蘇北四市應用單層蓄滿產流模型分割旱地地下水研究

楊樹灘 胡曉雨

（江蘇省水資源服務中心 南京 210029）

蘇北四市應用單層蓄滿產流模型分割旱地地下水研究

楊樹灘 胡曉雨

（江蘇省水資源服務中心 南京 210029）

針對平原水網區旱地下墊面類型，對單層蓄滿產流模型適當改進，提出以飽和含水量和田間持水量為界限劃分地表與地下產流的方法。該方法在江蘇蘇北四市進行應用，所得旱地地下水產流量成果與江蘇省水資源綜合規劃成果、江蘇省水資源公報比較，結果擬合較好，表明該方法可行。

平原河網地區 單層蓄滿產流模型 產流分割 地下水

一、引言

徑流過程的分割和水源的劃分是工程水文學中的一個基本問題，其在水文預報中的降雨—徑流關系模擬、流域水資源調查評價、水資源供需分析、水資源調配等問題研究中具有重要意義。受流域的調蓄作用不同，各徑流成分在流量過程線上的反應是不一樣的，因此水源劃分是上述問題的研究基礎，較大程度上決定著研究成果的精度。

目前，徑流分割的方法主要有圖解法、時間步長法、電子濾波法、同位素徑流分割法、水文模型法等，各具優缺點。圖解法依據流量過程線退水段所表現的拐點推理作為劃分依據，主觀性較強，計算較為繁瑣，不便于大量計算；時間步長法、電子濾波法等雖采用模仿人工分割流量過程線的數學方法，避免了人工方法的主觀性，但其缺乏嚴格的物理意義，使其應用受到限制；同位素徑流分割法是基于質量平衡方程和濃度平衡方程的推導，具有一定的物理基礎，但徑流水源在量化時存在相當大的不確定性；以新安江模型、薩克拉門托模型為代表的水文模型法的模型參數多，難以率定，長系列模擬時需要對實測徑流資料還原計算，對模擬區內的下墊面屬性、蓄引提水量及相應灌溉面積等歷史資料的要求高，在不同地區應用時模型的可靠性和適用性亦無法保證。

對平原河網地區，其地勢平坦，通常為非封閉多出口的系統，河網縱橫交錯，水流方向往復不定，缺少徑流控制性斷面，因此很難用上述方法分割地下產流。如果模擬區為不連續的平原旱地，由于其呈現斑狀分布，使用上述方法分割其產流中的地下產流更難。

相對于上述方法，水文模型法中的單層蓄滿產流模型盡管受模型原理的局限性，只能模擬得到總產流量，無法實現地表和地下產流分割，但由于其參數少，物理意義明確，對歷史資料的要求不高，易于率定，適用于資料缺乏地區，如果能夠進行適當改進，是可以應用于這些地區地下產流模擬的。

江蘇省的淮安、宿遷、徐州、連云港市（以下簡稱蘇北四市）總面積為3.7329萬km2，平原區約占84.2%，水面約占12.6%，屬典型平原河網地區，難以形成封閉性控制，且缺乏徑流控制站，水資源管理實踐中又迫切需要一種適應該地區特點且簡單易行的方法進行旱地產流中的地下水源分割，針對這些特點和需求，本文選擇水文模型中的最簡單的單層蓄滿產流模型予以改進，提出平原河網地區旱地地下產流的分割方法，建立蘇北四市旱地單層蓄滿產流水源分割模型。

二、旱地地下水源分割模型

1.構建思路

江蘇蘇北四市屬于典型的平原河網地區，汛期地下水埋深較淺，土壤含水量較高且宜得到補充，因此對于旱地產流量采用單層蓄滿產流模型計算。

蘇北四市旱地多呈不連續的斑狀分布，水田在水稻收獲到次年種植前，也以旱地（種植旱作物）的屬性呈現，根據多年產流經驗判斷，在旱地產流模型中，以飽和含水量和田間持水量為界限劃分地表與地下產流，符合這些地區旱地產流的特點。

2.模型改進

旱地產流及水源劃分的推求過程如下：

式中：P為日平均降雨量（mm）；K為蒸發折算系數；W為初始時刻的土壤含水量（mm）；E為雨期時段蒸發量（mm）；EE為旱地蒸發量（mm）；A為土壤前期含水量（mm）；WM為流域平均蓄水量，即土層最大可能的缺水量（mm）；Wb為飽和含水量；Wm為田間持水量；WM M為蓄水容量曲線的最大值（mm）；WbM為流域飽和含水量的最大值（mm）；WmM為流域田間持水量的最大值（mm）；B為蓄水容量曲線指數；R3為旱地地表日凈雨深（mm）；R3下為旱地地下日凈雨深（mm）。

三、應用實例

1.區域概況

蘇北四市主要分布在淮河沖積平原。區域地形平坦開闊，地貌類型為丘陵、山前沖積平原、淮河沖積平原以及沖積湖積平原。淮北平原受到歷史上黃河泛濫改道和奪淮的影響，自蘭考經徐州至濱海的廢黃河，高于兩側地面，形成淮河與沂沭泗水系的分界。淮安、徐州以及連云港一帶有丘陵分布，平原之間的低洼地形成帶狀湖群，其中最大的是南四湖。南四湖以東及南部為中、低山丘陵。徐州附近地面高程30m左右，向東南逐漸降低，坡降為1/6000～1/10000，沿運河兩側洼地最大的是駱馬湖。

蘇北四市降水量相對較枯，多年平均降雨量900mm，由南向北遞減，年際變化較大，豐水年1054mm，特枯年613mm，見表1。蘇北四市多年平均蒸發量900～1100mm，多年平均水資源總量為116.7億m3。

表1 蘇北四市多年平均降水量統計表

2.旱地分布屬性

土地屬性與利用情況是區域自然條件和社會經濟發展狀況的集中體現，也是旱地產流模擬的基礎。近年來，蘇北四市經濟社會發展較快，尤其是城市化進程加快，基礎設施建設以及水域利用方式的變化，一些區域下墊面條件發生了較大改變，因此，模擬蘇北四市的旱地產流并進行水源分割，需要對模擬區的旱地分布進行劃分。

采用經過輻射改正的2000年汛前平水期ETM衛片，對蘇北四市地表屬性分布進行了解譯劃分。根據劃分成果，蘇北四市旱地面積為2.38萬km2，占區域總面積63.8%，其中徐州0.85萬km2，連云港0.47萬km2，淮安0.58萬km2，宿遷0.49萬km2。

3.模型參數率定

選取2001～2002年降雨量、蒸發量等資料，對旱地地下水源分割模型進行參數率定，模擬結果見表2。相對誤差不超過10%，說明該套參數合理，旱地產流參數見表3。

表2 2001年與2002年旱地地下水產流模擬結果

表3 旱地產流參數表

4.模擬區旱地地下產流分割成果

采用1956～2010年、2003～2011年降雨量、蒸發量等資料，利用本文改進的模型進行長系列產流量模擬及旱地地下水產流量分割。經計算，蘇北四市多年平均（1956～2010年）旱地地下水產流量為40.16億m3，而江蘇省水資源綜合規劃成果為38.48億m3，相對誤差為4%。同時，模擬的2003～2011年地下水產流量，與江蘇省水資源公報成果的擬合較好（見圖1），平均相對誤差10%。由此可見，該模型模擬精度較高，可以應用于平原水網區的旱地地下水源分割。

圖1 2003～2011年旱地地下水產流量成果對比

四、結語

本文以江蘇蘇北四市為研究區，針對旱地下墊面類型建立單層蓄滿產流模型進行產流模擬，并對模型適當改進進行水源分割。在旱地產流模型中，創新性地提出以飽和含水量和田間持水量為界限劃分地表與地下產流的方法，并與江蘇省水資源綜合規劃1956～2010年成果、江蘇省水資源公報2003～2011年成果比較，結果擬合較好，表明該方法可行。此方法的提出與首次運用，不僅解決了單層蓄滿產流模型無法分割地下水的問題，而且能為水資源管理提供更詳盡的水資源量成果，為水資源管理與分配提供科學可信的基礎數據■