基于徑流系數(shù)的徑流模型研究——以岳家溝流域?yàn)槔?/h1>
2016-12-13 03:45:16李忠媛
黑龍江水利科技 2016年9期
李忠媛
(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)
?
基于徑流系數(shù)的徑流模型研究
——以岳家溝流域?yàn)槔?/p>
李忠媛
(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)
徑流系數(shù)是影響徑流量的重要因素，通過對(duì)徑流系數(shù)的分析研究，結(jié)合岳家溝流域具體情況，構(gòu)建了基于徑流系數(shù)的徑流計(jì)算模型，通過模型計(jì)算得到的結(jié)果對(duì)比水文站觀測(cè)結(jié)果相近，證明了模型具有一定的參考性；對(duì)類似領(lǐng)域徑流分析具有一定的參考作用。
降雨量；徑流量；徑流系數(shù)；模型研究
0 引 言
水資源分布不均是目前中國(guó)水資源面臨的主要問題，而徑流量則是描述一個(gè)地區(qū)水資源分布和配置的一個(gè)重要指標(biāo)，徑流具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，除了受到流域地區(qū)內(nèi)植被、水源和其他自然因素的影響外，還受到人類活動(dòng)的影響。由于徑流直接影響這地區(qū)流域的防洪、灌溉的領(lǐng)域，一直以來(lái)都是學(xué)者研究的重要方向。特別是關(guān)于徑流的計(jì)算一直是水土保持領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，常丹東[1]基于流域地區(qū)的水資源研究分析，分別從水土保持減水定額和水土保持保存面積對(duì)流域的徑流量進(jìn)行計(jì)算；王巧平[2]基于前人對(duì)天然徑流量的計(jì)算成果，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)現(xiàn)有條件的改進(jìn)和調(diào)整，采用一致性修正方法，提高了降水徑流關(guān)系線的準(zhǔn)確性；沈宏[3]基于天然徑流量的研究分析，通過對(duì)比分析水文站斷面實(shí)測(cè)徑流量與斷面天然徑流量的差別，采用還原計(jì)算方法，對(duì)水資源徑流量進(jìn)行重新評(píng)定；江尚軍[4]采用Excel軟件分析，并結(jié)合插值計(jì)算和試算法進(jìn)行徑流量的調(diào)節(jié)計(jì)算，證明具有快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)；陳竹青研究了國(guó)內(nèi)外的生態(tài)徑流情況，采用逐月最小方法對(duì)生態(tài)徑流量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)長(zhǎng)江流域的河流徑流量進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。通過上述研究可知，從徑流量的計(jì)算方法上，許多學(xué)者也提出了自己的研究，有些研究成果也得到一定的認(rèn)可，但從徑流量的計(jì)算上看，大多數(shù)專家學(xué)者都是從宏觀流域方面進(jìn)行的計(jì)算，所以其結(jié)果具有一定的局限性，并且有的采用的方法從理論上來(lái)講還有待商榷；徑流系數(shù)是徑流量的一個(gè)重要參數(shù)，是反映了了流域內(nèi)對(duì)降雨截流核流域面轉(zhuǎn)化的分配情況，文章將從徑流系數(shù)進(jìn)行研究分析，建立基于徑流系數(shù)的徑流模型，并基于岳家溝流域具體工程，通過建立的模型計(jì)算的徑流量和水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，說明建立模型的可靠性，對(duì)類似流域計(jì)算徑流量提供參考。
1 工程概況
岳家溝流域位于遼寧省北票市城郊五間房鎮(zhèn)境內(nèi)，流域面積共有13.12km2，岳家溝流域呈長(zhǎng)方形，總體以低山丘陵為主，平均海拔在500m左右，相對(duì)高差較大，該地域由于其獨(dú)特的地理位置和地質(zhì)特征，流域內(nèi)水土流失較為嚴(yán)重，土壤侵蝕加劇，侵蝕模數(shù)可達(dá)2000t/km2·a，水土流失造成的嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。岳家溝流域主要以大陸性季風(fēng)季候，有明顯的季節(jié)變化，夏季雨量充沛，冬季干旱少雨，平均降雨量490mm，平均溫度8.0℃；全年降水主要集中在夏季，降水占到全年降水的7-9成；該流域徑流主要以雨水補(bǔ)給為主，降水的季節(jié)變化也影響著水域的豐枯變化。
2 模型建立
2.1 徑流系數(shù)
徑流系數(shù)表示徑流深度和降水量的比值，徑流系數(shù)受到多種因素的影響，主要受到降雨量、降雨季節(jié)、流域土壤保水量和氣溫的影響，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量。對(duì)于徑流系數(shù)的研究，張洪江基于重慶縉云山流域的植被研究分析，采用灰色理論對(duì)不同草本層厚度、灌木層蓋度和枯草厚度對(duì)徑流的影響程度做了分析，并得到不同類型的植被覆蓋對(duì)徑流系數(shù)的影響也就不同；武晟研究分析了常見的下墊面對(duì)徑流系數(shù)的影響，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型針對(duì)不同降水條件下下墊層徑流系數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算；穆興民基于小流域分析，研究了黃土地區(qū)小流域治理影響徑流系數(shù)的范圍情況，采用平行對(duì)比法得到水土保持治理可以降低徑流系數(shù)；賀維通過對(duì)比分析方法，基于蔡家川流域研究分析了降雨和徑流之間的關(guān)系；通過以上分析，徑流系數(shù)對(duì)徑流量以及水土保持有著重要的影響，構(gòu)建基于徑流系數(shù)的徑流模型，不僅能夠提供一種有效計(jì)算徑流量的方法，對(duì)于流域內(nèi)水土保持，防止水土流失也有著積極的意義。
2.2 徑流系數(shù)模型建立
由于降雨在降落到流域地區(qū)后，除了一部分直接進(jìn)入流域的河流形成徑流以外，大部分并沒有直接變?yōu)榱饔驈搅?，而是直接降落到地面以后進(jìn)入地表，被植被截留，或是形成下滲，最后都以地表或是地下水徑流的方式流動(dòng)，因此可以分析到，影響流域徑流的因素主要包括降雨量、植被涵養(yǎng)量、蒸發(fā)量、地形和溫度的影響。通過以上分析，可以由此得到封閉流域內(nèi)一個(gè)平衡方程，具體可以用公式可以表述為：
Q=P+N+△W
(1)
式中：Q為降雨量；P為徑流量；N為蒸發(fā)量；△W為流域內(nèi)年蓄水量增量。
由于表示該流域內(nèi)年蓄水量的增量，有正負(fù)之分，當(dāng)為正值時(shí)，表示當(dāng)年的流域內(nèi)年蓄水量是增加的；若是負(fù)值，表示該年的流域內(nèi)蓄水量是減少的；這同時(shí)也表明了，該地區(qū)降雨量和徑流、蒸發(fā)量之間的關(guān)系。
為了能計(jì)算出來(lái)岳家溝流域的徑流情況，考慮到岳家溝流域內(nèi)每個(gè)柵格單元上的不同下墊面情況，通過下墊面所在的降雨量，結(jié)合徑流系數(shù)建立徑流量的計(jì)算模型，具體計(jì)算為：
Pi=Qi×ωi
(2)
式中：Pi為柵格徑流量；Qi為柵格降水量；ωi為徑流系數(shù)。
岳家溝流域不同類型下墊面徑流系數(shù)見表1：
岳家溝流域區(qū)分的柵格地區(qū)的降雨特征見表2：
表2 岳家溝柵格地區(qū)降雨量
4 結(jié)果分析
為了通過上述模型來(lái)計(jì)算岳家溝流域的徑流水平，首先分析該流域的徑流系數(shù)，通過岳家溝河水文資料可以得到1996、2004、2008和2015年的徑流系數(shù)，由于不同的下墊層的系數(shù)是不同的，為了計(jì)算中的便捷，通過將每個(gè)年份的不同下墊層進(jìn)行平均計(jì)算，可以得到這個(gè)4個(gè)年份的平均徑流系數(shù)。具體的如圖1。
圖1 四個(gè)年份平均徑流量
通過圖1可以看出，4個(gè)年份的流域內(nèi)徑流量相差不大，但是也能看出，從1998—2015年，流域內(nèi)的徑流量是逐年減少的；通過上文可知，岳家溝流域的降雨量變化差異不大，因此，徑流系數(shù)的變化是通過地面的下墊層改變的，不同下墊層的徑流系數(shù)不同，通過水土保持增加了水域和植被、草地的涵水量，致使居民企業(yè)用地減少，從而降低了徑流系數(shù)。
利用建立模型式2結(jié)合岳家溝河?xùn)鸥竦貐^(qū)的平均降雨量，計(jì)算1998—2015年份的徑流大小，通過計(jì)算，將數(shù)據(jù)整理成圖表，如圖2所示。通過上圖可以得到，1998年的平均徑流深度為70.3mm，2003年岳家溝流域徑流深度為51mm，2008年流域內(nèi)徑流深度為60.7mm，到了2015年的岳家溝流域徑流深度為59.1mm，從而可以算的徑流量從1998—2015是逐年減少的，從而可以分析得到流域降雨以及對(duì)土地的利用變化帶給岳家溝流域的影響是非常明顯的。將以上數(shù)據(jù)通過基于徑流系數(shù)公式計(jì)算最終得到徑流量的大小，將與通過水文站觀測(cè)的徑流量進(jìn)行對(duì)比分析，得到的數(shù)據(jù)如表3。
圖2 岳家溝流域四個(gè)年份的徑流深度
數(shù)據(jù)平均徑流深度/mm1998200320082015徑流量/億m31998200320082015模型計(jì)算70351607591141140123110水文站672563615631136135121105
通過表3可知，基于徑流系數(shù)計(jì)算模型計(jì)算的徑流量和水文站觀測(cè)對(duì)比，結(jié)果顯示，模型計(jì)算得到的結(jié)果和水文站觀測(cè)得到的結(jié)果有一定的出入，但是整體趨于一致，由于徑流系數(shù)受到降雨量和不同下墊層的影響，因此對(duì)于徑流系數(shù)的精度還有待進(jìn)一步研究分析。
5 結(jié) 論
文章通過對(duì)徑流量的分析研究，提出了采用徑流系數(shù)為模型計(jì)算徑流的方法，并基于岳家溝流域具體工程，首先分析了徑流系數(shù)的重要作用，提出了采用徑流計(jì)算的可靠性，建立了基于徑流系數(shù)的徑流計(jì)算模型，結(jié)合岳家溝流域柵格地區(qū)降雨量，最后計(jì)算得到徑流量，通過對(duì)比水文站分析對(duì)比，模型計(jì)算和水文站數(shù)據(jù)趨于一致，具有一定的參考作用，這對(duì)以后計(jì)算徑流量提供了一種新的借鑒方案。
[1]常丹東，王禮先.水土保持對(duì)黃河年徑流量影響研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2005 (B04):37-42.
[2]田冰.河北省自然濕地生態(tài)需水量分析[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2007(02)：34-36.
[3]李學(xué)森.凌河流域水資源現(xiàn)狀及保護(hù)措施[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2015(03)：36-37.
[4]金云杰.凌河流域人工濕地對(duì)水環(huán)境質(zhì)量影響分析評(píng)價(jià)[J].水土保持應(yīng)用技術(shù)，2015(05)：27-28.
Research on Runoff Model based on Runoff Coefficient——Taking the Yuejiagou River Basin as Example
LI Zhong-yuan
(Beipiao Urban Water Resources Office,Beipiao 122100,China)
The runoff coefficient is an important factor affecting runoff，through the analysis of the runoff coefficient，combined with detailed situation of the Yuejiagou river basin，to construct a runoff calculation model based on the runoff coefficient，the results obtained by model calculation are comparable to the observed results obtained in the hydrological station，which proves the model can supply
for analyzing similar field runoff.
rainfall; runoff;runoff coefficient;research of model
2016-08-22
李忠媛(1982-)，女，遼寧北票人，工程師，從事水資源論證及調(diào)查評(píng)價(jià)、地下水監(jiān)測(cè)、水文預(yù)報(bào)、水文水資源管理等工作。
1007-7596(2016)09-0010-03
TV1211
B
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李忠媛
(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)
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基于徑流系數(shù)的徑流模型研究
——以岳家溝流域?yàn)槔?/p>
李忠媛
(北票市水資源辦公室，遼寧 北票 122100)
徑流系數(shù)是影響徑流量的重要因素，通過對(duì)徑流系數(shù)的分析研究，結(jié)合岳家溝流域具體情況，構(gòu)建了基于徑流系數(shù)的徑流計(jì)算模型，通過模型計(jì)算得到的結(jié)果對(duì)比水文站觀測(cè)結(jié)果相近，證明了模型具有一定的參考性；對(duì)類似領(lǐng)域徑流分析具有一定的參考作用。
降雨量；徑流量；徑流系數(shù)；模型研究
0 引 言
水資源分布不均是目前中國(guó)水資源面臨的主要問題，而徑流量則是描述一個(gè)地區(qū)水資源分布和配置的一個(gè)重要指標(biāo)，徑流具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，除了受到流域地區(qū)內(nèi)植被、水源和其他自然因素的影響外，還受到人類活動(dòng)的影響。由于徑流直接影響這地區(qū)流域的防洪、灌溉的領(lǐng)域，一直以來(lái)都是學(xué)者研究的重要方向。特別是關(guān)于徑流的計(jì)算一直是水土保持領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，常丹東[1]基于流域地區(qū)的水資源研究分析，分別從水土保持減水定額和水土保持保存面積對(duì)流域的徑流量進(jìn)行計(jì)算；王巧平[2]基于前人對(duì)天然徑流量的計(jì)算成果，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)現(xiàn)有條件的改進(jìn)和調(diào)整，采用一致性修正方法，提高了降水徑流關(guān)系線的準(zhǔn)確性；沈宏[3]基于天然徑流量的研究分析，通過對(duì)比分析水文站斷面實(shí)測(cè)徑流量與斷面天然徑流量的差別，采用還原計(jì)算方法，對(duì)水資源徑流量進(jìn)行重新評(píng)定；江尚軍[4]采用Excel軟件分析，并結(jié)合插值計(jì)算和試算法進(jìn)行徑流量的調(diào)節(jié)計(jì)算，證明具有快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)；陳竹青研究了國(guó)內(nèi)外的生態(tài)徑流情況，采用逐月最小方法對(duì)生態(tài)徑流量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)長(zhǎng)江流域的河流徑流量進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析。通過上述研究可知，從徑流量的計(jì)算方法上，許多學(xué)者也提出了自己的研究，有些研究成果也得到一定的認(rèn)可，但從徑流量的計(jì)算上看，大多數(shù)專家學(xué)者都是從宏觀流域方面進(jìn)行的計(jì)算，所以其結(jié)果具有一定的局限性，并且有的采用的方法從理論上來(lái)講還有待商榷；徑流系數(shù)是徑流量的一個(gè)重要參數(shù)，是反映了了流域內(nèi)對(duì)降雨截流核流域面轉(zhuǎn)化的分配情況，文章將從徑流系數(shù)進(jìn)行研究分析，建立基于徑流系數(shù)的徑流模型，并基于岳家溝流域具體工程，通過建立的模型計(jì)算的徑流量和水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，說明建立模型的可靠性，對(duì)類似流域計(jì)算徑流量提供參考。
1 工程概況
岳家溝流域位于遼寧省北票市城郊五間房鎮(zhèn)境內(nèi)，流域面積共有13.12km2，岳家溝流域呈長(zhǎng)方形，總體以低山丘陵為主，平均海拔在500m左右，相對(duì)高差較大，該地域由于其獨(dú)特的地理位置和地質(zhì)特征，流域內(nèi)水土流失較為嚴(yán)重，土壤侵蝕加劇，侵蝕模數(shù)可達(dá)2000t/km2·a，水土流失造成的嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。岳家溝流域主要以大陸性季風(fēng)季候，有明顯的季節(jié)變化，夏季雨量充沛，冬季干旱少雨，平均降雨量490mm，平均溫度8.0℃；全年降水主要集中在夏季，降水占到全年降水的7-9成；該流域徑流主要以雨水補(bǔ)給為主，降水的季節(jié)變化也影響著水域的豐枯變化。
2 模型建立
2.1 徑流系數(shù)
徑流系數(shù)表示徑流深度和降水量的比值，徑流系數(shù)受到多種因素的影響，主要受到降雨量、降雨季節(jié)、流域土壤保水量和氣溫的影響，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的量。對(duì)于徑流系數(shù)的研究，張洪江基于重慶縉云山流域的植被研究分析，采用灰色理論對(duì)不同草本層厚度、灌木層蓋度和枯草厚度對(duì)徑流的影響程度做了分析，并得到不同類型的植被覆蓋對(duì)徑流系數(shù)的影響也就不同；武晟研究分析了常見的下墊面對(duì)徑流系數(shù)的影響，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型針對(duì)不同降水條件下下墊層徑流系數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算；穆興民基于小流域分析，研究了黃土地區(qū)小流域治理影響徑流系數(shù)的范圍情況，采用平行對(duì)比法得到水土保持治理可以降低徑流系數(shù)；賀維通過對(duì)比分析方法，基于蔡家川流域研究分析了降雨和徑流之間的關(guān)系；通過以上分析，徑流系數(shù)對(duì)徑流量以及水土保持有著重要的影響，構(gòu)建基于徑流系數(shù)的徑流模型，不僅能夠提供一種有效計(jì)算徑流量的方法，對(duì)于流域內(nèi)水土保持，防止水土流失也有著積極的意義。
2.2 徑流系數(shù)模型建立
由于降雨在降落到流域地區(qū)后，除了一部分直接進(jìn)入流域的河流形成徑流以外，大部分并沒有直接變?yōu)榱饔驈搅?，而是直接降落到地面以后進(jìn)入地表，被植被截留，或是形成下滲，最后都以地表或是地下水徑流的方式流動(dòng)，因此可以分析到，影響流域徑流的因素主要包括降雨量、植被涵養(yǎng)量、蒸發(fā)量、地形和溫度的影響。通過以上分析，可以由此得到封閉流域內(nèi)一個(gè)平衡方程，具體可以用公式可以表述為：
Q=P+N+△W
(1)
式中：Q為降雨量；P為徑流量；N為蒸發(fā)量；△W為流域內(nèi)年蓄水量增量。
由于表示該流域內(nèi)年蓄水量的增量，有正負(fù)之分，當(dāng)為正值時(shí)，表示當(dāng)年的流域內(nèi)年蓄水量是增加的；若是負(fù)值，表示該年的流域內(nèi)蓄水量是減少的；這同時(shí)也表明了，該地區(qū)降雨量和徑流、蒸發(fā)量之間的關(guān)系。
為了能計(jì)算出來(lái)岳家溝流域的徑流情況，考慮到岳家溝流域內(nèi)每個(gè)柵格單元上的不同下墊面情況，通過下墊面所在的降雨量，結(jié)合徑流系數(shù)建立徑流量的計(jì)算模型，具體計(jì)算為：
Pi=Qi×ωi
(2)
式中：Pi為柵格徑流量；Qi為柵格降水量；ωi為徑流系數(shù)。
岳家溝流域不同類型下墊面徑流系數(shù)見表1：
岳家溝流域區(qū)分的柵格地區(qū)的降雨特征見表2：
表2 岳家溝柵格地區(qū)降雨量
4 結(jié)果分析
為了通過上述模型來(lái)計(jì)算岳家溝流域的徑流水平，首先分析該流域的徑流系數(shù)，通過岳家溝河水文資料可以得到1996、2004、2008和2015年的徑流系數(shù)，由于不同的下墊層的系數(shù)是不同的，為了計(jì)算中的便捷，通過將每個(gè)年份的不同下墊層進(jìn)行平均計(jì)算，可以得到這個(gè)4個(gè)年份的平均徑流系數(shù)。具體的如圖1。
圖1 四個(gè)年份平均徑流量
通過圖1可以看出，4個(gè)年份的流域內(nèi)徑流量相差不大，但是也能看出，從1998—2015年，流域內(nèi)的徑流量是逐年減少的；通過上文可知，岳家溝流域的降雨量變化差異不大，因此，徑流系數(shù)的變化是通過地面的下墊層改變的，不同下墊層的徑流系數(shù)不同，通過水土保持增加了水域和植被、草地的涵水量，致使居民企業(yè)用地減少，從而降低了徑流系數(shù)。
利用建立模型式2結(jié)合岳家溝河?xùn)鸥竦貐^(qū)的平均降雨量，計(jì)算1998—2015年份的徑流大小，通過計(jì)算，將數(shù)據(jù)整理成圖表，如圖2所示。通過上圖可以得到，1998年的平均徑流深度為70.3mm，2003年岳家溝流域徑流深度為51mm，2008年流域內(nèi)徑流深度為60.7mm，到了2015年的岳家溝流域徑流深度為59.1mm，從而可以算的徑流量從1998—2015是逐年減少的，從而可以分析得到流域降雨以及對(duì)土地的利用變化帶給岳家溝流域的影響是非常明顯的。將以上數(shù)據(jù)通過基于徑流系數(shù)公式計(jì)算最終得到徑流量的大小，將與通過水文站觀測(cè)的徑流量進(jìn)行對(duì)比分析，得到的數(shù)據(jù)如表3。
圖2 岳家溝流域四個(gè)年份的徑流深度
數(shù)據(jù)平均徑流深度/mm1998200320082015徑流量/億m31998200320082015模型計(jì)算70351607591141140123110水文站672563615631136135121105
通過表3可知，基于徑流系數(shù)計(jì)算模型計(jì)算的徑流量和水文站觀測(cè)對(duì)比，結(jié)果顯示，模型計(jì)算得到的結(jié)果和水文站觀測(cè)得到的結(jié)果有一定的出入，但是整體趨于一致，由于徑流系數(shù)受到降雨量和不同下墊層的影響，因此對(duì)于徑流系數(shù)的精度還有待進(jìn)一步研究分析。
5 結(jié) 論
文章通過對(duì)徑流量的分析研究，提出了采用徑流系數(shù)為模型計(jì)算徑流的方法，并基于岳家溝流域具體工程，首先分析了徑流系數(shù)的重要作用，提出了采用徑流計(jì)算的可靠性，建立了基于徑流系數(shù)的徑流計(jì)算模型，結(jié)合岳家溝流域柵格地區(qū)降雨量，最后計(jì)算得到徑流量，通過對(duì)比水文站分析對(duì)比，模型計(jì)算和水文站數(shù)據(jù)趨于一致，具有一定的參考作用，這對(duì)以后計(jì)算徑流量提供了一種新的借鑒方案。
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Research on Runoff Model based on Runoff Coefficient——Taking the Yuejiagou River Basin as Example
LI Zhong-yuan
(Beipiao Urban Water Resources Office,Beipiao 122100,China)
The runoff coefficient is an important factor affecting runoff，through the analysis of the runoff coefficient，combined with detailed situation of the Yuejiagou river basin，to construct a runoff calculation model based on the runoff coefficient，the results obtained by model calculation are comparable to the observed results obtained in the hydrological station，which proves the model can supply
for analyzing similar field runoff.
rainfall; runoff;runoff coefficient;research of model
2016-08-22
李忠媛(1982-)，女，遼寧北票人，工程師，從事水資源論證及調(diào)查評(píng)價(jià)、地下水監(jiān)測(cè)、水文預(yù)報(bào)、水文水資源管理等工作。
1007-7596(2016)09-0010-03
TV1211
B
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