基于arcgis的淮北平原区域潜水蒸发量计算

基于arcgis的淮北平原区域潜水蒸发量计算
李飞;王科奇
【摘要】潜水蒸发是陆面水量损耗的重要部分,对农作物生长有重要影响.区域潜水蒸发量的计算对区域水资源的合理配置及水均衡研究有重要意义.本文利用安徽省淮北平原151个浅层孔隙水水位监测点及周边分布的8个水面蒸发站点某月监测数据,通过arcgis并插值生成栅格文件.用阿维扬诺夫公式计算淮北平原该月区域潜水蒸发量为1.70E8 m3;利用Visual Modflow建立淮北平原区域地下水数值模型,计算数值模型区域潜水蒸发量.两者进行比对分析,验证利用arcgis进行不同时间尺度和空间尺度上的区域潜水蒸发量这一方法的可行性.
【期刊名称】《地下水》
【年(卷),期】2016(038)005
【总页数】3页(P10-11,22)
【关键词】arcgis;区域潜水蒸发;阿维扬诺夫公式
【作者】李飞;王科奇
【作者单位】合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥230009
【正文语种】中文
【中图分类】P641.2
潜水含水层及潜水面以上的非饱和带处于的近地表环境，与土壤、水、空气以及人类等生物联系最为密切，这些要素相互作用的三类过程包括生态过程、生物地球化
学过程和水文过程[1]。

其中水文过程通过潜水的水位变动及土壤水汽运移使得物
质和能量在时间和空间上得意重新分布，潜水蒸发就是该过程的重要环节。

潜水蒸发是指潜水通过毛管作用向非饱和带输送水分，并通过土壤蒸发进入大气的过程。

这一过程伴随着能量和物质传递，蒸发的水分可以补给非饱和带农作物根系[2]，同时是区域水均衡中重要的排泄项之一[3]，这对农作物生长及区域潜水含水
层地下水资源量的评价、增加区域水均衡中其他各项的计算的可靠性有重要作用。

但是目前潜水蒸发计算的研究多是在特定时间和地域条件下，在不同时间尺度和空间尺度上的潜水蒸发量计算还需要更多的研究。

生产实践中常用的潜水蒸发经验公式有以下几种[4]：
阿维扬诺夫公式
叶水庭公式：E=E0e-aΔ
反log公式
式中：E为潜水蒸发强度，m/d；E0为水面蒸发强度，m/d；Δ为埋深，m；Δ0
为潜水蒸发极限埋深，m；n为与包气带土质、气候有关的蒸发指数，一般取1～3；k为与土质有关的潜水蒸发经验系数；a是经验常数，与土质和地下水埋深有关；r、b是拟合系数。

其中，阿维里扬诺夫公式、叶水庭公式被《中国水资源调
查和评价工作技术细则》推荐为计算潜水蒸发的经验公式。

本文选用阿维扬诺夫公式[5]，根据研究区监测站点的数据，利用arcgis将研究区域的监测点的水面蒸发强度和潜水埋深进行插值生成栅格文件，通过栅格转点，得到单位栅格面积的平均水面蒸发强度和潜水埋深，利用属性表进行字段计算，最终求得区域潜水蒸发量。

安徽省淮北平原面积37 411 km2。

地处黄淮海平原南部，包括淮河以北和霍邱、寿县北部。

为北亚热带和暖温带半湿润季风气候区。

冬季干旱少雨，夏季炎热多雨，四季分明，气候温和。

该区多年平均气温14℃～15℃,由南向北逐渐降低。

年际变
化不大，年内最冷1月份为0℃左右,最热7月份在27℃左右；光照充足,多年平均日照时数为2 085 h；无霜期较长,多年平均212 d。

由于该区处在南北分界线上。

属冷暖气团经常交锋过渡地带，年均降水量700～900 mm，年均蒸发量1 000～1 300 mm。

汛期6～9月降水量占年总量的63%左右,多年蒸发量为1 181.3 mm。

地下水资源丰富，以松散岩类孔隙含水岩组分布最广。

一般厚200～600 m，东
部小于100 m，西部可达800 m。

地表水属淮河水系。

浅部地下水资源丰富，埋
藏浅。

平原区松散岩类浅层孔隙潜水主要埋藏于全新世古河道砂层中，枯水期自西北往东南由3～4 m减至1～2 m，河间1～3 m，滨河2～4 m，黄河古道和山麓地带3～8 m，丰水期可普遍上升1～2 m。

目前，浅层孔隙水仍然是淮北平原农
业灌溉和农村人畜饮水的重要水源。

根据淮北平原分布的151个浅层孔隙水水位监测点的监测数据，某月的月平均水
位利用arcgis插值成栅格文件，绘成潜水水位等值线(图1a)，利用地表高程与潜
水位求得淮北平原的潜水埋深分布，生成埋深等值线及其栅格文件，(图2a)根据
淮北平原及周边分布的8个蒸发站点监测数据，绘成蒸发量等值线(图1b)，利用arcgis插值成栅格文件(图2b)。

每个栅格文件的面积均为992.47× 992.47 m2。

将得到潜水埋深等值线和蒸发量
等值线的栅格文件转为点文件，每个栅格中心的一个点的蒸发量和潜水埋深代表该栅格所覆盖位置的单位蒸发量和潜水埋深。

淮北平原土的主要类型为砂姜黑土和黄潮土，其中砂姜黑土约占54%，经过大量的潜水蒸发实验，淮北平原的潜水发埋
深的经验值为6～7 m，此处设定为7 m。

阿维扬诺夫公式中理论潜水蒸发极限埋深为4 m。

蒸发指数定为6.81。

各栅格文件分别求的单位栅格的潜水蒸发量，然
后求和计算得淮北平原潜水蒸发总量为1.70E8 m3。

本文采用Visual MODFLOW 建立数值模拟模型。

Visual Modflow中潜水线性蒸发的方程表述为：
式中：E为蒸发强度，mm/d；h为地下水水位标高，m；hs为地面标高，m；d 为蒸发极限埋深，m。

模型以安徽境内淮河以北区域为模拟区，模拟区域面积约为37 411 km2，全区几乎为松散岩类孔隙含水岩组所覆盖，以埋深40 m且分布稳定之粘性土为界，大致可分为浅层和深层两个部分。

浅层大部由上更新统亚粘土、亚砂土、粉砂和细砂组成，仅山丘坡麓为上更新统下部之粘性土，基岩侵蚀基准面上覆有下更新统砾砂，北部黄泛区及河谷地带为全新统砂性土和粘性土。

根据研究区的水文地质条件，将模拟区南侧淮河定为水头边界。

根据水文地质概念模型及含水层水力性质，将模拟区地下水流概化成非均质各向异性非稳定三维地下水流系统，并建立相应的数学模型。

式中：Kx、Ky、Kz为渗透系数在x、y、z方向的分量(m/d)，(假定渗透系数主轴方向与坐标轴的方向一致)；H为地下水水头(m)；M为含水层厚度(m)；W为单位体积流量，用以代表流进源或流出汇的水量；μs为含水层的储水率(1/m)；H0为初始水头(m)； t为时间(d)；D为模拟区范围；Γ为二类边界；q为边界流量。

通过模型参数的调整，六个潜水位观测孔的实测值和计算值的基本拟合，模型识别曲线见图3。

可以利用模型水均衡模块来验证基于arcgis的区域潜水蒸发值。

根据模型运行结果，该月淮北平原潜水蒸发量为1.47E8 m3。

根据计算，已知基于arcgis利用阿维扬诺夫公式求得淮北平原2010年12月区域潜水蒸发量为1.7E8 m3，利用Visual Modflow模型求得的区域同期潜水蒸发量为1.47×108 m3，两者相差13.5%。

Visual Modflow蒸发模块中的潜水蒸发计算公式均是关于水面蒸发强度、水位埋深、蒸发极限埋深的经验公式，两者产生差异的原因主要是阿维扬诺夫公式中引入潜水蒸发指数，这一指数让该公式适用范围更广。

因此，基于arcgis利用阿维扬诺夫公式计算区域潜水蒸发量准确性有所增
加。

本文以淮北平原为例，基于arcgis利用阿维扬诺夫公式计算了淮北平原某一月份
的区域潜水蒸发量，为计算不同时间尺度和空间尺度上的区域潜水蒸发量提供了一种方法。

经其与识别过的数值模型计算的蒸发量值比较，具有一定若可获得计算区域内土地类型及土壤分类资料，根据实测资料分别为潜水蒸发经验公式的参数赋值，利用arcgis进行字段分类计算，可使区域潜水蒸发量的计算更加精确。