黃修橋，郭圓圓，徐建新

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng)453003;2.華北水利水電學(xué)院，河南鄭州450045)

21世紀全球普遍面臨人口、資源與環(huán)境問題的三大挑戰(zhàn)，其中，水資源危機是三大挑戰(zhàn)中的核心［1］.隨著社會的發(fā)展，水資源短缺和水環(huán)境污染的問題愈發(fā)嚴重，這就使得水資源開發(fā)利用的類型向多樣化發(fā)展，表現(xiàn)為由單一水資源的利用變?yōu)槎喾N水資源的聯(lián)合利用，常規(guī)水資源與非常規(guī)水資源的聯(lián)合利用.灌區(qū)水資源種類的增多，促使對灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究的興起，其關(guān)注要點主要是灌區(qū)可用水資源種類、人類活動影響地下水循環(huán)演變機理、灌區(qū)水資源優(yōu)化調(diào)度模式等.灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究對于探討復(fù)雜環(huán)境下多種水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化過程、水資源高效利用及調(diào)控和生態(tài)環(huán)境保護具有重要的理論和實踐意義，可為解決灌區(qū)水資源短缺問題提供理論基礎(chǔ)和科技支撐.

進行灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究，要明確灌區(qū)大氣水－地表水－土壤水－地下水的轉(zhuǎn)換機制，促使水資源向有利的方向轉(zhuǎn)化，避免水資源浪費，實現(xiàn)水資源的合理配置，達到節(jié)水灌溉、緩解灌溉用水短缺的目的.也就是，充分利用天然降水，積極開發(fā)新型水源，調(diào)節(jié)性地使用地表水，保護性地開采地下水，高效地轉(zhuǎn)化為供給植物利用的土壤水.

1 灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究進展

1.1 田間尺度水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究

近一個世紀以來，人們一直在通過各種方式致力于研究土壤、大氣、植物之間的相互關(guān)系，隨著土壤物理學(xué)、植物生理學(xué)、農(nóng)田水利學(xué)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需要，這些方面的研究取得了較大進展.1966年，澳大利亞水文與土壤物理學(xué)家Philip提出了較完整的關(guān)于“土壤－植物－大氣連續(xù)體”(Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC)的概念［2］，將“土壤－植物－大氣連續(xù)體”作為一個整體，用連續(xù)、系統(tǒng)、動態(tài)的觀點和統(tǒng)一的能量標(biāo)準(zhǔn)去定量研究系統(tǒng)中水分運移、熱能傳輸?shù)奈锢韺W(xué)和生理學(xué)機理及其調(diào)控理論，奠定了現(xiàn)代農(nóng)田水分研究的理論基礎(chǔ).20世紀80年代中后期，雷志棟提出了大氣水、地表水、土壤水、地下水之間的“四水”轉(zhuǎn)化概念，首次論證了地下水入滲補給的存在及其補給系數(shù)，提出了新的潛水蒸發(fā)公式，從理論和實踐上對給水度概念做出了正確解釋.之后又于1998年在對我國內(nèi)陸干旱區(qū)平原綠洲水土資源利用的研究中，提出了以土壤水為中心的農(nóng)區(qū)－非農(nóng)區(qū)的“四水”轉(zhuǎn)化概念模型［3］，對潛水蒸發(fā)的有效性、綠洲內(nèi)生態(tài)耗水、內(nèi)陸干旱的旱排作用進行了分析討論.1995年康紹忠等［4－5］建立了麥田“五水”(大氣水、地表水、地下水、土壤水和植物水)轉(zhuǎn)化的動力學(xué)模式，揭示了麥田水分微循環(huán)的規(guī)律，定量地給出了麥田水量轉(zhuǎn)化的關(guān)系.2005年，周愛國等［6］在對西北內(nèi)陸盆地水分垂直循環(huán)的研究中，將“四水”垂直循環(huán)這一微觀水文循環(huán)過程與區(qū)域水文循環(huán)過程相結(jié)合，實現(xiàn)了由田間尺度向區(qū)域水循環(huán)關(guān)鍵尺度的轉(zhuǎn)化.2011年馬歡等［7］改進Hydrus－1D模型模擬了田間水分運移過程，與實測土壤含水率相比，模型具有較高的模擬精度.

1.2 區(qū)域水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究

在灌區(qū)水資源循環(huán)過程和水量轉(zhuǎn)化的研究中，大多以分布式水文循環(huán)模型為基礎(chǔ)，在不用尺度、不同地理環(huán)境下展開研究.1995年，夏軍等［8］通過單元系統(tǒng)的水均衡分析，對水網(wǎng)地區(qū)水量轉(zhuǎn)化進行系統(tǒng)模擬，提出了一種能反映平原湖區(qū)水文基本特征的水資源系統(tǒng)模型，定量地描述了水資源的循環(huán)過程以及地下水的動態(tài)變化.2003年，夏軍等［9］提出了分布式時變增益水循環(huán)模型(Distributed Time Variant Gain Model，DTVGM)的概念，將空間數(shù)字化信息與水文系統(tǒng)理論結(jié)合起來，DTVGM同時具有分布式水文概念性模擬的特征和水文系統(tǒng)強大的分析適應(yīng)能力，在水文資料信息不完全或者有不確定性干擾條件時也能獲得比較好的分布式水文模擬效率.2004 年，胡和平等［10－11］以干旱地區(qū)平原綠洲為研究對象，建立了干旱區(qū)平原綠洲散耗型水文模型，模型考慮了水在不同介質(zhì)和不同形態(tài)之間的交換或轉(zhuǎn)化，并重點考慮人類活動對水平衡的影響，并在阿克蘇河流域平原區(qū)進行模擬，結(jié)果顯示模型效率系數(shù)超過90%，證明了模型較高的模擬精度.2005年，Gosain等［12］應(yīng)用SWAT模型預(yù)測了流域自然條件下的產(chǎn)流量，評價了人類活動對區(qū)域水量平衡的影響.2006年，王浩等［13］提出了水資源全口徑層次化動態(tài)評價方法，將分布式水文模型與集總式水資源調(diào)配模型耦合，建立了二元水資源評價模型，并在黃河流域應(yīng)用，取得了滿意的成果.2009年，張銀輝等［14］在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)進行水文學(xué)過程模擬，得出蒸散量、滲漏量、系統(tǒng)排水量和引水量的多年平均值，對比實測數(shù)據(jù)，驗證了模型的合理性.同年，代俊峰等［15－16］改進自然流域水文模型，建立了灌區(qū)分布式水文模型，改變了陸面水文過程的計算結(jié)構(gòu)，給出了不同尺度間水量平衡指標(biāo)的變化特點，實現(xiàn)了模型在不同尺度下的應(yīng)用.2011年，夏軍等［17］將分布式水文模型與地下水?dāng)?shù)值模型耦合，建立了變化環(huán)境下跨流域調(diào)水的大尺度水文循環(huán)模型(Largescale Distributed Time Variant Gain Model，LDTVGM)，不僅考慮了自然的產(chǎn)匯流規(guī)律，同時考慮了人類活動的影響.

2 灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系研究存在的問題

從灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究可以看出，灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究在理論和方法上都取得了顯著的進展，并且隨著社會和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，取得了很多有價值的研究成果.在研究方法上，灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化模型由單一的數(shù)學(xué)規(guī)劃模型發(fā)展為數(shù)學(xué)規(guī)劃與現(xiàn)代模擬技術(shù)等的耦合模型，使模型對系統(tǒng)模擬更準(zhǔn)確、更合理;在研究目標(biāo)上，從注重灌區(qū)水源水量的研究發(fā)展為灌區(qū)水源水質(zhì)研究并重，對防止農(nóng)田污染和水資源的可持續(xù)利用有著重要意義;在研究尺度上，由田間尺度的水文循環(huán)研究發(fā)展為大尺度跨流域水資源循環(huán)研究，為水資源的合理配置和發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)提供了理論基礎(chǔ).但由于水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的復(fù)雜性，回顧已有成果，發(fā)現(xiàn)仍存在以下問題.

1)相比于集總式水文模型，在處理復(fù)雜水文問題上，分布式水文模型顯示出較強的適用性，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，分布式水文模型成為近20年來水文建模領(lǐng)域的熱點.以分布式水文模型為基礎(chǔ)的水文循環(huán)模型在應(yīng)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學(xué)規(guī)律和概率理論來描述水文過程的，由于水文過程的復(fù)雜性和非線性，模型的建立存在許多假設(shè)和概化.因此，數(shù)學(xué)公式和物理方程在描述水資源循環(huán)機理上存在缺陷，模型本身不夠完善.另外，分布式水文模型的建立比較依賴地理環(huán)境和氣候資料，側(cè)重于地表徑流的模擬研究，這就使得模型在以地下水為主要水源的地區(qū)的應(yīng)用具有局限性，而現(xiàn)有的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件Modflow、Feflow等將地表水流近似處理為一維明渠恒定流，不能真實地反映地表水流的水力特征，也未能與地表水循環(huán)很好地耦合.雷志棟等［18－20］在以土壤水為中心的“四水”轉(zhuǎn)化模型的基礎(chǔ)上，建立了干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型，通過對渭干河平原綠洲、塔里木盆地綠洲、新疆葉爾羌平原綠洲等各耗水單元的水量轉(zhuǎn)化和消耗過程的模擬，得出不同綠洲的耗水結(jié)構(gòu)，與實際監(jiān)測結(jié)果相吻合，顯示出較強的適用性，但模擬中用到的有關(guān)參數(shù)有其不確定性，在一定程度上影響了模擬結(jié)果的可靠性.這些不確定性主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集上的誤差，率定資料的不確定性，陸面模式和氣候模式耦合中的不確定性，尺度匹配造成的誤差，對空間關(guān)系描述不夠準(zhǔn)確等，模擬中不確定性的研究是當(dāng)前水科學(xué)研究的重點.

2)灌區(qū)水資源系統(tǒng)不是一個獨立的系統(tǒng)，灌區(qū)水資源的循環(huán)轉(zhuǎn)化必定會受到人工灌區(qū)系統(tǒng)即取水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的影響，人類活動已經(jīng)改變了灌區(qū)以降水－產(chǎn)流機制為主的水文過程.目前的水文模型主要研究自然條件下的水資源循環(huán)情況，對灌區(qū)系統(tǒng)的影響考慮稍顯不足.因此，在研究中應(yīng)該將灌區(qū)取水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、配水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)耦合，與水資源系統(tǒng)統(tǒng)一考慮，需要建立“人工－自然”復(fù)合水文循環(huán)模型.雷志棟等開發(fā)研制了干旱區(qū)平原綠洲耗散型水文模型，對干旱區(qū)平原綠洲的耗水過程進行了系統(tǒng)的研究，重點考慮了人類活動對水均衡的影響，但并沒有建立真正意義上的“人工－自然”二元水文循環(huán)模型，對人類活動影響的考慮也只是城鄉(xiāng)生活和工業(yè)的引、排水對灌區(qū)水資源循環(huán)的影響，對天文、氣候以及下墊面參數(shù)的影響考慮稍顯不足，沒能全面反映人類活動對各個因素的影響.人類活動對水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化過程的影響越來越受到關(guān)注，針對人類活動強的地區(qū)，張俊娥等［21］以“四水”轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)，建立了MODCYCLE“人工－自然”復(fù)合水文循環(huán)模型，全面考慮各影響因素，充分體現(xiàn)了“人工－自然”的二元特性，這是目前對人類活動影響比較全面的研究.該模型將區(qū)域水循環(huán)分為兩大過程進行模擬:陸面水循環(huán)過程和水面水循環(huán)過程，但對這兩個循環(huán)過程的耦合存在很大的不確定性.

3)水質(zhì)是灌區(qū)可用水量的重要指標(biāo)，如果只進行單一變量的分析，就難以反映水資源的真實特性.當(dāng)前的研究多是對水量的研究，較少考慮水質(zhì)的影響，應(yīng)對灌區(qū)水質(zhì)、水量進行耦合研究，從而對區(qū)域水資源量有全面認識，為灌區(qū)多水源的聯(lián)合調(diào)度提供更加可靠的理論基礎(chǔ).對水質(zhì)、水量聯(lián)合評價的研究中，大多受到水質(zhì)、水量資料缺乏的束縛.張永勇等［22］將分布式水量水質(zhì)耦合模型引入水資源評價中，較好地解決了這一問題.該模型是以水循環(huán)過程為基礎(chǔ)，利用現(xiàn)有資料建立流域分布式水量水質(zhì)耦合模型，通過改變模型輸入和邊界條件，進行分析和預(yù)測.但目前關(guān)于水質(zhì)、水量聯(lián)合評價的研究較少，該方法處于初步探索階段，對參數(shù)的不確定性和合理性分析還需要進一步研究.

3 展望

結(jié)合上述研究進展，灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究呈現(xiàn)出以下趨勢.

1)灌區(qū)水資源種類的增加.研究灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化的關(guān)系首先要確定研究區(qū)的水資源種類.已有研究中，將“四水”轉(zhuǎn)化作為灌區(qū)水循環(huán)的基本形式，即大氣水、地表水、地下水和土壤水之間的循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系，隨著雨水集蓄技術(shù)和中、污水回灌技術(shù)的興起，可用水資源種類的增多，促使現(xiàn)有模型和計算技術(shù)更新，未來的灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化研究必須考慮灌區(qū)可利用的多種水資源之間的循環(huán)轉(zhuǎn)化.

2)灌區(qū)水源資循環(huán)過程中各個要素影響的研究.隨著田間尺度水文循環(huán)研究向灌區(qū)水資源循環(huán)關(guān)系研究的過渡，水文循環(huán)模型也由自然系統(tǒng)水文模型轉(zhuǎn)為“人工－自然”二元水文循環(huán)模型，研究在人類活動影響下灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系將是水循環(huán)研究的前沿之一.

3)協(xié)調(diào)關(guān)系的研究.這里的協(xié)調(diào)關(guān)系包括各行政區(qū)之間的用水調(diào)度協(xié)調(diào)、灌區(qū)多種水源供水量和供水時間的協(xié)調(diào)、水量與水質(zhì)的協(xié)調(diào)以及水資源循環(huán)系統(tǒng)與灌區(qū)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào).

4)多種方法的耦合研究.隨著研究因素的增加，面對多種水資源復(fù)雜的循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系，將多種方法耦合，揚長避短，充分發(fā)揮各優(yōu)化方法的優(yōu)勢，將是研究灌區(qū)水資源循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系的重要途徑之一.

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