基于SWAT模型的青海引黄灌区耗水系数模拟

周鸿文+孙艳伟+吕文星+刘东旭+王玉明

摘要：在系统分析和总结现有灌区耗水量及耗水系数研究成果的基础上，以青海典型灌区大峡灌区为例，基于灌区的不同作物生育过程需水、耗水机理和水平衡原理，利用SWAT（soil and water assessment tool）建立了灌区分布式水循环模型，从区域水循环机理出发，模拟降水和灌溉引水量在灌区的蒸散发和入渗等情况，并对灌区引水、耗水和排水进行了系统分析和精确计算。模拟结果表明，2013年引水量为4 976.0万m3，扣除无效引水后进入到田间地块的水量为2 985.6万m3，作物耗水量为2 130.6万m3，入渗水量为1 634.1万m3，平均耗水系数为0.517。研究成果为科学率定农业灌溉耗水系数、加强農业用水管理提供了依据。

关键词：耗水系数；SWAT模型；引黄灌区；青海省

中图分类号： TV211；TV213文献标志码： A文章编号：1002-1302（2017）23-0248-03

本研究在对灌区耗水量研究现状分析的基础上，采用基于物理机制的SWAT（soil and water assessment tool）模型来模拟灌区的耗水量及水量转化关系，以黄河一级支流湟水流域的大峡灌区为例，模拟其耗水系数，从而为灌区水资源的高效利用提供理论依据。

1灌区耗水系数和耗水机理

近年来不少学者在不同时空尺度、水分循环过程、耗水结构和对象水源等方面进行研究，从不同角度对耗水量概念的内涵进行界定[6]。研究的空间尺度有流域、行政区、工业用水区、灌区和地块等，对包括降水、地表水、地下水、土壤水和再生水等不同水源在取用水过程中的损失途径、消耗驱动因素及空间异质性对耗水量的影响等问题进行了研究。一般的耗水量，也称用水消耗量，是指毛用水量在输水、用水过程中，通过蒸腾蒸发、土壤吸收、产品带走、居民和牲畜饮用等多种途径消耗掉而不能回归到地表水体或地下含水层的水量，可分为农田灌溉以及工业、生活、其他用水户的耗水量[7]。由于研究区仅针对农业用水量进行研究，不包括居民生活用水和工业用水，因此，此处所界定的耗水量为农田灌溉的耗水量，即在灌溉的过程中通过作物蒸腾作用蒸发的水量、深层渗漏而最终不能回归到地表水体的水量。基于此，耗水系数等于耗水量除以引水量。

根据秦大庸等的研究，耗水系数的计算主要有河段差法、引排差法和最大蒸发量法，3种方法各有其优缺点[5]。其中，河段差法主要基于黄委会上中游水文局控制的上下游测站资料，即利用入境水文测站和出境水文测站实测资料，以及区间的汇入、调出水量等资料，根据水平衡原理来分析和计算耗用的黄河水量，但受控制断面和地下径流测定复杂性特点的影响，河段差法在计算耗水系数时容易产生较大误差。引排差法通过对引水干渠全面监测和对主要排水沟进行驻测、巡测，对漏测部分利用邻近排水沟排水模数进行插补计算，从而计算出控制区域内的引水量、耗水量和排水量，但受测量精度的影响，其结果的精确性很难保证。除此之外，引排差法没有考虑有效降水量的影响。第3种方法为最大蒸发量法，采用彭曼公式计算作物蒸腾蒸发量（即植株蒸腾量和棵间蒸发量的总和），再换算成灌区耗水量，该方法通常利用点试验数据进行区域的大面积估算，计算误差较大。

2基于水量平衡的灌区耗水量及耗水系数计算模型

2.1模型设计

通过对已有灌区耗水量计算方法的总结和系统分析，结合灌区引黄灌区现状，并考虑引黄灌区的水循环规律和作物耗水机理，提出了一套基于水量平衡原理的灌区水均衡模型，并在SWAT平台上，通过构建模型进行作物耗水量、潜水蒸发量、入渗水量、土壤水变化量的计算，并在此基础上，计算整个灌区的耗水系数。

为体现模型参数的空间变异性，同时便于分析计算，在综合考虑地貌地形的基础上，从灌区管理的角度出发，依据灌渠引水斗门及种植结构的不同，将灌区细化为基本的不同耗水单元，其中每个耗水单元都有明确的引水量、排水量、土地利用形式和不同的作物种植结构。

在垂向结构上，根据灌区的水量转化关系，将其分为大气层、地表层、土壤层和浅层地下水层。在大气层考虑的主要因素有太阳辐射、降雨、风速等与作物耗水量相关的因素；在地表层，耗水单元间通过渠系和排水沟进行水量交换；在土壤层，耗水单元间相互独立；在潜水层，只考虑耗水单元在垂向上与土壤水发生的水量交换。以土壤层为例，其水量平衡方程为

SWt=SW0+∑ti=1（Rday+Irr+Revap-Qsurf-Ea-wseep-Lat-Tile）。（1）

式中：SWt为末时段土壤含水量，mm；SW0为第i天初始土壤含水量；mm；t为计算时间，d；Rday为第i天的降雨量，mm；Qsurf为第i天的地表径流量，mm；Ea为第i天的蒸发量，mm；wseep为第i天的入渗水量，mm；Lat为第i天的壤中流，mm；Tile为第i天的暗管排水量，mm；Irr为第i天的灌溉水量，mm；Revap为第i天的潜水蒸发量，mm。

2.2水平衡系统组成要素计算

SWAT模型中水平衡系统作物蒸腾蒸发量、入渗水量、壤中流、潜水蒸发量等的计算主要采用蒸散发模型、土壤水计算模型和地下径流计算模型来实现，简要概述如下。

2.2.1蒸散发模型彭曼公式法将蒸发所需的热能、水和水蒸气运动的动能以及接触层的蒸散发阻力等因素均考虑在内，因此，本研究采用彭曼公式来计算作物的蒸腾蒸发量。彭曼公式所需要的数据主要包括太阳辐射、日最高最低气温、相对湿度和风速。其中，中国气象科学数据共享服务网提供了日最高最低气温、相对湿度、风速和日照时数等数据。具体公式如下：

λE=Mγ+ΔM（Rn-G）Δ+ρCp（es-e）ratm。（2）

式中：λE为水分进入大气的潜在通量，W·m2；λ为蒸发潜热，J/kg；E为水汽质量通量，kg/（s·m2）；γ为空气湿度常数，Pa/K；Δ为饱和水汽压梯度，Pa/K；es-e为蒸气压差，Pa；ρ为空气密度，kg/m3；Cp为恒压下的比热容，J/（kg·K）；M为可供水汽量；ratm为蒸散发阻力，s/m；Rn-G为净辐射与地面辐射之差，W/m2。endprint

2.2.2土壤水计算模型从地表下渗到土壤中的水分可以被植被吸收，也可以通过土壤表层或植被蒸散发，或可以下渗补给地下水，还有一部分在一定条件下会发生水平运动，形成壤中流。依据SWAT模型，采用动力贮水方法计算壤中流流量，该方法是根据块体连续方程在倾斜山坡的二维横截面上进行的计算，具体计算公式为

Qlat=0.0242×SWly，excess×Ksat×slpd×Lhill。（3）

式中：Qlat为壤中流流量；SWly，excess为土壤饱和区内的可流出水量，mm；Ksat为土壤饱和导水率，mm/h；slp为坡度；d为土壤层总空隙度；Lhill为山坡坡长，m。

2.2.3地下径流地下径流以河流基流的形式存在，可由地下水蓄量和枯水季持续径流量推算得出。SWAT模型中采用的流域地下径流量计算公式如下：

Qgw，i=Qgw，i-1×exp（-αgw×Δt）+ωrchrg×[1-exp（-αgw×Δt）]。（4）

式中：Qgw，i为第i天进入河道的地下水补给量，mm；Qgw，i-1为第i-1天进入河道的地下水补给量，mm；αgw为基流的退水系数；Δt为时间步长，d；ωrchrg为第i天蓄水层的补给流量，mm。

其中，补给流量的计算公式如下：

Wrchrg，i=[1-exp（-1/δgw）]×Wseep+exp（-1/δgw）×Wrchrg，i-1。（5）

式中：Wrchrg，i为第i天的蓄水层补给量，mm；δgw为补给滞后时间，d；Wseep为第i天通过土壤剖面底部进入地下含水层的水分通量，mm/d。

3模型应用

3.1研究区概况

大峡渠灌区位于湟水左岸的青海省海东市乐都区高店镇河滩寨村，水源引自湟水，下游有引胜沟等湟水一级支流作为补充水源。灌区贯穿于湟水左岸青海省海东地区乐都县的高店、雨润、共和、碾伯、高庙5个乡镇的43个行政村和单位。灌区气候干旱少雨、日照充足、蒸发强烈，灌区发展主要靠引黄灌溉。大峡灌区渠道全长57 km，渠首设计流量3.5 m3/s，加大流量3.9 m3/s，年均引水量约7 700万m3，有效灌溉面积3 000 hm2，实际灌溉面积2 666.7 hm2。大峡渠灌区位于河谷平原川水区，该区沿湟水干流及其一级支流呈带状分布，由河滩和1～5级阶地坡洪积扇组成，土体构型较好，质地松，是全县的主要产粮区。灌区主要土地类型有灰钙土、栗钙土、黑钙土、灰褐土、山地草甸土和高山草甸土。灌区种植结构复杂，以小麦、蔬菜和苗木为主。大峡渠灌区干渠退水口29处，毛渠退水口多达198处，目前难以全面进行监测，通过现场查勘选取了一处19.3 hm2的典型地块（有2处进水口，6处退水口）进行详细监测。

3.2计算单元的划分

根据“2.1”节的划分方法，大峡灌区共划分120个子流域，其中各子流域的面积、种植结构如图1所示。图1表明，灌区主要的种植作物为大蒜、蔬菜和土豆，其中蔬菜和大蒜的作物种植比例因子流域的不同而有显著不同，小麦、油菜、苗木和复种比例在各子流域的种植比例差别不大。

3.3模型参数

SWAT模型所需的数据主要包括：（1）子流域划分数据。该数据主要用于流域描述、子流域划分及流域坡度、坡长、主河道长度的确定等。从灌区管理的角度出发，充分考虑作物种植比例及土壤类型，以斗门为基本单位，将大峡灌区划分为120个子流域。（2）土地利用图以及土壤图。这部分数据主要来源于《青海省乐都县土壤志》《青海省乐都县农业区划》等文献资料，并结合现场查勘予以确定，主要用于确定水文响应单元。（3）气象数据。这部分数据主要来源于国家气象局1990—2013年24年间3个气象站的逐日降水量、逐日最高气温、逐日最低气温、日照时数、平均风速、相对湿度等，主要用于计算灌区地表径流量和蒸散发量。（4）土壤性质数据。这部分数据主要通过实地调查取样并通过试验获得，主要用于计算壤中流、地下水等，主要包括土壤机械颗粒组成、干容重、土壤饱和导水率、有效持水量等。（5）作物数据库。这部分数据主要是通过参考试验站的试验数据以及一些参考文献确定的[8]，主要用于计算作物耗水量以及模拟作物生长过程（叶面积指数、作物生长的特征点等）等。（6）基流参数。这部分数据主要是基于《中华人民共和国区域水文地质普查报告——西宁幅、乐都幅》中所确定的水文地质参数并结合相关参考文献予以确定的，主要用于计算地下水。

3.4模型模拟结果验证

利用SWAT建立模型，并将上述参数值进行归纳整理，得到面积、坡度、所包含的水文响应单元（hydrological response unit，简称HRU）及其对应的农业管理文件.mgt，土壤文件.sol、.sub，气象输入文件*.pcp、*.tmp、*.hmd、*.wnd、*.slr、*.pet等，以及作物生长模型参数等，针对典型地块运行SWAT模型，将其结果与通过典型地块的引水和退水分析结果进行对比可知，2013年在田间地块尺度上，耗水系数为052，实际监测结果为0.50，相对误差为4%。模拟计算的土壤含水率与实际监测情况一致，说明土壤参数设置比较合理。由于田间地块充分考虑了各种种植作物、典型引水量和退水情况，因此可将模型参数用于整个灌区，并通过构建SWAT模型进行模拟计算。其中影响灌区耗水量较大的各作物参数如表1所示。

3.5模型计算结果分析

利用所建立的SWAT模型对整个大峡灌区进行模拟，并采用2013年的引水和作物种植比例数据，对模拟结果进行分析，可得到每个子流域的引水量、斗门引水量、进入田间水量、降水量、潜水蒸发量、蒸腾蒸发量、入渗水量、土壤含水量变化量。在扣除突发事故所导致的地表退水后，大峡灌区2013年的总引水量为4 976.0万m3，扣除无效引水后进入到田间地块的水量为2 985.6万m3，作物耗水量为2 130.6万m3，入渗水量为1 634.1萬m3，各水文响应单位耗水系数在0.411～0.699之间，平均耗水系数为0.517。入渗水量与作物耗水量接近，表明进入到田间地块的水只有将近一半为作物所利用，而另一半入渗补给地下水。其中，各个子流域的耗水系数如图2所示。endprint

对图2进一步分析可知，耗水系数曲线可大致分为6段，具体为子区域1～25、26～40、41～60、61～85、86～100、101～120，每一段曲线所对应的耗水系数具有接近的耗水系数值，灌区耗水系数的主要影响因素为子流域的引水量和作物蒸腾蒸发量。对于引水量而言，作物种植面积和作物种植比例是各子区域引水量不同的主要原因； 而作物种植结构和种植比例是导致作物蒸腾蒸发量不同的主要原因； 当子区域内的大

蒜和蔬菜等高耗水量的作物种植比例较大时，其作物蒸腾蒸发量也较大，因此，其对应的耗水系数也较大。模拟结果与实际情况一致，耗水系数较高的子区域同时也是大蒜和蔬菜等种植比例较高的区域，从另外一个侧面反映了模型的准确性。

4结语

本研究基于水量平衡理论，建立了基于SWAT的灌区耗水量及耗水系数计算模型。该模型在大峡灌区的实际应用表明，除了能详细计算灌区总耗水量，还能定量计算各种水平衡要素间的转化关系，从而解决以往方法出现的水量间不平衡

问题。模拟结果表明，就单个子流域而言，作物种植结构和种植比例是导致其耗水系数出现不同的原因；对整个灌区而言，由于进入田间的水量约有一半为入渗损失，虽然该部分水量最终能通过地下水进入到河道，并不构成耗水量部分，但从作物高效利用和水资源高效利用的角度出发，可以减少引水量。

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