苏北四市应用单层蓄满产流模型分割旱地地下水研究

杨树滩 胡晓雨

（江苏省水资源服务中心 南京 210029）

苏北四市应用单层蓄满产流模型分割旱地地下水研究

杨树滩 胡晓雨

（江苏省水资源服务中心 南京 210029）

针对平原水网区旱地下垫面类型，对单层蓄满产流模型适当改进，提出以饱和含水量和田间持水量为界限划分地表与地下产流的方法。该方法在江苏苏北四市进行应用，所得旱地地下水产流量成果与江苏省水资源综合规划成果、江苏省水资源公报比较，结果拟合较好，表明该方法可行。

平原河网地区 单层蓄满产流模型 产流分割 地下水

一、引言

径流过程的分割和水源的划分是工程水文学中的一个基本问题，其在水文预报中的降雨—径流关系模拟、流域水资源调查评价、水资源供需分析、水资源调配等问题研究中具有重要意义。受流域的调蓄作用不同，各径流成分在流量过程线上的反应是不一样的，因此水源划分是上述问题的研究基础，较大程度上决定着研究成果的精度。

目前，径流分割的方法主要有图解法、时间步长法、电子滤波法、同位素径流分割法、水文模型法等，各具优缺点。图解法依据流量过程线退水段所表现的拐点推理作为划分依据，主观性较强，计算较为繁琐，不便于大量计算；时间步长法、电子滤波法等虽采用模仿人工分割流量过程线的数学方法，避免了人工方法的主观性，但其缺乏严格的物理意义，使其应用受到限制；同位素径流分割法是基于质量平衡方程和浓度平衡方程的推导，具有一定的物理基础，但径流水源在量化时存在相当大的不确定性；以新安江模型、萨克拉门托模型为代表的水文模型法的模型参数多，难以率定，长系列模拟时需要对实测径流资料还原计算，对模拟区内的下垫面属性、蓄引提水量及相应灌溉面积等历史资料的要求高，在不同地区应用时模型的可靠性和适用性亦无法保证。

对平原河网地区，其地势平坦，通常为非封闭多出口的系统，河网纵横交错，水流方向往复不定，缺少径流控制性断面，因此很难用上述方法分割地下产流。如果模拟区为不连续的平原旱地，由于其呈现斑状分布，使用上述方法分割其产流中的地下产流更难。

相对于上述方法，水文模型法中的单层蓄满产流模型尽管受模型原理的局限性，只能模拟得到总产流量，无法实现地表和地下产流分割，但由于其参数少，物理意义明确，对历史资料的要求不高，易于率定，适用于资料缺乏地区，如果能够进行适当改进，是可以应用于这些地区地下产流模拟的。

江苏省的淮安、宿迁、徐州、连云港市（以下简称苏北四市）总面积为3.7329万km2，平原区约占84.2%，水面约占12.6%，属典型平原河网地区，难以形成封闭性控制，且缺乏径流控制站，水资源管理实践中又迫切需要一种适应该地区特点且简单易行的方法进行旱地产流中的地下水源分割，针对这些特点和需求，本文选择水文模型中的最简单的单层蓄满产流模型予以改进，提出平原河网地区旱地地下产流的分割方法，建立苏北四市旱地单层蓄满产流水源分割模型。

二、旱地地下水源分割模型

1.构建思路

江苏苏北四市属于典型的平原河网地区，汛期地下水埋深较浅，土壤含水量较高且宜得到补充，因此对于旱地产流量采用单层蓄满产流模型计算。

苏北四市旱地多呈不连续的斑状分布，水田在水稻收获到次年种植前，也以旱地（种植旱作物）的属性呈现，根据多年产流经验判断，在旱地产流模型中，以饱和含水量和田间持水量为界限划分地表与地下产流，符合这些地区旱地产流的特点。

2.模型改进

旱地产流及水源划分的推求过程如下：

式中：P为日平均降雨量（mm）；K为蒸发折算系数；W为初始时刻的土壤含水量（mm）；E为雨期时段蒸发量（mm）；EE为旱地蒸发量（mm）；A为土壤前期含水量（mm）；WM为流域平均蓄水量，即土层最大可能的缺水量（mm）；Wb为饱和含水量；Wm为田间持水量；WM M为蓄水容量曲线的最大值（mm）；WbM为流域饱和含水量的最大值（mm）；WmM为流域田间持水量的最大值（mm）；B为蓄水容量曲线指数；R3为旱地地表日净雨深（mm）；R3下为旱地地下日净雨深（mm）。

三、应用实例

1.区域概况

苏北四市主要分布在淮河冲积平原。区域地形平坦开阔，地貌类型为丘陵、山前冲积平原、淮河冲积平原以及冲积湖积平原。淮北平原受到历史上黄河泛滥改道和夺淮的影响，自兰考经徐州至滨海的废黄河，高于两侧地面，形成淮河与沂沭泗水系的分界。淮安、徐州以及连云港一带有丘陵分布，平原之间的低洼地形成带状湖群，其中最大的是南四湖。南四湖以东及南部为中、低山丘陵。徐州附近地面高程30m左右，向东南逐渐降低，坡降为1/6000～1/10000，沿运河两侧洼地最大的是骆马湖。

苏北四市降水量相对较枯，多年平均降雨量900mm，由南向北递减，年际变化较大，丰水年1054mm，特枯年613mm，见表1。苏北四市多年平均蒸发量900～1100mm，多年平均水资源总量为116.7亿m3。

表1 苏北四市多年平均降水量统计表

2.旱地分布属性

土地属性与利用情况是区域自然条件和社会经济发展状况的集中体现，也是旱地产流模拟的基础。近年来，苏北四市经济社会发展较快，尤其是城市化进程加快，基础设施建设以及水域利用方式的变化，一些区域下垫面条件发生了较大改变，因此，模拟苏北四市的旱地产流并进行水源分割，需要对模拟区的旱地分布进行划分。

采用经过辐射改正的2000年汛前平水期ETM卫片，对苏北四市地表属性分布进行了解译划分。根据划分成果，苏北四市旱地面积为2.38万km2，占区域总面积63.8%，其中徐州0.85万km2，连云港0.47万km2，淮安0.58万km2，宿迁0.49万km2。

3.模型参数率定

选取2001～2002年降雨量、蒸发量等资料，对旱地地下水源分割模型进行参数率定，模拟结果见表2。相对误差不超过10%，说明该套参数合理，旱地产流参数见表3。

表2 2001年与2002年旱地地下水产流模拟结果

表3 旱地产流参数表

4.模拟区旱地地下产流分割成果

采用1956～2010年、2003～2011年降雨量、蒸发量等资料，利用本文改进的模型进行长系列产流量模拟及旱地地下水产流量分割。经计算，苏北四市多年平均（1956～2010年）旱地地下水产流量为40.16亿m3，而江苏省水资源综合规划成果为38.48亿m3，相对误差为4%。同时，模拟的2003～2011年地下水产流量，与江苏省水资源公报成果的拟合较好（见图1），平均相对误差10%。由此可见，该模型模拟精度较高，可以应用于平原水网区的旱地地下水源分割。

图1 2003～2011年旱地地下水产流量成果对比

四、结语

本文以江苏苏北四市为研究区，针对旱地下垫面类型建立单层蓄满产流模型进行产流模拟，并对模型适当改进进行水源分割。在旱地产流模型中，创新性地提出以饱和含水量和田间持水量为界限划分地表与地下产流的方法，并与江苏省水资源综合规划1956～2010年成果、江苏省水资源公报2003～2011年成果比较，结果拟合较好，表明该方法可行。此方法的提出与首次运用，不仅解决了单层蓄满产流模型无法分割地下水的问题，而且能为水资源管理提供更详尽的水资源量成果，为水资源管理与分配提供科学可信的基础数据■