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国际上,土壤水—绿水(Green Water)已经视作水资源的重要组成部分,而我国现行的水资源评价体系中只考虑地表水资源与地下水资源—蓝水(Blue Water),土壤水资源并没有纳入水资源评价体系当中。目前,我国水资源供需矛盾日益突出,特别是北方干旱半干旱区如海河流域,地表水资源匮乏,地下水严重超采,传统意义上的水资源早已不能满足海河流域的用水需求,必须对将土壤水资源评价纳入水资源评价范畴,充分利用好这部分水量。
然而,土壤水资源的理论研究和评价方法很不完善,是水资源评价和水资源综合管理亟待解决的重要科研问题。本论文即在此背景下对土壤水资源评价的理论和方法进行初步的研究。首先,论述土壤水资源的定义、特点及其与绿水和蒸散发之间的关系,提出基于区域水循环的土壤水资源评价方法。然后,采用SWAT对海河流域进行建模、参数率定、模型验证,针对不同时间尺度的土壤水资源进行评价。最后,采用实验方式得到土壤水分含量的动态变化,并与模型模拟结果进行初步对比分析,并探讨了基于区域水循环的土壤水资源评价方法的改进方向。主要成果总结如下:
1、土壤水资源的定义及评价方法
土壤水资源是指,由天然补给(包括大气降水、凝结水和潜水)到包气带(土壤评价层)当中,具有更新能力,并能够被植被利用和对维持天然生态环境良性循环具有一定作用的土壤水量。总土壤水资源包含有效利用的土壤水资源量和未利用的土壤水资源量两部分。其中有效利用的土壤水资源量在数量上等于陆面植被蒸散发(有效蒸散发)。
土壤水资源评价必须在水分循环的基础上,考虑水量平衡,并且除了考虑已经利用消耗的部分,还应包括可能利用的潜力部分,即未利用土壤水资源。为提高土壤水资源的利用效率,土壤水资源评价还必需分析土壤水资源的时空分布特征。
本研究采用排泄法计算有效利用的土壤水资源量,采用评价层的土壤水分总量减去凋萎含水量以下的水分总量来计算未利用的土壤水资源量,其中有效利用的土壤水资源量在数量上等于陆面植被蒸散发(有效蒸散发)。二者之和为总土壤水资源量。
2、模拟了海河流域水循环过程
SWAT模型具有广泛的模拟能力,能够在山区和平原区建模,并且可以添加和完善需要的模块,适合海河流域的建模要求。将不同来源和不同格式的数掘资料,进行统一处理,形成SWAT模型所需的模型参数和输入数据,在AVSWAT2000(即SWAT2000的ARCVIEW界面)平台上构建海河流域SWAT模型。采用自行设计的模型界面,结合SWAT的arcview界面联合手动调参,对海河流域的主要控制断面和控制流域进行率定拟合。分别对海河流域主要水资源三级分区的年地表径流量进行了验证,水循环的模拟结果可以用于上壤水资源评价分析。
3、评价了海河流域多年平均土壤水资源状况
海河流域1995~2004年传统水资源总量约为129mm,仅占降水的26%,而土壤水资源量约为366mm,占降水量的74.4%。土壤水资源在海河流域占有很大比重,应该将上壤水资源纳入水资源评价体系,通过合理配置来解决海河流域水资源供需矛盾。
土壤水资源量中土壤有效利用土壤水资源量约为340mm,占土壤水资源总量的93%,未利用土壤水资源量约为27mm,占土壤水资源总量的7%,还有继续提高利用土壤水资源效率的空间。
流域多年平均的上壤水资源分布不均。北三河上游山区和子牙河上游山区部分地区的土壤水资源偏小,平原区的土壤水资源在整个流域中比较小,徒骇马颊河地区的上壤水资源略高于其他平原地区。
4、评价了海河流域代表年月尺度上土壤水资源状况
选取2000年为代表年,计算其流域平均有效利用上壤水资源量约为304mm,年末时未利用土壤水资源量约为37mm,土壤水的蓄变量约为23mm,2000年的降雨量低于海河流域多年平均降雨量,可以看出,海河流域土壤水资源量的利用效率有提高的空间。但必须考虑土壤水资源存在的严重时问和空间分布不均匀性。要充分利用土壤水资源丰富时期,提高利用效率,同时要考虑不同地区提高水资源的方式和潜力不同,例如滦河、北三河山区和滦河平原、北四河下游地区的土壤水资源较丰富,且未利用土壤水资源较多。
5、典型流域模拟结果与实测对比分析
以河北易县崇陵丘陵山区实验流域为典型研究对象,对11个实验点进行了土壤颗粒分析,同时进行了典型土壤类型一砂壤土和粘壤土的土壤容重及饱和含水量、田间持水量的测定,得到各实验点每层的上壤含水量时间变化序列,并对粘壤土和砂壤土的代表点进行了根系层土壤水分含量的计算,与SWAT模型得到的模拟结果进行对比分析。结果发现,模型模拟结果基本合理,但是相同气象条件下两种质地的土壤水分含量变化较大,相差可达到40mm,影响土壤水资源的评价结果。因此,进行土壤水资源评价应该综合考虑土壤质地、土壤类型和土地利用类型。