自然-社會(huì)水循環(huán)模型估算平原-丘陵-濕地區(qū)水稻種植潛力

宮興龍，付 強(qiáng)，孫愛華，關(guān)英紅，王 斌，李 茉

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自然-社會(huì)水循環(huán)模型估算平原-丘陵-濕地區(qū)水稻種植潛力

宮興龍，付 強(qiáng)※，孫愛華，關(guān)英紅，王 斌，李 茉

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

自20世紀(jì)中葉以來在平原-丘陵-濕地區(qū)隨著井灌水稻熱的興起，水稻種植面積急劇擴(kuò)大甚至超過此類地區(qū)水稻種植潛力，引起了濕地面積萎縮、地下水水位下降和水質(zhì)惡化等問題。為解決這些問題，該文構(gòu)建自然-社會(huì)二元水循環(huán)模型揭示人類影響下的平原-丘陵-濕地區(qū)水循環(huán)機(jī)理，進(jìn)而推算適宜的水稻種植面積。首先，利用數(shù)值法構(gòu)建了基于柵格的分布式水文模型，然后在此模型中嵌入人類活動(dòng)影響模型從而構(gòu)建了二元水循環(huán)模型。根據(jù)水稻種植潛力閾值抽取河道水量極值、地下水最大埋深、地下水最大降深和最大地下水開采量等因素與旱田作物種類組合了18種情景模式。在滿足控制閾值條件下，依據(jù)多年平均日降雨、蒸發(fā)和情景模式利用二元模型計(jì)算了各種情景的水田種植潛力，由潛力分析得：18種模式地下水最大埋深在5.17~7.49 m之間，地下水最大降深在1.67~3.73 m之間；水田處最大坡度范圍0.028~0.053；河道引水量占河道水量的50%~70%；地下水開采比例在79%~112%間；水稻種植潛力為28.36萬hm2~54.12萬hm2，來自旱地面積為21.05萬hm2~40.32萬hm2，來自未利用地面積為5.68萬hm2~11.09萬hm2。以情景模式17為例在水田生育期內(nèi)對(duì)河道生態(tài)需水量、地下水水位和旱地作物蒸發(fā)等進(jìn)行了檢驗(yàn)，驗(yàn)證得到：整個(gè)水稻生育期內(nèi)分區(qū)流域地下水埋深均小于7.12 m，開發(fā)水田的分區(qū)流域基流比最小值為33.45%，分區(qū)流域旱田平均蒸發(fā)與1990年土地類型情景下的分區(qū)流域旱田平均蒸發(fā)的比值大部分位于0.98~1.05，說明水稻生育期內(nèi)情景17對(duì)河道水量和地下水水位的影響在控制范圍內(nèi)，對(duì)旱田蒸發(fā)影響比較小，因此情景模式17的水稻種植潛力是可行的。研究可為描述平原-丘陵-濕地區(qū)的水文循環(huán)過程和推求水田開發(fā)潛力提供依據(jù)。

水循環(huán)；蒸發(fā)；社會(huì)；平原-丘陵-濕地區(qū)；水稻種植潛力；情景模式；格子波爾茲曼法

0 引 言

20世紀(jì)中葉以來三江平原隨著水稻熱的興起，特別是井灌區(qū)的發(fā)展，抽水量越來越大，引起平原-丘陵-濕地區(qū)濕地面積逐漸萎縮，地下水水位下降水質(zhì)惡化，加重了一些區(qū)域水分虧缺態(tài)勢(shì)和發(fā)展不可持續(xù)等問題[1-4]。這些問題產(chǎn)生的主要原因是抽取河道和地下水使水循環(huán)逐漸偏離抽水前的水文循環(huán)，從而使其機(jī)理發(fā)生了變化[5-6]。為了揭示這種變化和防止地下水水位下降水質(zhì)惡化等問題的發(fā)生，必須給出平原-丘陵-濕地區(qū)的水田種植潛力，控制井灌水田面積。針對(duì)水田種植潛力或地下水開發(fā)潛力學(xué)者進(jìn)行了定量的研究。如王韶華等[7]根據(jù)水量平衡原理應(yīng)用農(nóng)業(yè)需水量和地下水可開采模數(shù)2種方法計(jì)算了研究區(qū)水稻適宜種植面積。趙清[8]根據(jù)研究區(qū)農(nóng)業(yè)需水量和降水情況計(jì)算了水稻適宜種植面積。付強(qiáng)等[9]在灌溉定額已知條件下用水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算了三江地區(qū)水稻發(fā)展?jié)摿?。雖已進(jìn)行了富有成效的研究，但存在以下4個(gè)問題：1）在計(jì)算種植潛力時(shí)不論研究區(qū)域多大，總是將其作為一個(gè)整體研究，對(duì)降雨、蒸發(fā)和地下水等影響種植潛力因素的空間分布考慮不足；2）在計(jì)算種植潛力時(shí)大部分研究是利用作物整個(gè)生長期水量供需平衡來計(jì)算潛力，對(duì)于生長期內(nèi)的各個(gè)時(shí)期影響因素考慮不足或者是沒有考慮；3）計(jì)算種植潛力時(shí)采用的模式多數(shù)是集總式或基于集總式的分散水文模型，難于描述土地結(jié)構(gòu)時(shí)空分布對(duì)水文過程量時(shí)空分布的影響；4）對(duì)于種植的作物種類的不同和耕作制度等人類活動(dòng)因素的影響考慮不足。

目前反映人類影響水文循環(huán)的主要工具之一是自然-社會(huì)二元水循環(huán)模型，即在自然水循環(huán)模型里加入人類活動(dòng)影響的水文循環(huán)模型。針對(duì)這一模型學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐碩的研究成果。如王浩等[10-11]依據(jù)自然-社會(huì)二元水循環(huán)模式將下墊面變化和人工取用水作為模型變量，構(gòu)建水資源評(píng)價(jià)新方法。謝新民等[12]從二元水循環(huán)角度研究了人類影響下的華北平原區(qū)地表水與地下水統(tǒng)一評(píng)價(jià)模型。吳普特等[13]進(jìn)一步發(fā)展了這種水模式提出了實(shí)體-虛擬水“二維三元”耦合流動(dòng)理論。張俊娥等[14]利用分布式水文模型MODCYCLE描述天津市二元水循環(huán)，并對(duì)天津市水量平衡狀態(tài)進(jìn)了分析。從這些實(shí)例可以看出，為了揭示人類影響下的多水源區(qū)水循環(huán)機(jī)理，進(jìn)而推算出適宜的水稻種植面積，必須建立人類活動(dòng)影響下的降水、河流水、濕地水、水庫水、灌溉水和地下水等水流運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模型即自然-社會(huì)二元水循環(huán)模型。

鑒于此，為了考慮種植潛力影響因素的時(shí)空分布對(duì)種植潛力的影響，本文構(gòu)建了平原-丘陵-濕地區(qū)基于柵格的分布式水文模型。為了反映人類的影響，在旱田和水田處按照管理制度建立人工控制模型，將此控制模型嵌入分布式水文模型中，構(gòu)成自然-社會(huì)二元水循環(huán)模型。在滿足研究區(qū)域的地下水開發(fā)控制水深和流域生態(tài)需水量等條件下，利用構(gòu)建的流域二元水循環(huán)模型計(jì)算出研究區(qū)的水稻種植潛力。

1 自然-社會(huì)二元水循環(huán)模型構(gòu)建

二元化流域水循環(huán)的重要特征有4個(gè)[10-11]：二元化的水循環(huán)服務(wù)功能、水循環(huán)結(jié)構(gòu)和二元化的參數(shù)、二元化的水循環(huán)路徑、二元化的水循環(huán)驅(qū)動(dòng)力，其示意結(jié)構(gòu)見圖1。二元結(jié)構(gòu)模型的本質(zhì)是將自然與人類影響二元結(jié)合起來描述水循環(huán)，因此其本質(zhì)是二元化。二元模型運(yùn)行的核心是循環(huán)解耦股和參數(shù)的二元化。描述二元作用下的水流循環(huán)路徑或通道是其表征。二元模型運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力是二元化的基礎(chǔ)（圖1）。從圖1可以看出，二元水資源模型的核心是自然和人類共同影響的循環(huán)結(jié)構(gòu)，從建模角度即自然水循環(huán)過程和人工水循環(huán)過程的耦合結(jié)構(gòu)。

圖1 二元水循環(huán)模型結(jié)構(gòu)

1.1 自然水循環(huán)模型

研究三江平原地區(qū)自然水循環(huán)時(shí)，必須考慮到地下水運(yùn)動(dòng)。本文構(gòu)建的自然狀態(tài)下水文循環(huán)模型架構(gòu)如圖2所示。從自然水循環(huán)角度和構(gòu)建模型需要，參照TOPMODEL描述產(chǎn)流的思路，將垂向水流過程分為降雨、根系區(qū)蒸散發(fā)、非飽和帶滲流和飽和帶基流，描述水平向匯流時(shí)將匯流過程分為地表水坡面匯流、地下水匯流和河道洪水波運(yùn)動(dòng)[15]。TOPMODEL模型在描述匯流時(shí)采用的方法是時(shí)間-面積曲線，時(shí)間-面積曲線只能按距離出口等流時(shí)的條帶來描述匯流過程，難于準(zhǔn)確描述匯流的時(shí)空過程。基于此，在構(gòu)建匯流過程時(shí)，本文采用基于格子波爾茲曼法（lattice Boltzmann，LBM）改進(jìn)了TOPMODEL的匯流和非飽和帶土壤水運(yùn)移模塊，在柵格上對(duì)各模塊進(jìn)行松散耦合構(gòu)建基于LBM的分布式TOPMODEL[16-19]，通過調(diào)整柵格大小來改變產(chǎn)匯流過程的時(shí)空尺度。自然水循環(huán)模型的模塊為：面雨量空間分布是根據(jù)雨量站實(shí)測(cè)的降雨采用距離倒數(shù)推求；根系區(qū)的蒸散發(fā)模塊采用TOPMODEL設(shè)計(jì)時(shí)采用的模塊見式（1）；非飽和帶土壤水分運(yùn)動(dòng)采用基于LBM求解的Richards方程而構(gòu)建的水分運(yùn)動(dòng)模塊；坡面匯流模塊是利用LBM求解坡面和河道運(yùn)動(dòng)方程而構(gòu)建的模塊；河流/渠道模塊是利用LBM五速模型求解線性擴(kuò)散波方程而構(gòu)建的模塊；飽和帶水平向土壤水運(yùn)動(dòng)和潛水運(yùn)動(dòng)采用達(dá)西定律建立的數(shù)值模塊。

圖2 自然水循環(huán)模型示意圖

垂向水流運(yùn)動(dòng)模塊主要是解決根系區(qū)、非飽和帶、飽和帶和潛水之間的水流運(yùn)動(dòng)。將網(wǎng)格降雨量和鄰近網(wǎng)格地表水流入量作為根系區(qū)柵格輸入項(xiàng)。輸出項(xiàng)為根據(jù)根系區(qū)含水率和水面蒸發(fā)量計(jì)算的根系區(qū)蒸發(fā)量。根系區(qū)含水率大于根系區(qū)容水量時(shí)，根系區(qū)含水率與根系區(qū)容水量的差值量作為下滲水量。根系區(qū)下滲水量作為非飽和帶上邊界輸入量，由非飽和帶運(yùn)移數(shù)學(xué)模型計(jì)算出非飽和帶下滲入飽和帶的水量。飽和帶含水率達(dá)到田間持水量時(shí)向潛水補(bǔ)給水量。

水平向水流流動(dòng)是按地表、飽和地下水基流和潛水水流3層來模擬的。地表水匯流時(shí)將流域上網(wǎng)格分為平原-丘陵區(qū)和濕地區(qū)。平原-丘陵區(qū)邊界為流域分水線和與濕地交接處，這一區(qū)域采用基于LBM的匯流模型。在垂向產(chǎn)流模塊模擬的網(wǎng)格水深基礎(chǔ)上，利用匯流模型模擬得網(wǎng)格的水深。

1）蒸散發(fā)模塊

流域內(nèi)非農(nóng)田柵格的蒸散發(fā)

式中為蒸散發(fā)，mm；0為水面蒸發(fā)量，mm；max為根系區(qū)最大容水量，mm；S為根系區(qū)缺水量，mm。

2）非飽和帶土壤水運(yùn)移數(shù)學(xué)模型

非飽和帶土壤水運(yùn)動(dòng)采用Richards方程描述

式中D為擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；為導(dǎo)水系數(shù)，m/s；為含水率，cm3/cm3；為距離地面深度，m；為時(shí)間，s。

式（2）采用三速模型可得平衡態(tài)分布函數(shù)

3）飽和帶基流數(shù)值模塊

飽和帶土壤水基流

4）坡面匯流數(shù)值模型

坡面流采用運(yùn)動(dòng)波方程描述

用九速度模型求得式（5）的平衡態(tài)分布函數(shù)為

坡面流水文要素可由式（7）描述：

式中e、e分別為和方向的粒子運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

5）河道匯流數(shù)學(xué)模型

河道水流用線性擴(kuò)散波方程描述

式中c為河道水流波速，m/s；D為河道水流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；為流量，m3/s。

選用五速模型可推得式（8）的平衡態(tài)分布函數(shù)

式中A、B、C、D、E為中間變量。

將離散速度和平衡分布函數(shù)代入式（7），可得河道水流運(yùn)動(dòng)要素。

1.2 人類活動(dòng)影響模型構(gòu)建

研究區(qū)設(shè)定在三江平原下游的撓力河流域。該區(qū)域影響水文循環(huán)的人類活動(dòng)比較多，如縣、農(nóng)場場部生活用水、綠化用水、養(yǎng)殖業(yè)、井灌區(qū)灌溉用水等。由于本地區(qū)生活用水、綠化用水和養(yǎng)殖業(yè)用水等用水與農(nóng)業(yè)用水相比非常小，因此著重研究農(nóng)業(yè)用水對(duì)水循環(huán)的影響。本區(qū)農(nóng)業(yè)用水主要包括旱地農(nóng)作物需水和稻田用水。

1）農(nóng)作物生態(tài)需水量模型

需水量ET采用如下公式

ET=K·ET0（10）

式中K為作物系數(shù)；ET0為潛在蒸散量，mm。

潛在蒸散量采用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith（1998）模型[20]

式中Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，kPa/℃；R為凈輻射，MJ/m2；為土壤熱通量，MJ/m2；為干濕計(jì)常數(shù)；1為空氣平均溫度，℃；2為地面上2 m處風(fēng)速，m/s；e為飽和水汽壓，kPa；e為實(shí)際水汽壓，kPa。

采用聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織推薦的方法[21]和文獻(xiàn)[22-25]提供的方法進(jìn)行修正作物系數(shù)，得撓力河流域作物系數(shù)見表1。

表1 撓力河流域作物系數(shù)

2）河道內(nèi)生態(tài)用水量

河道內(nèi)生態(tài)用水量采用文獻(xiàn)[26]提出的基流比與河道健康狀況對(duì)應(yīng)關(guān)系來描述，見表2。

表2 河道生態(tài)流量健康狀況基流比

3）水稻生育期適宜水深及蒸發(fā)

統(tǒng)計(jì)前人的研究成果[7,27-28]，并根據(jù)實(shí)地調(diào)查、向當(dāng)?shù)厮竟芾聿块T咨詢和理論分析得到建三江地區(qū)的水稻生育期適宜水深和蒸發(fā)量（見表3）。

表3 建三江地區(qū)水稻生育期及適宜水深

注：0為水面蒸發(fā)量。

Note:0is water surface evaporation amount.

4）地下水控制水位

地下水水位觀測(cè)井主要集中在八五三、八五二、和五九七等農(nóng)場，資料年限為1997—2008年。由水位數(shù)據(jù)分析得撓力河流域4月末—5月初地下水埋深為1.15~ 4.56 m。根據(jù)水文地質(zhì)條件，開采水溫條件、社會(huì)生產(chǎn)成本情況、防治鹽堿、提高防洪除澇抗旱庫容和相關(guān)學(xué)者研究成果[29]，提出“理想埋深（水位）”概念。由地下水水位數(shù)據(jù)和參考文獻(xiàn)[29]得三江平原下游建三江地區(qū)理想埋深應(yīng)控制在10～17 m范圍內(nèi)。采用10 m作為控制埋深，由初始埋深最大為4.56 m，得開采地下水時(shí)降深應(yīng)控制在5.44 m以內(nèi)。

2 研究區(qū)概況及模型應(yīng)用

本文實(shí)例為三江平原下游濕地、平原和丘陵交融的區(qū)域-撓力河流域，其基本概況如圖3所示。

圖3 研究區(qū)基本概況

圖3a為流域數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM)。圖3b~圖3d為利用DEM提取的流域水系、流域分區(qū)和流域坡度分布。圖3e和圖3f分別為1990年和2013年的土地利用情況。由圖3e和圖3f可得1990—2013年期間撓力河流域耕地（旱地、水田等）面積由121.21萬hm2增加到137.63萬hm2，耕地面積變化不顯著，但是土地類型空間分布發(fā)生了顯著變化。變化的主要是水田和未利用地，水田面積由11.73萬hm2增加到41.12萬hm2，未利用地由16.56萬hm2減少到1.61萬hm2，大部分轉(zhuǎn)為旱地和水田。旱地面積由109.50萬hm2減少到96.59萬hm2，變化不明顯。

撓力河流域內(nèi)有基巖裂隙孔隙含水層、第四系孔隙承壓含水層、第三系裂隙承壓含水層和第四系孔隙含水層共4個(gè)含水層，其中第四系孔隙含水層較厚供水量充沛，從山前向河谷含水層逐漸增厚，地下水埋深逐漸變淺，地下水易于補(bǔ)給和排泄。撓力河流域農(nóng)業(yè)灌溉用水主要來自于第四系含水層。基于此，本次模擬以第四系含水層為主。該區(qū)的主要補(bǔ)給方式是河流滲漏、降水入滲和側(cè)向地下徑流；人工抽水井開采是地下水排泄的主要方式，在開采量小的時(shí)間里還有一部分河流排泄和側(cè)向徑流排泄。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型驗(yàn)證

降雨量、水面蒸發(fā)量和徑流量來源于水文年鑒，資料年限為1964—1989年。地下水資料取自1997—2008年長觀測(cè)井的觀測(cè)資料。土壤數(shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://westdc.westgis.ac.cn)，其用于估算土壤飽和含水量、田間持水量等水分常數(shù)。依據(jù)1974—1981年資料率定后的參數(shù)，應(yīng)用1982—1989年7場次洪進(jìn)行驗(yàn)證，參加驗(yàn)證的7場次洪的徑流相對(duì)誤差的絕對(duì)值區(qū)間為1.78%~12.24%，平均值為4.97%；洪峰流量擬合相對(duì)誤差的絕對(duì)值區(qū)間為1.71%~11.55%，平均值為4.52%。洪水過程線的確定性系數(shù)區(qū)間為0.67~0.85，平均值為0.75。具體驗(yàn)證過程見文獻(xiàn)[16-18]。

3.2 情景模式設(shè)置及水稻種植潛力分析

3.2.1 情景模式

影響水稻種植潛力的因素較多，包括自然供水能力、旱田作物種類和灌溉管理制度等因素，為了能全面反映這些因素和不同因素組合的影響，采用情景模式加以反映。利用二元模型模擬情景模式對(duì)環(huán)境的影響，優(yōu)選出適用和可靠的情景模式，其水稻種植面積即為水稻種植潛力。

由1997—2008年觀測(cè)井水位記錄信息分析得撓力河區(qū)域多年平均4月末—5月初地下水埋深分布見圖4。圖是撓力河流域可耕地區(qū)域地下水水位信息和非耕地區(qū)域土地類型信息的疊加，非耕地區(qū)域土地類型只有4種，因而圖中土地類型只有4種。為了控制地下水超采和防止地下水水位下降過大設(shè)定3個(gè)指標(biāo)。指標(biāo)1采用地下水埋深，要求最大埋深不超過10 m（即最大降深不超過5.44 m）。指標(biāo)2是水田灌溉末期地下水水位減去水田灌溉初期水位，要求不得超過0.24 m，這是根據(jù)灌區(qū)多年地下水水位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到。指標(biāo)3是地下水開采量。文獻(xiàn)[7,30]在計(jì)算三江平原地下水開采能力時(shí)，認(rèn)為本文研究區(qū)地下水開采比例不應(yīng)超過0.8。文獻(xiàn)[31-32]在計(jì)算開采能力時(shí)，采用地下水開采比例為1時(shí)的開采量為極限開采量。這些文獻(xiàn)提出地下水的開采比例是指一年提水量與補(bǔ)給量之比，本文的開采比例是指水田生育期內(nèi)提水量與補(bǔ)給量之比。水稻生育期開始到次年4月末期間的地下水補(bǔ)給量是生育期內(nèi)補(bǔ)給量的1.1倍。因此本文地下水開采比例設(shè)定0.8、1.0和1.1共3種情景。

為了滿足河道生態(tài)用水，本文設(shè)置河道引水為河道來水量的50%~70%，此時(shí)河道剩余水量為30%~50%，因而河道健康狀態(tài)為一般到良好狀態(tài)范圍。由文獻(xiàn)[33]數(shù)據(jù)可得2003－2012年期間，黑龍江省玉米和水稻耕地面積年均增長分別為14.6%和12.9%，這期間大豆耕地面積急劇遞減。小麥和薯類耕地面積與大豆耕地面積比相對(duì)較小，根據(jù)情景模式將其歸為小麥、玉米和大豆的耕作面積內(nèi)。撓力河流域旱田作物種植情況與黑龍江省情況相似，主要為小麥、玉米和大豆3種。為了反映農(nóng)作物需水對(duì)水田耕地面積的影響和計(jì)算方便，設(shè)置流域旱地呈現(xiàn)小麥、玉米和大豆3種極限種植情況。由以上影響因素歸納為18種情景如表4所示。

圖4 灌溉前期（4月末—5月初）地下水埋深多年平均分布

表4 18種情景模式

3.2.2 水稻種植潛力

開墾水田的原則：1）不占用撓力河流域上已有的林地、建筑物用地、草地和水域用地等用地；2）開墾水田處坡度不大于國家規(guī)定的最大耕地坡度0.176（國家規(guī)定開發(fā)耕地最大坡度）；3）水田開墾是按流域坡度從小到大順序進(jìn)行。當(dāng)水稻生育期水田處水深達(dá)不到表3適宜水深時(shí)，水田取水原則：1）取水田處上游坡面來的水；2）取河道用水，各情景河道取水量占河道水量不得高于表4的引河道水量；3）抽取地下水，要求最大降深不得超過5.44 m。具體計(jì)算潛力過程如下：1）在圖3c的流域分區(qū)內(nèi)按照開墾水田的原則設(shè)定水田分布；2）將多年平均日降雨、蒸發(fā)、旱田分布和水田分布等作為輸入數(shù)據(jù)，利用二元水循環(huán)模型模擬流域水循環(huán)過程；3）將滿足情景控制條件的最大水田面積作為水田種植潛力。

將18種情景模式作為控制因素，多年平均日降雨和蒸發(fā)作為輸入數(shù)據(jù)，利用二元水循環(huán)模型模擬研究區(qū)域水文循環(huán)，得潛力如表5所示。由表5可知：18種情景地下水最大埋深在5.17~7.49 m之間（<10 m）；地下水最大降深在1.67~3.73 m之間（<5.44 m）；開發(fā)水田處最大坡度范圍在0.028~0.053（<0.176）；地下水開采比例在79%~ 112%間，接近110%；時(shí)段末水位減去時(shí)段初水位（水田生育期末地下水水位減去水田生育期初期地下水水位）范圍<0.24 m；水稻種植潛力為28.36萬hm2~54.12萬hm2，來自旱地轉(zhuǎn)入水田的面積為21.05萬hm2~40.32萬hm2，來自未利用地轉(zhuǎn)入水田的面積為5.68萬hm2~11.09萬hm2。

表5 水稻田種植潛力分析

開采地下水比例≥100%的情景有可能產(chǎn)生超采情況，采用情景3、情景6、情景9、情景12和情景15等模式時(shí)必須關(guān)注這一問題。為了盡可能地利用地下水，不予優(yōu)先采用地下水開采比例比較?。?9%）的情景1、情景4、情景7、情景10、情景13和情景16模式。據(jù)文獻(xiàn)[33]可知，近些年來玉米種植面積增加迅速，因此本文推薦情景17模式的水田種植面積為撓力河流域水稻種植潛力如圖5所示。從圖5和圖3可知，流域南部完達(dá)山山脈，西南和東南地勢(shì)比較高，這些地區(qū)為坡度變化較大，被林地覆蓋的低山丘陵帶，不適宜耕地。撓力河流域中部與北部區(qū)域?yàn)榈貏?shì)平緩、地下水資源豐富的地區(qū)，為土地開發(fā)及生產(chǎn)條件優(yōu)越的地區(qū)。

圖5 情景17土地類型分布

3.2.3 河道取水量隨時(shí)間變化情況

為了描述水田生育期內(nèi)河道取水對(duì)河道水量影響，以情景17的水田分布作為水稻種植潛力分布，利用1964—1989年間的平均降雨和水面蒸發(fā)作為輸入數(shù)據(jù)模擬得分區(qū)流域多年平均河道水量。由情景17模擬的分區(qū)流域河道水量除以分區(qū)流域多年平均河道水量得基流比如圖6所示。由圖6和表2可知，開發(fā)水田的分區(qū)流域基流比最小值為33.45%（>30%），即在情景17模式下的河道健康狀況最低程度為一般健康。由圖6可知，分區(qū)流域基流比下降比較快和基流比比較小的時(shí)間發(fā)生在適宜水深相對(duì)于前一個(gè)生育期增加的時(shí)間點(diǎn)后幾天，如水稻返青期和分蘗初開始的最初幾天。

圖6 基流比隨種植水稻天數(shù)變化曲線

3.2.4 地下水水位隨時(shí)間變化情況

采用情景17情況水田布局，利用構(gòu)建的二元水循環(huán)模型模擬的分區(qū)流域地下水埋深隨時(shí)間變化過程線如圖7a所示。由圖7a可知：水稻生育期內(nèi)地下水埋深均小于7.12 m；地下水埋深在水田耕作期的最初1~38 d內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但不是十分明顯；在39~92 d期間地下水埋深下降比較明顯；在93~120 d期間地下水水位緩慢的恢復(fù)；121~151 d期間地下水恢復(fù)過程明顯加快。由表3可知，水田耕作期的頭38 d是泡田、插秧期和返青期，這一期間水田蒸發(fā)量比較小，而這一期間河道引水量和降雨量能滿足水田大部分用水，因此這段時(shí)間內(nèi)地下水埋深下降趨勢(shì)不是十分明顯。而在39~92 d期間是水稻生長的主要階段，蒸發(fā)量非常大，分蘗期達(dá)到9.61 mm，這時(shí)期降雨和河道水量滿足不了蒸發(fā)量，大量開采地下水導(dǎo)致地下水迅速降低呈現(xiàn)圖7a所示的過程。93~120 d為抽穗期到黃熟期，這一時(shí)期水田用水量逐漸減小，地下水進(jìn)入恢復(fù)期。120 d后水稻成熟后不需要水，由于濕地和降雨的補(bǔ)給，地下水水位進(jìn)入快速恢復(fù)期。為了能反映種植水稻期間地下水最大埋深的空間分布情況，按分區(qū)流域繪制了地下水最大埋深分布圖如圖7b所示。由圖7b、圖3可知，地下水最大埋深發(fā)生在流域上游山丘區(qū)與平原區(qū)域交接處的分區(qū)流域，究其原因?yàn)檫@些區(qū)域地下水賦存條件不好和距離流域內(nèi)較大的河流較遠(yuǎn)，導(dǎo)致其利用地下水比例大于其他區(qū)域。

圖7 地下水埋深隨時(shí)間變化及其最大值空間分布

3.2.5 旱地作物蒸發(fā)隨時(shí)間變化情況

為了檢驗(yàn)水田種植面積擴(kuò)大之后對(duì)旱地作物的影響，在相同的降雨和模型參數(shù)情況下，利用二元模型模擬情景17土地類型情況下的分區(qū)流域旱田平均蒸發(fā)與1990年土地類型情景下的分區(qū)流域旱田平均蒸發(fā)的比值如圖8所示。從圖8可知，從種植水田起到距離種植水田起始日的120 d里，該比值的范圍位于0.95~1.16，多數(shù)值位于0.98~1.05。最大值出現(xiàn)于第32天的1.16，其次位于第69 天的1.15，比值>1的部分出現(xiàn)于種植水稻的第30天和第65天周圍。由表3可知，在第32~38天區(qū)間時(shí)水稻處于返青時(shí)期蒸發(fā)量比較小，這時(shí)的降雨足以滿足蒸發(fā)，水田多余的水量被排出，導(dǎo)致水田周圍的旱田蒸發(fā)量增大。種植水田的第62~63天是曬田時(shí)期，需要將水田水放出來，這導(dǎo)致水田周圍的旱田蒸發(fā)增大。

圖8 情景17分區(qū)流域旱田平均蒸發(fā)與 1990年分區(qū)流域旱田平均蒸發(fā)比值

綜上，情景17的水田處最大坡度0.051，小于國家規(guī)定開發(fā)耕地最大坡度0.176；耕地主要來自未利用地和旱地，未開發(fā)撓力河流域林業(yè)、草業(yè)和濕地等資源；情景17抽取地下水灌溉水田時(shí)地下水最大埋深為7.12 m，小于研究區(qū)控制埋深10 m；情景17水田灌溉末期地下水水位減灌溉開始時(shí)地下水水位值為0，說明在灌溉結(jié)束時(shí)地下水水位已恢復(fù)；情景17對(duì)河道水量影響顯著，基流比最小值為33.45%（>30%），處于一般健康狀態(tài)；情景17的旱地蒸發(fā)與1990年土地類型旱地蒸發(fā)之比位于0.95~1.16間，大部分值位于0.98~1.05之間。這些數(shù)據(jù)表明水稻生育期內(nèi)情景17對(duì)河道水量和地下水水位的影響在控制范圍內(nèi)，而對(duì)旱田蒸發(fā)影響比較小，因此可得情景17所得水田種植潛力是可行的。

4 討 論

土地利用變化和人類活動(dòng)對(duì)水文循環(huán)產(chǎn)生影響，而反過來水文循環(huán)變化又影響人類活動(dòng)和土地利用，他們之間存在復(fù)雜關(guān)系[18]。本文參照TOPMODEL模型[12]和二元水循環(huán)模型[10-12]建模模型的思路和方法，用數(shù)值法構(gòu)建了基于柵格的分布式水文模型，在模型中嵌入人類活動(dòng)影響模型從而構(gòu)建了二元水循環(huán)模型。模式在考慮人類活動(dòng)時(shí)，沒有考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)的影響，僅考慮旱田和水田等的人類活動(dòng)，對(duì)建三江地區(qū)居住者生活和綠化等用水沒有考慮。水田適宜水深、蒸散發(fā)量和作物系數(shù)等受耕作者習(xí)慣、氣候和種植區(qū)域地形地貌等因素綜合影響[34]，難以準(zhǔn)確定量化，本文獲得的這些量可能與實(shí)際量存在一定程度的偏差。在使用作物系數(shù)時(shí)，由于難定量描述農(nóng)作物播種前的灌溉需水量，使得計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際可能存在偏差。由于受研究區(qū)域地質(zhì)和地下水資料限制，在分析地下水水位、埋深、降深和開采地下水比例時(shí)是按圖3c的流域分區(qū)進(jìn)行的。如資料充足可按照更小的尺度計(jì)算種植潛力，這時(shí)的潛力數(shù)據(jù)與本文的計(jì)算數(shù)據(jù)應(yīng)存在一定程度的偏差。

5 結(jié) 論

在撓力河流域建立了二元水循環(huán)模型，由洪峰流量擬合相對(duì)誤差的絕對(duì)值區(qū)間為1.71%~11.55%和洪水過程線的確定性系數(shù)區(qū)間為0.67~0.85可得，模型較好地反映研究區(qū)的水文循環(huán)過程。采用該模型研究人類影響的平原-丘陵-濕地區(qū)的水循環(huán)機(jī)理，主要結(jié)論如下：

1）18種模式地下水最大埋深在5.17~7.49 m之間，地下水最大降深在1.67~3.73 m之間；水田處最大坡度范圍0.028 ~0.053；河道引水量占河道水量的50%~70%；地下水開采比例在79%~112%間；時(shí)段末水位減去時(shí)段初水位下降范圍<0.24 m；水稻種植潛力為28.36萬hm2~ 54.12萬hm2，來自旱地面積為21.05萬hm2~40.32萬hm2，來自未利用地面積為5.68萬hm2~11.09萬hm2。

2）情景17模式下的分區(qū)流域基流比最小值為33.45%，河流健康狀況為一般健康。分區(qū)流域水稻生育期內(nèi)地下水埋深均小于7.12 m，水田種植對(duì)旱田蒸發(fā)有一定影響，但影響比較小，情景17所得的水田種植潛力是可行的。

在水文氣象、水文地質(zhì)、灌溉制度和地下水水位等資料不足情況下，構(gòu)建的二元水循環(huán)模型按分區(qū)流域盡最大可能利用這些資料，為描述平原-丘陵-濕地區(qū)的水文循環(huán)過程和推求水田開發(fā)潛力提供了參考。

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Rice planting potential in plain-hill-wetland area estimated by nature-society water cycle model

Gong Xinglong, Fu Qiang※, Sun Aihua, Guan Yinghong, Wang Bin, Li Mo

(150030,)

With the increasing of well irrigation for rice since the middle of 20 Century, planting area of plain-hill-wetland region has expanded rapidly over its planting potential. And this phenomenon has caused a series of problems, such as the shrinking of wetland area, the decline of groundwater level and the deterioration of water quality. In order to prevent these problems, a two element water cycle model should be constructed to reveal the water cycle mechanism of plain-hill-wetland area under the influence of human activities, and to calculate the suitable area of rice planting. A grid-based distributed hydrological model was constructed by numerical method. The absolute value of relative error between fitted and measured flood peak discharge was in the range of 1.71%-11.55%. The determination coefficient of flood process line was in the range of 0.67-0.85. It indicated that the model could well simulate the hydrological cycle process in the study area. And then a two element water cycle model was further constructed by embedding the influence of human activities. According to the threshold of rice planting potential, parameters such as the maximum groundwater depth and the maximum groundwater level drawdown were extracted. And 18 kinds of scenarios were constructed by different combinations of the parameters and crop species in dry land. The planting potential of paddy field under various scenarios was calculated using the two element model under the condition of satisfying the control threshold, according to mean annual rainfall, evaporation and scenarios. It is observed that the maximum groundwater depth was 5.17-7.49 m, the maximum groundwater level drawdown was 1.67-3.73 m, the maximum slope of the paddy field was in the range of 0.028-0.053, the river water division flow was 50%-70%, the ratio of groundwater extraction was 79%-112%, the rice planting potential was 2.836×105hm2-5.412×105hm2, the area from the dry land was 2.105×105hm2- 4.032×105hm2, and the area from the unused land was 5.68×104-1.109×105hm2for the 18 kinds of scenarios. Taking scenario 17 as an example, the river ecological water demand, groundwater depth and evaporation of dry land crops were tested during the growth stage of paddy fields. In the whole rice growing season, the groundwater depth was less than 7.12 m, and the minimum value of base flow ratio in the developed paddy field was 33.45%. The ratio of mean evaporation from dry land of subdivisions in scenario 17 to that under the same land use scenario in 1990 was in the range of 0.98-1.05. It indicated that the effect of scenario 17 on the river water and groundwater level in the rice growth period was within the control range, while the effect on the dry field was relatively small. Hence, the scenario 17 was the optimal one for application. Currently, the parameters such as hydrometeorology, hydrogeology, irrigation system and groundwater depth were not available. However, the water cycle model constructed in the present study could provide valuable information for describing the hydrological cycle process in plain-hill-wetland area and seeking the potential of paddy field development, based on the full use of the limited parameters.

water cycle; evaporation; society; plain-hill-wetland area; rice planting potential; scenario; LBM

2018-07-30

2018-12-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51408107）；黑龍江省科學(xué)基金項(xiàng)目（E2017009）；農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的開放基金（KF201501）

宮興龍，副教授，博士，主要從事流域水文模型研究。 Email：gongxl@neau.edu.cn

付強(qiáng)，教授，博士，主要從事水土資源高效利用研究。 Email：fuqiang@neau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.017

S273.4; S165+.27

A

1002-6819(2019)-01-0138-10

宮興龍，付 強(qiáng)，孫愛華，關(guān)英紅，王 斌，李 茉. 自然-社會(huì)水循環(huán)模型估算平原-丘陵-濕地區(qū)水稻種植潛力[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(1)：138－147. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.017 http://www.tcsae.org

Gong Xinglong, Fu Qiang, Sun Aihua, Guan Yinghong, Wang Bin, Li Mo. Rice planting potential in plain-hill-wetland area estimated by nature-society water cycle model [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 138－147. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.017 http://www.tcsae.org