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(jié)現(xiàn)有灌區(qū)耗水量及耗水系數(shù)研究成果的基礎(chǔ)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(jī)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(jī)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(jìn)行了系統(tǒng)分析和精確計(jì)算。模擬結(jié)果表明，2013年引水量為4 976.0萬m3，扣除無效引水后進(jìn)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(shù)為0.517。研究成果為科學(xué)率定農(nóng)業(yè)灌溉耗水系數(shù)、加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水管理提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：耗水系數(shù)；SWAT模型；引黃灌區(qū)；青海省

中圖分類號： TV211；TV213文獻(xiàn)標(biāo)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(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，采用基于物理機(jī)制的SWAT（soil and water assessment tool）模型來模擬灌區(qū)的耗水量及水量轉(zhuǎn)化關(guān)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(shù)，從而為灌區(qū)水資源的高效利用提供理論依據(jù)。

1灌區(qū)耗水系數(shù)和耗水機(jī)理

近年來不少學(xué)者在不同時(shí)空尺度、水分循環(huán)過程、耗水結(jié)構(gòu)和對象水源等方面進(jìn)行研究，從不同角度對耗水量概念的內(nèi)涵進(jìn)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(qū)動(dòng)因素及空間異質(zhì)性對耗水量的影響等問題進(jìn)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(chǎn)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(nóng)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(nóng)業(yè)用水量進(jìn)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(nóng)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(shù)等于耗水量除以引水量。

根據(jù)秦大庸等的研究，耗水系數(shù)的計(jì)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(diǎn)[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(shí)測資料，以及區(qū)間的匯入、調(diào)出水量等資料，根據(jù)水平衡原理來分析和計(jì)算耗用的黃河水量，但受控制斷面和地下徑流測定復(fù)雜性特點(diǎn)的影響，河段差法在計(jì)算耗水系數(shù)時(shí)容易產(chǎn)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(jìn)行駐測、巡測，對漏測部分利用鄰近排水溝排水模數(shù)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算，從而計(jì)算出控制區(qū)域內(nèi)的引水量、耗水量和排水量，但受測量精度的影響，其結(jié)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(jì)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(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域的大面積估算，計(jì)算誤差較大。

2基于水量平衡的灌區(qū)耗水量及耗水系數(shù)計(jì)算模型

2.1模型設(shè)計(jì)

通過對已有灌區(qū)耗水量計(jì)算方法的總結(jié)和系統(tǒng)分析，結(jié)合灌區(qū)引黃灌區(qū)現(xiàn)狀，并考慮引黃灌區(qū)的水循環(huán)規(guī)律和作物耗水機(jī)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(gòu)建模型進(jìn)行作物耗水量、潛水蒸發(fā)量、入滲水量、土壤水變化量的計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上，計(jì)算整個(gè)灌區(qū)的耗水系數(shù)。

為體現(xiàn)模型參數(shù)的空間變異性，同時(shí)便于分析計(jì)算，在綜合考慮地貌地形的基礎(chǔ)上，從灌區(qū)管理的角度出發(fā)，依據(jù)灌渠引水斗門及種植結(jié)構(gòu)的不同，將灌區(qū)細(xì)化為基本的不同耗水單元，其中每個(gè)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(jié)構(gòu)。

在垂向結(jié)構(gòu)上，根據(jù)灌區(qū)的水量轉(zhuǎn)化關(guān)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(fēng)速等與作物耗水量相關(guān)的因素；在地表層，耗水單元間通過渠系和排水溝進(jìn)行水量交換；在土壤層，耗水單元間相互獨(dú)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(shí)段土壤含水量，mm；SW0為第i天初始土壤含水量；mm；t為計(jì)算時(shí)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(jì)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(jì)算主要采用蒸散發(fā)模型、土壤水計(jì)算模型和地下徑流計(jì)算模型來實(shí)現(xiàn)，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(yùn)動(dòng)的動(dòng)能以及接觸層的蒸散發(fā)阻力等因素均考慮在內(nèi)，因此，本研究采用彭曼公式來計(jì)算作物的蒸騰蒸發(fā)量。彭曼公式所需要的數(shù)據(jù)主要包括太陽輻射、日最高最低氣溫、相對濕度和風(fēng)速。其中，中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供了日最高最低氣溫、相對濕度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)。具體公式如下：

λE=Mγ+ΔM（Rn-G）Δ+ρCp（es-e）ratm。（2）

式中：λE為水分進(jìn)入大氣的潛在通量，W·m2；λ為蒸發(fā)潛熱，J/kg；E為水汽質(zhì)量通量，kg/（s·m2）；γ為空氣濕度常數(shù)，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(jì)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(bǔ)給地下水，還有一部分在一定條件下會發(fā)生水平運(yùn)動(dòng)，形成壤中流。依據(jù)SWAT模型，采用動(dòng)力貯水方法計(jì)算壤中流流量，該方法是根據(jù)塊體連續(xù)方程在傾斜山坡的二維橫截面上進(jìn)行的計(jì)算，具體計(jì)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(nèi)的可流出水量，mm；Ksat為土壤飽和導(dǎo)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(jì)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(jìn)入河道的地下水補(bǔ)給量，mm；Qgw，i-1為第i-1天進(jìn)入河道的地下水補(bǔ)給量，mm；αgw為基流的退水系數(shù)；Δt為時(shí)間步長，d；ωrchrg為第i天蓄水層的補(bǔ)給流量，mm。

其中，補(bǔ)給流量的計(jì)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(bǔ)給量，mm；δgw為補(bǔ)給滯后時(shí)間，d；Wseep為第i天通過土壤剖面底部進(jìn)入地下含水層的水分通量，mm/d。

3模型應(yīng)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(bǔ)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(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的43個(gè)行政村和單位。灌區(qū)氣候干旱少雨、日照充足、蒸發(fā)強(qiáng)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(shè)計(jì)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(shí)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(gòu)型較好，質(zhì)地松，是全縣的主要產(chǎn)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(jié)構(gòu)復(fù)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(dá)198處，目前難以全面進(jìn)行監(jiān)測，通過現(xiàn)場查勘選取了一處19.3 hm2的典型地塊（有2處進(jìn)水口，6處退水口）進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測。

3.2計(jì)算單元的劃分

根據(jù)“2.1”節(jié)的劃分方法，大峽灌區(qū)共劃分120個(gè)子流域，其中各子流域的面積、種植結(jié)構(gòu)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(fù)種比例在各子流域的種植比例差別不大。

3.3模型參數(shù)

SWAT模型所需的數(shù)據(jù)主要包括：（1）子流域劃分?jǐn)?shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)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(gè)子流域。（2）土地利用圖以及土壤圖。這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要來源于《青海省樂都縣土壤志》《青海省樂都縣農(nóng)業(yè)區(qū)劃》等文獻(xiàn)資料，并結(jié)合現(xiàn)場查勘予以確定，主要用于確定水文響應(yīng)單元。（3）氣象數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要來源于國家氣象局1990—2013年24年間3個(gè)氣象站的逐日降水量、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、相對濕度等，主要用于計(jì)算灌區(qū)地表徑流量和蒸散發(fā)量。（4）土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要通過實(shí)地調(diào)查取樣并通過試驗(yàn)獲得，主要用于計(jì)算壤中流、地下水等，主要包括土壤機(jī)械顆粒組成、干容重、土壤飽和導(dǎo)水率、有效持水量等。（5）作物數(shù)據(jù)庫。這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要是通過參考試驗(yàn)站的試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及一些參考文獻(xiàn)確定的[8]，主要用于計(jì)算作物耗水量以及模擬作物生長過程（葉面積指數(shù)、作物生長的特征點(diǎn)等）等。（6）基流參數(shù)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)主要是基于《中華人民共和國區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告——西寧幅、樂都幅》中所確定的水文地質(zhì)參數(shù)并結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)予以確定的，主要用于計(jì)算地下水。

3.4模型模擬結(jié)果驗(yàn)證

利用SWAT建立模型，并將上述參數(shù)值進(jìn)行歸納整理，得到面積、坡度、所包含的水文響應(yīng)單元（hydrological response unit，簡稱HRU）及其對應(yīng)的農(nóng)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(shù)等，針對典型地塊運(yùn)行SWAT模型，將其結(jié)果與通過典型地塊的引水和退水分析結(jié)果進(jìn)行對比可知，2013年在田間地塊尺度上，耗水系數(shù)為052，實(shí)際監(jiān)測結(jié)果為0.50，相對誤差為4%。模擬計(jì)算的土壤含水率與實(shí)際監(jiān)測情況一致，說明土壤參數(shù)設(shè)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(shù)用于整個(gè)灌區(qū)，并通過構(gòu)建SWAT模型進(jìn)行模擬計(jì)算。其中影響灌區(qū)耗水量較大的各作物參數(shù)如表1所示。

3.5模型計(jì)算結(jié)果分析

利用所建立的SWAT模型對整個(gè)大峽灌區(qū)進(jìn)行模擬，并采用2013年的引水和作物種植比例數(shù)據(jù)，對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可得到每個(gè)子流域的引水量、斗門引水量、進(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(yīng)單位耗水系數(shù)在0.411～0.699之間，平均耗水系數(shù)為0.517。入滲水量與作物耗水量接近，表明進(jìn)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(bǔ)給地下水。其中，各個(gè)子流域的耗水系數(shù)如圖2所示。endprint

對圖2進(jìn)一步分析可知，耗水系數(shù)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(yīng)的耗水系數(shù)具有接近的耗水系數(shù)值，灌區(qū)耗水系數(shù)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(jié)構(gòu)和種植比例是導(dǎo)致作物蒸騰蒸發(fā)量不同的主要原因； 當(dāng)子區(qū)域內(nèi)的大

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

4結(jié)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(shù)計(jì)算模型。該模型在大峽灌區(qū)的實(shí)際應(yīng)用表明，除了能詳細(xì)計(jì)算灌區(qū)總耗水量，還能定量計(jì)算各種水平衡要素間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而解決以往方法出現(xiàn)的水量間不平衡

問題。模擬結(jié)果表明，就單個(gè)子流域而言，作物種植結(jié)構(gòu)和種植比例是導(dǎo)致其耗水系數(shù)出現(xiàn)不同的原因；對整個(gè)灌區(qū)而言，由于進(jìn)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(jìn)入到河道，并不構(gòu)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。

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