SWly，excess×Ksat×slpd×Lhill。（3）

式中：Qlat為壤中流流量；SWly，excess為土壤飽和區(qū)內的可流出水量，mm；Ksat為土壤飽和導水率，mm/h；slp為坡度；d為土壤層總空隙度；Lhill為山坡坡長，m。

2.2.3地下徑流地下徑流以河流基流的形式存在，可由地下水蓄量和枯水季持續(xù)徑流量推算得出。SWAT模型中采用的流域地下徑流量計算公式如下：

Qgw，i=Qgw，i-1×exp（-αgw×Δt）+ωrchrg×[1-exp（-αgw×Δt）]。（4）

式中：Qgw，i為第i天進入河道的地下水補給量，mm；Qgw，i-1為第i-1天進入河道的地下水補給量，mm；αgw為基流的退水系數；Δt為時間步長，d；ωrchrg為第i天蓄水層的補給流量，mm。

其中，補給流量的計算公式如下：

Wrchrg，i=[1-exp（-1/δgw）]×Wseep+exp（-1/δgw）×Wrchrg，i-1。（5）

式中：Wrchrg，i為第i天的蓄水層補給量，mm；δgw為補給滯后時間，d；Wseep為第i天通過土壤剖面底部進入地下含水層的水分通量，mm/d。

3模型應用

3.1研究區(qū)概況

大峽渠灌區(qū)位于湟水左岸的青海省海東市樂都區(qū)高店鎮(zhèn)河灘寨村，水源引自湟水，下游有引勝溝等湟水一級支流作為補充水源。灌區(qū)貫穿于湟水左岸青海省海東地區(qū)樂都縣的高店、雨潤、共和、碾伯、高廟5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的43個行政村和單位。灌區(qū)氣候干旱少雨、日照充足、蒸發(fā)強烈，灌區(qū)發(fā)展主要靠引黃灌溉。大峽灌區(qū)渠道全長57 km，渠首設計流量3.5 m3/s，加大流量3.9 m3/s，年均引水量約7 700萬m3，有效灌溉面積3 000 hm2，實際灌溉面積2 666.7 hm2。大峽渠灌區(qū)位于河谷平原川水區(qū)，該區(qū)沿湟水干流及其一級支流呈帶狀分布，由河灘和1～5級階地坡洪積扇組成，土體構型較好，質地松，是全縣的主要產糧區(qū)。灌區(qū)主要土地類型有灰鈣土、栗鈣土、黑鈣土、灰褐土、山地草甸土和高山草甸土。灌區(qū)種植結構復雜，以小麥、蔬菜和苗木為主。大峽渠灌區(qū)干渠退水口29處，毛渠退水口多達198處，目前難以全面進行監(jiān)測，通過現場查勘選取了一處19.3 hm2的典型地塊（有2處進水口，6處退水口）進行詳細監(jiān)測。

3.2計算單元的劃分

根據“2.1”節(jié)的劃分方法，大峽灌區(qū)共劃分120個子流域，其中各子流域的面積、種植結構如圖1所示。圖1表明，灌區(qū)主要的種植作物為大蒜、蔬菜和土豆，其中蔬菜和大蒜的作物種植比例因子流域的不同而有顯著不同，小麥、油菜、苗木和復種比例在各子流域的種植比例差別不大。

3.3模型參數

SWAT模型所需的數據主要包括：（1）子流域劃分數據。該數據主要用于流域描述、子流域劃分及流域坡度、坡長、主河道長度的確定等。從灌區(qū)管理的角度出發(fā)，充分考慮作物種植比例及土壤類型，以斗門為基本單位，將大峽灌區(qū)劃分為120個子流域。（2）土地利用圖以及土壤圖。這部分數據主要來源于《青海省樂都縣土壤志》《青海省樂都縣農業(yè)區(qū)劃》等文獻資料，并結合現場查勘予以確定，主要用于確定水文響應單元。（3）氣象數據。這部分數據主要來源于國家氣象局1990—2013年24年間3個氣象站的逐日降水量、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫、日照時數、平均風速、相對濕度等，主要用于計算灌區(qū)地表徑流量和蒸散發(fā)量。（4）土壤性質數據。這部分數據主要通過實地調查取樣并通過試驗獲得，主要用于計算壤中流、地下水等，主要包括土壤機械顆粒組成、干容重、土壤飽和導水率、有效持水量等。（5）作物數據庫。這部分數據主要是通過參考試驗站的試驗數據以及一些參考文獻確定的[8]，主要用于計算作物耗水量以及模擬作物生長過程（葉面積指數、作物生長的特征點等）等。（6）基流參數。這部分數據主要是基于《中華人民共和國區(qū)域水文地質普查報告——西寧幅、樂都幅》中所確定的水文地質參數并結合相關參考文獻予以確定的，主要用于計算地下水。

3.4模型模擬結果驗證

利用SWAT建立模型，并將上述參數值進行歸納整理，得到面積、坡度、所包含的水文響應單元（hydrological response unit，簡稱HRU）及其對應的農業(yè)管理文件.mgt，土壤文件.sol、.sub，氣象輸入文件*.pcp、*.tmp、*.hmd、*.wnd、*.slr、*.pet等，以及作物生長模型參數等，針對典型地塊運行SWAT模型，將其結果與通過典型地塊的引水和退水分析結果進行對比可知，2013年在田間地塊尺度上，耗水系數為052，實際監(jiān)測結果為0.50，相對誤差為4%。模擬計算的土壤含水率與實際監(jiān)測情況一致，說明土壤參數設置比較合理。由于田間地塊充分考慮了各種種植作物、典型引水量和退水情況，因此可將模型參數用于整個灌區(qū)，并通過構建SWAT模型進行模擬計算。其中影響灌區(qū)耗水量較大的各作物參數如表1所示。

3.5模型計算結果分析

利用所建立的SWAT模型對整個大峽灌區(qū)進行模擬，并采用2013年的引水和作物種植比例數據，對模擬結果進行分析，可得到每個子流域的引水量、斗門引水量、進入田間水量、降水量、潛水蒸發(fā)量、蒸騰蒸發(fā)量、入滲水量、土壤含水量變化量。在扣除突發(fā)事故所導致的地表退水后，大峽灌區(qū)2013年的總引水量為4 976.0萬m3，扣除無效引水后進入到田間地塊的水量為2 985.6萬m3，作物耗水量為2 130.6萬m3，入滲水量為1 634.1萬m3，各水文響應單位耗水系數在0.411～0.699之間，平均耗水系數為0.517。入滲水量與作物耗水量接近，表明進入到田間地塊的水只有將近一半為作物所利用，而另一半入滲補給地下水。其中，各個子流域的耗水系數如圖2所示。endprint

對圖2進一步分析可知，耗水系數曲線可大致分為6段，具體為子區(qū)域1～25、26～40、41～60、61～85、86～100、101～120，每一段曲線所對應的耗水系數具有接近的耗水系數值，灌區(qū)耗水系數的主要影響因素為子流域的引水量和作物蒸騰蒸發(fā)量。對于引水量而言，作物種植面積和作物種植比例是各子區(qū)域引水量不同的主要原因； 而作物種植結構和種植比例是導致作物蒸騰蒸發(fā)量不同的主要原因； 當子區(qū)域內的大

蒜和蔬菜等高耗水量的作物種植比例較大時，其作物蒸騰蒸發(fā)量也較大，因此，其對應的耗水系數也較大。模擬結果與實際情況一致，耗水系數較高的子區(qū)域同時也是大蒜和蔬菜等種植比例較高的區(qū)域，從另外一個側面反映了模型的準確性。

4結語

本研究基于水量平衡理論，建立了基于SWAT的灌區(qū)耗水量及耗水系數計算模型。該模型在大峽灌區(qū)的實際應用表明，除了能詳細計算灌區(qū)總耗水量，還能定量計算各種水平衡要素間的轉化關系，從而解決以往方法出現的水量間不平衡

問題。模擬結果表明，就單個子流域而言，作物種植結構和種植比例是導致其耗水系數出現不同的原因；對整個灌區(qū)而言，由于進入田間的水量約有一半為入滲損失，雖然該部分水量最終能通過地下水進入到河道，并不構成耗水量部分，但從作物高效利用和水資源高效利用的角度出發(fā)，可以減少引水量。

參考文獻：

[1]陳先德，李雪梅，呂光圻. 黃河斷流及水資源變化特點[J]. 水利水電科技進展，1999（1）：34-37.

[2]程進豪，王維美，王華，等. 黃河斷流問題分析[J]. 水利學報，1998（5）：75-79.

[3]黃偉雄. 跨流域調水與華北水資源的合理配置[J]. 資源科學，2002，24（3）：8-13.

[4]張會言. 黃河水資源可繼續(xù)利用與南水北調西線工程[J]. 西北水資源與水工程，2002，13（3）：46-49.

[5]秦大庸，于福亮，裴源生. 寧夏引黃灌區(qū)耗水量及水均衡模擬[J]. 資源科學，2003，25（6）：19-24.

[6]周鴻文，袁華，呂文星，等. 黃河流域耗水系數評價指標體系研究[J]. 人民黃河，2015，37（12）：46-49，53.

[7]王成麗，蔣任飛，阮本清，等. 基于四水轉化的灌區(qū)耗水量計算模型[J]. 水利學報，2009，40（10）：1196-1203.

[8]方云花，王麗慧，馬元鑫，等. 高原大蒜干物質積累與分配特性[J]. 西北農業(yè)學報，2012，21（5）：146-150.江蘇農業(yè)科學2017年第45卷第23期馬妍，尹建道，張建唐，等. 酸性殘渣對天津濱海鹽堿土的改良效果[J]. 江蘇農業(yè)科學，2017，45（23）：251-253.endprint