1、土壤水資源評價原理及其在黃河流域的應用摘要：本文在總結土壤水研究現狀和土壤水資源價值的根底上，以黃河流域為研究對象，構建了包括從其作用范圍出發的可被作物直接吸收利用的土壤水資源量、最大可能被利用的土壤水資源量；從其作用目標出發的用于國民經濟的土壤水資源量、用于維持和恢復生態環境的土壤水資源量以及土壤水蓄水量五大指標為主要內容的土壤水資源評價體系；并采用水循環通量從水循環機理中推導了衡量土壤水資源狀況的指標。在黃河流域水資源二級分區的結果說明，全流域多年平均最大可能的土壤蓄水量為2853.21億m3，實際土壤蓄水量為1479.7億m3，最大可能被利用的土壤水資源為1764.08億m3，實際最大可

2、能被利用的土壤水資源量為1283.億m3。不同形式的土壤水資源的地區變化較大。關鍵詞：土壤水 土壤水資源 評價原理 黃河流域1 前言土壤水是農業和生態環境中各種作物和植被賴以生存的根底，同時也是流域水循環中最為活潑的局部，影響著農作物生長、生態環境建設以及水資源的合理分配與高效利用。因此土壤水的研究倍受關注，使得土壤水的研究經歷了從微觀13到宏觀410，從定性到定量1113的研究過程。然而，關于土壤水的宏觀研究相對較少，從流域水循環和水資源形成轉化角度認識土壤水的研究更是微乎其微。盡管近年來隨著水資源日益緊缺，土壤水資源的含義從不同的角度被提出，涌現出一些關于土壤水資源的評價結果510，但是由

3、于土壤水問題的復雜性，關于土壤水資源評價方面的問題尚無統一定論。為此，在眾多研究的根底上，本文希望對土壤水資源評價做出進一步探討。2 土壤水的資源價值和土壤水資源評價的必要性2.1 土壤水的資源價值土壤中存在水資源的功能早已被人們所認知。然而，由于土壤水并不像地表水、地下水那樣集中分布或聚集，也不能由人工直接提取、運輸和做各種用途的特性使其遲遲未被作為水資源認識，更沒能對其資源特性做出評價。實際上，土壤水不僅具有重要的資源價值，而且是世界上使用最為方便的淡水資源。首先，土壤水的補給、存儲以及運移不僅有利于提供人類的生產和生活資料，而且也宜于生態環境的恢復和維護；其次，土壤水庫的強大存儲和調節能

4、力不僅可將非播種期的水分積存于作物生長旺盛期，而且也有利于水循環過程的調節。由此可見，土壤水的資源價值是顯而易見的。在土壤水的資源價值不斷得到認可的過程中，土壤水資源的定量評價成為亟待解決的問題。2.2 土壤水資源評價的必要性土壤水作為水循環過程中的一個重要環節，提供作物生長的特性是被普遍公認的。但是，長期以來，由于土壤水對降水的過分依賴性和易于耗散性等自然特征使人們未能將其與狹義水資源地表水資源和地下水資源相提并論。然而，隨著水資源范疇的擴展，對土壤水認識的加深，從資源角度認識土壤水顯得尤為重要。首先，土壤水是地表水、地下水以及大氣水相互聯系的紐帶，具有其它水資源共有的特性循環再生性和可調控

5、性14。由水循環過程土壤水的作用說明，地表水和地下水的形成和聚集均是在降水或灌溉水通過土壤過濾作用后得以實現的。土壤水的賦存形式影響它們的形成，土壤水的數量、質量也改變著它們的數量和質量。同時，盡管土壤水不能通過人工取水的方式直接獲得，但是可通過調整種植結構、進行適時灌溉等人為措施改變土壤水的分布和運移，顯著提高土壤水的利用率。由此可見，土壤水具有水資源共有的循環再生性和可調控性特征。其次，土壤水是維系作物生長發育、生態環境良性循環的最主要的水分源泉。作物生長和發育所需的水分均由根系從土壤中獲得，其他各局部的水只有轉化為土壤水才能為作物吸收利用，土壤水的數量和質量直接影響著作物的生長發育；作物

6、作為生態環境良性循環的主要環節，在土壤水直接作用的同時又間接參與維持生態環境的正常運轉。第三，土壤水具有相當大的數量。據統計世界土壤水儲量為165 000億m3，是世界河流中常年蓄水量的7.8倍15；中國19561979年降水量的55%被轉化為土壤水16。第四，土壤水資源由于其賦存的介質土壤具有一定的納污能力和凈化作用，通過循環，對地表水資源和地下水資源質量的變化具有重要作用。由此可見，非飽和帶土壤層并非一種簡單的水循環介質，而是具有巨大容量的“土壤水庫，賦存于其中的水資源土壤水資源具有地表水資源和地下水資源共同的特性循環再生性和儲量的可調控性以及儲量巨大的客觀實在性。這說明對土壤水資源進行評

7、價有可能也有必要。3 土壤水資源的評價3.1 土壤水資源的評價原理土壤水資源的評價是對土壤水資源數量、質量、有效性、可利用量以及相應的時空分布等進行的定量分析。各種土壤水資源的數量均建立在土壤水蓄水量的根底上，并與其賦存介質密切相關。因而，以下取流域內單位面積，某一厚度的土柱為研究對象，對土壤水資源采用通量的形式進行評價。對于一定的土柱，盡管其蓄水量可能由垂直向下入滲或垂直向上潛水蒸發，或側向壤中流形成，然而由于側向壤中流極易受地形影響，通常山丘區較大，而平原區卻為零。因此，以下首先討論將側向水分交換視為零，以垂向水分交換為主的單位面積土柱的土壤水蓄水量情況。依據以上表述，可將單位面積，某一厚

8、度土壤層水量平衡方程表示為： 1式中：為土壤體積含水率；流入單位面積土柱的水通量；流出單位面積土柱的通量；為土層的厚度；對式1在土層厚度到上積分，即得單位面積，厚度為土層的土壤水蓄水量的變化率 2令為土層到的蓄水量那么式2變為： 3 推得： 4由于水流具有一定的方向，為從水流方向直觀表述土壤水蓄水量的變化率，引入上行通量和下行通量兩個概念。式3、式4中不同土層處的水通量和用上行通量和下行通量分別表示如下： ； ；同時令 5 6式5和式6分別為流經土層深度為和處單元面積的凈水分通量。結合式4、式5和式6可以將厚度為的土壤單位面積垂向的土壤水蓄水量的變化率表示為 7假設對水流用標量表示，取水流向下

9、方向為正與坐標軸的方向一致，那么式7可以表示為 8一定時間段內，單位面積土層土壤水蓄水量可以對時間進行積分求得，具體表示為式9： 9假設t表示年尺度的時間，由于通常對水資源的評價是以一年為時間間隔，因此上式又可簡單表示為： 10式10即為不考慮側向水分交換的單位面積土柱一年內土壤水蓄水量的計算公式。由于不同的地形，水流的水平和側向流所占的比例不同。對于水平側向水流不能忽略的地貌單元，如山丘區，應考慮水平側向水流。因而，在考慮側向水流的單位面積土柱土壤水蓄水量可表示為： (11)其中側向水流由厚度為土層在，方向上的凈流入量組成。對于凈流入量可用水平通量將其表示如下： 12由式11和式12即可計算

10、具有側向水流的單位面積土柱的土壤水蓄水量。3.2 土壤水資源評價的指標體系及計算方法3.2.1 土壤水資源評價的指標體系由于作為水資源最本質的三大特點是：有效性、可控性和可再生性14。有效性是指對人類的生存和開展具有效用的水分；可控性是指在對人類有效用的水分中，能夠通過適當的工程或非工程的技術手段開發利用的水量；可再生性是指能夠保持流域水循環相對穩定性的水資源量。區域水資源的評價均建立在以上準那么的根底上。作為廣義水資源17成分之一的土壤水資源在對其評價時也應以此為準那么。圍繞水資源的有效性、可控性和再生性三大特點建立的土壤水資源評價指標分別為：土壤水蓄水量、最大可能被利用的土壤水資源量、可能

11、被作物直接吸收利用的土壤水資源量以及針對土壤水資源的作用目的進一步細分的用于國民經濟產生產的土壤水資源量和用于維持生態環境的土壤水資源量。各個指標間的相互關系可用下列圖1表示。非飽和帶厚度根系下扎深度根系影響深度用于國民經濟生產的土壤水資源量用于維持生態環境的土壤水資源量可被植被直接吸收利用的土壤水資源量最大可被植被吸收利用的土壤水資源量土壤蓄水量 圖1 土壤水資源評價系統指標關系示意圖3.2.2 土壤水資源評價指標的計算方法對于不同地貌和不同土壤層，其土壤水蓄水量和可利用量不完全相同，因而，應針對不同的目標，對土壤水資源做出不同尺度的評價。1） 土壤水蓄水量的評價由于土壤水資源是指從地表到潛

12、水面之間非飽和土壤層所含的有效水量。那么，對于單位面積土柱土壤水蓄水量應為土壤整個包氣帶內的水量。因此，為地外表，令其為0；取為潛水埋深米，由式10或式11得土壤水蓄水量。對于流域的單元面積而言，處的水平側向流量可以忽略，那么處的凈通量可以表示為：其中潛水埋深處的凈通量為： 整理得土壤水蓄水量： 13式中為潛水蒸發通量；Rg為深層滲漏通量降水對地下水的補給；E為地表土壤蒸發通量；ET為植被蒸騰通量；P降水通量；I植被截留量；Rs為降水形成的地表徑流量；D填洼水量；P地表水下滲為地表水下滲量；R水平側向凈流入量為壤中流。通常情況下，R水平側向凈流入量被認為是0；根據地下水埋深的不同而不同，當潛水

13、埋深較大時，可忽略不計。式13即為從水量平衡角度推導的區域單元面積土層厚度為的土壤水在時段的蓄水量。由于實際進行水資源評價，主要是以年為時段，因而對式13在年時段內積分即得的年土壤水蓄水量。2最大可能被利用的土壤水資源量的評價有效性評價 土壤水是以吸著水、薄膜水，毛管水和重力水四種形式存在于土壤的孔隙、裂隙之中。各種水的性質決定了土壤水并不能完全被利用，僅介于作物凋萎點和田間持水量之間的水分能夠穩定的存在于土壤中并被完全使用。因此，應對土壤水的最大可利用量即最大可能土壤水資源量做出評價。結合式8，土壤水的最大可利用量用通量的形式表示為： 14式中為田間持水量；為凋萎點體積含水量；在實際中，土壤

14、的含水量并可能總是維持在田間持水量的水平，而是介于凋萎點和田間持水量之間。因而，在分析可能被利用水資源量中，實際可利用量被提出。實際可利用量可表示為： 151415兩式中，為單位面積土柱在時段時的最大土壤水可利用量和實際土壤水可利用量。 3可被植被直接吸收利用的土壤水資源量的評價可控制性 植被生長所利用的土壤水資源量包括生長前期的土壤水資源量和生長階段的土壤水資源量兩局部；為計算的方便將這兩局部的土壤水資源量均定義為植被根系下扎深度及其影響區域土層的有效土壤水蓄水量。 在植被生長階段，從土壤表層到根系吸水層即指在特定條件下作物吸收土壤水的可能深度的土壤含水量認為是植被可利用的土壤水資源量。因此

15、，對式14從地外表到根系吸水層進行積分 16植被特定生育時段土壤水可利用水量，由式8和式16共同決定。盡管式16提出了根系吸水層厚度影響下的可被植被吸收利用的土壤水資源量的概念，但是，由于根系吸水層的厚度是一個受植被種類、生育階段，地下水埋深以及氣象等因素綜合影響的變量，在實際中較難實現，因而，由式16推導的結果僅為一種理論值。 以上各式均為單位面積土柱中衡量土壤水資源量的指標。為區分單位面積和特定區域的土壤水資源量二者的關系，以下借鑒通量的概念，將單位面積土柱內的土壤水資源量定義為土壤水資源通量，特定區域的土壤水資源量定義為土壤水資源存量。為此可得不同性質土壤水資源存量的計算方法。3.2.3

16、 區域用于國民經濟生產和生態環境的土壤水資源量的計算一定面積特定時段不同土壤水資源存量可表示為單元面積計算結果與計算面積的乘積，具體表示如下： 17A為計算區域的面積；s為由式13、式14和式15表示的任何一個單位面積的土壤水資源量，即土壤水資源通量。根據以上的計算方法，結合新型的流域水文模型18二元分布式水文模型，針對流域內不同的下墊面，用于國民經濟生產的土壤水資源量和維護生態環境的土壤水資源量也將可獲得。4 實例為檢驗以上提出的土壤水資源的評價理論，本文在WEP-L二元分布式水文模型18計算各個子流域的水文要素的根底上，對黃河流域的土壤水蓄水量以及不同土壤水資源指標作了分析。由于根系層的作

17、用深度無法準確確實定，表1僅列出了土壤水儲量和最大可利用的土壤水資源量。 表1 黃河流域不同水資源分區土壤水資源計算結果 單位：億m3黃河流域水資源分區最大可能的土壤蓄水量實際土壤蓄水量最大可能被利用的土壤水資源實際最大可能被利用的土壤水資源量全流域2853.211479.701764.081282.00龍羊峽以上296.76181.69186.69160.74龍羊峽至蘭州183.38129.02124.99114.94蘭州至河口鎮924.17364.33535.58304.52河口鎮至龍門200.15118.38122.22104.71龍門至三門峽581.18367.50395.03323.00三門峽至花園口189.92116.31128.18101.88花園口以下68.5852.9245.2647.84內流區409.07149.55226.14124.375 結論與討論土壤水作為水資源的重要組成成分受到普遍關注。本文在充分認識宏觀土壤水資源概