賈建偉 王立海 王棟

摘要：合理的地下水資源特征分析及開(kāi)采潛力評(píng)估是科學(xué)管理和維護(hù)地下水資源系統(tǒng)穩(wěn)定的重要前提。選取了長(zhǎng)江流域內(nèi)21個(gè)主要支流，以2001～2020年最新觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用補(bǔ)給法和排泄法計(jì)算了各支流不同類(lèi)型地下水資源量，并對(duì)總量進(jìn)行了相應(yīng)統(tǒng)計(jì)，最終結(jié)合現(xiàn)狀地下水開(kāi)采量，分析了不同支流的開(kāi)采潛力。結(jié)果表明：長(zhǎng)江上游支流平原區(qū)地下水資源模數(shù)顯著大于中下游支流，中游支流略小于下游;山丘區(qū)地下水資源量及地下水資源總量模數(shù)自上游向下游整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。綜合來(lái)看，長(zhǎng)江上中游主要支流的地下水資源開(kāi)采程度大于下游，全流域地下水開(kāi)采程度整體較低，具有較大的開(kāi)采潛力。

關(guān) 鍵 詞：地下水資源; 時(shí)空分布; 開(kāi)采潛力; 補(bǔ)給法; 排泄法; 長(zhǎng)江流域

中圖法分類(lèi)號(hào)： ?TV211.1+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.016

?0 引 言

地下水作為全球水資源的重要組成部分，不僅有助于維持地表植被、湖泊及濕地等生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，還對(duì)其所處的地質(zhì)環(huán)境具有保護(hù)和支撐作用? [1-4] 。近年來(lái)，由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響，中國(guó)地下水資源時(shí)空特性發(fā)生了顯著變化? [5-7] ，部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了嚴(yán)重的地下水超采和污染問(wèn)題，給地區(qū)水資源科學(xué)管理及居民用水安全帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)? [8-11] 。因此，有必要采用科學(xué)手段，定性且定量地評(píng)估地下水資源量的時(shí)空分布規(guī)律，以便為制定有效的水資源保護(hù)及配置方案提供理論支撐? [12-15] 。

目前，針對(duì)地下水資源時(shí)空分布特征已有大量研究。如王宇系統(tǒng)梳理了云南省地下水資源特征及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，并針對(duì)水資源及環(huán)境系統(tǒng)中存在的問(wèn)題提出了相應(yīng)的解決對(duì)策? [16] ;甘雨等采用地下水綜合潛力評(píng)價(jià)方法系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了甘肅省民勤盆地的地下水資源量開(kāi)采潛力? [17] ;劉花臺(tái)等定量分析了西北地區(qū)1945～1996年地下水資源量的空間分布特征，并探討了地下水資源演變趨勢(shì)及原因? [18] ;孫才志等評(píng)價(jià)了山西省黃河流域地下水資源分布特征及開(kāi)采潛力，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)分析了該地區(qū)的用水對(duì)策? [19] ;焦團(tuán)理等在水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，結(jié)合生態(tài)環(huán)境約束法分析了安徽省地下水資源可開(kāi)采量的空間分布特征? [20] ;丁志立等? [21] 依據(jù)1980～2000年相關(guān)數(shù)據(jù)，綜合考慮地形、地貌、水文地質(zhì)條件等因素，對(duì)長(zhǎng)江流域內(nèi)地下水資源分布特征進(jìn)行了相應(yīng)分析。然而，上述成果大都是基于2000年以前實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)成果，且研究區(qū)域較為局限，已難以滿足地下水資源現(xiàn)狀管理需求。因此，有必要結(jié)合新的觀測(cè)資料，重新評(píng)估地下水資源量的空間分布規(guī)律。

為揭示長(zhǎng)江流域地下水資源量的空間分布規(guī)律，本文選取了流域內(nèi)21個(gè)主要支流，依據(jù)所屬各省水利廳匯編提供的2001～2020年分析成果，分別采用補(bǔ)給法和排泄法計(jì)算其平原區(qū)及山丘區(qū)的地下水資源量，并綜合兩者來(lái)確定對(duì)應(yīng)的地下水資源總量。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合各支流地下水開(kāi)采現(xiàn)狀，綜合分析了其地下水開(kāi)采潛力，為長(zhǎng)江流域地下水資源的合理開(kāi)發(fā)利用及治理保護(hù)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

1 計(jì)算方法

1.1 平原區(qū)地下水資源量計(jì)算

平原區(qū)地下水資源量采用補(bǔ)給量法計(jì)算，同時(shí)需計(jì)算排泄量，以進(jìn)行水均衡分析。地下水補(bǔ)給量包括降水入滲補(bǔ)給量、山前側(cè)向補(bǔ)給量、地表水體入滲補(bǔ)給量、井灌回歸補(bǔ)給量及其他補(bǔ)給量，排泄量則包括了地下水實(shí)際開(kāi)采量、潛水蒸發(fā)量、側(cè)向流出量、河道排泄量及湖庫(kù)排泄量，后三者分別與補(bǔ)給項(xiàng)的山前側(cè)向補(bǔ)給量、河道滲漏補(bǔ)給量及湖庫(kù)滲漏補(bǔ)給量存在互逆關(guān)系。

確定計(jì)算單元的各項(xiàng)補(bǔ)給量和排泄量后，需進(jìn)行水均衡分析，以檢驗(yàn)各項(xiàng)補(bǔ)給量、排泄量及地下水蓄變量計(jì)算成果的可靠性，具體公式如式（1）所示。

X=Q? 總補(bǔ) -Q? 總排 - Δ W δ=X/Q? 總補(bǔ) ×100 %? ??（1）

式中：Q? 總補(bǔ) ，Q? 總排 ， Δ W和X分別為多年平均地下水總補(bǔ)給量、地下水總排泄量、地下水蓄變量和絕對(duì)均衡差。δ為多年平均相對(duì)均衡差，當(dāng) δ ≤15 % 時(shí)，各計(jì)算單元對(duì)應(yīng)補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)即認(rèn)為合理;當(dāng) δ >15 % 時(shí)，則需對(duì)各計(jì)算單元的補(bǔ)給項(xiàng)和排泄項(xiàng)重新核算。

當(dāng)滿足上述條件后，將分析單元范圍內(nèi)所有計(jì)算單元的各補(bǔ)給項(xiàng)及排泄項(xiàng)相加，作為該分析單元的補(bǔ)給總量和排泄總量。最終，將地下水補(bǔ)給總量扣除井灌回歸補(bǔ)給量即為對(duì)應(yīng)分析單元的地下水資源量。

1.2 山丘區(qū)地下水資源量計(jì)算

山丘區(qū)多年平均地下水資源量采用排泄法計(jì)算，并以總排泄量表示地下水資源量。山丘區(qū)排泄量包括天然河川基流量、實(shí)際開(kāi)采量、潛水蒸發(fā)量、山前側(cè)向流出量、山前泉水溢出量及其他排泄量。其中，天然河川基流量是指河川徑流量中由地下水滲透補(bǔ)給河流的水量，可采用水文比擬法進(jìn)行計(jì)算;實(shí)際開(kāi)采量是指發(fā)生在山丘區(qū)內(nèi)的淺層地下水實(shí)際開(kāi)采量，一般以調(diào)查統(tǒng)計(jì)值為基礎(chǔ)，進(jìn)行合理分析后確定;山丘區(qū)潛水蒸發(fā)量主要指發(fā)生在未劃入平原區(qū)的、面積較小的山間河谷階地內(nèi)的蒸發(fā)量，可通過(guò)潛水蒸發(fā)系數(shù)估算;山前側(cè)向流出量是指山丘區(qū)地下水通過(guò)裂隙、斷層破碎帶或溶洞以地下潛流的形式直接向平原區(qū)排泄的水量，與平原區(qū)的山前側(cè)向補(bǔ)給量相對(duì)應(yīng);山前泉水溢出量是指山丘區(qū)與平原區(qū)交界線附近以泉形式溢出的水量，一般可采用單泉公式法計(jì)算? [22-23] 。

最終，將分析單元內(nèi)所有計(jì)算單元的各項(xiàng)排泄量相加，作為該分析單元的排泄總量，并在其基礎(chǔ)上確定各分析單元的山丘區(qū)地下水資源量。

1.3 分區(qū)地下水資源量計(jì)算

當(dāng)分區(qū)單元均為單一平原區(qū)或山丘區(qū)時(shí)，則該分區(qū)單元地下水資源量無(wú)重復(fù)計(jì)算量;而當(dāng)分區(qū)單元同時(shí)包括平原區(qū)和山丘區(qū)兩種地下水類(lèi)型時(shí)，進(jìn)行地下水資源量計(jì)算時(shí)需要從平原區(qū)和山丘區(qū)地下水資源量之和中扣除兩者重復(fù)計(jì)算量，如式（2）所示。

Q? 分區(qū) =Q? 平原區(qū) +Q? 山丘區(qū) -Q? 重復(fù)? （2）

式中：重復(fù)計(jì)算項(xiàng)主要由兩部分組成：① 平原區(qū)的山前側(cè)向補(bǔ)給量，該部分水量作為排泄量計(jì)入了山丘區(qū)地下水資源量中;② 平原區(qū)地表水體中由山丘區(qū)河川基流量組成的部分。兩者重復(fù)計(jì)算量可用式（3）進(jìn)行計(jì)算。

Q? 重復(fù) =Q? 側(cè)補(bǔ) +Q? 基補(bǔ)? （3）

最終，依據(jù)分區(qū)單元的地下水資源量成果，可統(tǒng)計(jì)流域內(nèi)主要支流的地下水資源量。

1.4 可開(kāi)采量計(jì)算

地下水可開(kāi)采量是指在一定時(shí)期內(nèi)，保證經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行且不引起生態(tài)環(huán)境惡化的前提條件下，從地下含水層中獲取的最大水量，具體計(jì)算公式如式（4）所示。

W? 可開(kāi)采量 = min （W? 總補(bǔ)給量 - Ω ·W? 不允許襲奪排泄量 ，0.9W? 總補(bǔ)給量 ） （4）

式中：W? 總補(bǔ)給量 ，W? 不允許襲奪排泄量 為采用分析單元的地下水資源量成果; Ω 為不允許襲奪系數(shù)，長(zhǎng)江流域一般取0.4～0.6。

2 主要支流地下水資源量

2.1 平原區(qū)地下水資源量

平原區(qū)作為長(zhǎng)江流域內(nèi)地下水資源富集區(qū)，是地下水源工程取水的主要來(lái)源，本文采用補(bǔ)給量法計(jì)算了岷江、漢江、黃浦江等8個(gè)主要支流的地下水資源量，如表1所列。其中，補(bǔ)給量數(shù)據(jù)包括降水入滲補(bǔ)給量、山前側(cè)向補(bǔ)給量、地表水體補(bǔ)給量、井灌回歸補(bǔ)給量，排泄量數(shù)據(jù)包括實(shí)際開(kāi)采量、潛水蒸發(fā)量、河道排泄量、側(cè)向流出量、湖庫(kù)排泄量，所有數(shù)據(jù)均由流域所屬的省水利廳匯總提供。從平原區(qū)2001～2020年地下水資源模數(shù)來(lái)看，長(zhǎng)江上游支流岷江、沱江及嘉陵江的地下水資源模數(shù)要顯著高于中下游，對(duì)應(yīng)數(shù)值均超過(guò)了39.0萬(wàn)m 3/km 2，其中嘉陵江地下水資源模數(shù)最大，為42.4萬(wàn)m 3/km 2。長(zhǎng)江中游支流漢江及清江的地下水資源模數(shù)略小于長(zhǎng)江下游，其中漢江地下水資源模數(shù)最小，僅為18.7萬(wàn)m 3/km 2。

從平原區(qū)地下水來(lái)源方面來(lái)分析，長(zhǎng)江上游主要支流的地下水主要來(lái)源于地表水體補(bǔ)給，該項(xiàng)補(bǔ)給量超過(guò)了各支流地下水總量的50%，其次是降水入滲補(bǔ)給量，而山前側(cè)向補(bǔ)給量及井灌回歸補(bǔ)給量均可忽略不計(jì)。長(zhǎng)江中下游支流的地下水來(lái)源較之上游更為復(fù)雜，其主要組成項(xiàng)是降水入滲補(bǔ)給量，該項(xiàng)補(bǔ)給量超過(guò)了各支流地下水總量的70%，其次是地表水體補(bǔ)給量及山前側(cè)向補(bǔ)給量。而對(duì)比中、下游各支流，可發(fā)現(xiàn)兩者地下水來(lái)源差異主要在于井灌回歸補(bǔ)給量，漢江流域部分地下水由該項(xiàng)補(bǔ)給量組成，而下游對(duì)應(yīng)的井灌回歸補(bǔ)給量均可忽略不計(jì)。究其原因，主要是因?yàn)闈h江流域內(nèi)河南省及陜西省部分地區(qū)農(nóng)田灌溉量較大，導(dǎo)致該項(xiàng)補(bǔ)給量較為凸顯，而下游流域農(nóng)田供水主要來(lái)源于降水。

2.2 山丘區(qū)地下水資源量

與平原區(qū)相比，長(zhǎng)江流域山丘區(qū)地下水資源量占比更大，其面積接近于全流域面積的93%，對(duì)應(yīng)地下水資源量更是超過(guò)總量的90%，是全流域地下水資源的主要組成部分。本文采用排泄法計(jì)算了20個(gè)主要支流的山丘區(qū)地下水資源量，如表2所列。結(jié)果表明：各支流山丘區(qū)地下水資源量幾乎等于天然河川基流量，僅上游的嘉陵江、中游的漢江、下游的巢湖及青弋江水陽(yáng)江計(jì)算了部分不可忽略的其他排泄量，但均不超過(guò)總量的15%。針對(duì)地下水資源模數(shù)分析，可發(fā)現(xiàn)各支流山丘區(qū)地下水資源模數(shù)整體處于0～33萬(wàn)m 3/km 2之間，其中撫河對(duì)應(yīng)模數(shù)最大，為32.4萬(wàn)m 3/km 2，除黃浦江無(wú)山丘類(lèi)型地下水外，沱江對(duì)應(yīng)模數(shù)最小，僅為7.2萬(wàn)m 3/km 2。綜合來(lái)看，上游主要支流的山丘區(qū)地下水資源模數(shù)均值為10.5萬(wàn)m 3/km 2，中游支流對(duì)應(yīng)均值為18.2 萬(wàn)m 3/km 2 ，下游支流（除黃浦江外）對(duì)應(yīng)均值為20.8萬(wàn)m 3/km 2，自上游向下游整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

2.3 地下水資源總量

綜合平原區(qū)及山丘區(qū)對(duì)應(yīng)地下水資源成果，扣除兩者間的重復(fù)量，統(tǒng)計(jì)了21個(gè)主要支流的地下水資源總量，如表2所列。整體來(lái)看，因長(zhǎng)江流域內(nèi)地下水資源以山丘類(lèi)型為主，因此地下水資源總量模數(shù)的空間分布幾乎與山丘區(qū)一致，自上游向下游呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，上、中、下游主要支流對(duì)應(yīng)模數(shù)均值分別為11.2萬(wàn)， 18.4 萬(wàn)，21.4萬(wàn)m 3/km 2。而對(duì)比各支流山丘區(qū)與地下水資源總量的模數(shù)分布不難看出，長(zhǎng)江上游各支流兩者差異均不顯著;中游僅漢江存在一定差異，兩者差異程度為7.5%;下游因平原區(qū)地下水資源較為豐富，山丘區(qū)地下水資源量與地下水資源總量對(duì)應(yīng)模數(shù)的差異要顯著大于長(zhǎng)江上中游，除黃浦江外，巢湖流域兩者模數(shù)相差程度最大，差異程度接近32%。

與文獻(xiàn)[21]的1980～2000年資料分析成果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。近20 a來(lái)長(zhǎng)江流域地下水資源總量基本穩(wěn)定，空間分布特征未發(fā)生明顯變化，上下游地下水模數(shù)差異仍然較大。其中，上游各支流地下水資源量略有下降，變化幅度多在3%以內(nèi);中游各支流中除澧水、撫河地下水資源量略微增加之外（漢江流域兩次分析采用的山丘和平原區(qū)面積不同，未納入對(duì)比），其余支流均存在不同程度的下降趨勢(shì)，變化幅度在6%以內(nèi);下游各支流中黃浦江對(duì)應(yīng)地下水資源量有所增加，其余支流變化程度不大。

補(bǔ)給法和排泄法是目前常用的平原區(qū)和山丘區(qū)地下水資源量分析方法，但分析成果仍存在一定的不確定性。地下水資源量與降水量密切相關(guān)，平原區(qū)還受包氣帶巖性及計(jì)算面積的影響，山丘區(qū)還受基流切割差異的影響。從流域?qū)用鎭?lái)看，1980～2000年、2001～2020年兩個(gè)時(shí)段平原區(qū)包氣帶巖性變化極小，山丘區(qū)基流切割成果差異亦較小，兩次成果的差異主要是降水量自然波動(dòng)的表現(xiàn)，本次成果更能反映現(xiàn)狀實(shí)際情況。隨著水資源剛性約束制度的建立，科學(xué)利用水資源尤其是地下水資源愈來(lái)愈重要，首要條件是摸清地下水資源現(xiàn)狀。鑒于流域內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)施數(shù)量少、技術(shù)手段不先進(jìn)，應(yīng)進(jìn)一步提高地下水取水量和水位監(jiān)測(cè)能力，完善地下水監(jiān)測(cè)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，以對(duì)地下水資源量進(jìn)行復(fù)核，進(jìn)而確定合理的總量控制目標(biāo)。

2.4 開(kāi)采潛力評(píng)估

地下水開(kāi)采潛力評(píng)估是指通過(guò)分析研究地區(qū)現(xiàn)狀條件下地下水盈余量（地下水可開(kāi)采量與現(xiàn)狀地下水實(shí)際開(kāi)采量之差）來(lái)確定對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)地下水開(kāi)采擴(kuò)大可能性及對(duì)應(yīng)增量? [24] ，通常選用地下水實(shí)際可采量與可開(kāi)采量之比，即地下水開(kāi)采率 K c 作為指標(biāo)，如式（5）所示。

K c=W? 實(shí)開(kāi) /W? 可開(kāi)? （5）

式中：W? 實(shí)開(kāi) 為地下水實(shí)際開(kāi)采量，由各流域所屬省水利廳提供;W? 可開(kāi) 為地下水可開(kāi)采量，由式（4）計(jì)算確定。一般認(rèn)為，當(dāng)K c=1.0時(shí)，地下水資源開(kāi)采達(dá)到平衡，對(duì)應(yīng)的開(kāi)采潛力為零;當(dāng)K c<0.3時(shí)，地下水資源開(kāi)采潛力極大;而當(dāng)K c>1.2時(shí)，則地下水超采嚴(yán)重。

考慮到目前長(zhǎng)江流域地下水資源工程取水以平原區(qū)為主，本次重點(diǎn)關(guān)注平原區(qū)地下水資源量的開(kāi)發(fā)程度，結(jié)合開(kāi)采系數(shù)法計(jì)算了8個(gè)主要支流及全流域的地下水開(kāi)采率 K c （黃浦江流域地下水開(kāi)采率為0），如圖2所示。不難看出，長(zhǎng)江中上游主要支流對(duì)應(yīng)淺層地下水開(kāi)采率均超過(guò)長(zhǎng)江流域均值，整體處于25.0%～45.5%之間，且開(kāi)采率從上游向中游呈現(xiàn)略微增加的趨勢(shì)，以漢江流域的地下水開(kāi)采率45.2%最大。而長(zhǎng)江下游各支流地下水開(kāi)采率較小，整體處于0～15%之間。結(jié)果表明：現(xiàn)階段長(zhǎng)江流域內(nèi)除漢江開(kāi)采量較大外，其他支流的地下水資源開(kāi)采均處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，且仍具有一定的開(kāi)采潛力，下游支流的地下水資源開(kāi)采程度較小，均小于15%，對(duì)應(yīng)開(kāi)采潛力顯著大于上中游。其中，漢江流域現(xiàn)狀地下水開(kāi)采率較大，主要系其一級(jí)支流唐白河流域?yàn)榻邓蛷搅魃畹椭祬^(qū)，南襄盆地內(nèi)工農(nóng)業(yè)用水大量開(kāi)采地下水資源所致。

3 結(jié) 論

本文依據(jù)長(zhǎng)江流域2001～2020年最新觀測(cè)資料，采用補(bǔ)給法及排泄法分別計(jì)算了長(zhǎng)江流域內(nèi)21個(gè)主要支流平原區(qū)及山丘區(qū)的地下水資源量，并統(tǒng)計(jì)了地下水資源總量，在此基礎(chǔ)上結(jié)合地下水開(kāi)采現(xiàn)狀，評(píng)估了各支流對(duì)應(yīng)的開(kāi)采潛力，具體結(jié)論如下：

（1） 近20 a來(lái)長(zhǎng)江流域主要支流地下水資源總量基本穩(wěn)定，除澧水、撫河、黃浦江水量略有增加外，其他支流減小幅度多在6%以內(nèi);空間分布特征未發(fā)生明顯變化，上中下游地下水資源模數(shù)存在明顯差異。

（2） 長(zhǎng)江上游主要支流的平原區(qū)地下水資源模數(shù)顯著大于中下游，其中上游支流的地下水主要依靠地表水體補(bǔ)給，而中下游地下水則主要來(lái)源于降水入滲補(bǔ)給，中游與下游地下水來(lái)源差異主要在于井灌回歸補(bǔ)給量的影響。

（3） 長(zhǎng)江流域多數(shù)支流的山丘區(qū)地下水資源量幾乎等于天然河川基流量，地下水資源模數(shù)自上游向下游呈現(xiàn)增加趨勢(shì);整體來(lái)看，地下水資源總量的空間分布特征與山丘區(qū)基本類(lèi)似，僅在下游部分支流存在一定差異。

（4） 長(zhǎng)江流域現(xiàn)階段淺層地下水開(kāi)采程度較低，具有較大開(kāi)采潛力。其中，上中游支流的開(kāi)采率自上游向中游呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，以漢江流域的45.2%最高，下游支流開(kāi)采率顯著小于上中游，對(duì)應(yīng)開(kāi)采潛力更大。

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（編輯：劉 媛）

Research on distribution characteristics of groundwater resources over ?main branches of Changjiang River Basin

JIA Jianwei，WANG Lihai，WANG Dong

（ Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China ）

Abstract：

Reasonable analysis on groundwater resources characteristics and exploitation potentiality plays an important role in the groundwater resources management.In this paper，we evaluated the characteristics of groundwater resources for 21 main branches in the Changjiang River by using the latest observed data from 2001 to 2020.The water balance method and drainage method were used to estimate the amount of groundwater resources of flatlands and hilly areas，respectively.Finally，the exploitation potentiality of groundwater resources for each branch was evaluated based on all estimated results.The results show that the groundwater resource modules in the flatlands of the upper reaches are significantly greater than those in the middle and lower reaches，and the modules of middle reaches are the smallest around the whole Changjiang River Basin.The groundwater resource modules in the hilly areas and the whole branches increase gradually from upstream to downstream.Generally，the current groundwater exploitation level for all branches in the upper and middle reaches of the Changjiang River is greater than that in the lower reaches，and the overall extent of groundwater exploitation for the Changjiang River basin is relatively low，showing that the groundwater in Changjiang River still has great exploitation potential.

Key words：

groundwater resources;spatial-temporal distribution characteristics;exploitation potentiality;water balance method;drainage method;Changjiang River Basin