一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法与流程

本发明属于农业灌区水资源计算领域，具体涉及一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法。

背景技术：

当前，我国灌溉农田生产了全国粮食总产量的70％、棉花总产量的80％和蔬菜总产量的90％，为粮食生产与供应发挥着重要作用。灌区作为农业生产发展的集中区域，具有较为可靠的水源和引、输、配水渠道系统以及相应排水沟道，根据种植作物生长灌溉需求，人工调配灌溉水量的时空分布，形成了典型的“自然-人工”二元水循环结构。

灌区一般分布在平原地区，无论是渠灌区还是井灌区均具有相对较好的水源条件。在渠灌区，普遍修建了干渠、支渠、斗渠、农渠等多级引水渠系，以及干沟、斗沟、支沟、农沟等多级排水沟道；井灌区则根据地下水赋存条件建设灌溉机井，通过灌溉机井抽水满足农田灌溉需求。因此，灌区引水系统的结构、分布，实质上已经形成了一套特征鲜明的水资源耗散体系，即灌溉水源通过各级渠道或灌溉机井输送分散至各灌溉田块，完成水资源由点、线扩散到面的过程。与此同时，灌区往往还有排涝、排盐的需求，进入田块未被消耗的水分通过地表和地下两条路径汇入各级排水沟，再汇流到排水干沟或河湖，流出灌区，形成了类似于河川径流的水资源汇合体系，完成面上水分经点、线集中汇合的过程。因而，如何精细模拟和反映灌区水循环特征与演变规律成为当前面临的难题之一。

目前，常见的水文模型(如SWAT模型，VIC模型等)在受人类活动影响较小的流域应用效果较为理想，但是对拥有复杂灌区耗散-汇合特征的引水、排水等水资源人工调控过程的模拟还存在巨大困难，一是难以有效提取灌区引排水及水系特征，二是对人工优化调控及田间管理的定量化描述不够精细。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，该方法能够精细模拟具有典型耗散-汇流结构特征的灌区“自然-人工”二元水循环过程，从而能够更好认识灌区水资源演变规律，为灌区水资源高效利用提供支撑。为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，包括：

(1)获取灌区DEM数据和排水系统信息，确定区域汇水路径，划分汇水单元；

(2)获取灌区供水系统分布信息，确定区域供水耗散结构，划分耗散单元；

(3)划分空间计算单元，建立空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系；

(4)获取空间计算单元对应的气象信息、土地利用信息、土壤分布信息、水文地质参数信息，结合空间计算单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系，构建灌区分布式水循环模型。

进一步地，步骤(1)具体过程为：

获取灌区DEM数据信息，基于此数据提取河流水系，并参考实际水系分布进行修正，确定每条河段的汇水范围；

在划分的每条河段的汇水范围基础上，基于灌区排水沟道分布，划分每条排水沟段对应的汇水范围，确定新的汇水范围，新的汇水范围为灌区汇水单元。

进一步地，步骤(2)具体过程为：

在划分的汇水单元基础上，基于灌区的多级引水渠系空间分布信息，划分每条引水渠段对应的供水范围，直至确定最末级渠系对应的灌溉田块，并建立每条引水渠耗散供水范围；

在划分的供水单元基础上，基于灌区的地下水开采井的经纬度信息，确定每个供水单元对应的地下水开采井的数量、类型、供水对象与供水量，提取地下水的耗散单元信息。

进一步地，构建的灌区水循环模型模拟的过程包括：蒸散发模拟、土壤水模拟、地下水模拟和灌区引-灌-排模拟。本发明提供的基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，具有以下有益效果：

通过构建灌区农田灌溉水分的耗散结构系统，获取灌溉用水多尺度精细分布信息，同时与水循环的地表-土壤-地下及植被生态全过程进行深度耦合，实现对平原灌区水分循环的一体化模拟，更加客观真实反映平原灌区水分运动、分布及耗散特征，为水资源演变规律、高效利用等提供基础支撑。

附图说明

图1表示本发明基于耗散-汇合结构的平原灌区水循环模型构建方法的主要流程图。

图2表示平原灌区地表水平向水资源耗散-汇合特征示意图。

图3表示平原灌区地下垂向水资源耗散-汇合特征示意图。

图4表示平原灌区水循环转化过程示意图。

图5表示平原灌区引水耗散与排水汇合单元示意图。

图6表示平原灌区地下水开采井与耗散单元关系示意图。

图7表示平原灌区水循环计算单元示意图。

图8表示平原灌区汇水单元与耗散单元拓扑关系示意图。

图9表示平原灌区单元土地利用信息提取示意图。

图10表示平原灌区单元土壤分布信息提取示意图。

图11表示平原灌区单元水文地质参数分区示意图。

图12表示地表输水渠段水平衡项关系图。

具体实施方式

本发明针对现有的水循环模型在平原区水循环特征刻画不清晰、社会水循环过程与消耗机理描述不准确、自然-人工复合水循环模拟准确性较低等问题，提供一种基于平原区水资源耗散-汇合结构的水循环全过程模拟计算方法，更科学、准确地模拟计算平原区水循环演变过程与水资源消耗、转化特征。

本发明的思路：

根据DEM数据和河网水系信息，确定汇水路径，划分研究区汇水单元，以真实客观地反映区域自然水循环的时空分布特征；

依据研究区行政区划、引水渠系、地下开采井等分布信息，划分研究区耗散单元，以真实客观地反映平原灌区人工用水的时空分布特征；

叠加构建研究区耗散-汇合单元结构，建立平原灌区水循环耗散-汇合单元的拓扑关系数据库，实现平原灌区自然水循环与人工水循环在结构上的耦合。

按照1km×1km或其他适合研究任务的尺度划分地下水计算单元，并作为平原灌区水循环单元的空间范围；

建立地下水计算单元与上述耗散、汇合单元之间的拓扑关系，即明确任一地下水单元所在的耗散单元、汇合单元信息，并获取耗散-汇合单元间的拓扑关系，并在垂向构建水分的耗散-汇合结构，实现地表-土壤-地下的一体化模拟计算。

最后根据确定的计算单元范围，确定单元对应的气象站，并生成气象数据输入文件；

确定单元内各种土地利用分布信息，并生成土地利用数据文件；

确定单元内各种土壤类型分布信息，并生成土壤分布与参数数据文件；

确定单元对应的水文地质分区信息，并生成单元水文地质参数数据文件，最终构建灌区水循环模型。

具体过程包括：

(1)获取灌区DEM数据和引水渠系、排水渠系、开采井、河流等基本水源信息，并进行信息矢量化处理，构建灌区水循环要素间的拓扑关系和特征数据库。具体步骤包括：

借助ArcGIS软件将灌区引水渠系的总干渠、干渠、支渠、斗渠、农渠等分级信息进行矢量化，并建立各级引水渠系特征数据库，包括渠系编号、类型、级别、长度、坡度、深度、糙率系数等。

借助ArcGIS软件将灌区排水渠系的总干沟、干沟、支沟、斗沟、农沟等分级信息进行矢量化，并建立各级排水沟特征数据库，包括排水沟编号、类型、级别、长度、坡度、深度、糙率系数、下游沟段编号等。

借助ArcGIS软件将灌区内的河流水系分布进行矢量化，并对河道进行编码，建立河道特征数据库，包括河段编号、长度、坡度、深度、糙率系数、下游河段编号、水库编号、闸坝编号等。

借助ArcGIS软件获取灌区内的地下水开采井坐标，并对开采井进行编码，建立地下水开采井特征数据库，包括开采井编号、经度、维度、井深、水源类型、成井日期、水泵功率、井口标高、水位标高、埋深等。

(2)根据获取的水源分布信息，确定灌区供水耗散结构和供水范围，划分耗散计算单元。具体步骤包括：

针对地表灌溉水源，根据获取的灌溉引水多级渠系分布，如总干渠、干渠、支渠、斗渠等，划定灌溉范围。

针对地下灌溉水源，根据获取的灌溉井经纬度坐标，采用克里金插值方法或控制半径法确定地下水灌溉范围。

对于地表水与地下水灌溉的农田，按照先地表水后地下水的顺序将上述两层信息叠加即可。

(3)根据排水和河流信息，确定灌区水流汇合结构与汇水范围，划分汇水计算单元。具体步骤包括：

根据提取的流域水系，划分子流域单元，作为流域内水分汇流的范围；然后在此基础上，根据提取的灌区排水渠系的分布，细分排水区域，确定每个排水渠系对应的排水范围，从而得到灌区汇水计算单元。

(4)根据灌区所在的平原区边界划分网格计算单元，建立地下水网络单元、汇水单元和耗散单元之间的拓扑关系，用于灌区地下水数值模拟计算。具体步骤包括：

利用ArcGIS等地理信息处理软件，结合模拟精度要求将研究区域划分为1km×1km(或者2km×2km以及其他尺度)的网格单元，并对网格单元的行、列编号，标识区域内有效单元；

根据地理坐标值，将网格单元与前面确定的耗散计算单元和汇流计算单元信息进行空间叠加，构建单元拓扑关系，即确定每个单元对应的水分耗散信息，包括所在地市与区县行政区、所在灌区与灌域、对应引水渠段与抽水井等，以及每个单元对应的水分汇流信息，包括所在流域与子流域单元、河段、排水沟段、水库、取水口与排水口等。

(5)获取网格计算单元对应的气象、土地利用、植被、土壤、地下水等信息，构建平原灌区水循环模型。具体步骤包括：

明晰网格计算单元的气象信息：按照泰森多边形方法确定网格计算单元所采用的气象站点信息。

明晰网格计算单元的土地利用信息：根据网格计算单元地理边界与土地利用信息叠加，利用ArcGIS等地理信息软件提取每个计算单元内的土地利用分布。其中，对耕地部分，根据调查的种植结构信息进行细化，确定每种作物的种植面积及复种情况。

明晰网格计算单元的土壤分布信息。根据单元地理边界与土壤类型分布信息叠加，利用ArcGIS等地理信息软件提取每个计算单元内的主要土壤类型及其分布面积，一般选取2-3种主要的土壤类型。

明晰网格计算单元的水文地质信息。将获取的水文地质信息进行整理，绘制各层渗透系数、给水度、含水层厚度、底板高程等空间分布图，再与单元格地理信息叠加，提取各单元对应的水文地质参数值。

实施例

如图1所示，一种基于耗散-汇合结构的灌区水循环模型构建方法，包括：

步骤1：根据研究区DEM和排水系统，确定区域汇水路径，划分研究区汇水单元；

步骤2：根据研究区行政区划引水渠系、地下开采井等分布信息，确定区域供水耗散结构，划分耗散单元；

步骤3：叠加构建研究区耗散-汇合单元结构，划分地下水计算单元，构建研究区计算单元拓扑关系数据库；

步骤4：获取研究区及单元对应的气象、土地利用、土壤类型、水文地质等信息，构建平原灌区分布式水循环模型。

本发明提出的平原灌区水循环的耗散-汇合的结构特征体现在水平方向和垂直方向。其中，水平方向的耗散-汇合特征如图2所示，突出特点是：地表水资源通过多级灌溉引水渠系从水源地逐级分布到整个灌区，并在末级渠系及农田上被作物利用和消耗，多余的水量再通过多级排水沟道相互交织，形成了平原灌区典型的水资源耗散-汇合结构。垂直方向的耗散-汇合特征如图3所示，其特点是：地下水资源通过分布于农田、城镇、农村居民点的开采井输出，通过渠系、城镇供水管网等输配水设施逐级分散到各用水主体，经过使用消耗后，多余的水量通过渗漏再次回归到地下含水层，并通过地下水流通道进行汇合，构成平原灌区在垂向上的耗散与汇合结构。

平原灌区水循环过程的耗散-汇合结构特征客观上反映出水分在灌区地表、土壤、地下各层的频繁转换过程，尤其是大量的人工灌溉及土地利用变化进一步改变了地表水、土壤水和地下水之间的转换路径与通量。因此，平原灌区水循环的模拟计算需要在考虑其耗散-汇合特征之外，还需要将地表、土壤、地下水进行一体化的模拟，充分考虑人类活动影响下各层水分通量的转换与循环过程。

基于耗散-汇合结构的平原灌区水循环模型构建方法包括两大部分：一是构建水循环要素之间的结构组成及其时空拓扑关系；二是通过上述结构对平原灌区地表-土壤-地下水分循环转换进行一体化模拟计算。平原灌区水循环转化过程模拟如图4所示。

这样，本发明中的步骤1具体为：

步骤101：基于平原灌区DEM数据信息提取河流水系，并参考实际水系分布进行修正，确定每条河段的汇水范围即确定汇水单元；

步骤102：在上一步划分的汇水单元基础上，基于灌区排水沟道分布，借助ArcGIS软件，划分每条排水沟段对应的汇水范围，确定新的汇水范围，如图5所示。

本发明中的步骤2具体为：

步骤201：在步骤102划分的汇水单元基础上，基于平原灌区的多级引水渠系(总干渠、干渠、支渠、斗渠等)空间分布信息，借助ArcGIS软件，划分每条引水渠段对应的供水范围，直至确定最末级渠系对应的灌溉田块，并建立每条引水渠耗散供水范围，如图5所示；

步骤202：在步骤201划分的供水单元基础上，基于平原灌区的地下水开采井的经纬度信息，借助ArcGIS软件，确定每个供水单元是否对应有地下水开采井，若有开采井，则明确对应的开采井数量、类型、供水对象与供水量，从而确定地下水的耗散单元信息，如图6所示。

本发明中的步骤3具体为：

步骤301：借助ArcGIS软件对平原灌区按照1km×1km尺度(或者其他尺度)划分单元格，作为水循环模拟计算的最终空间计算单元，如图7所示；

步骤302：将步骤301中划分的单元格与步骤102中划分的汇水单元及步骤202中划分的耗散单元进行空间叠加，构建计算单元格与耗散单元、汇合单元之间的拓扑关系，如图8所示，并建立拓扑关系属性数据库，从结构上明确每个计算单元上水的来源、消耗、流动和转换路径，为进一步构建平原灌区分布式水循环模型提供基础。

本发明中的步骤4具体为：

步骤401：根据计算单元格与气象站经纬度信息，按照泰森多边形法则确定每个单元对应的气象站，并将各气象站观测信息(如降水、气温、相对湿度、日照时数等)按照统一格式生成数据输入文件；

步骤402：借助ArcGIS软件，采用计算单元图层和土地利用分布图层提取每个计算单元内的耕地、林地、草地、居工地、未利用地、水域等各种土地利用类型的分布面积，如图9所示，校核后生成计算单元土地利用信息表；

步骤403：借助ArcGIS软件，采用计算单元图层和土壤属性分布图层提取每个计算单元内各种土壤类型的分布面积，如图10所示，对一个单元存在多种土壤类型的情况，可按照取3种主要土壤类型进行简化，校核后生成计算单元土壤分布信息表；

步骤404：借助ArcGIS软件，依据计算单元图层和水文地质参数分布图层(如给水度、渗透系数、隔水底板高程等)提取每个计算单元内各种水文地质参数信息，如图11所示，校核后生成计算单元水文地质参数信息表；

步骤405：将上述401-404完成的数据作为输入，构建平原灌区分布式水循环模型，其具体过程如下：

(1)蒸散发模拟

根据不同下垫面情况及其蒸散发特点，主要分为水域蒸发、植被截留蒸发、植被蒸腾、土壤蒸发和不透水域蒸发五个部分。其中，

水域蒸发量按照Penman公式计算：E_w＝[(RN-G)Δ+ρ_aC_pδ_e/r_a]/[λ(Δ+γ)]，其中，RN为净辐射量(MJ·m^-2·d^-1)；G为传入水体的热通量(MJ·m^-2·d^-1)；Δ为饱和水气压对温度的导数(kPa·℃-1)；δ_e为水气压与饱和水气压的差(kPa)；r_a为蒸发表面空气动力学阻抗；ρ_a为空气密度(kg/m³)；C_p为空气定压比热(MJ·kg^-1·℃^-1)；λ为水体的气化潜热(MJ/kg)；γ为C_p/λ。

植被截留蒸发量计算采用如下公式：Ei＝Veg·δ·Ep，其中Veg为植被域-裸地的植被覆盖度；δ为湿润叶面的面积率；Ep为潜在蒸发量(由Penman公式计算)。

植被蒸腾量计算采用：Etr＝Veg·(1-δ)·E_PM，其中Ep为植被潜在蒸发量(由Penman-Monteith公式计算)

土壤蒸发量计算采用修正Penman公式：Es＝[(Rn-G)Δ+ρ_aC_Pδe/r_a]/[λ(Δ+γ/β)]，其中β为土壤湿润函数或蒸发效率；其它符号意义与前文相同。

不透水域的蒸发量由下式计算：E_u＝cE_u1+(1-c)E_u2，其中E_u为蒸发量；c为居工地建筑物在不透水域的面积率；下标1表示居工地建筑物，2表示居工地地表面。

(2)土壤水模拟

设置地表储流层作为土壤表层(厚度0-10cm)，蓄滞深度作为该层反映人类耕作影响的关键参数；将地表储流层以下分为土壤浅层(厚度10-200cm)和土壤深层(土壤浅层至潜水面)，然后进行分层的模拟计算：

地表储流层：H_S＝H_S0+P+I-R-E_S-F_S，其中H_S0为模拟时段初的地表积水量(mm)；H_S为地表积水量(mm)；I为田间灌水量(mm)；P为天然降水量(mm)；E_S为地表蒸散量(mm)；R为地表产流量(mm)；H_SMax为储流层厚度(mm)F_S为土表入渗量(mm)。

土壤浅层：水量平衡方程θ_U·H_U＝W_U0+F_S-E_U-F_U，其中H_U为土壤浅层厚度；θ_U为土壤浅层含水率；E_U为浅层土壤蒸发和植被蒸散量(mm)；W_U0为土壤浅层初始蓄水量(mm)；F_U为土壤水势梯度差异引起的土壤浅层与土壤深层的水分交换量(mm)。

土壤深层：水量平衡方程θ_L·H_L＝W_L0+F_U-E_L-F_L，其中H_L为土壤深层厚度，随潜水位变化；θ_L为土壤深层含水率；E_L为植被蒸散量(mm)；W_L0为初始深层土壤蓄水量(mm)；F_L为土壤水势梯度差引起的土壤水和潜水之间水分交换量(mm)。

(3)地下水模拟

在水密度均匀分布的条件下，根据多孔介质流体力学，地下水在水平空间的流动可用二维偏微分方程表示如下：

潜水含水层：

承压含水层：

式中：K_xx与K_yy分别为渗透系数在X和Y方向上分量，量纲L/T，其中假定渗透系数主轴方向与坐标轴方向一致；h₁、h₂、h_b分别为潜水位、承压含水层水头和潜水底板高程，量纲L；t为时间，量纲T；w为地下水单元源汇项，量纲L/T；S为贮水系数(无量纲)，即该孔隙介质条件下，当水头上升(或下降)一个单位时单位面积的含水层柱体(柱体高为承压含水层厚度M或潜水层水头h)所储存(或释放)的水量，对于承压水来说是该承压含水层贮水率与层厚的乘积，对于潜水含水层来说是该潜水层的给水度μ。

(4)平原灌区引-灌-排过程模拟

分别对灌区引水过程、田间灌溉过程和灌区排水过程进行模拟计算：

A、农田灌溉引水

根据水源及引水方式分为两种：地表渠系引水、地下水开采。其中，

地表渠系引水过程模拟：首先根据灌区系分布确定各级渠系及其引水节点，自干渠引水口向分干渠、支渠、斗渠、农渠等逐级向下分配，直至各个引水灌溉单元，其过程如图10所示。渠系引水过程计算按照水量平衡法逐级渠段进行计算。对任意一级渠段，其水量平衡项包括从上一级渠段引入水量、向下一级渠系流出水量、蒸发损耗量、渗漏损耗量及其他引水项等(见图12)，则任意渠段k的水量平衡方程：

ΔW_k＝Qin_k+1+P_k-ET_k-Qg_k-Quse_k-QL_k-Qout_k-1

式中：ΔW_k为k级渠系在计算时段内的渠道水分蓄变量(m³)；Qin_k+1为本模拟计算时段从k+1级渠系引入的水量(m³)；P_k、ET_k、Qg_k分别为本时段的降水量、蒸发量和渠道渗漏量(m³)；Quse_k为本时段用水户直接从k级渠系取水量(m³)；QL_k通过k级渠系直接补给河湖湿地的水量(m³)；Qout_k-1为本时段k级渠系向k-1级渠系的输水量(m³)。

地下水开采模拟：首先，需要确定开采井点与灌溉单元的对应关系，根据数据资料情况可选择两种方法来计算：一种是将井灌区的所有抽水井点或井群，结合水文地质条件，概化集中到数量有限的几口开采井节点上，并保持地下水开采总量一致；另一种是根据实际开采井地理位置、抽水特征参数及开采量监测信息进行展布，适用于监测资料详实的区域。其次，根据模拟计算单元的空间和时间尺度要求，采用克里金插值方法，确定每个计算单元在计算时段内的地下水开采量信息。

B、田间灌溉过程

首先根据作物类型，当前所处的繁育阶段、轮作情况、灌溉轮次及日数、灌溉制度或计算需水量等综合计算单元每一种作物在模拟时段的灌溉需水量，然后根据不同水源类型(如当地地表水、当地地下水、外调水、再生水等)供水范围及可供水量等因素判定当日可供灌溉水量。其中，由于用水资料精度的原因，需要在数据层面考虑尺度转换，因此，构建一个“虚拟水库”，通过水库的储水、放水过程，将“虚拟水库”中的水量作为可灌水量的上限，结合灌溉保证率，利用水量调配利用系数控制每日的可灌水量。对于有多个供给水源的情况，若无特殊要求，则按照外调水、当地地表水、浅层地下水、深层地下水的次序依次供给，直至满足灌溉需求；若全部水源全部用完还不能满足灌溉要求，则对不满足单元进行标记，在下一日灌溉时优先灌溉这些单元；若此灌溉轮次结束，还是不能满足灌溉需要，说明灌溉水域短缺严重，则以实际已供灌溉水量作为其实际灌溉水量。

C、灌区排水过程

每个灌区计算单元都有对应的唯一排水沟段或河段，模拟计算时，采用一维运动波方法模拟排水干沟的水量过程；采用水量平衡方程式计算其他低级别的排水沟(如支沟、斗沟、田间排水毛沟等)水量过程。

排水系统水量平衡计算公式：

Q_P+1＝Q_P+P+Q_ZP+Q_PH+Q_P+Q_TP-E_W

式中：Q_P+1为进入本计算时段末的干沟水量；Q_P为本时段初进入该沟段的干沟水量；Q_ZP为本时段支沟汇入水量；P为本时段排水干沟上降水量；E_W为本时段水面蒸发量；Q_PH为本时段地下水排水量(当地下水位高于排水沟水位时为正值，否则，则排水沟反向补给地下水，其为负值)；Q_P为引水渠道直接退入水量；Q_TP为本时段田间地表水排水量。

其中，地下水排水量的计算如下：

Q_PH＝T(H_g-D+d)

式中：Q_PH为本时段地下水排水量；H_g为计算单元内的地下水埋深；D为计算单元内排水沟的底部深度；d为径流深度；T为计算单元内地下水向排水沟的排水系数。

本发明提供的一种基于耗散-汇合结构的平原灌区水循环模拟构建方法，从灌区水循环的结构特征出发，汇合表征了水循环的自然规律，耗散则反映了人类活动对灌区水循环的影响作用，二者耦合能够客观科学描述灌区的水循环机理，使得平原灌区水循环模拟计算结果具有更高的准确性和科学性；将地表、土壤、地下水计算统一采用规则单元格，实现了对各层水分循环的一体化模拟，能够更好反馈各层水分变化对其他循环过程的影响，进一步提高了模拟计算的准确性。