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1、土壤水资资源评价价原理及及其在黄黄河流域域的应用用摘要：本本文在总总结土壤壤水研究究现状和和土壤水水资源价价值的基基础上，以以黄河流流域为研研究对象象，构建建了包括括从其作作用范围围出发的的可被作作物直接接吸收利利用的土土壤水资资源量、最最大可能能被利用用的土壤壤水资源源量；从从其作用用目标出出发的用用于国民民经济的的土壤水水资源量量、用于于维持和和恢复生生态环境境的土壤壤水资源源量以及及土壤水水蓄水量量五大指指标为主主要内容容的土壤壤水资源源评价体体系；并并采用水水循环通通量从水水循环机机理中推推导了衡衡量土壤壤水资源源状况的的指标。在在黄河流流域水资资源二级级分区的的结果表表明，全全流域多
2、多年平均均最大可可能的土土壤蓄水水量为228533.211亿m33，实际际土壤蓄蓄水量为为14779.77亿m33，最大大可能被被利用的的土壤水水资源为为17664.008亿mm3，实际际最大可可能被利利用的土土壤水资资源量为为12883.亿亿m3。不同同形式的的土壤水水资源的的地区变变化较大大。关键词：土壤水水 土土壤水资资源 评价原原理 黄河流流域1 前前言土壤水是是农业和生生态环境境中各种种作物和和植被赖赖以生存存的基础础，同时时也是流流域水循循环中最最为活跃跃的部分分，影响响着农作作物生长长、生态态环境建建设以及及水资源源的合理理分配与与高效利利用。因因此土壤壤水的研研究倍受受关注，使
3、使得土壤壤水的研研究经历历了从微微观113到宏观观410，从定定性到定定量111113的的研究过过程。然然而，关关于土壤壤水的宏宏观研究究相对较较少，从从流域水水循环和和水资源源形成转转化角度度认识土土壤水的的研究更更是微乎乎其微。尽尽管近年年来随着着水资源源日益紧紧缺，土土壤水资资源的含含义从不不同的角角度被提提出，涌涌现出一一些关于于土壤水水资源的的评价结结果55100，但但是由于于土壤水水问题的的复杂性性，关于于土壤水水资源评评价方面面的问题题尚无统统一定论论。为此此，在众众多研究究的基础础上，本本文希望望对土壤壤水资源源评价做做出进一一步探讨讨。2 土土壤水的的资源价价值和土土壤水资资
4、源评价价的必要要性2.1 土壤水的的资源价价值土壤中存存在水资资源的功功能早已已被人们们所认知知。然而而，由于于土壤水水并不像像地表水水、地下下水那样样集中分分布或聚聚集，也也不能由由人工直直接提取取、运输输和做各各种用途途的特性性使其迟迟迟未被被作为水水资源认认识，更更没能对对其资源源特性做做出评价价。实际上，土土壤水不不仅具有有重要的的资源价价值，而而且是世世界上使使用最为为方便的的淡水资资源。首首先，土土壤水的的补给、存存储以及及运移不不仅有利利于提供供人类的的生产和和生活资资料，而而且也宜宜于生态态环境的的恢复和和维护；其次，土土壤水库库的强大大存储和和调节能能力不仅仅可将非非播种期期
5、的水分分积存于于作物生生长旺盛盛期，而而且也有有利于水水循环过过程的调调节。由由此可见见，土壤壤水的资资源价值值是显而而易见的的。在土土壤水的的资源价价值不断断得到认认可的过过程中，土土壤水资资源的定定量评价价成为亟亟待解决决的问题题。2.2 土壤水水资源评评价的必必要性土壤水作作为水循循环过程程中的一一个重要要环节，提提供作物物生长的的特性是是被普遍遍公认的的。但是是，长期期以来，由由于土壤壤水对降降水的过过分依赖赖性和易易于耗散散性等自自然特征征使人们们未能将将其与狭狭义水资资源（地地表水资资源和地地下水资资源）相相提并论论。然而而，随着着水资源源范畴的的扩展，对对土壤水水认识的的加深，从
6、从资源角角度认识识土壤水水显得尤尤为重要要。首先，土土壤水是是地表水水、地下下水以及及大气水水相互联联系的纽纽带，具具有其它它水资源源共有的的特性循环环再生性性和可调调控性14。由水循环环过程土土壤水的的作用表表明，地地表水和和地下水水的形成成和聚集集均是在在降水或或灌溉水水通过土土壤过滤滤作用后后得以实实现的。土土壤水的的赋存形形式影响响它们的的形成，土土壤水的的数量、质质量也改改变着它它们的数数量和质质量。同同时，尽尽管土壤壤水不能能通过人人工取水水的方式式直接获获得，但但是可通通过调整整种植结结构、进进行适时时灌溉等等人为措措施改变变土壤水水的分布和和运移，显显著提高高土壤水水的利用用率
7、。由由此可见见，土壤壤水具有有水资源源共有的的循环再再生性和和可调控控性特征征。其次，土土壤水是是维系作作物生长长发育、生生态环境境良性循循环的最最主要的的水分源源泉。作作物生长长和发育育所需的的水分均均由根系系从土壤壤中获得得，其他他各部分分的水只只有转化化为土壤壤水才能能为作物物吸收利利用，土土壤水的的数量和和质量直直接影响响着作物物的生长长发育；作物作作为生态态环境良良性循环环的主要要环节，在在土壤水水直接作作用的同同时又间间接参与与维持生生态环境境的正常常运转。第三，土土壤水具具有相当当大的数数量。据据统计世世界土壤壤水储量量为1665 0000亿亿m3，是世世界河流流中常年年蓄水量量
8、的7.8倍15；中国国19556119799年降水水量的555%被被转化为为土壤水水166。第四，土土壤水资资源由于于其赋存存的介质质土壤壤具有一一定的纳纳污能力力和净化化作用，通通过循环环，对地地表水资资源和地地下水资资源质量量的变化化具有重重要作用用。由此可见见，非饱饱和带土土壤层并并非一种种简单的的水循环环介质，而而是具有有巨大容容量的“土壤水水库”，赋存存于其中中的水资资源土壤水水资源具具有地表表水资源源和地下下水资源源共同的的特性循环环再生性性和储量量的可调调控性以以及储量量巨大的的客观实实在性。这这说明对对土壤水水资源进进行评价价有可能能也有必必要。3 土壤水水资源的的评价3.1土
9、土壤水资资源的评评价原理理土壤水资资源的评评价是对对土壤水水资源数数量、质质量、有有效性、可可利用量量以及相相应的时时空分布布等进行行的定量量分析。各各种土壤壤水资源源的数量量均建立立在土壤壤水蓄水水量的基基础上，并并与其赋赋存介质质密切相相关。因因而，以以下取流流域内单单位面积积，某一一厚度的的土柱为为研究对对象，对对土壤水水资源采采用通量量的形式式进行评评价。对对于一定定的土柱柱，尽管管其蓄水水量可能能由垂直直向下（入入渗）或或垂直向向上（潜潜水蒸发发），或或侧向壤壤中流形形成，然然而由于于侧向壤壤中流极极易受地地形影响响，通常常山丘区区较大，而而平原区区却为零零。因此此，以下下首先讨讨论
10、将侧侧向水分分交换视视为零，以以垂向水水分交换换为主的的单位面面积土柱柱的土壤壤水蓄水水量情况况。依据以上上表述，可可将单位位面积，某某一厚度度土壤层层水量平平衡方程程表示为为： （11）式中：为土壤壤体积含含水率；流入单单位面积积土柱的的水通量量；流出出单位面面积土柱柱的通量量；为土土层的厚厚度；对式（11）在土土层厚度度到上积分分，即得得单位面面积，厚厚度为土土层的土土壤水蓄蓄水量的的变化率率 （22）令为土层层到的蓄水水量则式（22）变为为： （33） 推推得： （44）由于水流流具有一一定的方方向，为为从水流流方向直直观表述述土壤水水蓄水量量的变化化率，引引入上行行通量和和下行通通量两
11、个个概念。式式（3）、式式（4）中中不同土土层处的的水通量量和用上行行通量和和下行通通量分别别表示如如下： ；同时令 （5） （66）式（5）和和式（66）分别别为流经经土层深深度为和和处单元元面积的的净水分分通量。结合式（44）、式式（5）和和式（66）可以以将厚度度为的土土壤单位位面积垂垂向的土土壤水蓄蓄水量的的变化率率表示为为 （77）若对水流流用标量量表示，取取水流向向下方向向为正（与与坐标轴轴的方向向一致），则则式（77）可以以表示为为 （88）一定时间间段内，单单位面积积土层土土壤水蓄蓄水量可可以对时时间进行行积分求求得，具具体表示示为式（99）： （99）若t表示示年尺度度的时间
12、间，由于于通常对对水资源源的评价价是以一一年为时时间间隔隔，因此此上式又又可简单单表示为为： （100）式（100）即为为不考虑虑侧向水水分交换换的单位位面积土土柱一年年内土壤壤水蓄水水量的计计算公式式。由于不同同的地形形，水流流的水平平和侧向向流所占占的比例例不同。对对于水平平侧向水水流不能能忽略的的地貌单单元，如如山丘区区，应考考虑水平平侧向水水流。因因而，在在考虑侧侧向水流流的单位位面积土土柱土壤壤水蓄水水量可表表示为： (11)其中侧向向水流由由厚度为为土层在在，方向上上的净流流入量组组成。对对于净流流入量可可用水平平通量将将其表示示如下： （122）由式（111）和和式（112）即即
13、可计算算具有侧侧向水流流的单位位面积土土柱的土土壤水蓄蓄水量。3.2土土壤水资资源评价价的指标标体系及及计算方方法3.2.1 土壤水水资源评评价的指指标体系系由于作为为水资源源最本质质的三大大特点是是：有效效性、可可控性和和可再生生性114。有有效性是是指对人人类的生生存和发发展具有有效用的的水分；可控性性是指在在对人类类有效用用的水分分中，能能够通过过适当的的工程或或非工程程的技术术手段开开发利用用的水量量；可再再生性是是指能够够保持流流域水循循环相对对稳定性性的水资资源量。区区域水资资源的评评价均建建立在以以上准则则的基础础上。作作为广义义水资源源177成分分之一的的土壤水水资源在在对其评
14、评价时也也应以此此为准则则。围绕水资资源的有有效性、可可控性和和再生性性三大特特点建立立的土壤壤水资源源评价指指标分别别为：土土壤水蓄蓄水量、最最大可能能被利用用的土壤壤水资源源量、可可能被作作物直接接吸收利利用的土土壤水资资源量以以及针对对土壤水水资源的的作用目目的进一一步细分分的用于于国民经经济产生生产的土土壤水资资源量和和用于维维持生态态环境的的土壤水水资源量量。各个个指标间间的相互互关系可可用下图图1表示示。非饱和带厚度根系下扎深度根系影响深度用于国民经济生产的土壤水资源量用于维持生态环境的土壤水资源量可被植被直接吸收利用的土壤水资源量最大可被植被吸收利用的土壤水资源量土壤蓄水量 图图
15、1 土土壤水资资源评价价系统指指标关系系示意图图3.2.2 土土壤水资资源评价价指标的的计算方方法对于不同同地貌和和不同土土壤层，其其土壤水水蓄水量量和可利利用量不不完全相相同，因因而，应应针对不不同的目目标，对对土壤水水资源做做出不同同尺度的的评价。1） 土壤水蓄蓄水量的的评价由于土壤壤水资源源是指从从地表到到潜水面面之间非非饱和土土壤层所所含的有有效水量量。那么么，对于于单位面面积土柱柱土壤水水蓄水量量应为土土壤整个个包气带带内的水水量。因因此，为为地表面面，令其其为0；取为潜潜水埋深深米，由由式（110）或或式（111）得得土壤水水蓄水量量。对于流域域的单元元面积而而言，处处的水平平侧向
16、流流量可以以忽略，那那么处的的净通量量可以表表示为：其中（潜水埋埋深处）的的净通量量为：整理得土土壤水蓄蓄水量： （113）式中为潜潜水蒸发发通量；Rg为深深层渗漏漏通量（降降水对地地下水的的补给）；E为地表表土壤蒸蒸发通量量；ETT为植被被蒸腾通通量；PP降水通通量；II植被截截留量；Rs为降降水形成成的地表表径流量量；D填洼水水量；PP地表水水下渗为为地表水水下渗量量；R水平侧侧向净流流入量为为壤中流流。通常情况况下，RR水平侧侧向净流流入量被被认为是是0；根根据地下下水埋深深的不同同而不同同，当潜潜水埋深深较大时时，可忽忽略不计计。式（133）即为为从水量量平衡角角度推导导的区域域单元面
17、面积土层层厚度为为的土壤壤水在时时段的蓄蓄水量。由于实际际进行水水资源评评价，主主要是以以年为时时段，因因而对式式（133）在年年时段内内积分即即得的年年土壤水水蓄水量量。2）最大大可能被被利用的的土壤水水资源量量的评价价（有效效性评价价） 土壤水水是以吸吸着水、薄薄膜水，毛毛管水和和重力水水四种形形式存在在于土壤壤的孔隙隙、裂隙隙之中。各各种水的的性质决决定了土土壤水并并不能完完全被利利用，仅仅介于作作物凋萎萎点和田田间持水水量之间间的水分分能够稳稳定的存存在于土土壤中并并被完全全使用。因因此，应应对土壤壤水的最最大可利利用量即即最大可可能土壤壤水资源源量做出出评价。结结合式（88），土土壤
18、水的的最大可可利用量量用通量量的形式式表示为为： （144）式中为田田间持水水量；为为凋萎点点体积含含水量；在实际中中，土壤壤的含水水量并可可能总是是维持在在田间持持水量的的水平，而而是介于于凋萎点点和田间间持水量量之间。因因而，在在分析可可能被利利用水资资源量中中，实际际可利用用量被提提出。实实际可利利用量可可表示为为： （115）（14）（115）两两式中，为单位位面积土土柱在时时段时的的最大土土壤水可可利用量量和实际际土壤水水可利用用量。3）可被被植被直直接吸收收利用的的土壤水水资源量量的评价价（可控控制性） 植被生生长所利利用的土土壤水资资源量包包括生长长前期的的土壤水水资源量量和生长
19、长阶段的的土壤水水资源量量两部分分；为计计算的方方便将这这两部分分的土壤壤水资源源量均定定义为植植被根系系下扎深深度及其其影响区区域土层层的有效效土壤水水蓄水量量。 在在植被生生长阶段段，从土土壤表层层到根系系吸水层层（即指指在特定定条件下下作物吸吸收土壤壤水的可可能深度度）的土土壤含水水量认为为是植被被可利用用的土壤壤水资源源量。因因此，对对式（114）从从地表面面到根系系吸水层层进行积积分 （116）植被特定定生育时时段土壤壤水可利利用水量量，由式式（8）和和式（116）共共同决定定。尽管管式（116）提提出了根根系吸水水层厚度度影响下下的可被被植被吸吸收利用用的土壤壤水资源源量的概概念，
20、但但是，由由于根系系吸水层层的厚度度是一个个受植被被种类、生生育阶段段，地下下水埋深深以及气气象等因因素综合合影响的的变量，在在实际中中较难实实现，因因而，由由式（116）推推导的结结果仅为为一种理理论值。 以上上各式均均为单位位面积土土柱中衡衡量土壤壤水资源源量的指指标。为区分单单位面积积和特定定区域的的土壤水水资源量量二者的的关系，以以下借鉴鉴通量的的概念，将将单位面面积土柱柱内的土土壤水资资源量定定义为土土壤水资资源通量量，特定定区域的的土壤水水资源量量定义为为土壤水水资源存存量。为为此可得得不同性性质土壤壤水资源源存量的的计算方方法。3.2.3 区域用用于国民民经济生生产和生生态环境境
21、的土壤壤水资源源量的计计算一定面积积特定时时段不同同土壤水水资源存存量可表表示为单单元面积积计算结结果与计计算面积积的乘积积，具体体表示如如下： （117）A为计算算区域的的面积；s为由由式（113）、式式（144）和式式（155）表示示的任何何一个单单位面积积的土壤壤水资源源量，即即土壤水水资源通通量。根据以上上的计算算方法，结结合新型型的流域域水文模模型118二元元分布式式水文模模型，针针对流域域内不同同的下垫垫面，用用于国民民经济生生产的土土壤水资资源量和和维护生生态环境境的土壤壤水资源源量也将将可获得得。4 实例为检验以以上提出出的土壤壤水资源源的评价价理论，本本文在WWEP-L二元元
22、分布式式水文模模型118计计算各个个子流域域的水文文要素的的基础上上，对黄黄河流域域的土壤壤水蓄水水量以及及不同土土壤水资资源指标标作了分分析。由于根根系层的的作用深深度无法法准确的的确定，表表1仅列列出了土土壤水储储量和最最大可利利用的土土壤水资资源量。表1 黄河流流域不同同水资源源分区土土壤水资资源计算算结果 单单位：亿亿m3黄河流域域水资源源分区最大可能能的土壤壤蓄水量量实际土壤壤蓄水量量最大可能能被利用用的土壤壤水资源源实际最大大可能被被利用的的土壤水水资源量量全流域28533.21114799.70017644.08812822.000龙羊峡以以上296.76181.69186.69
23、160.74龙羊峡至至兰州183.38129.02124.99114.94兰州至河河口镇924.17364.33535.58304.52河口镇至至龙门200.15118.38122.22104.71龙门至三三门峡581.18367.50395.03323.00三门峡至至花园口口189.92116.31128.18101.88花园口以以下68.55852.99245.22647.884内流区409.07149.55226.14124.375 结论与讨讨论土壤水作作为水资资源的重重要组成成成分受受到普遍遍关注。本本文在充充分认识识宏观土土壤水资资源概念念和土壤壤水资源源价值的的基础上上，为进进一步
24、定定量认识识土壤水水资源及及其本质质特性，构构建了土土壤水资资源评价价体系雏雏形，并并采用水水循环通通量方法法从水循循环机理理中推导导了衡量量土壤水水资源状状况的指指标。在分析过过程中发发现，在在机理上上认识土土壤水资资源的前前提下，土土壤水资资源评价价体系需需进一步步完善；要实现现流域土土壤水资资源的评评价、认认识土壤壤水在水水循环过过程中的的作用，有有必要将将此评价价体系与与“3s”技术和和流域分分布式水水循环模模型相结结合。这这将为规规划区域域的农业业生产和和生态环环境建设设提供新新的依据据。在明确土土壤水资资源数量量的同时时，土壤壤水资源源的质量量状况有有待于进进一步探探讨。因因为土壤壤水资源源的质量量直接影影响着农农业经济济的产出出和生态态环境的的健康发发展。9