采用WetSpass模型評價松嫩盆地降水入滲補(bǔ)給量

林 嵐，梁團(tuán)豪，王曉昕

（水利部松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

松嫩盆地的地下水資源分布廣泛、水質(zhì)好，是盆地內(nèi)水資源的重要組成部分。降水是松嫩盆地地下水的主要補(bǔ)給來源。由于降水入滲補(bǔ)給量受降水、蒸發(fā)、氣溫、風(fēng)速、土壤、植被、坡度和地下水位埋深等因素的影響，降水入滲過程異常復(fù)雜。

1 松嫩盆地概況

松嫩盆地位于松遼流域北部，東、北、西三面分別以長白山、小興安嶺、大興安嶺山地為界，南部隔松遼分水嶺與西遼河平原毗鄰，總體上呈北北東向延展的菱形形態(tài)。區(qū)域地理坐標(biāo)為：東經(jīng)121°24'～128°21'，北緯 43°35'～49°27'。行政區(qū)包括吉林省的長春、白城、公主嶺、鎮(zhèn)賚等15個市縣；黑龍江省的哈爾濱、齊齊哈爾、大慶、五大連池等37個市縣；此外還包括內(nèi)蒙古自治區(qū)部分縣旗的小部分。總面積18.8×104km2，總?cè)丝? 230.5萬。研究區(qū)內(nèi)交通方便，鐵路、公路網(wǎng)縱橫交錯。

2 WetSpass模型

2.1 模型介紹

WetSpass（Water and Energy Transfer between Soil,Plants and Atmosphere under quasi-Steady State）是比利時布魯塞爾自由大學(xué)Batelaan和De Smedt教授開發(fā)的一種分布式降水入滲補(bǔ)給量評價模型。模型的計(jì)算過程如圖1所示，降水量、土壤質(zhì)地、土地利用等數(shù)據(jù)以柵格的形式輸入，土壤參數(shù)、徑流參數(shù)和土地利用參數(shù)以DBF的格式輸入，模型通過對以上數(shù)據(jù)的計(jì)算輸出年降水入滲補(bǔ)給量、區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量和蒸發(fā)蒸騰量等，輸出數(shù)據(jù)的格式為柵格格式。

圖1 模型計(jì)算流程圖

2.2 模型的基本原理

WetSpass模型是一個分布式計(jì)算模型，在空間上將研究區(qū)劃分大小相同的柵格，以每個柵格為一個水量平衡計(jì)算單元。每個柵格的每一項(xiàng)水量平衡分量（如蒸發(fā)蒸騰量、區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量等）是通過進(jìn)一步將每個柵格的土地利用/覆被類型劃分為植被覆蓋地、裸地、水面和不透水地4種類型分別計(jì)算的，然后再將各種不同類型區(qū)域計(jì)算出的同一項(xiàng)分量加和就是整個柵格的該項(xiàng)水量平衡分量。

降水是水量均衡計(jì)算的起點(diǎn)，然后發(fā)生截留、區(qū)內(nèi)產(chǎn)流、蒸發(fā)蒸騰和補(bǔ)給。這個順序是整個過程定量計(jì)算的先決條件。

2.3 模型的適用性

降水入滲補(bǔ)給過程復(fù)雜，降水入滲補(bǔ)給的影響因素眾多，降水入滲補(bǔ)給的任何一個影響因素發(fā)生變化都會對降水入滲補(bǔ)給量產(chǎn)生影響。降水入滲補(bǔ)給的主要影響因素，如土地利用/覆被條件、氣候、土壤質(zhì)地和地下水位埋深等都在WetSpass模型中分別有所體現(xiàn)。WetSpass模型可以模擬氣候和土地利用/覆被條件等任一降水入滲補(bǔ)給量的主要影響因素變化，對區(qū)域降水入滲補(bǔ)給量的影響。

WetSpass模型是分布式的降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算模型，它在空間上將研究區(qū)劃分為大小相同的柵格，以每個柵格為一個水量平衡計(jì)算單元，計(jì)算每個單元的降水入滲補(bǔ)給量。因此，采用WetSpass模型進(jìn)行降水入滲補(bǔ)給量評價時，可以根據(jù)資料的精度確定柵格的大小。

3 評價降水入滲補(bǔ)給量

3.1 模型數(shù)據(jù)

模型輸入數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)兩部分。輸入的柵格數(shù)據(jù)在ArcGIS中進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一各輸入數(shù)據(jù)柵格的大小，每個柵格為1 472 m×1 472 m，整個松嫩盆地共被剖分為86 813個柵格，每個柵格為一個獨(dú)立的水量平衡計(jì)算單元。模型中輸入的柵格數(shù)據(jù)是：①土壤質(zhì)地圖；②土地利用；③地形；④坡度；⑤降水量；⑥蒸發(fā)；⑦溫度；⑧風(fēng)速；⑨地下水位埋深。

3.2 評價結(jié)果

采用WetSpass模型評價了松嫩盆地90年代年均降水入滲補(bǔ)給量、區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量和蒸發(fā)蒸騰量。評價結(jié)果詳見表1。分析表中數(shù)據(jù)，在各地下水亞系統(tǒng)中，90年代年均降水入滲補(bǔ)給量最大的是松花江流域高平原地下水亞系統(tǒng)，其降水入滲補(bǔ)給量達(dá)123.20 mm；降水入滲補(bǔ)給量最小的是中央低平原地下水亞系統(tǒng)，該亞系統(tǒng)的降水入滲補(bǔ)給量僅為5.60 mm。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 空間相關(guān)性分析

模型計(jì)算的松嫩盆地90年代年均降水入滲補(bǔ)給量、區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量和蒸發(fā)蒸騰量在空間分布上差異都較大，這可能是由松嫩盆地的土壤質(zhì)地、土地利用/覆被條件等空間分布差異所引起。為進(jìn)一步研究降水入滲補(bǔ)給量的影響因素和評價結(jié)果在空間上的相關(guān)性，這次研究采用Whitman等1999年提出的地圖數(shù)據(jù)空間分布相關(guān)分析方法，分析松嫩盆地降水入滲補(bǔ)給量、區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量和蒸發(fā)蒸騰量與土壤質(zhì)地、土地利用/覆被類型空間分布的

表1 松嫩盆地90年代各地下水亞系統(tǒng)及子系統(tǒng)年均降水入滲補(bǔ)給量

相關(guān)關(guān)系。

表2 降水入滲影響因素與評價結(jié)果之間的Cramer’s V系數(shù)

分析表中的數(shù)據(jù)可知，土地利用/覆被類型、土壤質(zhì)地與蒸發(fā)蒸騰量、區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量和降水入滲補(bǔ)給量都有較好的空間相關(guān)性，其中土壤質(zhì)地與評價結(jié)果的相關(guān)性更強(qiáng)，土壤質(zhì)地與蒸發(fā)蒸騰量、區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量及降水入滲補(bǔ)給量的Cramer’s V系數(shù)分別達(dá)到0.75，0.75和0.65?？梢娡寥蕾|(zhì)地的空間分布是蒸發(fā)蒸騰量、區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量和降水入滲補(bǔ)給量空間分布的主要影響因素，其次為土地利用。蒸發(fā)蒸騰量、區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量和降水入滲補(bǔ)給量之間也具有一定的空間相關(guān)性，其中以蒸發(fā)蒸騰量和區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量之間的相關(guān)性最高，Cramer’s V系數(shù)達(dá)0.61。

3.3.2 評價結(jié)果分析

氣候、土壤質(zhì)地和土地利用/覆被條件都對降水入滲補(bǔ)給量、蒸發(fā)蒸騰量和區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量的大小及其空間分布有影響。為進(jìn)一步分析各影響因素對評價結(jié)果的影響程度，分別統(tǒng)計(jì)不同氣候條件分區(qū)內(nèi)的平均降水入滲補(bǔ)給量，各種不同土壤質(zhì)地分區(qū)內(nèi)的平均降水入滲補(bǔ)給量和不同土地利用/覆被類型分區(qū)內(nèi)的平均降水入滲補(bǔ)給量。

氣候因素主要包括降水、蒸發(fā)、溫度和風(fēng)速，在4個因素中降水和蒸發(fā)對降水入滲補(bǔ)給量的影響非常重要。因此，這次研究根據(jù)90年代年均蒸發(fā)量和降水量的比值，計(jì)算出松嫩盆地水資源四級區(qū)套行政二級區(qū)的干旱指數(shù)。依據(jù)干旱指數(shù)范圍，將研究區(qū)分為3個區(qū)，分別為干旱指數(shù)小于1的濕潤區(qū)，干旱指數(shù)在1～1.5之間的半濕潤區(qū)和干旱指數(shù)在1.5～3之間的半干旱區(qū)。分別統(tǒng)計(jì)濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)的90年代年均降水入滲補(bǔ)給量。濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)和半干旱區(qū)的年均降水入滲補(bǔ)給量分別為 234.40 mm，130.04 mm和25.90 mm。盡管各分區(qū)內(nèi)的土地利用/覆被和土壤質(zhì)地等條件不同，但從濕潤－半濕潤－半干旱區(qū)，區(qū)內(nèi)的年均降水入滲補(bǔ)給量明顯降低，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的規(guī)律性。

松嫩盆地的土地利用/覆被類型共有11種，統(tǒng)計(jì)出松嫩盆地各土地利用/覆被類型區(qū)內(nèi)90年代年均降水入滲補(bǔ)給量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明旱地區(qū)域的平均降水入滲補(bǔ)給量最大，其次為林地、水田和居民生活用地，最小的為水體，其降水入滲補(bǔ)給量為零。為研究土地利用/覆被類型不同對降水入滲補(bǔ)給量的影響，改變原模型的輸入數(shù)據(jù)，將模型輸入的氣候因素改為整個盆地的均值，整個盆地的土壤質(zhì)地類型都統(tǒng)一為砂土。根據(jù)模型的計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)不同土地利用/覆被類型區(qū)的年均降水入滲補(bǔ)給量，其年均降水入滲補(bǔ)給量從大到小以次為旱地、低覆蓋草地、中覆蓋草地、高覆蓋草地、疏林地、林地、居民生活用地、鹽堿地、水田、濕地、水體。生長植被的地區(qū)如旱地、中覆蓋草地降水入滲補(bǔ)給量的差異主要是由區(qū)域內(nèi)的植被蒸騰差異引起的。居民生活用地、鹽堿地的降水入滲補(bǔ)給量較低，是由于在這2種類型區(qū)內(nèi)都有不透水的區(qū)域存在，如城市修建的公路、房屋，土地鹽堿化后也可形成不透水或弱透水區(qū)域。

4 結(jié)論

1）松嫩盆地的降水入滲補(bǔ)給量、蒸發(fā)蒸騰量和區(qū)內(nèi)產(chǎn)流量，都與土壤質(zhì)地和土地利用/覆被類型有很好的空間相關(guān)性。

2）在松嫩盆地各地下水亞系統(tǒng)中90年代年均降水入滲補(bǔ)給量，最大的是松花江流域高平原地下水亞系統(tǒng)，其降水入滲補(bǔ)給量達(dá)123.20 mm；降水入滲補(bǔ)給量最小的是中央低平原地下水亞系統(tǒng)，該亞系統(tǒng)的降水入滲補(bǔ)給量僅為5.60 mm。

3）從濕潤區(qū)—半濕潤區(qū)—半干旱區(qū)，降水入滲補(bǔ)給量由大到小。

4）盆地內(nèi)各土壤質(zhì)地類型的入滲補(bǔ)給能力從大到小依次是砂土、砂壤土、粉砂土、粉砂壤土和砂質(zhì)粘土。

5）盆地內(nèi)各土地利用覆被類型的入滲補(bǔ)給能力，從大到小依次是旱地、低覆蓋草地、中覆蓋草地、高覆蓋草地、疏林地、林地、居民生活用地、鹽堿地、水田、濕地和水體。

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