用分布式水循環(huán)模型與機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測內(nèi)蒙古河套灌區(qū)節(jié)水潛力

趙 晶 ，段晶晶 ，王 濤 ，畢彥杰 ，高 峰

（1. 華北水利水電大學(xué)水資源學(xué)院，鄭州 450046；2. 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

0 引言

至2022 年底，中國大中型灌區(qū)有7 000 多處，有效灌溉面積3.47 億hm2，是中國糧食和重要農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，是國家糧食安全的重要保障[1]。2021 年，黃河流域總用水量389.3 億m3，其中農(nóng)田灌溉用水量占比66.0 %，高于全國平均水平的61.6%。近年來黃河上中游的梯田、淤地壩、退耕還林還草等措施使得黃河徑流量顯著減少[2]，干旱缺水已成為黃河流域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的剛性約束，節(jié)水已迫在眉睫。黃河流域節(jié)水的重點(diǎn)在于農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)節(jié)水的重點(diǎn)在于引黃灌區(qū)，河套灌區(qū)是黃河流域最大的灌區(qū)，是國家重要糧食生產(chǎn)基地和西部重要生態(tài)保護(hù)屏障。高強(qiáng)度水資源開發(fā)利用與人類活動(dòng)深刻影響著河套灌區(qū)下墊面條件，科學(xué)而深刻地認(rèn)識(shí)灌區(qū)水循環(huán)過程是理清灌區(qū)節(jié)水潛力的前提[3]。

目前，學(xué)術(shù)界對(duì)節(jié)水潛力尚未形成一個(gè)統(tǒng)一、公認(rèn)的定義和概念。雷波等[4]認(rèn)為灌區(qū)節(jié)水潛力可分為“工程節(jié)水量”和“真實(shí)節(jié)水量”兩種。崔遠(yuǎn)來等[5]提出了凈節(jié)水量的概念，認(rèn)為傳統(tǒng)方法計(jì)算出來的節(jié)水潛力減去節(jié)水措施前后回歸水量的差值后才是凈節(jié)水量。裴源生等[6]提出耗水節(jié)水的概念，認(rèn)為真實(shí)的節(jié)水潛力應(yīng)同時(shí)包含取用水節(jié)水和耗水節(jié)水，耗水節(jié)水量體現(xiàn)了區(qū)域真正的節(jié)水潛力。RAEISI 等[7]認(rèn)為農(nóng)業(yè)節(jié)水不應(yīng)減少灌溉回水量對(duì)地下水補(bǔ)給或生態(tài)環(huán)境流量補(bǔ)給。KARIMOV等[8]認(rèn)為農(nóng)業(yè)真實(shí)節(jié)水的重點(diǎn)在于減少蒸散發(fā)量。

關(guān)于農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的確定方法眾多學(xué)者從多角度進(jìn)行了研究。傅國斌等[9]將某一基準(zhǔn)年的實(shí)際灌溉用水量和非充分灌溉條件下灌溉需水量的差值作為理論節(jié)水潛力。彭致功等[10]構(gòu)建了區(qū)域作物水分生產(chǎn)函數(shù)，通過確定主要作物蒸騰蒸發(fā)量定額計(jì)算了耗水節(jié)水潛力。TORNQVIST 等[11]利用分布式水文模型研究了中亞咸海流域灌溉技術(shù)改進(jìn)的節(jié)水效應(yīng)。顧文權(quán)等[12]采用可變滲透能力（variable infiltration capacity，VIC）水文模型分析種植結(jié)構(gòu)調(diào)整后漢江流域的真實(shí)節(jié)水潛力。吳迪等[13]構(gòu)建土壤水評(píng)價(jià)（soil and water assessment tool，SWAT）模型，分析湖北漳河灌區(qū)楊樹垱流域的節(jié)水潛力。以往節(jié)水潛力研究多針對(duì)取用水節(jié)水，部分文獻(xiàn)針對(duì)耗水節(jié)水，但未考慮節(jié)水后對(duì)區(qū)域地下水埋深與生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的影響。此外以往灌區(qū)節(jié)水潛力研究對(duì)土壤中鹽分變化考慮不足。已有的土壤水鹽運(yùn)移模型大多依賴于復(fù)雜的物理過程機(jī)理[14]，模型求解過程中邊界條件復(fù)雜、計(jì)算參數(shù)眾多且難以率定等問題限制了模型的應(yīng)用，而且水鹽運(yùn)移的非線性和突變性會(huì)降低這些機(jī)理模型的準(zhǔn)確性和可靠性，且灌區(qū)水鹽運(yùn)移的復(fù)雜機(jī)理也尚未完全理清[15]?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)模型更具優(yōu)勢(shì)，伴隨機(jī)器學(xué)習(xí)理論及技術(shù)的發(fā)展，此類模型逐漸在模擬土壤水鹽運(yùn)移方面得到認(rèn)可[16]。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)降水少蒸發(fā)大，長期引黃灌溉形成了適應(yīng)區(qū)域引排水條件的獨(dú)特生態(tài)格局。引黃水已經(jīng)成為維系河套灌區(qū)經(jīng)濟(jì)-社會(huì)-生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的重要命脈。合理的地下水埋深是維持灌區(qū)及其周邊綠洲的重要保障，大規(guī)模節(jié)約用水必然改變灌區(qū)水循環(huán)通量、土壤水下滲規(guī)律，影響地下水埋深，進(jìn)而可能對(duì)河套灌區(qū)及其周邊植被生長、地下水補(bǔ)水量與面積、土壤含鹽量等帶來深遠(yuǎn)影響。因此，本文構(gòu)建灌區(qū)分布式水循環(huán)模型、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤鹽分模型，設(shè)置節(jié)水方案集，定量分析各方案下的灌區(qū)引耗水量、地下水埋深、土壤積鹽量等變化，對(duì)比分析各方案，在地下水埋深、鹽分平衡約束下選擇灌區(qū)耗水節(jié)水量最大的方案作為灌區(qū)的真實(shí)節(jié)水潛力，以期為引黃灌區(qū)節(jié)水方案制定與灌溉管理提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地處中國西北干旱半干旱區(qū)，降雨少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，易發(fā)生干旱，春旱尤其嚴(yán)重，必須靠灌溉發(fā)展農(nóng)業(yè)[17]。千百年來，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)由于其地形地勢(shì)、氣候特征等形成了獨(dú)特的引水和排水渠系網(wǎng)絡(luò)。灌區(qū)引水系統(tǒng)包括總干渠1 條，干渠 13 條，分干48 條，支渠204 條，以及復(fù)雜的斗區(qū)、農(nóng)渠和毛渠共七級(jí)引水渠系；排水系統(tǒng)包括總排水干溝1 條，干溝12 條，分干溝 59 條，支溝210 條，以及更小的排水溝[17]。1999 年10 月內(nèi)蒙古自治區(qū)確定分配給河套灌區(qū)的引黃指標(biāo)將由52 億 m3減至40 億 m3[18]，給河套灌區(qū)的工農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了巨大挑戰(zhàn)，農(nóng)業(yè)節(jié)水勢(shì)在必行。

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 灌區(qū)分布式水循環(huán)模型

以數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）節(jié)點(diǎn)為中心，將灌區(qū)劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，各個(gè)網(wǎng)格內(nèi)依據(jù)水量平衡進(jìn)行水循環(huán)過程的模擬。各級(jí)引水渠道將水從河道引出輸送到田面上，將原來在河道中的匯流過程改變?yōu)榉稚⑦^程。各級(jí)排水溝將水從最末一級(jí)排水溝引入干溝進(jìn)行匯流，可看作是一個(gè)人工控制的匯流工程。打井抽水灌溉改變地下水的徑流時(shí)空分布過程，將地下水資源通過集中的抽水分布在田面上。此外田埂（田塊）、田面平整、滴灌微灌等灌溉方式、耕種方式、保墑技術(shù)、種植作物類型等均改變了降水或灌溉水在田面上的蒸發(fā)、下滲、匯流方向和產(chǎn)流通量。灌區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)概化圖如圖1 所示。

1）蒸散發(fā)模擬

考慮3 種類型的蒸散發(fā)：植被蒸騰、冠層蒸發(fā)、裸地蒸發(fā)。蒸散發(fā)計(jì)算需輸入蒸發(fā)器實(shí)測水面蒸發(fā)和流域蒸散發(fā)能力的折算系數(shù)。

2）土壤水運(yùn)動(dòng)模擬

各土層間的非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足達(dá)西定律，利用一維Richads 方程來描述水分由上層土壤到下層土壤的垂向運(yùn)動(dòng)過程，當(dāng)土壤含水量大于孔隙度時(shí)，水力傳導(dǎo)度為常數(shù)，否則，水力傳導(dǎo)度K（m/d）是隨土壤基質(zhì)勢(shì)（或土壤含水率）變化的函數(shù)，即非飽和土壤水運(yùn)移的達(dá)西定律[19]為

式中q為下滲流量，m3/s；θ為土壤體積含水率，cm3/cm3；h為土壤基質(zhì)勢(shì)，kPa；?H為水力梯度，m/m；K(θ) 和K(h)為分別為土壤含水率和土壤基質(zhì)勢(shì)的水力傳導(dǎo)度函數(shù)。

由于K(h)受滯后影響較大，式（1）僅適用于單純的吸濕或脫濕過程，但式（1）可有效地避免滯后作用。滯后現(xiàn)象表現(xiàn)為對(duì)于同樣質(zhì)地和結(jié)構(gòu)的土壤，即使在恒溫條件下，對(duì)于吸水和脫水過程，負(fù)壓（吸力）與含水率的關(guān)系曲線是不同的。本文土水勢(shì)不考慮氣壓勢(shì)、溫度勢(shì)及溶質(zhì)勢(shì)，只包括重力勢(shì)和基質(zhì)勢(shì)。因此，總水頭以位置水頭和壓力水頭之和表示。

土壤的水分特征曲線與水力傳導(dǎo)度之間有密切關(guān)系，通過不同的非飽和水力參數(shù)將水力傳導(dǎo)度和水分特征曲線聯(lián)系起來。本文利用Brooks-Corey 模型（BC 模型）描述土壤水分特征曲線和水力傳導(dǎo)度之間的關(guān)系[19]：

式中 θr、θs表示殘留含水率和飽和含水率，cm3/cm3；Ks為飽和水力傳導(dǎo)度，m/d；S(θ)為飽和度，無量綱；γ為土壤負(fù)壓，m；pd為土壤顆粒分布大小參數(shù)，無量綱；α為多孔介質(zhì)進(jìn)氣值的倒數(shù)，m-1。

式中Qv為單位步長時(shí)段內(nèi)的入滲水分通量，m3/s；為累計(jì)上層入滲量后當(dāng)前土層含水率，即殘留含水率，%；θt為t時(shí)刻土壤體積含水率，cm3/cm3；qv為沿豎直方向單位時(shí)間步長的土壤水分通量，m3/s。

3）地下水埋深計(jì)算

非飽和帶采用分層土壤模型進(jìn)行土壤水模擬。當(dāng)模型對(duì)計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)的土壤水模擬時(shí)，首先對(duì)各層土壤向其上層土壤運(yùn)移水量進(jìn)行計(jì)算，為便于計(jì)算，在向上水分傳輸補(bǔ)給方面做一定簡化處理，只有在下層的土壤含水率高于該層孔隙度時(shí)，才發(fā)生向上水分傳輸補(bǔ)給，同時(shí)該層的土壤含水量等于孔隙度。

首先進(jìn)行最下層土壤的超額的田間持水量EFCap和水量存儲(chǔ)TStor計(jì)算，同時(shí)，將網(wǎng)格時(shí)段內(nèi)的凈壤中流添加到其中。如果在模型計(jì)算過程中出現(xiàn)EFCap＜0，則令EFCap=0；之后，依次計(jì)算各層超額的田間持水量EFCap和水量存儲(chǔ)TStor，并依次累加，直到完成所有土層計(jì)算，最終可得到累計(jì)各層總超額的田間持水量TEFCap和總土壤的水量存儲(chǔ)TTStor，地下水水位計(jì)算流程見圖2。計(jì)算式見式（6）～式（13）。

圖2 地下水埋深計(jì)算流程圖Fig.2 Groundwater depth calculation flowchart

地下水埋深計(jì)算按式（6）和式（7）計(jì)算，取向下為正。

如果根據(jù)式（6）計(jì)算所得tTd＞0，那么

式中tTd為地下水水位，cm；ToD為總土深，cm；EFCap、TStor為各層超額的田間持水量和土壤存儲(chǔ)水量，cm3/cm3；DLD表示該計(jì)算網(wǎng)格最下層土深，cm；ai為第i個(gè)土層調(diào)整系數(shù)，無量綱，Dp為表示最下層土壤層的孔隙度，cm3/cm3；DFCap為總田間持水量，cm3/cm3；mi表示第i個(gè)土層土壤含水量，cm3/cm3；Ri表示各層土壤厚度，cm；Fi代表第i個(gè)土層的田間持水量,cm3/cm3；TEFCap為總田間持水量，cm3/cm3；TTStor為總土壤的水量存儲(chǔ)，cm3/cm3。

地下水出流計(jì)算采用線性水庫法，將灌區(qū)劃分為若干個(gè)網(wǎng)格劃，每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)一個(gè)集水水庫以及基流水庫，水流從土壤流入設(shè)定的水庫，又流向深層基流水庫，最后流入排水渠道。

4）灌區(qū)引、灌、排水過程模擬

①渠灌區(qū)引水、排水過程

設(shè)置一條引水干渠，從河道中取水，再利用支、斗、農(nóng)渠進(jìn)行逐級(jí)引水分配到各個(gè)水循環(huán)單元[20]。排水干溝按照一維運(yùn)動(dòng)波方法計(jì)算排水，支溝、斗溝、田間排水毛溝等按照引水渠系的平衡計(jì)算思路來計(jì)算排水溝系的水量平衡。

②灌水過程

模型計(jì)算中，引、提水量以月為計(jì)算的時(shí)間單位，為反映每天的灌水過程，設(shè)置一個(gè)“虛擬水庫”，模擬儲(chǔ)水、放水過程，根據(jù)可灌水量的上限與需水量控制每日的可灌水量。模型設(shè)置最大可接受作物種植輪作次數(shù)為2 輪。灌區(qū)水分來源：地表水、地下水、當(dāng)日降水，優(yōu)先使用當(dāng)日降水，其次是地表水、最后為地下水。

5）灌區(qū)水量平衡

根據(jù)灌溉水分運(yùn)動(dòng)過程，建立灌區(qū)水量平衡方程，表示為：

式中 ΔT為田間土壤水蓄變量，mm；Qirri為灌溉水量，mm；P為降雨量，mm；E為蒸散發(fā)量，mm；ΔQ為地下水變化量，mm；Qcanal為渠系下滲量，mm，采用渠系滲漏系數(shù)法計(jì)算；Qfield為灌區(qū)凈留水量，由灌區(qū)凈灌溉水量減去田間滲漏水量得出，mm；Qeva為實(shí)際蒸散發(fā)量，mm；Qe為地下水開采量，mm；Pground為地下水排水量，mm；Pcanal為排水渠道排水量，mm。

1.2.2 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的土壤鹽分模型

較大區(qū)域中土壤屬性的非線性作用更加明顯，而機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠有效解決土壤鹽分與環(huán)境因子之間非線性的問題[21]，本文選擇常見的隨機(jī)森林（random forest，RF）和長短期記憶人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（long short-term memory，LSTM）、支持向量機(jī)（support vector machines，SVM）3 個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法來構(gòu)建土壤鹽分模型。隨機(jī)森林通過集成學(xué)習(xí)的Bagging 思想，在決策樹的訓(xùn)練過程中引入隨機(jī)屬性選擇，被譽(yù)為“代表集成學(xué)習(xí)技術(shù)水平的方法”。長短期記憶網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠有效避免模型訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的梯度消失或者梯度爆炸問題，在一定程度上解決了循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)存在的長時(shí)間依賴問題。支持向量機(jī)是一種二分類模型，它的目的是尋找一個(gè)超平面來對(duì)樣本進(jìn)行分割，分割的原則是間隔最大化，最終轉(zhuǎn)化為一個(gè)凸二次規(guī)劃問題來求解。對(duì)比各類方法及方法集合平均值，選擇擬合精度較大的土壤含鹽量的集合模擬結(jié)果。

降水是土壤水分的重要來源，降水/灌溉水對(duì)土壤的脫鹽效果較強(qiáng)[22]。在高強(qiáng)度蒸發(fā)條件下，水分蒸發(fā)而鹽分滯留土壤中，不同土層的全鹽含量隨著潛在累積蒸發(fā)量的增加而增大[23]。地下水埋深被認(rèn)為是水平地形土壤鹽漬化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，土壤鹽分受地下水埋深影響顯著，當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮谂R界深度（指不引起土壤嚴(yán)重積鹽、且不危害作物生長的最小地下水埋深時(shí)）時(shí)，地下水中的鹽分會(huì)隨毛細(xì)水不斷向上遷移到耕作層和地表[24-25]，導(dǎo)致灌區(qū)土地鹽漬化問題。故本文選用降水量+灌溉水量-實(shí)際蒸散發(fā)量、地下水埋深2 個(gè)變量作為自變量，土壤含鹽量作為因變量，基于模擬和觀測土壤積鹽量的納什系數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)來訓(xùn)練3 個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

1.3 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)資料來自國家氣象局網(wǎng)站共享數(shù)據(jù)。研究區(qū)DEM 數(shù)據(jù)采樣的精度為30 m。土壤分布信息采用南京土壤所公布的全國土壤分布圖。考慮到整個(gè)含水層的水文地質(zhì)條件和水力特性，模型分為兩層，第一層厚度變化不大（設(shè)置為平均厚度7.4 m），第二層厚度為20～300 m。給水度較小位于0.02～0.05 之間。土地利用數(shù)據(jù)來自內(nèi)蒙古巴彥淖爾市自然資源局提供的2009 年與2017 年土地利用信息。將研究區(qū)劃分為30 km×30 km 正方形柵格，見圖3。

圖3 研究區(qū)總的計(jì)算單元Fig.3 The total calculation unit in study region

1.4 節(jié)水方案設(shè)置

根據(jù)河套灌區(qū)節(jié)水現(xiàn)狀與節(jié)水效果，本文篩選影響較為顯著的渠系節(jié)水措施、田間節(jié)水措施、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整措施作為主要節(jié)水措施，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建節(jié)水方案（方案設(shè)置依據(jù)《巴彥淖爾市水資源規(guī)劃》、《內(nèi)蒙古河套灌區(qū)現(xiàn)代化規(guī)劃（2021—2035 年）》），見表1?；鶞?zhǔn)方案為2018 年河套灌區(qū)實(shí)際情況。

表1 河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水方案Table 1 Agricultural water-saving schemes in Hetao Irrigated Region

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定和驗(yàn)證

2.1.1 分布式水循環(huán)模型

對(duì)水循環(huán)過程中的實(shí)際蒸散發(fā)量、排水量和地下水埋深進(jìn)行率定和驗(yàn)證，率定期為2009—2014 年，驗(yàn)證期為2015—2018 年。其中，蒸發(fā)采用系數(shù)參考文獻(xiàn)[26]，見表2；排水過程驗(yàn)證采用河套灌區(qū)管理局提供的22 條主要排水干溝及總排干4 個(gè)控制斷面2009—2018 年10 a 的月流量過程信息進(jìn)行率定與驗(yàn)證，見表3；地下水埋深則利用2014—2018 年地下水觀測井實(shí)測資料進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，水面蒸發(fā)模型的納什系數(shù)均不低于0.654，相對(duì)誤差絕對(duì)值不高于4.82%，相關(guān)關(guān)系為0.88，排水過程納什系數(shù)均不低于0.600，相對(duì)誤差絕對(duì)值不高于5.11%，相關(guān)關(guān)系為0.82，地下水埋深的納什系數(shù)均不低于0.628，相對(duì)誤差絕對(duì)值不高于5.12%，相關(guān)關(guān)系為0.86，滿足精度要求。

表2 不同作物蒸散發(fā)系數(shù)Table 2 Crop evapotranspiration coefficients for different crops

2.1.2 土壤鹽分模型

灌溉水量、地下水埋深與土壤積鹽數(shù)據(jù)來自于河套灌區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，蒸散發(fā)量由構(gòu)建水循環(huán)模型輸出。輸入1990—2016 年月過程的降水量+灌溉水量-蒸發(fā)量、地下水埋深與土壤積鹽量數(shù)據(jù)分別訓(xùn)練隨機(jī)森林模型、長短期記憶人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與支持向量機(jī)模型，采用2017—2018 年數(shù)據(jù)驗(yàn)證3 個(gè)模型。支持向量機(jī)模型的模擬效果較差，納什系數(shù)在0.50～0.60 之間，隨機(jī)森林模型的納什系數(shù)在0.70～0.80 之間，長短期記憶人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型納什系數(shù)為0.9 左右，可能存在一定的過擬合現(xiàn)象。故本文將隨機(jī)森林、長短期記憶人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與支持向量機(jī)輸出的土壤積鹽量數(shù)據(jù)求集合平均值，再與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比，得到土壤積鹽量與實(shí)測值的納什系數(shù)均不低于0.76（見表4），相對(duì)誤差絕對(duì)值不高于3.01%，相關(guān)系數(shù)為0.89，滿足精度要求。

表4 驗(yàn)證期土壤積鹽量實(shí)測值與模擬值納什系數(shù)Table 4 NSE between measured and simulated soil salinity during validation period

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 引耗水量影響

灌區(qū)節(jié)水會(huì)引起入滲、潛水蒸發(fā)以及地下水埋深等水循環(huán)要素發(fā)生變化。表5 是不同節(jié)水方案下灌區(qū)引、耗水量的變化情況。

表5 不同節(jié)水方案下灌區(qū)引耗水量Table 5 Water consumption under different water-saving schemes in irrigated region 億m3

從表5 可以看出，S1 方案下渠系水利用系數(shù)提高到0.60，引黃水量減少4.18 億m3，耗黃水量減少2.05 億m3，農(nóng)田耗水量減少2.10 億m3，但因渠道滲漏量減少，地下水位下降，可能引起湖泊濕地、林草地等面積萎縮，生態(tài)耗水量減少0.83 億m3，S1 方案河套灌區(qū)耗水節(jié)水量達(dá)到2.93 億m3。S2 方案實(shí)施田間節(jié)水調(diào)控措施，引黃水量減少3.62 億m3，耗黃水量減少3.79 億m3，農(nóng)田耗水量減少2.89 億m3，河套灌區(qū)耗水節(jié)水量達(dá)到3.02 億m3。S3 方案下調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，在引黃水量不減少的情況下，耗黃水量減少0.96 億m3，生態(tài)耗水量增加0.23 億m3，農(nóng)田耗水量減少2.77 億m3，河套灌區(qū)耗水節(jié)水量達(dá)到2.54 億m3。不同方案組合，S1+S2+S3 方案河套灌區(qū)耗水節(jié)水量最多，為9.11 億m3，S2+S3 方案組合次之，耗水節(jié)水量5.69 億m3。

2.2.2 地下水埋深影響

河套灌區(qū)淺層地下水補(bǔ)給主要依賴引黃灌溉過程。當(dāng)渠系水利用系數(shù)提高，渠系滲漏水量減少，即入滲補(bǔ)給地下水的水量會(huì)顯著減少，從而影響灌區(qū)地下水埋深的時(shí)空分布情況，并帶來相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)?；鶞?zhǔn)方案下，平均每年地下水入滲補(bǔ)給量25.79 億m3，主要集中在10 月、5 月、6 月、7 月與9 月，占全年總補(bǔ)給量的84%（見圖4）。S1 方案下農(nóng)田灌溉用水量沒有變化，渠系水利用系數(shù)提高到0.6，渠道滲漏補(bǔ)給地下的水量減少，減少了入滲補(bǔ)給地下水量，地下水水位下降。林草地、未利用地的入滲補(bǔ)給主要依靠本地降水，補(bǔ)給量很小，若潛水蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于入滲量，地下水位將迅速下降，是影響灌區(qū)地下水位變化的關(guān)鍵因素。S1 方案下地下水入滲補(bǔ)給量19.63 億m3，較基準(zhǔn)方案減少6.16 億m3，導(dǎo)致地下水埋深的持續(xù)加大，地下水埋深＞3 m 的面積比例較基準(zhǔn)方案增加了7.59%，地下水埋深＞2.5～3.0 m 的面積比例較基準(zhǔn)方案增加了4.44%（見圖4）。S2 方案下，引黃水量減少，相應(yīng)的渠道滲漏量減少，田間工程措施使得相應(yīng)的農(nóng)田入滲量減少，S2 方案下地下水入滲補(bǔ)給量較基準(zhǔn)方案減少2.57 億m3，灌區(qū)地下水位下降，地下水埋深＞3 m 的面積比例較基準(zhǔn)方案增加了2.54%，地下水埋深2.5～3.0 m 的面積比例較基準(zhǔn)方案增加了1.58%。S3 方案下，在引黃水量無變化的情況下，渠道入滲補(bǔ)給量可認(rèn)為無變化，農(nóng)田灌溉用水量減少，農(nóng)田入滲補(bǔ)給量減少，更多的水分補(bǔ)給生態(tài)環(huán)境用水（排入烏梁素海），地下水入滲補(bǔ)給量略微減少，較基準(zhǔn)方案減少0.31 億m3，地下水位變化不大。

圖4 不同方案下地下水補(bǔ)給量和埋深面積的比例Fig.4 Proportion of groundwater recharge and buried area under different schemes

不同方案組合，S1+S2+S3 方案下地下水入滲補(bǔ)給量較基準(zhǔn)情景減少量最大，為9.00 億m3，S1+S3 方案組合次之，較基準(zhǔn)方案減少8.52 億m3。S1+S3 方案較基準(zhǔn)方案減少7.57 億m3，S2+S3 方案較基準(zhǔn)方案減少2.64 億m3。

選擇對(duì)地下水入滲補(bǔ)給量影響較大的S1、S1+S2、S1+S2+S3 方案進(jìn)行分析。以枯水期3 月為例，基準(zhǔn)情景下灌區(qū)西部、山前、臨河區(qū)等周邊部分區(qū)域?yàn)榈叵滤裆罡咧祬^(qū)（圖5），隨著耗水節(jié)水量的增多，地下水埋深高值區(qū)從上述區(qū)域逐步擴(kuò)散，S1+S2+S3 方案下在西北部、山前、烏拉特前旗、烏梁素海東部的形成連片埋深高值區(qū)，對(duì)區(qū)域生態(tài)的影響更加顯著。S1、S1+S2、S1+S2+S3 下地下水埋深超過6 m 的面積比例較基準(zhǔn)情景分別增加了1.22%、4.31%、5.93%，地下水埋深超過4 m 的面積比例較基準(zhǔn)情景分別增加了5.80%、6.63%、8.71%。地下水埋深超過3 m 的面積比例較基準(zhǔn)情景分別增加了7.59%、12.60%、13.23%。

圖5 不同方案下3 月地下埋深空間分布Fig.5 Spatial distribution of groundwater buried depth (BD) under different project in March

2.2.3 灌區(qū)鹽分影響

本文選擇積鹽量作為灌區(qū)水鹽約束指標(biāo)。S1 方案較基準(zhǔn)情景積鹽量增加1.7 萬t（見表6）。S2 方案隨著田間土地平整、畦田改造，中低產(chǎn)田改造措施的實(shí)施，灌區(qū)進(jìn)、排鹽量逐漸減小，積鹽量較基準(zhǔn)情景減少2.3 萬t。S3 方案隨著種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，灌區(qū)進(jìn)鹽量變化不大（因引黃水量不變）、排鹽量增多（因排水量增多），積鹽量較基準(zhǔn)情景減少4.5 萬t。由表6 可以看出，S2+S3 方案積鹽量較基準(zhǔn)情景較少最多，其次為S3、S1+S2+S3、S2、S1+S3、S1+S3。

表6 不同方案積鹽量變化Table 6 Changes in salt accumulation for different schemes

2.2.4 節(jié)水潛力分析

從節(jié)水對(duì)地下水埋深、水鹽平衡2 個(gè)方面的影響對(duì)各方案進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表7。

表7 不同方案耗水節(jié)水量與其影響Table 7 Water-saving amount and its impact of different watersaving schemes

隨著耗水節(jié)水量的增多，地下水埋深逐漸增厚，將對(duì)灌區(qū)生態(tài)產(chǎn)生明顯影響。S3 方案耗水節(jié)水量最?。▋H2.54 億m3），地下水埋深與基準(zhǔn)方案相比變化不大。但仍有節(jié)水空間。耗水節(jié)水量最大的S1+S2+S3 方案（耗水節(jié)水量9.11 億m3），引起地下水埋深變化明顯，自然植被生育期平均埋深超過2.5 m 的面積比例達(dá)到27.90%，在西北部、山前、烏拉特前旗、烏梁素海東部的形成連片埋深高值區(qū)，會(huì)對(duì)灌區(qū)陸面生態(tài)環(huán)境造成明顯影響。而且S1+S2+S3 方案下灌區(qū)排入烏梁素海的水量減少至5.15 億m3，較基準(zhǔn)情景減少了28%，入烏水量的減少會(huì)加劇烏梁素海水體污染[27]。S1+S2 方案不利于灌區(qū)脫鹽，引起烏梁素海排入水量減少2.62 億m3，較基準(zhǔn)情景減少了37%，會(huì)明顯加劇烏梁素海水質(zhì)污染。綜合考慮節(jié)水對(duì)下水埋深、水鹽平衡的影響，S1+S3、S2+S3 方案對(duì)地下水埋深影響不明顯，雖會(huì)引起排入進(jìn)烏梁素海水量減少，相對(duì)于基準(zhǔn)情景分別減少了6%、12%，但S2+S3 方案下積鹽量變化明顯高于S1+S3 方案，更利用灌區(qū)排鹽，故推薦灌區(qū)適宜節(jié)水方案為S1+S3 方案，灌區(qū)真實(shí)節(jié)水量為5.69 億m3。

3 討論

本文將地下水埋深作為重要生態(tài)約束控制指標(biāo)之一，分析灌區(qū)節(jié)水對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。S1 方案下，渠系節(jié)水引起地下水水位下降，與屈忠義等[28]研究結(jié)果結(jié)論較為接近。對(duì)于河套灌區(qū)適宜地下水位，汪林等[29-30]認(rèn)為寧夏河套灌區(qū)非生育期地下水的適宜控制埋深為2.0～2.4 m、作物生長期地下水的適宜控制埋深為1.2～1.5 m。郝遠(yuǎn)遠(yuǎn)等[31]研究發(fā)現(xiàn)寧夏灌區(qū)玉米生長期的適宜埋深應(yīng)控制在1.5 m 左右。王倫平等[32]經(jīng)過作物生理特性鑒定得出小麥和糜子的地下水適宜深度為1.5～2.0 m。高鴻永等[33]認(rèn)為當(dāng)?shù)叵滤宦裆钤?.2～2.5 m 時(shí)，新植林區(qū)幼樹生長發(fā)育正常，幼樹基本無枯梢枯干現(xiàn)象；當(dāng)?shù)叵滤宦裆畛^3 m 時(shí)，幼樹枯梢枯干現(xiàn)象隨地下水位下降而增多。彭翔[34]認(rèn)為河套灌區(qū)天然植被的最佳地下水埋深為1.6～2.0 m，生態(tài)維持水位埋深區(qū)間為1.0～5.0 m，地下水埋深超過5 m 時(shí)，將明顯影響天然植被正常生長。綜合考慮上述研究成果，河套灌區(qū)農(nóng)田生育期地適宜地下水埋深應(yīng)控制在1.5～2.0 m，非生育期地下水埋深應(yīng)該控制在2.0～2.5 m；河套灌區(qū)林草地適宜地下水埋深應(yīng)控制在2.0～3.0 m，最大應(yīng)控制在3.5 m 以內(nèi)，才能保證天然植被不退化。本文所選擇的S2+S3 方案，自然植被生育期平均埋深超過2.5 m 的面積比例、農(nóng)田生育期埋深超過2.0 m 的面積比例分別較基準(zhǔn)方案增多2.22%、1.05%，對(duì)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境影響不明顯。而耗水節(jié)水量最大的S1+S2+S3 方案，自然植被生育期地下水平均埋深超過2.5 m 的面積比例、農(nóng)田生育期埋深超過2.0 m的面積比例較基準(zhǔn)方案分別增多8.22%、13.44%，將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。

關(guān)于灌區(qū)土壤脫鹽與水鹽平衡問題，汪林等[35]通過鹽分排引比分析灌區(qū)積鹽、脫鹽的和鹽漬土改良的指標(biāo)，證實(shí)了35 年來銀北灌區(qū)鹽堿地處于脫鹽這一過程。賈忠華等[36]選擇灌區(qū)鹽分的排引比分析寧夏銀南灌區(qū)水鹽平衡。本文選擇積鹽量作為水鹽平衡約束的指標(biāo)。當(dāng)S1方案下渠系水利用系數(shù)提高，引水量減少，將直接減少排水量，加重灌區(qū)鹽分累積，不利于灌區(qū)脫鹽，與王國帥等[37-38]研究結(jié)論一致，節(jié)水改造后，引排水量逐年減少，鹽分無法有效排除灌區(qū)。S2 方案結(jié)果說明田間調(diào)控措施有利于灌區(qū)脫鹽，與馬貴仁等[39]的研究結(jié)論一致；田間平地縮塊、畦田改造、土地平整等措施，能夠有效提高農(nóng)作物灌水效率，均勻灌水，既達(dá)到節(jié)約用水的目的，同時(shí)還能夠減少土壤中鹽分積累，利于灌區(qū)脫鹽，與崔婷婷[40]的研究結(jié)論一致；地膜覆蓋可改良土壤鹽堿化，與王婧等[41]研究結(jié)論一致。S3 方案說明調(diào)整種植結(jié)構(gòu)在引黃水量不減少的情況下有利于灌區(qū)脫鹽，與郭姝姝[42]研究結(jié)果一致，擴(kuò)大玉米種植面積、葵花面積均可有效地降低河套灌區(qū)含鹽量。S3 方案種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，增加種葵花等低耗水、耐鹽作物的種植比例，可減少秋澆水量[43]，但種植結(jié)構(gòu)調(diào)整對(duì)水鹽平衡與鹽堿化的影響仍需進(jìn)一步深入定量研究。地下水埋深與土壤鹽分關(guān)系、不同水鹽條件下的響應(yīng)過程也需要開展一系列的系統(tǒng)試驗(yàn)與調(diào)查研究工作。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建分布式水循環(huán)模型與基于機(jī)器學(xué)習(xí)的鹽分模型，探討了河套灌區(qū)節(jié)水潛力，得出如下結(jié)論：

1）基于河套灌區(qū)分布式水循環(huán)模型，對(duì)水循環(huán)過程中的實(shí)際蒸散發(fā)量、排水量和地下水埋深等指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)率定和驗(yàn)證，結(jié)果顯示：水面蒸發(fā)的納什系數(shù)均不低于0.654，相對(duì)誤差絕對(duì)值不高于4.82%，相關(guān)關(guān)系為0.88，排水過程納什系數(shù)均不低于0.600，相對(duì)誤差絕對(duì)值不高于5.11%，相關(guān)關(guān)系為0.82，地下水埋深的納什系數(shù)0.628，相對(duì)誤差絕對(duì)值不高于5.12%，相關(guān)關(guān)系為0.86，滿足精度要求。選擇3 個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法構(gòu)建土壤鹽分模型，取平均值與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比，得到土壤積鹽量與實(shí)測值的納什系數(shù)均不低于0.76，相對(duì)誤差絕對(duì)值不高于3.01%，相關(guān)系數(shù)為0.89，滿足精度要求。

2）篩選影響較為顯著的渠系節(jié)水措施、田間節(jié)水措施、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整措施作為主要節(jié)水措施，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建節(jié)水方案及組合方案7 個(gè)。襯砌節(jié)水渠道S1方案下渠系水利用系數(shù)提高到0.60，耗水節(jié)水量達(dá)到2.93 億m3。田間節(jié)水調(diào)控S2 方案，耗水節(jié)水量達(dá)到3.02 億m3。種植結(jié)構(gòu)調(diào)整S3 方案下在引黃水量不減少的情況下，耗水節(jié)水量達(dá)到2.54 億m3。不同方案組合，S1+S2+S3 方案灌區(qū)節(jié)水量最多，為9.11 億m3，S2+S3方案組合次之，耗水節(jié)水量5.69 億m3。S1+S3 方案耗水節(jié)水量5.57 億m3。

3）渠系水利用系數(shù)提高，將引起地下水水位下降，不利于排鹽，S1 方案下地下水埋深大于3 m 的面積比例較基準(zhǔn)方案增加了7.59%，地下水埋深2.5～3.0 m 的面積比例較基準(zhǔn)方案增加了4.44%，不利于灌區(qū)排鹽。田間工程措施使得相應(yīng)的農(nóng)田入滲量減少，地下水位下降，有利于灌區(qū)脫鹽，S2 方案下地下水入滲補(bǔ)給量較基準(zhǔn)方案減少2.57 億m3，灌區(qū)地下水位下降較為明顯，S2 方案有利于灌區(qū)脫鹽。S3 方案下地下水入滲補(bǔ)給量略微減少，地下水位變化不大，有利于灌區(qū)脫鹽。不同方案組合，S1+S2、S1+S2+S3 方案下對(duì)地下水埋深影響較大，尤其是S1+S2+S3 方案在灌區(qū)西北部、山前、烏拉特前旗、烏梁素海東部的形成連片埋深高值區(qū)，影響區(qū)域生育期農(nóng)田作物與林草地植被生長。S1+S2 方案下不利于灌區(qū)脫鹽。在綜合考慮生態(tài)環(huán)境的約束下，推薦耗水節(jié)水量最大的方案S2+S3，即灌區(qū)適宜的耗水節(jié)水潛力為5.69 億m3。該方案下雖然也會(huì)引起地下水位略有下降、進(jìn)烏梁素海排入水量略微減少，但最有有利于灌區(qū)排鹽。