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考虑土地利用类型的黑河中游水量平衡模型

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热度250票 浏览113次 时间:2015年5月14日 12:56
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作者:李英 王中根 桑燕芳水利新闻W {9P)PR Mt

Nf#GN#c0摘要: 根据黑河中游土地利用方式,划分6 种主要的土地利用类型,针对每种类型进行水量平衡分析与概化处理,构建考虑不同土地利用类型的黑河中游月水量平衡模型。利用正义峡1980—2009 年月径流数据对模型进行率定和验证,效率系数高于0.65,相对误差小于10%,能够满足水资源管理的需要。基于所构建的模型,模拟了黑河中游不同土地利用类型水平衡各分量的变化,发现黑河中游耕地若采用最优灌溉定额进行灌溉,较现状可节水5.27 亿~ 6.56 亿m3 ,不仅能保证中游的用水需求,还能改善下游绿洲生态环境。水利新闻.j/T` S^9Bl_ |u ]

3|`gwGi#L0关键词: 月水量平衡模型; 土地利用类型; 内陆干旱区; 黑河中游

HHd(\ D/v0

pb'tv^'?2HRE"V0中图分类号: P333 文献标志码: A doi: 10.3969 /j.issn.1000-1379.2014.10.021

3_D%b1LX2m-M0 水利新闻 z7`o)cE#\y

Monthly Water Balance Model in Middle Reaches of Heihe River Basin Considering Land Use Types水利新闻K7p-l-Esy

水利新闻+pe*e:Xtggf

LI Ying,WANG Zhong-gen,SANG Yan-fang

!U)G9[a4s0 水利新闻R:Kh2b]&i

Abstract: According to Heihe River land use patterns,six land use types were divided.Water balance relationship was analyzed and generalized for each land use type,and finally built Heihe River monthly water balance model.Using Zhengyixia runoff data from 1980 to 2009,model parameters were calibrated and validated.The results show that the efficiency coefficient is higher than 0.65 and the relative error are less than 10% ; the water balance model could meet the needs of water management in Heihe River.Based on the established model,the water balance and each component of different land use types were simulated.The study found that optimal irrigation in the middle reaches of Heihe River could save water 0.527~0.656 billion m3 ,which could not only ensure the needs of the middle reaches,but also improve the ecological environment of the lower reaches of Heihe River.水利新闻[$v"nm2x%s?8h,n

X yWa0T)K0Key words: monthly water balance model; land use types; middle reaches of Heihe River; inland arid region水利新闻 v7^)wT+E

水利新闻_b6b6vK zt

黑河是我国第二大内陆河,黑河流域属于典型的内陆干旱流域。长期以来,流域水资源总量不足诱发了上中下游之间、经济与生态环境之间等一系列用水矛盾[1]。黑河中游介于莺落峡至正义峡之间,是径流耗散区,蒸发强烈,地表水与地下水交换频繁[2],泉水溢出占黑河中游水资源较大的比例[3]。黑河中游的人口和耕地面积分别占全流域的91% 和95%[1,4],是流域水资源开发利用率最高的区域。受人类活动的影响,黑河中游水循环过程及各部分水量平衡关系十分复杂,是当前黑河流域水文学科研究的难点之一。

i,{/Y9{8U%T3@J Kh0

[J&@-`B J4ES b\0黑河流域土地利用对水文过程的影响及黑河流域水文模型研究已取得了很多成果。贾仰文等[5-6]建立了分布式水文模型WEP-Heihe,用上游莺落峡和扎马什克的径流资料进行验证,取得了较好的结果。赵静[2]建立了张掖盆地月水均衡模型,对高崖—正义峡间河道的水循环进行了模拟。涂亮等[7]、项国圣[8]、胡立堂等[9]对黑河中游地下水进行了模拟。李呈罡[10]和赖正清等[11]应用SWAT 模型对黑河中上游进行了模拟,并通过修正土壤下渗方程提高模拟效率系数。但现有研究主要对黑河上游、中游地下水和中游部分区域进行模拟和分析,针对黑河中游不同土地利用类型的月水量平衡模型研究还比较薄弱。笔者根据黑河中游土地利用方式,划分主要的土地利用类型,针对每种土地利用类型进行水量平衡关系分析与概化处理,在流域水循环框架下构建考虑不同土地利用类型的黑河中游月水量平衡模型,模拟不同土地利用类型水平衡各分量的变化,以期为黑河流域水资源管理提供参考。水利新闻 J O kT-w!M

] KH3\O w/Y|01 研究区概况水利新闻zEn A%P

8]c*B!E IQ0黑河中游走廊平原区介于莺落峡至正义峡之间,包括临泽县、山丹县、高台县等,总面积约2.64 万km2 ,海拔1 000 ~2 000 m,多年平均气温7 ℃,多年平均相对湿度52%[12],流域年蒸发能力1 950 mm,多年平均降水量140 mm(主要集中在7—9 月) 。黑河中游集中了流域90%以上的人口,是人类活动的主要区域,水资源开发利用程度高达90%,主要用于灌溉。黑河中游的水资源以地表水、地下水、土壤水、大气水和泉水的形式存在,地表水和地下水转化频繁,水文循环过程受人类活动的影响。水利新闻 Rp S`&_ @!J

水利新闻#ia5D [F

1.1 土地利用概况水利新闻;Y:Y'N QVr%R-^

4c} mz\1h+TF0u0黑河中游土地利用类型主要包括耕地、林地、草地、水域、城镇用地和未利用地。其中,未利用地面积最大,占黑河中游地区总面积的41.4%; 其次为草地、耕地和林地,分别占29.2%、16.1%和9.7%; 城镇用地面积最小,仅占1.3%。从空间分布来看,耕地主要分布在河道两岸,林地和草地主要分布在海拔较高的地区。水利新闻a zQ5k,^uov

水利新闻:_0V)C5UH\-m#y

1.2 水文气象数据水利新闻 ^ cHRGE

|$q$mjFR,L0选取9 个气象站点1960—2009 年的日降水量、日最低气温和日最高气温,1980—2009 年莺落峡和正义峡的月径流量,黑河上游对中游的多年平均侧向补给量,2000 年之后的地表年引水量、地下年引水量和泉水溢出量。黑河上游对中游的侧向补给量相对稳定,因此平均分配到月; 地表及地下月引水量参照黑河中游2006 年的月分配比例进行估算[13]。

'ICp l%?q2q#p0

,c9^.CVeHv02 模型结构与原理

6l0i5s(V)U]"f m)xf0

&Sq Xq-N)Xz0考虑到水文循环过程在不同土地利用类型存在较大的空间差异性,对黑河中游6 种土地利用类型分别建立了水量平衡模型,反映黑河中游各主要水文循环过程。水利新闻s+eA3RO.V

#f7hYjGIy02.1 模型结构水利新闻!{ ?*M3^}O

水利新闻!G|4U MI+`i

基于水量平衡原理构建黑河中游水量平衡模型,模型结构见图1。水利新闻;U,n'@9xz+Fj0l

,y[{#]h!t#B1G(S}H0水利新闻6l,EH&J'{|'T"B

水利新闻7]9[h(dJ0e

模型的空间计算单元是正方形网格,网格单元在垂直方向上分为地表水层和地下水层。模型涉及的水文物理过程主要包括降水、蒸发、侧向补给、降水产流、地表引水、地下水开采、泉水溢出、渗漏、莺落峡入流及正义峡出流等。水量平衡关系既相对独立,又有一定的联系。其中耕地、林地、草地、城镇和未利用地通过降水产流与水域联系,通过渗漏与地下水产生联系; 地下水通过泉水溢出与水域产生联系,通过引水与耕地产生联系。为构建黑河中游水量平衡模型,做出以下假设: ①大部分地下引水用于耕地灌溉,其他土地利用类型地下引水忽略不计; ②研究区域边界内地表及地下水循环均相对封闭,仅考虑上游对中游的地下水侧向补给。

-{^4_S};s+_ O0 水利新闻$i+GYA$c

2.2 模型原理

ym}`@5lHz(}0

k+kr9C/F0黑河中游水量平衡模型输入为降水、最低和最高气温、地表引水量、地下引水量、侧向补给、莺落峡入流量,中间可输出变量为降水产流、渗漏量及蒸发,最终输出量为正义峡出流量,模型参数为降水产流系数、蒸发系数和渗漏系数。其计算过程和原理如下。

FP2U4kd0 水利新闻h,^.V!Y/]"Ppe

(1) 整个研究区域水量多年平均基本上是平衡的,蓄水变量S 可取0。根据黑河中游水循环过程及其特征,得出黑河中游的水量平衡方程式为

afX5gk~"l0 水利新闻5M ^'\0Ba NIR2E

P+Rin+D=E+Rout(1)

0j!Gfay0 水利新闻G}ke1n;^OG,PAF

式中: P 为降水量; Rin为莺落峡入流量; D 为山前侧向补给量; E为蒸发量; Rout为正义峡出流量。

1Y2~J;_QZ-tn0 水利新闻 @Tn cN

(2) 黑河中游耕地的水量平衡表达式为水利新闻yj3fq'g@%K6x

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ΔS1=P1+Uin1+G1-E1-N1-L1(2)水利新闻n];XB2q)GE%_8z

水利新闻%U(oj3iWtq!^j0m

式中: ΔS1为耕地蓄水变量; P1为耕地降水量; Uin1为耕地地表引水量; G1为地下引水量; E1为耕地蒸发量; N1耕地降水产流量; L1为耕地渗漏量。水利新闻3]VB B9y+T6jw;X

&qlC`']1m:a*ZX0(3) 黑河中游林地的水量平衡表达式为水利新闻 ?5Lu){IyV

/K I.IO.n5w kY!h0ΔS2=P2+Uin2-E2-N2-L2(3)

\g i_'}$?`tV0 水利新闻S!m'u'w&}4H|Nb3[

式中: ΔS2为林地蓄水变量; P2为林地蓄水量; Uin2为林地地表引水量; E2为林地蒸发量; N2为林地降水产流量; L2为林地渗漏量。水利新闻4t\q%C'{P

水利新闻Cai3DI kP,Q

(4) 黑河中游草地的水量平衡表达式为

o ?g'[6}"p8K Q&R zG0

n3{#r!C$d0{0ΔS3=P3+Uin3-E3-N3-L3(4)水利新闻U#U!W J-l#P+Q3s

水利新闻R?"DE S

式中: ΔS3为草地蓄水变量; P3为草地降水量; Uin3为草地地表引水量; E3为草地蒸发量; N3为草地降水产流量; L3为草地渗漏量。

I*w~1yb!q2NX o0 水利新闻;PI9wv,s!qk~,Gz

(5) 黑河中游水域的水量平衡表达式为水利新闻)t t QO,y

@)z8fxYQ1E0ΔS4=P4+Rin+M4+Q4-Rout-Uout4-E4-L4(5)

1g6U0}!c\)u&^-L;h0 水利新闻]\q:a|^R#OC

式中: ΔS4为水域蓄水变量; P4为水域降水量; Rin为水域莺落峡入流量; M4为汇入水域的地表产流量; Q4为多年泉水溢出均值; Rout为水域蒸发量; Uout4为正义峡出流量; E4为水域被引水量; L4为水域渗漏量。水利新闻.TCl1Kb _Rf$J

?i~1BD0(6) 黑河中游城镇用地的水量平衡表达式为水利新闻Ch O Zn)u7a

"Ok q1Yh:J u0ΔS5=P5+Uin5-E5-N5-O5(6)

9q0liU]S|0 水利新闻"j,{Q5sV#}}

式中: ΔS5为城镇用地蓄水变量; P5为城镇降水量; Uin5为城镇引水量; E5为城镇蒸发量; N5为城镇降水产流量; O5为排水量。

z6x\i+j0_0 水利新闻5dWv%`(wjF

(7) 黑河中游未利用地的水量平衡表达式为

&|ALj,nV9\0 水利新闻7u(Gh8H r2F+~s3A

ΔS6=P6-N6-E6-L6(7)水利新闻5D4Lh~ tY

+EGf/D,F0式中: ΔS6为未利用地蓄水变量; P6为未利用地降水量; N6为未利用地蒸发量; E6为未利用地降水产流量; L6为未利用地渗漏量。水利新闻1VC8A)J } k6U

水利新闻V;n-`T G/^Tkw

(8) 黑河中游地下水的水量平衡表达式为水利新闻f6u@.B t r~;C

MZ*F kN0ΔS7=D-G1-Q4+L1+L2+L3+L4+L5+L6(8)水利新闻7B_;IJe&QS

水利新闻1?.m&W"f%DwBQ

式中: ΔS7为蓄水变量; D 为侧向补给量; G1为耕地下渗补给量; Q4为林地下渗补给量; L1为草地下渗补给量; L2为水域下渗补给量; L3为城镇下渗补给量; L4为未利用地下渗补给量; L5为地下水引水量; L6为泉水溢出量。

VwW;l `:a iakr0 水利新闻rj e1{yN0re

(9) 潜在蒸散发。采用Hargreaves & Samani 公式,适用于日以上时间尺度模拟。表达式为

g0{4sx#U_0 水利新闻2n'd?4X{JF

ET0=α[(RAmax) /L](T+17.8) (Tmax-Tmin) b (9)水利新闻E7NjN6i&|

水利新闻/|TU z xE eO

式中: 参数α取值0.002 3~0.003 2; 参数b 取值0.5~0.6;RAmax为太阳最大可能辐射量,MJ /(m2d) ; L 为汽化潜热,MJ /kg; T、Tmax、Tmin分别为日平均气温、日最高气温和日最低气温,℃。水利新闻z0W\:i+B-r

:W { ]Sz0(10) 下渗量表达式为水利新闻H6o(p!i_D h ]s

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L=k (P+Uin) (10)

.MZ#Y/\/y0 水利新闻,v%Q*XQK2r-eI:N?\

式中: P 为降水量; Uin为引水量; k 为渗漏系数,无量纲,取值范围介于0~1 之间,主要跟流域下垫面土壤及植被覆盖情况相关。水利新闻&A-K;eK Y I$t+d

7K9jnFE2U2O$Q0(11) 地表径流量表达式为

yeV o(\O1L2a0 水利新闻1H Y_ | hF

N=γP (11)水利新闻#I3Q#\ [7Pu,c0e B#R

水利新闻c4{-]-^B*tU6?

式中: N 为地表径流量; γ为降水产流系数,是无量纲的参数,取值范围介于0~1 之间,其值取决于流域下垫面土壤及植被覆盖情况; P 为降水量。水利新闻Iua#}n

水利新闻g%r J&`TGL,{f

(12) 实际蒸散发表达式为

Q"l+IL ds\8L v#W0 水利新闻0nE3NSe Rw

ETc=KsKcET0=βET0(12)

%l;Q|3@(JQ4I0

7^tA EBS:x0式中: ETc为植物蒸发蒸腾量; ET0为潜在蒸散发; Kc为作物系数; Ks为节水灌溉的土壤水分修正系数。因数据缺乏,故将作物系数和土壤水分修正系数的积作为模型的蒸发系数; β是无量纲参数,取值范围介于0~1 之间,其值跟流域下垫面土壤及植被覆盖情况相关。水利新闻'p)S.uG%| Y+kN0Ab&A

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3 模拟结果分析水利新闻FmH_9q/b%n3I _

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3.1 模型率定及验证

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&jF{NrA1b+qR)|'s0应用构建的黑河中游月水量平衡模型对正义峡流量进行模拟,其中1980—1989 年作为率定期,1990—2009 年作为验证期。模型模拟率定期的效率系数为0.72,相对误差为- 9.40%; 验证期效率系数为0.68,相对误差为9.74%。模型在率定期和验证期的效率系数均高于0.65,水量平衡体积误差均控制在10%以内,基本能够满足水量平衡分析的要求。水利新闻h \xhj\

水利新闻i%\+n5Jtb

构建的黑河中游月水量平衡模型模拟的正义峡流量过程与实测月径流过程(见图2) 吻合较好,说明该模型能够较好模拟黑河中游月径流量过程,可以作为黑河流域水资源规划和配置的研究方法。水利新闻O#P#ZU{L)s

h6]B(kD03.2 流域水量平衡关系分析

0e%^F*IN0Sb0 水利新闻7z2cP#_K;D'r)F

基于构建的水量平衡模型,不同土地利用类型多年平均(1990—2009 年) 水平衡关系收入项见表1。其中,林地、草地和未利用土地的收入项主要为天然降水,少量来自地表引水;城镇的收入项为降水和地表引水,地表引水主要用于生活及工业等,与人口及社会发展程度有一定关系,可供节水的空间较小; 水域的收入项包括降水、莺落峡入流、泉水溢出和地表产流,其中泉水溢出量径流深为1 362 mm,占水域水总量的26%,在中游水量来源中占较高的比例,成为水域除入流外的另一主要来源; 耕地收入项包括降水、地表引水和地下引水,其中地表引水占耕地水量的76%,为耕地的主要收入项,耕地在引水前后的径流深从156 mm升至665 mm,引水很大程度上影响了耕地的水量平衡关系。

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不同土地利用类型水量平衡关系中的支出项见表2。耕地、林地、草地和未利用地支出项为蒸发、降水产流和渗漏; 城镇支出项为蒸发、降水产流和排水; 水域支出项为蒸发、出流、水体引水和渗漏。不同土地利用类型中,水域和耕地水量最多,分别为中游总量的49% 和43%。水域主要的支出方式是水体引水,径流深为3 236 mm,占水域总量的61%,水体引水主要用于耕地灌溉,仅9%用作林地和草地的生态恢复; 耕地蒸发和渗漏的径流深分别为462 mm和172 mm,分别占耕地水总量的69%和26%,成为耕地水量主要的支出方式。综上所述,中游水资源问题主要表现为水域水资源开采过度,耕地灌溉用水占水体引水的比例过高并以蒸发和渗漏的方式被耗散,水资源配置不合理同时浪费较为严重,因此提高耕地水资源利用效率、增加中游生态用水和减少水域引水、保证下游下泄水量是缓解中下游用水矛盾的重要途径。

(v$?V[(b2|pX0 水利新闻-\&~2Y!B`*Q1q iw9B

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eAN3NDi*R0黑河中游的灌溉方式主要是漫灌和土渠输水[14],较为传统和粗放,是耕地蒸发量和渗漏量大最为重要的因素,节水灌溉是提高耕地水资源利用效率的主要方式。研究区多年平均灌溉定额为5 089 m3 /hm2 ,而中游最主要的粮食作物小麦和玉米的最优灌溉定额分别为3 541 m3 /hm2 和3 844 m3 /hm2[15-16],灌溉定额远超最优定额,水资源浪费严重。经计算,按最优灌溉定额灌溉,中游每年可节水5.27 亿~ 6.56 亿m3。

2i-W%u9V@9@0 水利新闻}x I2m0y-}8fNr+e]h

众所周知,黑河中下游水资源严重短缺,用水矛盾突出。其中,中游多年平均缺水量为4.46 亿m3[17]; 下游主要为生态缺水,若以2009 年的绿洲规模为恢复目标,平水年和枯水年缺水1.00亿~ 3.00 亿m3[18]。因此,农业节水采取最优灌溉不但能保证黑河中游的用水,还能在丰水年和平水年使下游生态水平恢复至2009 年的绿洲规模,并在枯水年使下游生态缺水量降至0.90 亿~ 2.19 亿m3 ,较大程度上缓解黑河中下游用水矛盾。为保证黑河流域生态持续健康发展,枯水年需结合其他节水措施来防止下游发生生态退化。水利新闻W1a]&Qr5x(]t m

水利新闻!bQH Z*?:?Z)e'c

4 结语水利新闻`q#cD/fLB#iND

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应用水量平衡原理,对黑河中游6 种土地利用类型的水量平衡关系进行概化,构建了适合黑河中游的月水量平衡模型。利用正义峡1980—2009 年月径流数据对模型进行率定和验证,效率系数高于0.65,相对误差小于10%,表明所构建的水量平衡模型可以用于黑河中游的水资源管理。水利新闻'Vs-o\.n8c3a:k5`M3Y

&Y5VG-[3L!sq7I.PN0基于构建的水量平衡模型,分析不同土地利用类型的水量平衡关系。不同土地利用类型中,水域和耕地的水资源量分别为全流域的49% 和43%。水域收入项中,泉水溢出占水域总来水量的26%,比例较高,成为水域除入流外的另一主要来源。水域水量主要支出项为水体引水,占总量的61%,表明水资源开发利用强度大; 水体引水主要用于耕地灌溉,少量用于生态恢复。耕地用水主要来源于地表引水,灌溉方式传统粗放,造成大部分水以蒸发和渗漏的方式被耗散。中游水资源配置不合理,水资源浪费严重,提高耕地的水资源利用效率是解决黑河中下游用水矛盾的关键。水利新闻](XUr+d:^`

$\"Kmn^OV xv!A0中游耕地若采用最优灌溉定额用水,较现状可节水5.27亿~ 6.56 亿m3 ,不但能够保证黑河中游的用水,而且能够使黑河下游的生态在丰水年及平水年恢复到2009 年的绿洲规模,同时能够在枯水年使下游的生态缺水量降至0.90 亿~ 2.19亿m3。节水灌溉在丰水年和平水年基本能满足中下游社会发展与生态环境保护的用水需求,在枯水年可结合其他节水措施来防止下游生态退化。采用最优灌溉定额节水是缓解中下游的用水矛盾的重要途径。

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作者简介: 李英(1979—) ,女,山东青州人,博士后,研究方向为水文模拟。

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