四水转换模型在强灌排活动影响下的应用——以松嫩平原典型区为例

周光涛

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)



四水转换模型在强灌排活动影响下的应用
——以松嫩平原典型区为例

周光涛

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

摘要：“四水”转化关系是指“大气降水、地表水、土壤水和地下水”之间的关系，贯穿于区域水循环过程中，具有较强的区域特性，其中降水产流、土壤水下渗、潜水蒸发、土壤蒸发及植被蒸腾等过程是整个水循环过程的核心环节，也是联结大气降水-地表水、土壤水-地下水及土壤水-大气水相互转化的纽带。松嫩平原地区地下水开采量大，区域性的地下水埋深普遍较深，文章研究“四水”转化的关系对松嫩平原水资源的调配具有一定的参考价值。

关键词：“四水”转化；模型；讷谟尔河；呼兰河

0前言

“四水”转化关系是指“四水”(即大气降水、地表水、土壤水和地下水)之间相互联系、相互依存、相互制约、相互作用和相互转化的关系。“四水”转化关系贯穿于区域水循环过程中，具有较强的区域特性，其中降水产流、土壤水下渗、潜水蒸发、土壤蒸发及植被蒸腾等过程是整个水循环过程的核心环节，也是联结大气降水-地表水、土壤水-地下水及土壤水-大气水相互转化的纽带。

自20世纪70—80年代以来，随着工农业生产的迅速发展和人民生活水平的提高，对水资源的需求量越来越大，人类活动对下垫面条件的改变也日益加剧。其中水利化程度的提高、农业种植结构的调整以及城市化进程等都发生了显著的改变。松嫩平原地区，由于大规模的开采地下水，导致平原区区域性的地下水埋深普遍增大。而平原地区地下水埋深加大可以使得土壤包气带变厚，土壤包气带蓄水容量的增加，导致相同的降水量入渗补给土壤水的水量增多，所产生的径流量则相应减少。因此研究“四水”转化关系对松嫩平原水资源的调配具有重要的意义。

1松嫩平原“四水”转化模型结构[1]

四水转化模型是建立在流域水文模型基础上的一种用于水文水资源数量评估计算的模拟技术，是水资源系统工程的一个组成部分。首先把流域下垫面分为透水面积和不透水面积，不透水面积指常年需水的坑、塘、河、渠等，其蒸发等于水面蒸发量。该面积上的降水可以直接形成产流量RS1，称为直接产流量；在透水面积上，又分为上下两层，各层土壤含水量分别设置了张力水和重力水容量，以及重力水出流系数。

透水面积上的产流量又分为3种：①地表径流RS2；②壤中流RS3；③地下径流RS4。透水面积上的蒸散量分别设置了上层张力水蒸散项和下层张力水蒸散项。蒸散量计算的模型是线性的，它与张力水蓄水量成正比。

模型结构见图1。

2模型中各项水文要素[1]及计算

模型中主要水文要素有：①平均降雨量；②蒸散能力；③灌溉水量；④蒸发量ET；⑤上层总产水量；⑥土壤含水量TWC；⑦上层地表水出流量RS2；⑧上层对下层的补水量FWG1；⑨下层张力水TWC2；⑩下层重力水WG2。

3建立数学模型

松嫩平原水系众多，但是水文站站点较稀少。本次选取讷谟尔河中上游和呼兰河秦家水文站上游流域作为小流域建立模型模拟。建模的过程为：

1)参数初值的确定。

2)参数的率定。

3)参数的综合。

4)模型的检验等。

图1松嫩平原“四水”转化模型结构

3.1基本情况

3.1.1讷谟尔河流域

该流域为嫩江左侧支流，流域面积13 740 km2；德都水文站位于讷谟尔河中上游，控制面积7 200 km2，德都水文站以上流域坡度1.5‰，多年平均降水量500～700 mm，土质为黏壤土，多年平均径流系数0.1～0.4，植被条件较好，灌溉作物主要是为水田。

3.1.2呼兰河流域

该流域为松花江左侧支流，流域面积35 700 km2；秦家水文站位于呼兰河中上游，控制面积9 809 km2，秦家水文站以上流域坡度1.5‰，多年平均降水量500～750 mm，土质多为黏壤土，多年平均径流系数0.1～0.2，植被条件较好，灌溉作物主要是为水田。

3.2研究成果

两站主要参数率定值见表1，年径流模拟和检验结果见表2。

表1　德都、秦家站主要参数率定值

3.3结果对比

通过对德都水文站和秦家水文站控制面积内建立模型推求水资源量，可以看出在1991—2000年10 a间，计算年径流量与实测年径流量较为吻合，仅个别年份两者差别较大(德都站1999年和1992年，秦家站1996年)，影响因素很多，用水统计不全有可能是主要原因。

但是从检验结果可以看出，两站模拟计算供20次，2次超过20%，合格率为90%，符合《水文情报预报规范》定的计算标准，因此利用此模型的模拟结果较好。

表2　德都和秦家站模拟和检验结果

4松嫩平原“四水”转化关系探究

通过对讷谟尔河和呼兰河流域单站模型的建立和检验，可以看出，“四水”转换模型对松嫩平原水资源量模拟出来的结果有一定的参考价值，松嫩平原水文站点较少，特别是流域控制站较少，对流域年径流的推求可以考虑采用建立模型法进行推求。同时本模型可用于各种人类活动影响条件下的水量转换关系的研究，水资源的评估、开发、利用和保护等。

根据上述模型，不改变模型参数，将地下水供水量增加20%，计算秦家水文站及德都水文站水资源量见表3。

表3　地下水增供20%后单站径流量变化情况

由表3可以看出，地下水增加供水后，其它参数不变的情况下，年径流量有所减少，主要是由于地下水开采量加大后，土壤水增加导致产流减少所致。

由于松嫩平原中二级支流嫩江和松花江干流均有外省径流，外省区域资料不全，无法对大的区域进行水文模拟分析和验证，因此“四水”转换关系对于松嫩平原大区域的应用有待于相邻兄弟省的积极配合，以期取得更好的效果。

参考文献：

[1]陈明.第二松花江干流四水转化模型研究及应用[J]，东北水利水电，2001，19(11)：3-6.

文章编号：1007-7596(2016)02-0015-03

[收稿日期]2016-01-06

[作者简介]周光涛(1979-)，男，山东蓬莱人，高级工程师，。

中图分类号：P334.92

文献标识码：B