采用WetSpass模型評價松嫩盆地降水入滲補給量

林 嵐，梁團豪，王曉昕

（水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

松嫩盆地的地下水資源分布廣泛、水質好，是盆地內水資源的重要組成部分。降水是松嫩盆地地下水的主要補給來源。由于降水入滲補給量受降水、蒸發、氣溫、風速、土壤、植被、坡度和地下水位埋深等因素的影響，降水入滲過程異常復雜。

1 松嫩盆地概況

松嫩盆地位于松遼流域北部，東、北、西三面分別以長白山、小興安嶺、大興安嶺山地為界，南部隔松遼分水嶺與西遼河平原毗鄰，總體上呈北北東向延展的菱形形態。區域地理坐標為：東經121°24'～128°21'，北緯 43°35'～49°27'。行政區包括吉林省的長春、白城、公主嶺、鎮賚等15個市縣；黑龍江省的哈爾濱、齊齊哈爾、大慶、五大連池等37個市縣；此外還包括內蒙古自治區部分縣旗的小部分。總面積18.8×104km2，總人口3 230.5萬。研究區內交通方便，鐵路、公路網縱橫交錯。

2 WetSpass模型

2.1 模型介紹

WetSpass（Water and Energy Transfer between Soil,Plants and Atmosphere under quasi-Steady State）是比利時布魯塞爾自由大學Batelaan和De Smedt教授開發的一種分布式降水入滲補給量評價模型。模型的計算過程如圖1所示，降水量、土壤質地、土地利用等數據以柵格的形式輸入，土壤參數、徑流參數和土地利用參數以DBF的格式輸入，模型通過對以上數據的計算輸出年降水入滲補給量、區內產流量和蒸發蒸騰量等，輸出數據的格式為柵格格式。

圖1 模型計算流程圖

2.2 模型的基本原理

WetSpass模型是一個分布式計算模型，在空間上將研究區劃分大小相同的柵格，以每個柵格為一個水量平衡計算單元。每個柵格的每一項水量平衡分量（如蒸發蒸騰量、區內產流量等）是通過進一步將每個柵格的土地利用/覆被類型劃分為植被覆蓋地、裸地、水面和不透水地4種類型分別計算的，然后再將各種不同類型區域計算出的同一項分量加和就是整個柵格的該項水量平衡分量。

降水是水量均衡計算的起點，然后發生截留、區內產流、蒸發蒸騰和補給。這個順序是整個過程定量計算的先決條件。

2.3 模型的適用性

降水入滲補給過程復雜，降水入滲補給的影響因素眾多，降水入滲補給的任何一個影響因素發生變化都會對降水入滲補給量產生影響。降水入滲補給的主要影響因素，如土地利用/覆被條件、氣候、土壤質地和地下水位埋深等都在WetSpass模型中分別有所體現。WetSpass模型可以模擬氣候和土地利用/覆被條件等任一降水入滲補給量的主要影響因素變化，對區域降水入滲補給量的影響。

WetSpass模型是分布式的降水入滲補給量計算模型，它在空間上將研究區劃分為大小相同的柵格，以每個柵格為一個水量平衡計算單元，計算每個單元的降水入滲補給量。因此，采用WetSpass模型進行降水入滲補給量評價時，可以根據資料的精度確定柵格的大小。

3 評價降水入滲補給量

3.1 模型數據

模型輸入數據包括屬性數據和柵格數據兩部分。輸入的柵格數據在ArcGIS中進行統一轉換，統一各輸入數據柵格的大小，每個柵格為1 472 m×1 472 m，整個松嫩盆地共被剖分為86 813個柵格，每個柵格為一個獨立的水量平衡計算單元。模型中輸入的柵格數據是：①土壤質地圖；②土地利用；③地形；④坡度；⑤降水量；⑥蒸發；⑦溫度；⑧風速；⑨地下水位埋深。

3.2 評價結果

采用WetSpass模型評價了松嫩盆地90年代年均降水入滲補給量、區內產流量和蒸發蒸騰量。評價結果詳見表1。分析表中數據，在各地下水亞系統中，90年代年均降水入滲補給量最大的是松花江流域高平原地下水亞系統，其降水入滲補給量達123.20 mm；降水入滲補給量最小的是中央低平原地下水亞系統，該亞系統的降水入滲補給量僅為5.60 mm。

3.3 結果分析

3.3.1 空間相關性分析

模型計算的松嫩盆地90年代年均降水入滲補給量、區內產流量和蒸發蒸騰量在空間分布上差異都較大，這可能是由松嫩盆地的土壤質地、土地利用/覆被條件等空間分布差異所引起。為進一步研究降水入滲補給量的影響因素和評價結果在空間上的相關性，這次研究采用Whitman等1999年提出的地圖數據空間分布相關分析方法，分析松嫩盆地降水入滲補給量、區內產流量和蒸發蒸騰量與土壤質地、土地利用/覆被類型空間分布的

表1 松嫩盆地90年代各地下水亞系統及子系統年均降水入滲補給量

相關關系。

表2 降水入滲影響因素與評價結果之間的Cramer’s V系數

分析表中的數據可知，土地利用/覆被類型、土壤質地與蒸發蒸騰量、區內產流量和降水入滲補給量都有較好的空間相關性，其中土壤質地與評價結果的相關性更強，土壤質地與蒸發蒸騰量、區內產流量及降水入滲補給量的Cramer’s V系數分別達到0.75，0.75和0.65。可見土壤質地的空間分布是蒸發蒸騰量、區內產流量和降水入滲補給量空間分布的主要影響因素，其次為土地利用。蒸發蒸騰量、區內產流量和降水入滲補給量之間也具有一定的空間相關性，其中以蒸發蒸騰量和區內產流量之間的相關性最高，Cramer’s V系數達0.61。

3.3.2 評價結果分析

氣候、土壤質地和土地利用/覆被條件都對降水入滲補給量、蒸發蒸騰量和區內產流量的大小及其空間分布有影響。為進一步分析各影響因素對評價結果的影響程度，分別統計不同氣候條件分區內的平均降水入滲補給量，各種不同土壤質地分區內的平均降水入滲補給量和不同土地利用/覆被類型分區內的平均降水入滲補給量。

氣候因素主要包括降水、蒸發、溫度和風速，在4個因素中降水和蒸發對降水入滲補給量的影響非常重要。因此，這次研究根據90年代年均蒸發量和降水量的比值，計算出松嫩盆地水資源四級區套行政二級區的干旱指數。依據干旱指數范圍，將研究區分為3個區，分別為干旱指數小于1的濕潤區，干旱指數在1～1.5之間的半濕潤區和干旱指數在1.5～3之間的半干旱區。分別統計濕潤區、半濕潤區和半干旱區的90年代年均降水入滲補給量。濕潤區、半濕潤區和半干旱區的年均降水入滲補給量分別為 234.40 mm，130.04 mm和25.90 mm。盡管各分區內的土地利用/覆被和土壤質地等條件不同，但從濕潤－半濕潤－半干旱區，區內的年均降水入滲補給量明顯降低，表現出強烈的規律性。

松嫩盆地的土地利用/覆被類型共有11種，統計出松嫩盆地各土地利用/覆被類型區內90年代年均降水入滲補給量，統計結果表明旱地區域的平均降水入滲補給量最大，其次為林地、水田和居民生活用地，最小的為水體，其降水入滲補給量為零。為研究土地利用/覆被類型不同對降水入滲補給量的影響，改變原模型的輸入數據，將模型輸入的氣候因素改為整個盆地的均值，整個盆地的土壤質地類型都統一為砂土。根據模型的計算結果，統計不同土地利用/覆被類型區的年均降水入滲補給量，其年均降水入滲補給量從大到小以次為旱地、低覆蓋草地、中覆蓋草地、高覆蓋草地、疏林地、林地、居民生活用地、鹽堿地、水田、濕地、水體。生長植被的地區如旱地、中覆蓋草地降水入滲補給量的差異主要是由區域內的植被蒸騰差異引起的。居民生活用地、鹽堿地的降水入滲補給量較低，是由于在這2種類型區內都有不透水的區域存在，如城市修建的公路、房屋，土地鹽堿化后也可形成不透水或弱透水區域。

4 結論

1）松嫩盆地的降水入滲補給量、蒸發蒸騰量和區內產流量，都與土壤質地和土地利用/覆被類型有很好的空間相關性。

2）在松嫩盆地各地下水亞系統中90年代年均降水入滲補給量，最大的是松花江流域高平原地下水亞系統，其降水入滲補給量達123.20 mm；降水入滲補給量最小的是中央低平原地下水亞系統，該亞系統的降水入滲補給量僅為5.60 mm。

3）從濕潤區—半濕潤區—半干旱區，降水入滲補給量由大到小。

4）盆地內各土壤質地類型的入滲補給能力從大到小依次是砂土、砂壤土、粉砂土、粉砂壤土和砂質粘土。

5）盆地內各土地利用覆被類型的入滲補給能力，從大到小依次是旱地、低覆蓋草地、中覆蓋草地、高覆蓋草地、疏林地、林地、居民生活用地、鹽堿地、水田、濕地和水體。

［1］遲寶明,王志剛,林嵐.松遼流域水資源現狀與地下水開發利用分析［J］.水文地質工程地質,2005,32（3）∶70-73.

［2］劉殿偉,宋開山,王丹丹等.近50年來松嫩平原西部土地利用變化及驅動力分析［J］.地理科學,2006,26（3）∶277-283.

［3］Bridget R.Scanlon,Richard W.Healy,Peter G..Cook.Choosing appropriate techniques for quantifying groundwater recharge［J］.Hydrogeology Journal,2002（10）18-39.

［4］Richard Cresswell,John Wischusen,Gerry Jacobson,Keith Fifield.Assessment of recharge to groundwater systems in the arid southwestern part of Northern Territory,Australia,using chlorine-36［J］.Hydrogeology Journal,1999（7）393-404.

［5］馬興旺,李保國,吳春榮，等.民勤綠洲現狀土地利用模型影響下地下水位時空變化的預測［J］.水科學進展,2003,14（1）∶85-90.

［6］齊登紅,甄習春,王繼華，等.降水入滲補給地下水系統分析［M］.鄭州∶黃河水利出版社,2007.

［7］張光輝,費宇紅,申建梅等.降水補給地下水過程中包氣帶變化對入滲的影響［J］.水利學報,2007,38（5）∶611-617.

［8］葉守澤,詹道江.工程水文學［M］.北京∶中國水利水電出版社,1987.

［9］崔鳳鈴.降雨入滲若干影響因素研究進展綜述［J］.西部探礦工程,2007（6）84-85.

［10］馬鐵民.松遼流域水資源［M］.長春∶吉林科學技術出版社,2006.