基于分布式水文模型的水土保持水文水資源效應(yīng)研究

摘 要 傳統(tǒng)的水土保持水文水資源常用的研究方法有兩種，一種是水文法，另一種是水保法。由于這兩種研究方法還存在一些不合理之處，無法系統(tǒng)全面的分析出水土保持對(duì)水循環(huán)影響的作用關(guān)系，水資源評(píng)價(jià)口徑只能通過水資源資料來進(jìn)行了解，其分析結(jié)果對(duì)水土保持水文水資源效應(yīng)研究沒有多大的意義。文章首先對(duì)分布式水文模型、WEP-L模型進(jìn)行了分析，結(jié)合黃河治理區(qū)實(shí)例，探討水土保持下的水文水資源效應(yīng)，具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞 分布式水文模型；水土保持；水文水資源效應(yīng)

中圖分類號(hào)：S157 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）03-0046-01

1 分布式水文模型的研究

由于水體存在流動(dòng)性、空間變異性的特點(diǎn)，現(xiàn)階段水文模型有兩種，分別是集總式水文模型、分布式水文模型，這兩種水文模型最大的不同是其水體的水利學(xué)特征分布是否均勻，根據(jù)水利學(xué)分布特征的不同，兩種水文模型在概念上有著很大的差別。分布式水文模型是通過水流的偏微分物理方程來展示水體在流域時(shí)間、流域空間上的變化規(guī)律，考慮到周邊環(huán)境、初始條件等數(shù)據(jù)，采用一種離散化的計(jì)算方式，對(duì)其進(jìn)行分析求解。影響水循環(huán)的因素有很多，模型參數(shù)主要依靠其水體移動(dòng)介質(zhì)的物理特性來測(cè)量、推算，分布式水文模型可廣泛應(yīng)用于對(duì)流域下墊面的研究。1969年首次由國外學(xué)者研究出分布式水文模型，隨著時(shí)代和科技的發(fā)展，分布式水文模型也越來越受到人們的關(guān)注，通過與計(jì)算機(jī)技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、遙感技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，提出了分布式水文模型更多的功能與效用。

2 WEP-L模型基本原理及水資源評(píng)價(jià)口徑

2.1 WEP-L模型基本原理

WEP-L模型是一種具有物理機(jī)制的分布式水文模型，通過參考WEP-L模型就能了解到自然界中水循環(huán)的各個(gè)要素模擬情況，WEP-L模型的模擬對(duì)象包括天然與人工這兩種，其中天然的對(duì)象是坡面-河道的主循環(huán)過程，人工的對(duì)象則是供-用-耗-排的側(cè)支循環(huán)過程，這兩種模擬對(duì)象的耦合關(guān)系需要水量平衡、各項(xiàng)循環(huán)要素間的水力聯(lián)系得以實(shí)現(xiàn)。WEP-L模型可由平面、垂直這兩種結(jié)構(gòu)形成，其平面結(jié)構(gòu)由坡面匯流計(jì)算出各項(xiàng)高帶高程、坡度、Manning糙率系數(shù)等，通過一維運(yùn)動(dòng)坡法計(jì)算流體的坡面徑流，從其流域最上游開始計(jì)算，直到追算至最下游，凡是河道內(nèi)存在下游條件匯流就可使用一維運(yùn)動(dòng)坡法。WEP-L模型垂直結(jié)構(gòu)是按照從上到下的方式，其研究對(duì)象包括融雪與冰川層、植被與建筑物截留層、土壤表層、過渡帶層以及深、淺層地下水層等，由于不均勻的土地利用，通過使用馬賽克法計(jì)算出每種土地類型平均面積值的地表面水熱通量，可反映出表層土壤含水率、土壤蒸發(fā)以及草、作物、樹木根系吸水等情況，為對(duì)生態(tài)需水中土壤水作用的研究打下了基礎(chǔ)。土壤、水面、植被蒸騰等各項(xiàng)蒸發(fā)量在水循環(huán)系統(tǒng)各要素模擬中，可參考土壤-植被-大氣通量交換方法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)地表徑流的產(chǎn)流模式可分為超滲、蓄滿，其計(jì)算方式也要有所區(qū)別，例如超滲可采用Green-Ampt模型，蓄滿可采用Richards方程計(jì)算。山坡斜面土壤層計(jì)算方法可采用壤中流法來計(jì)算， 淺層地下水運(yùn)動(dòng)主要的計(jì)算方法是二維數(shù)值法計(jì)算，淺層地下水運(yùn)動(dòng)與非飽和土壤水、河水呈動(dòng)態(tài)藕合關(guān)系，融化積雪的算法主要依靠溫度指數(shù)法，為進(jìn)一步計(jì)算出蒸騰蒸發(fā)量，可通過WEP-L模型模擬地表面-大氣間能量循環(huán)過程，就能得出具體、精確的蒸騰蒸發(fā)量。

2.2 水資源評(píng)價(jià)口徑

水資源有三種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，基于水資源準(zhǔn)則的有效性、可控性、可再生性又可分為三種評(píng)價(jià)口徑，分別代表了狹義、廣義水資源量、國民經(jīng)濟(jì)可利用量。本文從狹義、廣義水資源口徑對(duì)水土保持水文水資源效應(yīng)做出評(píng)價(jià)。不重復(fù)的有效蒸散發(fā)量加上狹義水資源總量就可以得出廣義水資源總量，狹義水資源其中包括地表水資源量、不重復(fù)的地下水資源量，符合現(xiàn)階段水資源概念。

3 分布式水文模型應(yīng)用實(shí)例研究

3.1 研究實(shí)例概況

本文以黃河重點(diǎn)水土流失治理區(qū)為例，主要對(duì)基于分布式水文模型的水土保持水文水資源效應(yīng)進(jìn)行研究，本次研究區(qū)位于黃河中游的河龍區(qū)間，其中含有三個(gè)水資源三級(jí)區(qū)，分別為河龍區(qū)間左岸、吳堡以上右岸、吳堡以下右岸。河龍區(qū)黃河干流全長約為725千米，面積約達(dá)11萬平方千米，兩岸有眾多細(xì)小分支流匯人，黃土極厚，地形龜裂，集中降雨強(qiáng)度大，植被稀疏，嚴(yán)重的水土流失地帶，生態(tài)環(huán)境極其脆弱，其也是黃河一帶重要的產(chǎn)沙區(qū)。

3.2 分析方法

通過WEP-L模型模擬河龍區(qū)四十五年的水循環(huán)過程，并將其下墊面條件與無水土保持措施條件的水循環(huán)模擬過程進(jìn)行對(duì)比，可直接反映出水土保持水文水資源效應(yīng)。具體分析方法如下，首先制定出劃分子流域與基本計(jì)算單元，將河龍區(qū)分為多個(gè)流域、高帶等，每個(gè)高帶則看作是一個(gè)計(jì)算單元。為保證WEP-L模型計(jì)算的精確性、有效性，可通過飽和導(dǎo)水系數(shù)、Manning糙率、地下水含水層的傳導(dǎo)系數(shù)與給水度等進(jìn)行校正。兩種對(duì)比的模擬過程在保證各項(xiàng)參數(shù)相等時(shí)，Manning糙率會(huì)隨著土地利用率而發(fā)生變化。

3.3 結(jié)果與探討

在河龍區(qū)采用有效的水土保持措施，可使植被條件、土壤條件、局部地形與地貌等條件發(fā)生改變，這些變化反映出水循環(huán)的垂向過程、水平過程、流域水循環(huán)各項(xiàng)要素過程，其過程的變化就出現(xiàn)了各種不同的水資源量評(píng)價(jià)口徑，隨之形成多種水資源量評(píng)價(jià)口徑。有效的水土保持措施使河龍區(qū)增多了局部蒸發(fā)量、減少了無效蒸發(fā)量、廣義水資源量明顯上升。河龍區(qū)采用水土保持措施，有效增加了水資源效應(yīng)與土地利用率，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境起到了積極作用。

4 結(jié)束語

綜上所述，水土保持水文水資源效應(yīng)就是水土保持對(duì)水體、流域、水沙等變化產(chǎn)生作用的結(jié)果。傳統(tǒng)研究水土保持水文水資源效應(yīng)的方法有水文法、水保法，但這兩種方法都無法反映出廣義水資源效應(yīng)，分布式水文模型則可為研究水土保持水文水資源效應(yīng)提供有力的依據(jù)。現(xiàn)階段還沒有找出分布式水文模型計(jì)算減沙效應(yīng)的方法，但值得一提的是，分布式水文模型會(huì)是今后水土保持水文水資源效應(yīng)研究中的重要工具。

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作者簡介

李志義（1968-），男，吉林白山人，工程師，2004年畢業(yè)于中央廣播電視大學(xué)水利水電工程專業(yè)。endprint