灌区水资源循环转化研究进展

黄修桥，郭圆圆，徐建新

(1.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡453003;2.华北水利水电学院，河南郑州450045)

21世纪全球普遍面临人口、资源与环境问题的三大挑战，其中，水资源危机是三大挑战中的核心［1］.随着社会的发展，水资源短缺和水环境污染的问题愈发严重，这就使得水资源开发利用的类型向多样化发展，表现为由单一水资源的利用变为多种水资源的联合利用，常规水资源与非常规水资源的联合利用.灌区水资源种类的增多，促使对灌区水资源循环转化研究的兴起，其关注要点主要是灌区可用水资源种类、人类活动影响地下水循环演变机理、灌区水资源优化调度模式等.灌区水资源循环转化关系的研究对于探讨复杂环境下多种水资源循环转化过程、水资源高效利用及调控和生态环境保护具有重要的理论和实践意义，可为解决灌区水资源短缺问题提供理论基础和科技支撑.

进行灌区水资源循环转化关系的研究，要明确灌区大气水－地表水－土壤水－地下水的转换机制，促使水资源向有利的方向转化，避免水资源浪费，实现水资源的合理配置，达到节水灌溉、缓解灌溉用水短缺的目的.也就是，充分利用天然降水，积极开发新型水源，调节性地使用地表水，保护性地开采地下水，高效地转化为供给植物利用的土壤水.

1 灌区水资源循环转化研究进展

1.1 田间尺度水资源循环转化研究

近一个世纪以来，人们一直在通过各种方式致力于研究土壤、大气、植物之间的相互关系，随着土壤物理学、植物生理学、农田水利学的发展和农业生产的实际需要，这些方面的研究取得了较大进展.1966年，澳大利亚水文与土壤物理学家Philip提出了较完整的关于“土壤－植物－大气连续体”(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC)的概念［2］，将“土壤－植物－大气连续体”作为一个整体，用连续、系统、动态的观点和统一的能量标准去定量研究系统中水分运移、热能传输的物理学和生理学机理及其调控理论，奠定了现代农田水分研究的理论基础.20世纪80年代中后期，雷志栋提出了大气水、地表水、土壤水、地下水之间的“四水”转化概念，首次论证了地下水入渗补给的存在及其补给系数，提出了新的潜水蒸发公式，从理论和实践上对给水度概念做出了正确解释.之后又于1998年在对我国内陆干旱区平原绿洲水土资源利用的研究中，提出了以土壤水为中心的农区－非农区的“四水”转化概念模型［3］，对潜水蒸发的有效性、绿洲内生态耗水、内陆干旱的旱排作用进行了分析讨论.1995年康绍忠等［4－5］建立了麦田“五水”(大气水、地表水、地下水、土壤水和植物水)转化的动力学模式，揭示了麦田水分微循环的规律，定量地给出了麦田水量转化的关系.2005年，周爱国等［6］在对西北内陆盆地水分垂直循环的研究中，将“四水”垂直循环这一微观水文循环过程与区域水文循环过程相结合，实现了由田间尺度向区域水循环关键尺度的转化.2011年马欢等［7］改进Hydrus－1D模型模拟了田间水分运移过程，与实测土壤含水率相比，模型具有较高的模拟精度.

1.2 区域水资源循环转化研究

在灌区水资源循环过程和水量转化的研究中，大多以分布式水文循环模型为基础，在不用尺度、不同地理环境下展开研究.1995年，夏军等［8］通过单元系统的水均衡分析，对水网地区水量转化进行系统模拟，提出了一种能反映平原湖区水文基本特征的水资源系统模型，定量地描述了水资源的循环过程以及地下水的动态变化.2003年，夏军等［9］提出了分布式时变增益水循环模型(Distributed Time Variant Gain Model，DTVGM)的概念，将空间数字化信息与水文系统理论结合起来，DTVGM同时具有分布式水文概念性模拟的特征和水文系统强大的分析适应能力，在水文资料信息不完全或者有不确定性干扰条件时也能获得比较好的分布式水文模拟效率.2004 年，胡和平等［10－11］以干旱地区平原绿洲为研究对象，建立了干旱区平原绿洲散耗型水文模型，模型考虑了水在不同介质和不同形态之间的交换或转化，并重点考虑人类活动对水平衡的影响，并在阿克苏河流域平原区进行模拟，结果显示模型效率系数超过90%，证明了模型较高的模拟精度.2005年，Gosain等［12］应用SWAT模型预测了流域自然条件下的产流量，评价了人类活动对区域水量平衡的影响.2006年，王浩等［13］提出了水资源全口径层次化动态评价方法，将分布式水文模型与集总式水资源调配模型耦合，建立了二元水资源评价模型，并在黄河流域应用，取得了满意的成果.2009年，张银辉等［14］在内蒙古河套灌区进行水文学过程模拟，得出蒸散量、渗漏量、系统排水量和引水量的多年平均值，对比实测数据，验证了模型的合理性.同年，代俊峰等［15－16］改进自然流域水文模型，建立了灌区分布式水文模型，改变了陆面水文过程的计算结构，给出了不同尺度间水量平衡指标的变化特点，实现了模型在不同尺度下的应用.2011年，夏军等［17］将分布式水文模型与地下水数值模型耦合，建立了变化环境下跨流域调水的大尺度水文循环模型(Largescale Distributed Time Variant Gain Model，LDTVGM)，不仅考虑了自然的产汇流规律，同时考虑了人类活动的影响.

2 灌区水资源循环转化关系研究存在的问题

从灌区水资源循环转化关系的研究可以看出，灌区水资源循环转化研究在理论和方法上都取得了显著的进展，并且随着社会和科学技术的不断发展和完善，取得了很多有价值的研究成果.在研究方法上，灌区水资源循环转化模型由单一的数学规划模型发展为数学规划与现代模拟技术等的耦合模型，使模型对系统模拟更准确、更合理;在研究目标上，从注重灌区水源水量的研究发展为灌区水源水质研究并重，对防止农田污染和水资源的可持续利用有着重要意义;在研究尺度上，由田间尺度的水文循环研究发展为大尺度跨流域水资源循环研究，为水资源的合理配置和发展节水农业提供了理论基础.但由于水资源循环转化关系的复杂性，回顾已有成果，发现仍存在以下问题.

1)相比于集总式水文模型，在处理复杂水文问题上，分布式水文模型显示出较强的适用性，随着计算机技术的发展，分布式水文模型成为近20年来水文建模领域的热点.以分布式水文模型为基础的水文循环模型在应用上不可避免地受到分布式水文模型的限制.分布式水文模型是基于物理学规律和概率理论来描述水文过程的，由于水文过程的复杂性和非线性，模型的建立存在许多假设和概化.因此，数学公式和物理方程在描述水资源循环机理上存在缺陷，模型本身不够完善.另外，分布式水文模型的建立比较依赖地理环境和气候资料，侧重于地表径流的模拟研究，这就使得模型在以地下水为主要水源的地区的应用具有局限性，而现有的地下水数值模拟软件Modflow、Feflow等将地表水流近似处理为一维明渠恒定流，不能真实地反映地表水流的水力特征，也未能与地表水循环很好地耦合.雷志栋等［18－20］在以土壤水为中心的“四水”转化模型的基础上，建立了干旱区平原绿洲耗散型水文模型，通过对渭干河平原绿洲、塔里木盆地绿洲、新疆叶尔羌平原绿洲等各耗水单元的水量转化和消耗过程的模拟，得出不同绿洲的耗水结构，与实际监测结果相吻合，显示出较强的适用性，但模拟中用到的有关参数有其不确定性，在一定程度上影响了模拟结果的可靠性.这些不确定性主要表现在数据采集上的误差，率定资料的不确定性，陆面模式和气候模式耦合中的不确定性，尺度匹配造成的误差，对空间关系描述不够准确等，模拟中不确定性的研究是当前水科学研究的重点.

2)灌区水资源系统不是一个独立的系统，灌区水资源的循环转化必定会受到人工灌区系统即取水系统、输水系统、配水系统和排水系统的影响，人类活动已经改变了灌区以降水－产流机制为主的水文过程.目前的水文模型主要研究自然条件下的水资源循环情况，对灌区系统的影响考虑稍显不足.因此，在研究中应该将灌区取水系统、输水系统、配水系统和排水系统耦合，与水资源系统统一考虑，需要建立“人工－自然”复合水文循环模型.雷志栋等开发研制了干旱区平原绿洲耗散型水文模型，对干旱区平原绿洲的耗水过程进行了系统的研究，重点考虑了人类活动对水均衡的影响，但并没有建立真正意义上的“人工－自然”二元水文循环模型，对人类活动影响的考虑也只是城乡生活和工业的引、排水对灌区水资源循环的影响，对天文、气候以及下垫面参数的影响考虑稍显不足，没能全面反映人类活动对各个因素的影响.人类活动对水资源循环转化过程的影响越来越受到关注，针对人类活动强的地区，张俊娥等［21］以“四水”转化为基础，建立了MODCYCLE“人工－自然”复合水文循环模型，全面考虑各影响因素，充分体现了“人工－自然”的二元特性，这是目前对人类活动影响比较全面的研究.该模型将区域水循环分为两大过程进行模拟:陆面水循环过程和水面水循环过程，但对这两个循环过程的耦合存在很大的不确定性.

3)水质是灌区可用水量的重要指标，如果只进行单一变量的分析，就难以反映水资源的真实特性.当前的研究多是对水量的研究，较少考虑水质的影响，应对灌区水质、水量进行耦合研究，从而对区域水资源量有全面认识，为灌区多水源的联合调度提供更加可靠的理论基础.对水质、水量联合评价的研究中，大多受到水质、水量资料缺乏的束缚.张永勇等［22］将分布式水量水质耦合模型引入水资源评价中，较好地解决了这一问题.该模型是以水循环过程为基础，利用现有资料建立流域分布式水量水质耦合模型，通过改变模型输入和边界条件，进行分析和预测.但目前关于水质、水量联合评价的研究较少，该方法处于初步探索阶段，对参数的不确定性和合理性分析还需要进一步研究.

3 展望

结合上述研究进展，灌区水资源循环转化关系的研究呈现出以下趋势.

1)灌区水资源种类的增加.研究灌区水资源循环转化的关系首先要确定研究区的水资源种类.已有研究中，将“四水”转化作为灌区水循环的基本形式，即大气水、地表水、地下水和土壤水之间的循环转化关系，随着雨水集蓄技术和中、污水回灌技术的兴起，可用水资源种类的增多，促使现有模型和计算技术更新，未来的灌区水资源循环转化研究必须考虑灌区可利用的多种水资源之间的循环转化.

2)灌区水源资循环过程中各个要素影响的研究.随着田间尺度水文循环研究向灌区水资源循环关系研究的过渡，水文循环模型也由自然系统水文模型转为“人工－自然”二元水文循环模型，研究在人类活动影响下灌区水资源循环转化关系将是水循环研究的前沿之一.

3)协调关系的研究.这里的协调关系包括各行政区之间的用水调度协调、灌区多种水源供水量和供水时间的协调、水量与水质的协调以及水资源循环系统与灌区系统之间的协调.

4)多种方法的耦合研究.随着研究因素的增加，面对多种水资源复杂的循环转化关系，将多种方法耦合，扬长避短，充分发挥各优化方法的优势，将是研究灌区水资源循环转化关系的重要途径之一.

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