基于土地利用类型的水均衡方法及应用

贺国平 张 彤 孙晋炜 M. Birkle O. Krol 李恒义

（1. 北京市水利规划设计研究院 北京 100048 2. IITB Fraunhofer Institut Karlsruhe）

1 前言

地下水资源评价是在一定的天然和人工条件下，对地下水资源的质和量在使用价值和经济效益等方面进行综合分析、计算和论证。地下水资源量评价方法有水均衡法、解析法、数值法、开采试验法、水文分析法等，每种方法都有各自的适用范围。

水均衡法运用物质不灭原理来分析计算地下水量，是其它水资源评价方法的基础。水均衡法虽然是一种集中参数方法，但在一定条件下也能取得较为满意的结果。水均衡法可粗可精，适应性强，广泛应用于我国区域地下水资源、水源地可开采量的评价中。此外，水均衡方法可以为数值模拟方法提供辅助性验证，两种方法相辅相成，可以为区域地下水可持续开发利用提供科学依据。

水均衡法原理明确，计算公式简单，地下水均衡要素计算以地下水系统为对象，计算项目较多，有些均衡要素难于准确预测，造成计算结果误差很大。随着人类活动对地下水系统影响的加剧，环境生态问题日益突出，现有地下水资源评价方法的局限性越来越明显；因此，迫切需要对已有的评价方法进行拓宽和深化。

传统地下水均衡计算是一种宏观评价方法，有其自身优势，但已无法适应城市下垫面快速变化、尤其像北京市这样的缺水型大城市对地下水资源开发与管理的现实需要。特大型城市土地利用方式变化迅速，针对地下水资源评价如何响应城市土地利用方式的变化，提高评价的准确性问题，本文提出了基于土地利用类型的水均衡评价方法。

2 基于土地利用类型的水均衡评价方法8

严格的说，降雨、灌溉、部分地表水体并不是直接与地下水系统发生水力联系，它们均是透过表层土壤层才到达含水层。因此，地下水垂向补给量最重要的影响因素是下垫面条件，即土地利用类型与土壤岩性。基于土地利用类型的水均衡评价方法以地表水系统与地下水系统的联系纽带——下垫面为研究对象，通过为每种土地利用类型建立相应的水量平衡方程式，间接地计算出地下水补给量。

3 水 平衡方程式

一般地，平原区常见的土地利用类型有以下10种：水田、旱地、有林地、灌木林、疏林地、果园、草地、水域、城镇用地、农村居民点。根据水量平衡方程式的差异，可将它们归并为五组：

（1）第一组：灌木林、天然草地、疏林地

本组特点是不需要灌溉，降水是水量的唯一输入（图1），水量平衡方程式如下：

式中，Prec为降水量、SWRPrec为降水补给地表水量、GWRPrec为降水补给地下水量、ETPrec为蒸发蒸腾量、Preceff为有效降雨量。

图1 第一组土地利用类型的水 平衡图

式（1）中假定：

①水量交换主要发生在垂向，水平方向的壤中流可以忽略。

②SWRPrec与Prec成正比，即：

nET为系数，也仅与土地利用类型有关。由此可以推出下式：

进行水量平衡计算时，首先需要根据当地的土地利用类型评价nET和nSWR值。

式（1）是最基本的水量平衡方程式，是其它四组水量平衡方程式的基础，同时，上述假设对其它四组也一样成立。

（2）第二组：水田、旱地

本组特点是需要灌溉（图2），水量平衡方程式如下：

图2 第二组土地利用类型的水 平衡图

式中，Irr为灌溉量、ETIrr为灌溉的蒸发蒸腾量、SWRIrr为灌溉补给地表水量、GWRIrr为灌溉补给地下水量。

由于北京地处干旱半干旱地区，蒸发蒸腾量非常大，nET可达0.7~0.95，与此同时，北京的农业节水水平很高，因此，灌溉对地表水的补给SWRIrr可以忽略，式（7）可以简化为：

灌溉量Irr是未知数，由作物需水量WD、降雨强度及分布、作物类型及生长期等确定。

（3）第三组：果园、有林地

本组土地利用类型与第二组相同，特点是植物截留大，对地下水补给（GWR）及灌溉量（Irr）小，方程同式（8）。

（4）第四组：城镇用地、农村居民点

本组的特点是产生污水，同时污水用于农业灌溉，并补给地下水（图3）。水量平衡方程式如下：

式中，WW 为污水量、WWIrr为污水灌溉量、GWRWW为污水补给地下水量、ETWW为污水蒸发量、WWO为流向下游的污水量，WWDL为污水弥散损失。式（10）是在方程（1）上加了污水的水量平衡方程式。

图3 第四土地利用类型的水 平衡图

（5）第五组：水域

第五组为水域，包括永久性水域和季节性水域。水量输入包括三部分：水域本身的SWRPrec，等于降雨量Prec；其次，非水域获得的地表水补给通过河网进入水域，即SWRNWA；第三是上游径流SWI。水量输出项包括蒸发量ET、补给地下水量GWR和出流SWO（图4）。水量平衡方程式如下：

水域的面积变化受三个因素的影响：降雨Prec、地表产流SWRNWA和上游径流SWI。对干旱半干旱地区，可以认为水域面积的变化主要受降雨量影响。

在丰水年份，洼地、草地可以蓄水演化为季节性水域，而季节性水域蓄水后变为永久性水域；在干旱季节，水域面积缩小，甚至退化为沼泽地及草地。因此，为了反应水域面积的变化，定义一种新的土地利用类型——新草地（New Meadow，简称NM）来描述季节性水域退化后的状态，这种新草地与一般草地具有相同的属性，其水量平衡同（1）。

引入水域面积权重f，计算公式如下：

式中，PrecEval为评价年的降水量，PrecBefore为评价年前一年的降水量，PrecMean为多年平均降水量。当 fi<1时，水域退化为草地（反方向演化），当fi>1时，草地演化为水域（正方向演化）（图5）。

图4 第五组土地利用类型的水 平衡图

图5 水域与草地之 化示意图

图6 地下水系统水 平衡图

（6）地下水系统水均衡地下水系统的补给包括地表水补给 GWRSW（等于 GWRWA）、降雨补给GWRPrec、灌溉补给GWRIrr、污水补给GWRww、山前侧渗补给GWI，排泄包括开采ExplGW_Total、地下水出流GWO，代数和即为蓄变量△GW，如△GW>0，则地下水位上升，蓄变量增加；如△GW<0，地下水位下降，地下水超采（图6），方程式如下：

4 应用——以北京平原区为例

采用ARCGIS软件对2000年的北京平原区土地利用图（比例尺1:10万）进行分类统计，平原区面积 6301.4km2，第一组、第二组、第三组、第四组与第五组土地利用类型的面积分别为 55.0、3718.5、309.6、1980.9与237.4km2，占平原区总面积的比例分别为0.9%、59.0%、4.9%、31.4%与3.8%。采用多年平均降雨量585mm，预测平原区地下水垂向总补给量为 17.4亿m3，其中第一组、第二组、第三组、第四组与第五组对地下水的补给量分别占0.7%、49.3%、2.8%、22.3%与24.9%，对地下水的补给强度分别为22.4、23.1、16.0、19.5与182.3万m3/km2。从对地下水补给强度来看，第五组水域对地下水的补给强度最大（图7），以后依次是第二组、第一组、第四组、第三组。

图7 不同土地利用类型的地下水补给 强度比

与传统水均衡项算法相比，LUWB法有显著的优点：（1）LUWB法考虑了均衡项污水。根据对北京市供水资料的统计分析，供水管网渗漏率高达15%，以此推算全市排水管网的渗漏量相当可观。因此，第四组城镇用地与农村居民点虽然硬化面积大，降水对地下水补给量大大减少，但由于管网的渗漏，该组对地下水的补给强度并不小。（2）LUWB法根据不同作物不同生长期的需水量扣除同期降水量来计算实际灌溉量。（3）基于LUWB法采用计算机编程可为数值模型提供高精度的时空离散的水均衡数据。

5 结语

传统水均衡计算方法以地下水系统为对象，计算公式简单，结果误差很大，已无法适应城市下垫面快速变化、尤其像北京市这样的缺水型大城市对地下水资源开发与管理的现实需要。基于土地利用类型的水均衡评价方法以下垫面为研究对象，不但考虑了污水对地下水的补给，而且可以合理预测农业灌溉对地下水的补给量，可为地下水模型提供高精度的水均衡数据。