采用WetSpass模型评价松嫩盆地降水入渗补给量

林 岚，梁团豪，王晓昕

（水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130021）

松嫩盆地的地下水资源分布广泛、水质好，是盆地内水资源的重要组成部分。降水是松嫩盆地地下水的主要补给来源。由于降水入渗补给量受降水、蒸发、气温、风速、土壤、植被、坡度和地下水位埋深等因素的影响，降水入渗过程异常复杂。

1 松嫩盆地概况

松嫩盆地位于松辽流域北部，东、北、西三面分别以长白山、小兴安岭、大兴安岭山地为界，南部隔松辽分水岭与西辽河平原毗邻，总体上呈北北东向延展的菱形形态。区域地理坐标为：东经121°24'～128°21'，北纬 43°35'～49°27'。行政区包括吉林省的长春、白城、公主岭、镇赉等15个市县；黑龙江省的哈尔滨、齐齐哈尔、大庆、五大连池等37个市县；此外还包括内蒙古自治区部分县旗的小部分。总面积18.8×104km2，总人口3 230.5万。研究区内交通方便，铁路、公路网纵横交错。

2 WetSpass模型

2.1 模型介绍

WetSpass（Water and Energy Transfer between Soil,Plants and Atmosphere under quasi-Steady State）是比利时布鲁塞尔自由大学Batelaan和De Smedt教授开发的一种分布式降水入渗补给量评价模型。模型的计算过程如图1所示，降水量、土壤质地、土地利用等数据以栅格的形式输入，土壤参数、径流参数和土地利用参数以DBF的格式输入，模型通过对以上数据的计算输出年降水入渗补给量、区内产流量和蒸发蒸腾量等，输出数据的格式为栅格格式。

图1 模型计算流程图

2.2 模型的基本原理

WetSpass模型是一个分布式计算模型，在空间上将研究区划分大小相同的栅格，以每个栅格为一个水量平衡计算单元。每个栅格的每一项水量平衡分量（如蒸发蒸腾量、区内产流量等）是通过进一步将每个栅格的土地利用/覆被类型划分为植被覆盖地、裸地、水面和不透水地4种类型分别计算的，然后再将各种不同类型区域计算出的同一项分量加和就是整个栅格的该项水量平衡分量。

降水是水量均衡计算的起点，然后发生截留、区内产流、蒸发蒸腾和补给。这个顺序是整个过程定量计算的先决条件。

2.3 模型的适用性

降水入渗补给过程复杂，降水入渗补给的影响因素众多，降水入渗补给的任何一个影响因素发生变化都会对降水入渗补给量产生影响。降水入渗补给的主要影响因素，如土地利用/覆被条件、气候、土壤质地和地下水位埋深等都在WetSpass模型中分别有所体现。WetSpass模型可以模拟气候和土地利用/覆被条件等任一降水入渗补给量的主要影响因素变化，对区域降水入渗补给量的影响。

WetSpass模型是分布式的降水入渗补给量计算模型，它在空间上将研究区划分为大小相同的栅格，以每个栅格为一个水量平衡计算单元，计算每个单元的降水入渗补给量。因此，采用WetSpass模型进行降水入渗补给量评价时，可以根据资料的精度确定栅格的大小。

3 评价降水入渗补给量

3.1 模型数据

模型输入数据包括属性数据和栅格数据两部分。输入的栅格数据在ArcGIS中进行统一转换，统一各输入数据栅格的大小，每个栅格为1 472 m×1 472 m，整个松嫩盆地共被剖分为86 813个栅格，每个栅格为一个独立的水量平衡计算单元。模型中输入的栅格数据是：①土壤质地图；②土地利用；③地形；④坡度；⑤降水量；⑥蒸发；⑦温度；⑧风速；⑨地下水位埋深。

3.2 评价结果

采用WetSpass模型评价了松嫩盆地90年代年均降水入渗补给量、区内产流量和蒸发蒸腾量。评价结果详见表1。分析表中数据，在各地下水亚系统中，90年代年均降水入渗补给量最大的是松花江流域高平原地下水亚系统，其降水入渗补给量达123.20 mm；降水入渗补给量最小的是中央低平原地下水亚系统，该亚系统的降水入渗补给量仅为5.60 mm。

3.3 结果分析

3.3.1 空间相关性分析

模型计算的松嫩盆地90年代年均降水入渗补给量、区内产流量和蒸发蒸腾量在空间分布上差异都较大，这可能是由松嫩盆地的土壤质地、土地利用/覆被条件等空间分布差异所引起。为进一步研究降水入渗补给量的影响因素和评价结果在空间上的相关性，这次研究采用Whitman等1999年提出的地图数据空间分布相关分析方法，分析松嫩盆地降水入渗补给量、区内产流量和蒸发蒸腾量与土壤质地、土地利用/覆被类型空间分布的

表1 松嫩盆地90年代各地下水亚系统及子系统年均降水入渗补给量

相关关系。

表2 降水入渗影响因素与评价结果之间的Cramer’s V系数

分析表中的数据可知，土地利用/覆被类型、土壤质地与蒸发蒸腾量、区内产流量和降水入渗补给量都有较好的空间相关性，其中土壤质地与评价结果的相关性更强，土壤质地与蒸发蒸腾量、区内产流量及降水入渗补给量的Cramer’s V系数分别达到0.75，0.75和0.65。可见土壤质地的空间分布是蒸发蒸腾量、区内产流量和降水入渗补给量空间分布的主要影响因素，其次为土地利用。蒸发蒸腾量、区内产流量和降水入渗补给量之间也具有一定的空间相关性，其中以蒸发蒸腾量和区内产流量之间的相关性最高，Cramer’s V系数达0.61。

3.3.2 评价结果分析

气候、土壤质地和土地利用/覆被条件都对降水入渗补给量、蒸发蒸腾量和区内产流量的大小及其空间分布有影响。为进一步分析各影响因素对评价结果的影响程度，分别统计不同气候条件分区内的平均降水入渗补给量，各种不同土壤质地分区内的平均降水入渗补给量和不同土地利用/覆被类型分区内的平均降水入渗补给量。

气候因素主要包括降水、蒸发、温度和风速，在4个因素中降水和蒸发对降水入渗补给量的影响非常重要。因此，这次研究根据90年代年均蒸发量和降水量的比值，计算出松嫩盆地水资源四级区套行政二级区的干旱指数。依据干旱指数范围，将研究区分为3个区，分别为干旱指数小于1的湿润区，干旱指数在1～1.5之间的半湿润区和干旱指数在1.5～3之间的半干旱区。分别统计湿润区、半湿润区和半干旱区的90年代年均降水入渗补给量。湿润区、半湿润区和半干旱区的年均降水入渗补给量分别为 234.40 mm，130.04 mm和25.90 mm。尽管各分区内的土地利用/覆被和土壤质地等条件不同，但从湿润－半湿润－半干旱区，区内的年均降水入渗补给量明显降低，表现出强烈的规律性。

松嫩盆地的土地利用/覆被类型共有11种，统计出松嫩盆地各土地利用/覆被类型区内90年代年均降水入渗补给量，统计结果表明旱地区域的平均降水入渗补给量最大，其次为林地、水田和居民生活用地，最小的为水体，其降水入渗补给量为零。为研究土地利用/覆被类型不同对降水入渗补给量的影响，改变原模型的输入数据，将模型输入的气候因素改为整个盆地的均值，整个盆地的土壤质地类型都统一为砂土。根据模型的计算结果，统计不同土地利用/覆被类型区的年均降水入渗补给量，其年均降水入渗补给量从大到小以次为旱地、低覆盖草地、中覆盖草地、高覆盖草地、疏林地、林地、居民生活用地、盐碱地、水田、湿地、水体。生长植被的地区如旱地、中覆盖草地降水入渗补给量的差异主要是由区域内的植被蒸腾差异引起的。居民生活用地、盐碱地的降水入渗补给量较低，是由于在这2种类型区内都有不透水的区域存在，如城市修建的公路、房屋，土地盐碱化后也可形成不透水或弱透水区域。

4 结论

1）松嫩盆地的降水入渗补给量、蒸发蒸腾量和区内产流量，都与土壤质地和土地利用/覆被类型有很好的空间相关性。

2）在松嫩盆地各地下水亚系统中90年代年均降水入渗补给量，最大的是松花江流域高平原地下水亚系统，其降水入渗补给量达123.20 mm；降水入渗补给量最小的是中央低平原地下水亚系统，该亚系统的降水入渗补给量仅为5.60 mm。

3）从湿润区—半湿润区—半干旱区，降水入渗补给量由大到小。

4）盆地内各土壤质地类型的入渗补给能力从大到小依次是砂土、砂壤土、粉砂土、粉砂壤土和砂质粘土。

5）盆地内各土地利用覆被类型的入渗补给能力，从大到小依次是旱地、低覆盖草地、中覆盖草地、高覆盖草地、疏林地、林地、居民生活用地、盐碱地、水田、湿地和水体。

［1］迟宝明,王志刚,林岚.松辽流域水资源现状与地下水开发利用分析［J］.水文地质工程地质,2005,32（3）∶70-73.

［2］刘殿伟,宋开山,王丹丹等.近50年来松嫩平原西部土地利用变化及驱动力分析［J］.地理科学,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］马兴旺,李保国,吴春荣，等.民勤绿洲现状土地利用模型影响下地下水位时空变化的预测［J］.水科学进展,2003,14（1）∶85-90.

［6］齐登红,甄习春,王继华，等.降水入渗补给地下水系统分析［M］.郑州∶黄河水利出版社,2007.

［7］张光辉,费宇红,申建梅等.降水补给地下水过程中包气带变化对入渗的影响［J］.水利学报,2007,38（5）∶611-617.

［8］叶守泽,詹道江.工程水文学［M］.北京∶中国水利水电出版社,1987.

［9］崔凤铃.降雨入渗若干影响因素研究进展综述［J］.西部探矿工程,2007（6）84-85.

［10］马铁民.松辽流域水资源［M］.长春∶吉林科学技术出版社,2006.