畢彥杰，趙 晶，張文鴿，趙 勇

·農(nóng)業(yè)水土工程·

WACM4.0模型模擬內(nèi)蒙古河套地區(qū)山水林田湖草系統(tǒng)水循環(huán)

畢彥杰1,2，趙 晶1※，張文鴿3，趙 勇2

（1. 華北水利水電大學(xué)，水資源學(xué)院，鄭州 450046；2. 中國水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3. 黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003）

內(nèi)蒙古河套地區(qū)是中國重要的商品糧、油生產(chǎn)基地。區(qū)域內(nèi)耕地密布，長期大規(guī)模河道外引水，引排水渠系縱橫交錯，人類活動劇烈，改變了原來的水循環(huán)環(huán)境，水循環(huán)要素變化具有時空變異性，水分轉(zhuǎn)化與運動過程及其復(fù)雜。為厘清河套地區(qū)山水林田湖草系統(tǒng)的水循環(huán)演變規(guī)律，該研究在“自然—人工”復(fù)合水循環(huán)理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建了適用于強人類活動地區(qū)的分布式水循環(huán)模型（Water Allocation and Cycle Model，WACM4.0），系統(tǒng)模擬分析了河套地區(qū)山水林田湖草各系統(tǒng)的水循環(huán)演變規(guī)律與水分運動過程。結(jié)果表明：烏梁素海、引排水渠道水循環(huán)特征以引水—排水的橫向運動為主；烏海灘涂水循環(huán)特征以地下水補給—蒸發(fā)的垂向運動為主；海子水循環(huán)以垂向與橫向綜合運動為主；耕地水循環(huán)特征為灌溉水入滲—蒸散發(fā)的垂向運動；人工林、草地、未利用地與居工地的水循環(huán)特征為降雨—入滲—潛水蒸發(fā)的垂向運動。山水林田湖草系統(tǒng)整體水循環(huán)特征以灌溉（降雨）—下滲—蒸發(fā)垂向水循環(huán)為主。河套地區(qū)地下水量逐年虧損，地下水循環(huán)過程為“負(fù)水平衡”垂向運動。河套地區(qū)引水灌溉平均每年致使黃河徑流量減少約42.0億m3。其中耕地耗黃水量最多，其次為引水渠道、烏梁素海、排水渠道、海子、草地。研究可為河套地區(qū)灌溉管理、水資源開發(fā)利用與山水林田湖草生態(tài)保護提供基礎(chǔ)支撐。

水循環(huán)；水均衡；WACM模型；山水林田湖草；河套地區(qū)

0 引 言

在太陽輻射和地心引力等自然驅(qū)動力的作用下，地球上各種形態(tài)的水通過蒸發(fā)蒸騰、水汽輸送、降雨、土壤入滲、地表徑流、地下徑流和湖泊海洋蓄積等環(huán)節(jié)，不斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換和周而復(fù)始運動過程，稱為水循環(huán)（或水文循環(huán)）[1]。在全球氣候變暖的大背景下，人口擴張、城鎮(zhèn)化進程加快、社會經(jīng)濟高速發(fā)展等人類活動導(dǎo)致世界范圍內(nèi)一些流域/區(qū)域的陸地水循環(huán)發(fā)生了明顯變化[2-3]，引起水循環(huán)要素時空分布與水資源數(shù)量變化，進一步影響區(qū)域的水生態(tài)、水環(huán)境系統(tǒng)。變化環(huán)境下水循環(huán)特征與演變規(guī)律研究已成為目前國內(nèi)外水科學(xué)、水文學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。關(guān)于陸地水循環(huán)，國內(nèi)外已開展了大量研究，水循環(huán)受氣象條件與地形、土壤、植被、地質(zhì)等地理條件影響[4-5]。近年來與人類活動密切相關(guān)，人類活動通過改變土壤水、地表水、地下水的時空分布影響水循環(huán)[6-7]。不少學(xué)者對此進行了大量的試驗與數(shù)值模擬研究，促進了對區(qū)域水循環(huán)特征的認(rèn)識[8-10]。各種人類活動，如水利工程建設(shè)、工農(nóng)業(yè)發(fā)展、城市化、人工取用水等正在不斷干擾水循環(huán)過程[11-13]。城鎮(zhèn)化使得城鎮(zhèn)周邊的農(nóng)田、林地等轉(zhuǎn)變?yōu)槌擎?zhèn)及建設(shè)用地，增加了大量地表不透水面積，影響降雨形成徑流與水分下滲[14]。水利建設(shè)項目、圍湖造田與毀林造田等一系列人類活動改變了下墊面條件，影響降雨-土壤水-地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律[15]。農(nóng)田灌溉、工業(yè)與生活取用水等人類活動改變了徑流量、土壤水、地下水等水循環(huán)要素變化的自然規(guī)律[12,16-17]，直接引起水資源演變規(guī)律發(fā)生變化。城鎮(zhèn)化引起的土地利用/土地覆蓋變化與人工取用水是人類活動影響水文過程的最主要方式[18]。

國內(nèi)外關(guān)于山水林田湖草系統(tǒng)的研究剛剛起步，研究主要針對山水林田湖草系統(tǒng)均衡的內(nèi)涵特征、機制、管理路徑和啟示作用等[19-22]，大部分仍停留在政策層面；也有部分研究針對山水林田湖草生態(tài)保護修復(fù)研究，如生態(tài)修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)體系[23]、生態(tài)保護修復(fù)模式[24]、山水林田湖草的生態(tài)功能評價[25]、生態(tài)問題系統(tǒng)診斷[26]等，但均為定性研究，有學(xué)者構(gòu)建山水林田湖草空間信息圖譜，采用空間自相關(guān)分析方法探究其時空演變特征與生態(tài)變化過程[27]。但關(guān)于山水林田湖草各系統(tǒng)水循環(huán)演變過程與規(guī)律的定量化研究仍缺乏。

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是亞洲最大的一首制灌區(qū)和全國3個特大型灌區(qū)之一，也是國家和自治區(qū)重要的商品糧、油生產(chǎn)基地。河套地區(qū)地處中國干旱的西北高原，降雨量少、蒸發(fā)量大，當(dāng)?shù)厮Y源匱乏，其生產(chǎn)生活用水主要依賴過境黃河水。年引黃水量約47億m3，占黃河過境水量的七分之一。2019年習(xí)近平在黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會上指出堅持山水林田湖草綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理，推動黃河流域高質(zhì)量發(fā)展。解決黃河流域水資源與水生態(tài)相關(guān)問題的前提是厘清流域山水林田湖草系統(tǒng)的水循環(huán)演變特征。河套地區(qū)耕地密布、河泊濕地眾多，有大面積草地、人工林，屬于典型山水林田湖草系統(tǒng)，河套地區(qū)內(nèi)引排水渠系縱橫交錯，水分轉(zhuǎn)化與運動過程及其復(fù)雜，水循環(huán)要素具有很大的時空變異性，該地區(qū)山水林田湖草各系統(tǒng)水分運動與水循環(huán)是一個極其復(fù)雜的動態(tài)過程，亟需深入研究。張銀輝等[28]應(yīng)用DEHYDROS水循環(huán)模型研究河套灌區(qū)的水循環(huán)特征，但未涉及到山水林田湖草各系統(tǒng)水分運動過程與水循環(huán)規(guī)律。

綜上，本研究從山-水-林-田-湖-草各系統(tǒng)水量消耗過程入手，以不同類型耗水系統(tǒng)的水平衡機制和灌區(qū)尺度水循環(huán)要素標(biāo)定為突破口，考慮地表水供水平衡、土壤水平衡、地下水平衡，通過蒸發(fā)、入滲以及單元間的水量交換將各個平衡系統(tǒng)聯(lián)系起來，構(gòu)建適用于強人類活動地區(qū)的分布式水循環(huán)—WACM（Water Allocation and Cycle Model）模型，系統(tǒng)模擬分析河套地區(qū)山水林田湖草各系統(tǒng)的水分運動過程與水循環(huán)演變規(guī)律，為河套地區(qū)灌溉管理、水資源開發(fā)利用與山水林田湖草生態(tài)保護提供基礎(chǔ)支撐。

1 分布式水循環(huán)模型構(gòu)建

WACM（Water Allocation and Cycle Model）模型是由中國水利水電科學(xué)研究院自主開發(fā)的基于自然水循環(huán)過程和人工影響過程構(gòu)成的自然-人工復(fù)合水循環(huán)系統(tǒng)模型，尤其適用于人類活動頻繁的平原區(qū)水循環(huán)過程模擬[29]。經(jīng)過了十幾年的發(fā)展，相繼開發(fā)出WACM1.0、WACM2.0、WACM3.0 與WACM4.0共4個版本[29-31]?？蔀樗Y源配置、自然-人工復(fù)合水循環(huán)模擬、物質(zhì)循環(huán)模擬、氣候變化與人類活動影響等提供模擬研究的技術(shù)方法。

1.1 模型原理及結(jié)構(gòu)

模型主要內(nèi)容包括蒸散發(fā)、融雪、土壤水運動、地下水運動、產(chǎn)匯流、灌區(qū)的引水、灌水、排水、工業(yè)生活取用水、湖庫閘壩、調(diào)水等水利工程的模擬計算及植物生長計算、水資源配置計算等。

1）蒸散發(fā)模塊主要包括水面蒸發(fā)、裸地/植被覆蓋和不透水域蒸發(fā)，采用Noilhan-Planton模型、Penman公式和Penman-Monteith公式按照植被-土壤-大氣通量交換方法等進行計算。

2）融雪模塊分2層：表層積雪和下層積雪。

3）土壤水劃分為3層：地表貯流層、淺層與深層，應(yīng)用Richards方程進行計算。

4）地下水分平原區(qū)與山區(qū)分別模擬，山區(qū)采用水均衡法，平原區(qū)地下水為2層：淺層和深層，采用二維地下水連續(xù)性方程計算。

5）山區(qū)匯流利用簡單的幾何框架和簡化的圣維南方程組來模擬天然坡面流。平原區(qū)坡面匯流計算時，按照就近入流的原則進行匯流計算。即通過地理信息獲取每個平原區(qū)計算單元最近的排水渠道，按照距離以及實際排水條件分時段匯入排水渠。河道匯流選擇一維運動波方程來模擬單個河道以及人工排水干溝的水流過程。

6）灌區(qū)引水模塊，在渠灌區(qū)設(shè)置一條引水干渠，根據(jù)灌區(qū)渠系工程圖的支渠引水節(jié)點位置，從上而下，逐個節(jié)點進行引水模擬，將水量從支渠分配到各個水循環(huán)單元。灌水模塊需要計算每個水循環(huán)計算單元的“當(dāng)日灌水量”，由作物灌溉制度和農(nóng)田小氣候決定，模型考慮了作物輪作以及復(fù)種對作物灌溉的影響，設(shè)置最大可接受輪作次數(shù)為3次。對于灌區(qū)排水，農(nóng)溝、斗溝、支溝概念性的概化到各水循環(huán)單元內(nèi)，體現(xiàn)在排水溝底板高程和滲漏損失上，而排水干溝在每個子流域均設(shè)置一條，子流域內(nèi)屬于灌區(qū)的單元格按照一定的方式坡面匯流到排水干溝，再通過排水干溝匯到子流域的主河道，而子流域內(nèi)不屬于灌區(qū)的單元格，按照天然的方式直接匯到子流域的主河道。

7）工業(yè)生活取用水：將生活與工業(yè)用水系統(tǒng)內(nèi)部變化概化為黑箱，根據(jù)水資源配置的成果或?qū)嶋H調(diào)查統(tǒng)計與規(guī)劃資料，來進行每個水循環(huán)單元的生活與工業(yè)的取水、用水、耗水、排水、補給地下水和轉(zhuǎn)化水量的計算。

8）模型對水利工程的模擬，將各類水利工程概化為流域計算河網(wǎng)上的節(jié)點，通過按照一定規(guī)則和要求來計算節(jié)點的水平衡的方式，完成對水利工程的模擬。水庫調(diào)度過程分為非汛期與汛期兩種情況考慮。

9）植物生長模塊主要考慮能量和溫度作用以及水分受限對植物生理過程的影響。主要通過積溫及相關(guān)氣象、土壤條件計算植物生長速率，通過光合、呼吸、生長等生物過程完成碳循環(huán)過程；并以上述過程為載體完成水循環(huán)的耦合。

10）水資源配置模塊首先按照流域套行政區(qū)的方式，根據(jù)區(qū)域特點將整個水資源系統(tǒng)概化成由諸多計算單元、計算節(jié)點以及輸水網(wǎng)線構(gòu)成的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，每個單元和節(jié)點有其單獨供需水平衡方程，在弄清各單元和節(jié)點之間聯(lián)系和約束條件后，可形成一個線性方程組。

各模塊具體計算詳見文獻(xiàn)[30-32]。WACM模型結(jié)構(gòu)見圖1所示。

1.2 WACM4.0模型構(gòu)建

1.2.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)（以下簡稱河套灌區(qū)或灌區(qū)）位于40°15′N～41°18′N，106°20′E～109°19′E之間，巴彥淖爾市境內(nèi)，東西長250 km，南北寬50 km。河套灌區(qū)地勢平坦開闊，土層深厚，為一湖相沉積平原。土壤中土粒顆粒細(xì)、滲透性差，地形西南高而東北低，灌溉排水必須從西南流向東北然后從東南流入黃河[33]。

圖1 WACM 模型結(jié)構(gòu)[30-32]

河套灌區(qū)地處干旱、半干旱、半荒漠草原地帶，冬季嚴(yán)寒少雪，夏季高溫干熱、蒸發(fā)大、降雨少、無霜期短，為典型的大陸性氣候區(qū)，易發(fā)生干旱，春旱尤其嚴(yán)重，必須靠灌溉發(fā)展農(nóng)業(yè)。千百年來形成了獨特而又復(fù)雜的引水和排水渠系網(wǎng)絡(luò)。灌區(qū)引水系統(tǒng)包括總干渠1條，干渠13條，分干48條，支渠204條，以及復(fù)雜的斗區(qū)、農(nóng)渠和毛渠共七級引水渠系；排水系統(tǒng)包括總排水干溝1條，干溝12條，分干溝59條，支溝210條，以及更小的排水溝，與當(dāng)?shù)氐暮雍倒餐瑯?gòu)成縱橫交錯的排水網(wǎng)絡(luò)。

灌區(qū)內(nèi)有300多個天然湖泊，湖泊濕地總面積約440 km2，類型繁多，是候鳥遷徙的主要場所，在維持生物多樣性和區(qū)域生態(tài)平衡中起著巨大作用，是中國北方地區(qū)重要的生態(tài)屏障。其中灌區(qū)東端的烏梁素海面積最大，約293 km2，是灌區(qū)農(nóng)田退水、工業(yè)廢水及生活污水唯一的承泄渠道，接納了灌區(qū)90%以上的農(nóng)田排水，致使烏梁素海水質(zhì)偏差。烏蘭布和沙漠東緣重建了長154 km的大型防風(fēng)固沙林帶，有效地防止烏蘭布和沙漠東侵。

1.2.2 模型輸入數(shù)據(jù)

河套地區(qū)涵蓋 7 個市縣，分別為臨河市、磴口縣、杭錦后旗、五原縣、烏拉特前旗、烏拉特中旗和烏拉特后旗。氣象數(shù)據(jù)資料來自河套灌區(qū)管理局監(jiān)測站點及國家氣象局網(wǎng)站共享數(shù)據(jù)，包括2009—2018年7個氣象站點（烏拉特中旗、五原、磴口、杭錦后旗、臨河、烏拉特前旗與烏拉特后旗）的日降雨、最高與最低氣溫、平均氣溫、平均風(fēng)速、相對濕度、日照時數(shù)等。研究區(qū)DEM 信息采用美國國家航空航天最新發(fā)布的2009年的全球DEM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采樣精度為30 m，海拔精度為7～14 m。土壤分布信息采用南京土壤所公布的全國土壤分布圖，主要土壤類型為鹽土（43.3%）、鹽化灌淤土（28.3%）和潮灌淤土（15.9%）?？紤]到整個含水層的水文地質(zhì)條件和水力特性，模型分為2層，第一層厚度變化不大（設(shè)置平均厚度7.4 m），第二層厚度20～300 m，含水層自東向西，自南向北逐漸增加，總體規(guī)律是由東南向西北變厚。淺層地下水采用平面二維數(shù)值方法進行模擬計算。除山前區(qū)域外，灌區(qū)大部分區(qū)域的給水度較小，位于0.02～0.05之間。灌區(qū)社會經(jīng)濟用水?dāng)?shù)據(jù)根據(jù)巴彥淖爾市水資源公報、水資源綜合規(guī)劃等整理得到。

土地利用數(shù)據(jù)來自巴彥淖爾市自然資源局提供的2009年與2017年土地利用圖，包括耕地（水澆地與旱田）、水域（烏梁素海、海子、水庫、坑塘、烏海灘涂、排水渠系、引水渠系）、林地（果園、其他園地、有林地、灌木林地、其他林地）、草地（天然牧草地、人工牧草地、其他草地）、居工地（鐵路用地、公路用地、農(nóng)村道路、水工建筑用地、設(shè)施農(nóng)用地、城市、建制鎮(zhèn)、村莊、采礦用地、風(fēng)景名勝及特殊用地）、未利用地（田坎、沙地、鹽堿地與裸土地）等共32種類型。土地利用空間分布圖見圖2，各部分土地利用面積見表1。其中耕地覆蓋面積最大，占地區(qū)總面積的58.34%；其次為未利用地、草地、居工地、水域、林地，分別占地區(qū)總面積的14.00%、8.58%、8.40%，7.72%與2.98%。

圖2 研究區(qū)土地利用圖

表1 2017年研究區(qū)土地利用面積

1.2.3 研究區(qū)計算單元劃分

計算單元空間劃分需兼顧子流域、行政區(qū)劃、灌區(qū)范圍等特征信息。首先，依據(jù)河套地區(qū)所在的黃河流域水資源三級分區(qū)范圍與河套地區(qū)行政區(qū)劃范圍確定研究區(qū)外邊界，這也是提取DEM、土地利用與土壤等信息的邊界；其次，根據(jù)河套地區(qū)現(xiàn)狀灌溉范圍和DEM分布特征，考慮與河套地區(qū)具有顯著水力聯(lián)系的毗陵區(qū)域確定研究區(qū)內(nèi)山區(qū)與平原區(qū)邊界范圍，然后對山區(qū)按照子流域匯流特征劃分計算單元，平原區(qū)則考慮引排水渠系分布特征進行單元劃分。

模擬山區(qū)水循環(huán)過程主要是為了給平原區(qū)單元提供地表匯流和山前側(cè)滲補給的邊界信息。因此，在山區(qū)單元計算中，主要依據(jù)山區(qū)DEM信息對其匯水單元進行劃分和提取，得到40個計算單元。根據(jù)河套灌區(qū)總干渠、干渠、分干渠和支渠分布情況，以末級渠段對應(yīng)的灌溉范圍為依據(jù)，同時兼顧行政區(qū)范圍，劃分引水灌域單元共354個。根據(jù)灌區(qū)總干溝、干溝、支溝和分支溝的分布，以末級排水溝對應(yīng)的排水范圍為依據(jù)，同時兼顧行政區(qū)范圍，劃分排水域單元共421個。為便于地下水?dāng)?shù)值模擬計算，將平原區(qū)1 km×1 km正方形柵格進行劃分，得到11 779個計算單元，見圖3。

圖3 河套地區(qū)地下水計算單元

將劃分的柵格單元與上一步得到的引排水單元進行空間疊加，建立柵格單元與引排水單元的拓?fù)潢P(guān)系，即明確了每個柵格單元所在的引水域、排水域及行政區(qū)，便于模型進行信息輸入和統(tǒng)計輸出。將山區(qū)和平原區(qū)劃分的單元進行合并，即得到模擬計算所需的單元共計11 819個，見圖4。根據(jù)確定的計算單元，對土地利用、土壤信息、水文地質(zhì)參數(shù)等按照單元范圍進行提取，得到每個單元各種土地利用類型、土壤類型的分布面積與水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)值。

圖4 研究區(qū)總的計算單元

1.2.4 參數(shù)率定和模型驗證

本文所構(gòu)建的分布式水循環(huán)WACM4.0模型，模擬時間2009—2018年，其中2009—2014為參數(shù)率定期，2015—2018年模型驗證期。通過對比分析逐月水面蒸發(fā)、灌區(qū)排水過程、地下水實測值與模擬值驗證模型。

1）水面蒸發(fā)驗證

將研究區(qū)各區(qū)縣監(jiān)測的水面蒸發(fā)資料（2009—2018年）與模擬結(jié)果進行對比，結(jié)果見表2。相對誤差均在11%以內(nèi)，相關(guān)系數(shù)在0.85以上，納什效率系數(shù)在0.82以上，模擬值與觀測值一致性較好。

表2 各區(qū)縣水面蒸發(fā)量的率定與驗證

2）灌區(qū)排水過程

將灌區(qū)22條主要排水干溝及總排干4個控制斷面2009—2018年長系列月流量數(shù)據(jù)與模型結(jié)果進行對比。結(jié)果見表3。相對誤差均在20%以內(nèi)，相關(guān)系數(shù)在0.86以上，納什效率系數(shù)在0.72以上，模擬值與觀測值一致性較好。

表3 排水過程率定與驗證

3）地下水驗證

將河套地區(qū)224眼淺層地下水觀測井2009—2018年逐月埋深序列資料與模型輸出的地下水模擬結(jié)果進行對比，其中2018年地下水埋深模擬值與實測值的空間分布對比結(jié)果見圖5，可以看出，模擬結(jié)果中地下水漏斗區(qū)存在位置與觀測值存在位置一致，模擬的地下水埋深空間變化與觀測結(jié)果一致性很好。本文所構(gòu)建的WACM4.0模型率定和驗證狀況良好。

注：圖中數(shù)據(jù)為地下水埋深，m。

2 結(jié)果與分析

2.1 “湖”水分通量特征

“湖”主要包括烏梁素海、烏海灘涂與海子。

2.1.1 烏梁素海

根據(jù)WACM4.0模型模擬結(jié)果，烏梁素海水分輸入項為入烏水量與降雨。因排水渠道的水幾乎都排到烏梁素海內(nèi)，由烏梁素海的烏毛計退水閘排水至黃河，故烏海水分來源大部分為排水入烏水量，占水分總輸入量的95%（包括三部分：生態(tài)補水量、農(nóng)田退水量與山洪水），降雨量僅占水分總輸入量的5%。烏梁素海水分輸出項為排水入黃與蒸發(fā)，排水入黃量4.53億m3，蒸發(fā)量3.80億m3，分別占水分總輸出量的52%、48%。烏梁素海水循環(huán)特征以引水—排水的橫向運動為主。

圖6a為2009—2018年烏梁素海水分通量變化特征，隨著引黃水量的減少，農(nóng)田退水量減少，近幾年生態(tài)補水量增多，排水入黃量也隨之上升，尤其是2018年，生態(tài)補水量高達(dá)6.50億m3，排水入黃量明顯增多。

2.1.2 烏海灘涂

2009—2018年烏海灘涂水分通量特征見圖6b，烏海灘涂水分輸入項為降雨與地下水補給，10a平均降雨量0.13億m3，地下水補給量1.00億m3，分別占水分總輸入量的12%和88%。水分輸出項包括蒸發(fā)量1.08億m3，入滲量0.05億m3，分別占水分總輸出量的95.5%和4.5%。烏海灘涂水循環(huán)特征以地下水補給—蒸發(fā)的垂向運動為主。地下水補給量呈先降后升趨勢，降雨量、蒸發(fā)量受當(dāng)?shù)貧夂蚺c烏海灘涂面積影響，呈波動式變化。

2.1.3 海子

2009—2018年海子水分通量特征見圖6c。當(dāng)?shù)亟涤晗∩?，海子主要依靠排水補給與地下水補給。排水補給量與地下水補給量分別占水分總輸入量的48%和42%。水分輸出包括蒸發(fā)量1.32億m3、灌溉取用水量0.21億m3、入滲量0.05億m3，分別占水分總輸入量的83%、3%和13%。海子水循環(huán)以垂向與橫向綜合運動特征為主。排水補給整體呈先升后降趨勢，地下水補給呈先降后升趨勢。蒸發(fā)為海子水分輸出的主要方式，呈先降后升趨勢。隨引黃水量的減少，灌溉取用水量逐年增加。

注：正值表示水分輸入，負(fù)值表示水分輸出。下同。

2.2 “林”“田”“草”水分通量特征

“林”主要指人工林。2009—2018年人工林水分通量特征見圖7a，人工林水分輸入項為降雨、潛水蒸發(fā)，10a平均降雨量0.91億m3，潛水蒸發(fā)量0.5億m3，分別占水分總輸入量的65%和35%。水分輸出項包括蒸散發(fā)量1.33億m3、地表產(chǎn)流量0.04億m3、入滲量0.04億m3，分別占水分總輸入量的94%、3%%和3%。人工林水循環(huán)特征為降雨—入滲—潛水蒸發(fā)的垂向運動。受地下水位影響，潛水蒸發(fā)整體呈減少趨勢。地表產(chǎn)流與下滲量變化不大。

2009—2018年耕地水分通量特征見圖7b。耕地水分輸入項為降雨、黃河水經(jīng)引水渠道進入田間的灌溉水量、潛水蒸發(fā)，10a平均降雨量10.57億m3，灌溉水量23.19億m3，潛水蒸發(fā)量22.61億m3。分別占輸入水量的19%、41%和40%。水分輸出包括蒸發(fā)量43.72億m3、農(nóng)田排水量6.48億m3、入滲量5.75億m3，分別占水分總輸出量的78%、10%和12%。耕地水循環(huán)特征為灌溉水入滲—蒸散發(fā)的垂向運動。隨著引黃水量的減少，灌溉水量整體呈減少趨勢，潛水蒸發(fā)受地下水位影響整體呈下降趨勢。受當(dāng)?shù)貧夂蛞蛩嘏c耕地面積影響，降雨量整體呈略微上升趨勢，蒸散發(fā)量整體呈略微下降趨勢。

2009—2018年草地水分通量特征見圖7c。草地水分輸入項為降雨、潛水蒸發(fā)，10a平均降雨量1.49億m3，潛水蒸發(fā)量1.21億m3，分別占水分總輸入量的56%和44%。水分輸出包括蒸發(fā)量2.0億m3、地表產(chǎn)流量0.20億m3、入滲量0.62億m3，分別占水分總輸出量的71%、7%和22%。草地的水循環(huán)特征為降雨—入滲—潛水蒸發(fā)的垂向運動。潛水蒸發(fā)呈逐年減少趨勢，水分消耗以蒸散發(fā)為主。下滲量與產(chǎn)流量變化不大。

圖7 2009—2018年“林、田、草”水分通量特征

2.3 “水”水分通量特征

引水渠道2009—2018年水分通量特征見圖8a。引水渠道水分輸入項包括降雨量0.45億m3，潛水蒸發(fā)量0.01億m3，引黃水量45.31億m3，引地表水量0.21億m3，分別占水分總輸入量的1.0%、98.5%、0.5%和0.04%。水分輸出包括田間水量22.98億m3、滲漏量19.41億m、蒸發(fā)量3.62億m3，分別占水分總輸出量的50%、42%和8%。引黃水量呈逐年下降趨勢，由2009年的51億m3下降到2018年的45億m3。

排水渠道2009—2018年水分通量變化特征圖8b。水分輸入項包括降雨量0.18億m3，地表產(chǎn)流與排水量6.42億m3，地下水補給量3.55億m3，工業(yè)生活排水量0.26億m3，分別占水分總輸入量的2%、62%、34%和3%。水分輸出項包括排出水量3.64億m3，蒸發(fā)量1.43億m3，補給湖泊量0.74億m3，滲漏量4.97億m3，分別占水分總輸出量的31%、14%、7%和48%。隨著工業(yè)快速發(fā)展與人口增多，工業(yè)生活排水量呈上升趨勢，因引黃水量的減少，地表產(chǎn)流與排水量整體呈下降趨勢。

2.4 未利用地與居工地水分通量特征

2.4.1 未利用地

未利用地2009—2018年水分通量變化見圖9a。水分輸入包括降雨量2.54億m3，潛水蒸發(fā)量1.51億m3，分別占水分總輸入量的63%和37%。水分輸出包括蒸發(fā)量2.97億m3，地表產(chǎn)流量0.013億m3，入滲量1.06億m3，分別占水分輸出量的73.3%、0.3%和26.4%。未利用地水循環(huán)特征為降雨-入滲-潛水蒸發(fā)的垂向運動。潛水蒸發(fā)呈逐年減少趨勢，下滲量與產(chǎn)流量變化不大。

2.4.2 居工地

居工地2009—2018年水分通量變化特征見圖9b。水分輸入項包括降雨量1.51億m3，潛水蒸發(fā)量2.51億m3，分別占水分總輸入量的37%和63%。輸出水量包括產(chǎn)流量1.769億m3，取用地下水量1.56億m3，蒸散發(fā)量0.44億m3，入滲量0.29億m3，分別占水分總輸出量的43%、39%、11%和7%。居工地的水循環(huán)特征以降雨—入滲—潛水蒸發(fā)的垂向運動為主。潛水蒸發(fā)呈逐年減少趨勢，下滲量與產(chǎn)流量變化不大。

2.5 地下水均衡特征

淺層地下水均衡特征見圖10。水分總輸入量31.89億m3，包括渠系入滲量24.38億m3、土壤入滲補給量5.75億m3、山前側(cè)滲補給量1.73億m3，分別占水分總輸入量的77%、18%、5%?？偱判沽?3.17億m3，包括潛水蒸發(fā)量20.89億m3、農(nóng)田灌溉開采量4.67億m3、補給渠道量3.55億m3、補給河湖濕量1.66億m3、地工業(yè)生活開采量1.66億m3、地下水深層滲漏量0.85億m3，分別占水分總輸出量的63.0%、14%、11%、5%、5%與3%。水分總輸入量較總排泄量少1.3億m3，意味著河套地區(qū)每年地下水儲存量減少（虧損量）1.3億m3，可以稱這種水循環(huán)過程為“負(fù)水平衡”垂向水循環(huán)。

圖9 2009—2018年未利用地與居工地水分通量特征

圖10 2009—2018年地下水均衡

2008—2009年渠道滲漏補給量因引黃水量的下降整體呈下降趨勢，土壤水入滲量呈先降后升再降趨勢，山前側(cè)滲漏補給與黃河側(cè)滲漏補給量變化很小。潛水蒸發(fā)整體呈逐年下降趨勢。工業(yè)生活開采與農(nóng)田灌溉開采量呈逐年上升趨勢。地下水深層滲漏、補給河湖濕地與補給渠道排泄量整體變化不大。地下水虧損量逐年增加，2018年有所減緩，是由于其生態(tài)補水量明顯增加。

2.6 灌區(qū)水分通量特征

灌區(qū)水分輸入項包括降雨量18.39億m3、引黃河水量45.31億m3、山前及黃河側(cè)滲補給量3.23億m3，分別占水分總輸入量的27%、68%和5%，水分輸出包括蒸發(fā)量62.01億m3，排水量4.92億m3，分別占水分總輸出量的93%與7%。

圖11為灌區(qū)2009—2018年不同年份水量平衡結(jié)果，受大氣環(huán)流與云量的影響，降雨量整體呈先降后升的波動式變化趨勢，引黃水量整體呈下降趨勢，排水量呈波動式變化。受氣溫、日照時數(shù)、風(fēng)速與相對濕度及太陽輻射的影響，蒸發(fā)呈波動式變化，整體呈下降趨勢。山前側(cè)滲補給量主要受降雨影響，整體呈下降后升的波動式變化趨勢。

2.7 灌區(qū)水分運動過程

解決水問題的關(guān)鍵在于將水循環(huán)的各個環(huán)節(jié)聯(lián)結(jié)成整體、厘清區(qū)域水分運動過程。河套地區(qū)水分運動過程（見圖12）：2009—2018年10年平均引黃灌溉水量45.31億m3，先經(jīng)過引水渠道進入田間，產(chǎn)生滲漏量19.41億m3 到達(dá)地下水層。進入田間的水量經(jīng)過農(nóng)田蒸散發(fā)（43.72億m3）、下滲（5.75億m3，包括降雨在內(nèi)）剩余的水量進入排水渠道（6.48億m3）。排水渠道的水量經(jīng)過滲漏（4.98億m3）、補給海子（0.76億m3）與蒸發(fā)（1.45億m3）后排到烏梁素海（7.84億m3，也包括農(nóng)田退水、生態(tài)補水與山洪水）。進入烏梁素海的水量經(jīng)過水面蒸發(fā)（3.80億m3，包括降雨在內(nèi)）后經(jīng)烏毛計退水閘排水入黃（4.53億m3，包括降雨在內(nèi)）。經(jīng)過引水渠道、耕地與排水渠道下滲到地下水的水量（地下水補給的主要來源）補給烏海灘涂（1.00億m3）、海子（0.66億m3），另一部分水量經(jīng)過人工林（0.51億m3）、耕地（23.19億m3）、草地（1.21億m3）、未利用地（1.506億m3）與居工地（2.53億m3）潛水蒸發(fā)消耗。

圖11 河套地區(qū)2009—2018年水分通量特征

注：P表示降雨，108 m3，ET表示蒸散發(fā)，108 m3，R表示徑流量，108 m3，Qgi為下滲量，108 m3，Egi為潛水蒸發(fā)，108 m3，Qrg取用地下水，108 m3，Qr引黃水量，108 m3；QDR進入田間水量，108 m3，RG山前側(cè)滲補給，108 m3，Qrs地下水補給，108 m3，Qps農(nóng)田排水量，108 m3，Qsh排水入黃，108 m3，Qpw排水入烏，108 m3，Qpj排水補給，108 m3。

3 討 論

內(nèi)蒙古河套地區(qū)屬于典型的大陸性干旱氣候，年平均降雨量小于200 mm（6—9月雨量占全年的70%～80%），年平均蒸發(fā)量1 500～2 000 mm。年徑流深在10 mm以下，徑流系數(shù)小于0.05[28]，這是河套地區(qū)天然水循環(huán)狀況。目前河套地區(qū)通過引水渠道人工引導(dǎo)部分黃河水加入到區(qū)域內(nèi)的水分運動過程中，最終通過排水渠道將多余水分回置到區(qū)域外水體的天然水循環(huán)中，引水灌溉改變了該地區(qū)水循環(huán)規(guī)律，呈現(xiàn)明顯的自然—人工復(fù)合水循環(huán)特征。除了在灌溉引水排水工程系統(tǒng)內(nèi)的增強外，人類活動對水循環(huán)的影響還表現(xiàn)為水平徑流輸出減弱，垂向蒸散發(fā)、下滲輸出的增加[34]。目前河套地區(qū)內(nèi)山水林田湖草系統(tǒng)的水循環(huán)以灌溉（降雨）—下滲—蒸發(fā)垂向水循環(huán)為主。其中耕地以灌溉水垂向入滲—植物蒸散發(fā)消耗的垂向運動為主，與郝芳化等[34]研究結(jié)論一致；海子以地下水補給—蒸發(fā)消耗的垂向運動為主，與王國帥等[35]研究結(jié)果一致；人工林、草地、未利用地與居工地以降雨—潛在蒸發(fā)—蒸發(fā)消耗的垂向運動為主。因引黃水量的減少，區(qū)域多年平均灌溉水與降雨總?cè)霛B補給不能滿足區(qū)域地下水的總消耗，區(qū)域地下水埋深呈逐年下降趨勢，地下水逐年虧損，與郝芳化等[34]研究結(jié)論一致。本文研究結(jié)果可靠，可為山-水-林-田-湖-草系統(tǒng)水資源分析提供重要參考。

河套灌區(qū)引水灌溉過程中大量的黃河水消耗于蒸發(fā)和作物蒸騰作用，使黃河徑流量減少。2009—2018年每年致使黃河徑流量平均每年減少約42.00億m3，其中耕地耗黃水量最大，為30.02億m3，占總耗黃水量的71.48%，其次引水渠道（3.09億m3）、烏梁素海（2.89億m3）、排水渠道（1.25億m3）、海子（1.16億m3）?？梢姡咏?2%左右的黃河水消耗于農(nóng)業(yè)引水灌溉過程，僅18%左右的黃河水通過排水進入烏梁素海、通過渠道滲漏與土壤水下滲進入地下水，再補給海子、林草地與荒地等的水分消耗，可稱為生態(tài)耗水量。這部分水量對維持河套地區(qū)的生態(tài)環(huán)境需水至關(guān)重要。

本研究深入開展了河套灌區(qū)山水林田湖草系統(tǒng)的水循環(huán)演變特征與規(guī)律研究。但未涉及山水林田湖草系統(tǒng)適宜水量的計算，該地區(qū)適宜水量影響因素眾多，如氣象條件、地下水位、水鹽平衡、節(jié)水措施、烏梁素海水質(zhì)要求或生態(tài)保護目標(biāo)等等都會對各土地利用類型的適宜水量產(chǎn)生影響，亟需進一步深入系統(tǒng)研究。

4 結(jié) 論

本文從山-水-林-田-湖-草各系統(tǒng)水量消耗過程入手，構(gòu)建了適用于強人類活動地區(qū)的分布式水循環(huán)模型WACM4.0，通過對比逐月水面蒸發(fā)量、灌區(qū)排水過程、地下水位實測值與模擬值驗證模型，模擬值與觀測值一致性很好，可應(yīng)用到河套地區(qū)。

1）河套地區(qū)水量輸入以引黃河水（68%）為主，水分輸出以蒸發(fā)（93%）為主，山水林田湖草系統(tǒng)的水循環(huán)特征以灌溉（降雨）—下滲—蒸發(fā)垂向水循環(huán)為主。烏梁素海水循環(huán)以引水—排水的橫向運動特征為主。烏海灘涂水循環(huán)以地下水補給—蒸發(fā)的橫向運動特征為主。海子水循環(huán)以垂向與橫向綜合運動特征為主。耕地水循環(huán)特征為灌溉水入滲—植物蒸散發(fā)的垂向運動。人工林、草地、未利用地與居工地的水循環(huán)特征為降雨—入滲—潛水蒸發(fā)的垂向運動。引水渠道、排水渠道水循環(huán)特征為引水—排水的橫向運動。

2）河套地區(qū)引水灌溉平均每年致使黃河徑流量減少約42.00億m3。其中耕地耗黃水量30.02億m3，占總耗黃水量的71.48%，其次為引排水渠道，耗黃水量3.09億m3，烏梁素海耗黃水量2.89億m3。

3）河套地區(qū)水分運動過程：黃河水經(jīng)過引水渠道進入田間，土壤水入滲到下地水層，剩余的水量進入排水渠道，引排水過程的滲漏量補給地下水，再通過地下水運動補給海子、烏海灘涂，另一部分水量經(jīng)過人工林、耕地、草地、未利用地與居工地的潛水蒸發(fā)消耗。排水渠道排水到烏梁素海，經(jīng)過水面蒸發(fā)經(jīng)烏毛計退水閘排水入黃。因引黃水量的減少，河套地區(qū)地下水埋深呈逐年下降趨勢，地下水逐年虧損，地下水循環(huán)過程為“負(fù)水平衡”垂向運動特征。

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Simulation of hydrological cycle for mountain-water-forest-cropland-lake- grass system in Hetao region, Inner Mongolia of China by WACM4.0 model

Bi Yanjie1,2, Zhao Jing1※, Zhang Wenge3, Zhao Yong2

(1.,450046,; 2.,,100038,; 3.,,450003,)

Hetao region is an important production base of commodity grain and oil crops in China. The large-scale water transferred from outside the river in a long term has resulted in the most headraces and drainage system, covering many cultivated lands in this region. However, human activities have posed a great change on the original hydrological cycle and the natural environment. Some spatio-temporal features, and the process of water conversion and movement are extremely complicated, due to the variation of hydrological cycle elements. In this study, a Water Allocation and Cycle Model (WACM4.0) was constructed suitable for the regions with strong human activities based on the "natural-artificial" composite water cycle theory. The WACM4.0 model was applied to simulate the evolution law and characteristic of hydrological cycle of each mountain-water-forest-cropland-lake-grass system in Hetao region. The main findings are as follows: In the hydrological cycle process, 1) the Wuliangsuhai was mainly characterized by lateral movement of water diversion and drainage, 2) the Wuhai mudflat was the vertical movement of groundwater recharge-evaporation, 3) Haizi region was dominated by vertical and horizontal comprehensive movement characteristics, 4) the cultivated land was the vertical movement characteristics of irrigation water infiltration-evapotranspiration, 5) the planted forest, grassland, unutilized land, and construction sites were the vertical movement characteristics of rainfall-infiltration-phreatic water evaporation, 6) the drainage and channels were drainage water-lateral movement characteristics of drainage water, and 7) the overall system of mountain-water-forest-cropland-lake-grass was the vertical water cycle of irrigation (precipitation)-infiltration-evaporation. The amount of groundwater in Hetao region has been losing year by year, indicating the characteristic of “negative water balance” vertical movement in the circulation process. Specifically, the water from the Yellow River entered the cropland through water diversion channels, leading to the formation of soil water from irrigation water, and then infiltrated the groundwater aquifer, while the remaining water went into the drainage channels, indicating the amount of leakage in this process can be used to replenish groundwater. Two part of groundwater can be divided, one was used to replenish Haizi and Wuhai mudflat, and another part of water consumed away via phreatic water evaporation of artificial cultivated land, grassland, unutilized land, and construction site. The water in drainage channels entered Wuliangsuhai, with the loss water through surface evaporation, while the remained water discharged into the Yellow River through the Wumaoji escape gate. The average annual runoff of the Yellow River can be consumed away by approximately 4.2 billion m3 due to diversion irrigation in the Hetao region. The amount of the Yellow River water consumed by each system was as follows: the water consumption of cultivated land was 3.02 billion m3, the grassland was 114 million m3, the unutilized land was 65 million m3, Haizi region was 116 million m3, the Wuliangsuhai was 289 million m3, the Wuhai mudflat was 83 million m3, the planted forest was 91 million m3, the construction site was 0.09 million m3, the headrace channel was 309 million m3, and the drainage channel was 125 million m3. The research findings can provide a basic support for irrigation management, utilization of water resources, and ecological protection of mountain-water-forest-cropland-lake-grass system.

hydrological cycle; water balance; WACM model; mountain-water-forest-cropland-lake-grass; Hetao region

畢彥杰，趙晶，張文鴿，等. WACM4.0模型模擬內(nèi)蒙古河套地區(qū)山水林田湖草系統(tǒng)水循環(huán)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(14)：148-158.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.018 http://www.tcsae.org

Bi Yanjie, Zhao Jing, Zhang Wenge, et al. Simulation of hydrological cycle for mountain-water-forest-cropland-lake-grass system in Hetao region, Inner Mongolia of China by WACM4.0 model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 148-158. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.018 http://www.tcsae.org

2020-03-20

2020-06-28

國家重點研發(fā)計劃（2016YFC0401407，2017YFC1502405，2017YFC0405805-03）；華北水利水電大學(xué)高層次人才科研基金（201702016）

畢彥杰，博士，講師。主要從事流域水循環(huán)模擬與實驗、氣候變化方面研究。Email：835938470@qq.com。

趙晶，博士，講師。主要從事水利經(jīng)濟與水資源管理研究。Email：zhaojing19870515@163.com。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.018

P339

A

1002-6819(2020)-14-0148-11