基于土地利用類型的水均衡方法及應用

賀國平 張 彤 孫晉煒 M. Birkle O. Krol 李恒義

（1. 北京市水利規劃設計研究院 北京 100048 2. IITB Fraunhofer Institut Karlsruhe）

1 前言

地下水資源評價是在一定的天然和人工條件下，對地下水資源的質和量在使用價值和經濟效益等方面進行綜合分析、計算和論證。地下水資源量評價方法有水均衡法、解析法、數值法、開采試驗法、水文分析法等，每種方法都有各自的適用范圍。

水均衡法運用物質不滅原理來分析計算地下水量，是其它水資源評價方法的基礎。水均衡法雖然是一種集中參數方法，但在一定條件下也能取得較為滿意的結果。水均衡法可粗可精，適應性強，廣泛應用于我國區域地下水資源、水源地可開采量的評價中。此外，水均衡方法可以為數值模擬方法提供輔助性驗證，兩種方法相輔相成，可以為區域地下水可持續開發利用提供科學依據。

水均衡法原理明確，計算公式簡單，地下水均衡要素計算以地下水系統為對象，計算項目較多，有些均衡要素難于準確預測，造成計算結果誤差很大。隨著人類活動對地下水系統影響的加劇，環境生態問題日益突出，現有地下水資源評價方法的局限性越來越明顯；因此，迫切需要對已有的評價方法進行拓寬和深化。

傳統地下水均衡計算是一種宏觀評價方法，有其自身優勢，但已無法適應城市下墊面快速變化、尤其像北京市這樣的缺水型大城市對地下水資源開發與管理的現實需要。特大型城市土地利用方式變化迅速，針對地下水資源評價如何響應城市土地利用方式的變化，提高評價的準確性問題，本文提出了基于土地利用類型的水均衡評價方法。

2 基于土地利用類型的水均衡評價方法8

嚴格的說，降雨、灌溉、部分地表水體并不是直接與地下水系統發生水力聯系，它們均是透過表層土壤層才到達含水層。因此，地下水垂向補給量最重要的影響因素是下墊面條件，即土地利用類型與土壤巖性。基于土地利用類型的水均衡評價方法以地表水系統與地下水系統的聯系紐帶——下墊面為研究對象，通過為每種土地利用類型建立相應的水量平衡方程式，間接地計算出地下水補給量。

3 水 平衡方程式

一般地，平原區常見的土地利用類型有以下10種：水田、旱地、有林地、灌木林、疏林地、果園、草地、水域、城鎮用地、農村居民點。根據水量平衡方程式的差異，可將它們歸并為五組：

（1）第一組：灌木林、天然草地、疏林地

本組特點是不需要灌溉，降水是水量的唯一輸入（圖1），水量平衡方程式如下：

式中，Prec為降水量、SWRPrec為降水補給地表水量、GWRPrec為降水補給地下水量、ETPrec為蒸發蒸騰量、Preceff為有效降雨量。

圖1 第一組土地利用類型的水 平衡圖

式（1）中假定：

①水量交換主要發生在垂向，水平方向的壤中流可以忽略。

②SWRPrec與Prec成正比，即：

nET為系數，也僅與土地利用類型有關。由此可以推出下式：

進行水量平衡計算時，首先需要根據當地的土地利用類型評價nET和nSWR值。

式（1）是最基本的水量平衡方程式，是其它四組水量平衡方程式的基礎，同時，上述假設對其它四組也一樣成立。

（2）第二組：水田、旱地

本組特點是需要灌溉（圖2），水量平衡方程式如下：

圖2 第二組土地利用類型的水 平衡圖

式中，Irr為灌溉量、ETIrr為灌溉的蒸發蒸騰量、SWRIrr為灌溉補給地表水量、GWRIrr為灌溉補給地下水量。

由于北京地處干旱半干旱地區，蒸發蒸騰量非常大，nET可達0.7~0.95，與此同時，北京的農業節水水平很高，因此，灌溉對地表水的補給SWRIrr可以忽略，式（7）可以簡化為：

灌溉量Irr是未知數，由作物需水量WD、降雨強度及分布、作物類型及生長期等確定。

（3）第三組：果園、有林地

本組土地利用類型與第二組相同，特點是植物截留大，對地下水補給（GWR）及灌溉量（Irr）小，方程同式（8）。

（4）第四組：城鎮用地、農村居民點

本組的特點是產生污水，同時污水用于農業灌溉，并補給地下水（圖3）。水量平衡方程式如下：

式中，WW 為污水量、WWIrr為污水灌溉量、GWRWW為污水補給地下水量、ETWW為污水蒸發量、WWO為流向下游的污水量，WWDL為污水彌散損失。式（10）是在方程（1）上加了污水的水量平衡方程式。

圖3 第四土地利用類型的水 平衡圖

（5）第五組：水域

第五組為水域，包括永久性水域和季節性水域。水量輸入包括三部分：水域本身的SWRPrec，等于降雨量Prec；其次，非水域獲得的地表水補給通過河網進入水域，即SWRNWA；第三是上游徑流SWI。水量輸出項包括蒸發量ET、補給地下水量GWR和出流SWO（圖4）。水量平衡方程式如下：

水域的面積變化受三個因素的影響：降雨Prec、地表產流SWRNWA和上游徑流SWI。對干旱半干旱地區，可以認為水域面積的變化主要受降雨量影響。

在豐水年份，洼地、草地可以蓄水演化為季節性水域，而季節性水域蓄水后變為永久性水域；在干旱季節，水域面積縮小，甚至退化為沼澤地及草地。因此，為了反應水域面積的變化，定義一種新的土地利用類型——新草地（New Meadow，簡稱NM）來描述季節性水域退化后的狀態，這種新草地與一般草地具有相同的屬性，其水量平衡同（1）。

引入水域面積權重f，計算公式如下：

式中，PrecEval為評價年的降水量，PrecBefore為評價年前一年的降水量，PrecMean為多年平均降水量。當 fi<1時，水域退化為草地（反方向演化），當fi>1時，草地演化為水域（正方向演化）（圖5）。

圖4 第五組土地利用類型的水 平衡圖

圖5 水域與草地之 化示意圖

圖6 地下水系統水 平衡圖

（6）地下水系統水均衡地下水系統的補給包括地表水補給 GWRSW（等于 GWRWA）、降雨補給GWRPrec、灌溉補給GWRIrr、污水補給GWRww、山前側滲補給GWI，排泄包括開采ExplGW_Total、地下水出流GWO，代數和即為蓄變量△GW，如△GW>0，則地下水位上升，蓄變量增加；如△GW<0，地下水位下降，地下水超采（圖6），方程式如下：

4 應用——以北京平原區為例

采用ARCGIS軟件對2000年的北京平原區土地利用圖（比例尺1:10萬）進行分類統計，平原區面積 6301.4km2，第一組、第二組、第三組、第四組與第五組土地利用類型的面積分別為 55.0、3718.5、309.6、1980.9與237.4km2，占平原區總面積的比例分別為0.9%、59.0%、4.9%、31.4%與3.8%。采用多年平均降雨量585mm，預測平原區地下水垂向總補給量為 17.4億m3，其中第一組、第二組、第三組、第四組與第五組對地下水的補給量分別占0.7%、49.3%、2.8%、22.3%與24.9%，對地下水的補給強度分別為22.4、23.1、16.0、19.5與182.3萬m3/km2。從對地下水補給強度來看，第五組水域對地下水的補給強度最大（圖7），以后依次是第二組、第一組、第四組、第三組。

圖7 不同土地利用類型的地下水補給 強度比

與傳統水均衡項算法相比，LUWB法有顯著的優點：（1）LUWB法考慮了均衡項污水。根據對北京市供水資料的統計分析，供水管網滲漏率高達15%，以此推算全市排水管網的滲漏量相當可觀。因此，第四組城鎮用地與農村居民點雖然硬化面積大，降水對地下水補給量大大減少，但由于管網的滲漏，該組對地下水的補給強度并不小。（2）LUWB法根據不同作物不同生長期的需水量扣除同期降水量來計算實際灌溉量。（3）基于LUWB法采用計算機編程可為數值模型提供高精度的時空離散的水均衡數據。

5 結語

傳統水均衡計算方法以地下水系統為對象，計算公式簡單，結果誤差很大，已無法適應城市下墊面快速變化、尤其像北京市這樣的缺水型大城市對地下水資源開發與管理的現實需要。基于土地利用類型的水均衡評價方法以下墊面為研究對象，不但考慮了污水對地下水的補給，而且可以合理預測農業灌溉對地下水的補給量，可為地下水模型提供高精度的水均衡數據。