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土壤水资源评价原理及其在黄河流域的应用

摘要：本文在总结土壤水研究现状和土壤水资源价值的基础上，以黄河流域为研究对象，构建了包括从其作用范围出发的可被作物直接吸收利用的土壤水资源量、最大可能被利用的土壤水资源量；从其作用目标出发的用于国民经济的土壤水资源量、用于维持和恢复生态环境的土壤水资源量以及土壤水蓄水量五大指标为主要内容的土壤水资源评价体系；并采用水循环通量从水循环机理中推导了衡量土壤水资源状况的指标。在黄河流域水资源二级分区的结果表明，全流域多年平均最大可能的土壤蓄水量为2853.21亿m3，实际土壤蓄水量为1479.7亿m3，最大可能被利用的土壤水资源为1764.08亿m3，实际最大可能被利用的土壤水资源量为1283.亿m3。不同形式的土壤水资源的地区变化较大。
关键词：土壤水 土壤水资源 评价原理 黄河流域

1 前言

土壤水是农业和生态环境中各种作物和植被赖以生存的基础，同时也是流域水循环中最为活跃的部分，影响着农作物生长、生态环境建设以及水资源的合理分配与高效利用。因此土壤水的研究倍受关注，使得土壤水的研究经历了从微观[1～3]到宏观[4～10]，从定性到定量[11～13]的研究过程。然而，关于土壤水的宏观研究相对较少，从流域水循环和水资源形成转化角度认识土壤水的研究更是微乎其微。尽管近年来随着水资源日益紧缺，土壤水资源的含义从不同的角度被提出，涌现出一些关于土壤水资源的评价结果[5～10]，但是由于土壤水问题的复杂性，关于土壤水资源评价方面的问题尚无统一定论。为此，在众多研究的基础上，本文希望对土壤水资源评价做出进一步探讨。

2 土壤水的资源价值和土壤水资源评价的必要性

2.1 土壤水的资源价值
土壤中存在水资源的功能早已被人们所认知。然而，由于土壤水并不像地表水、地下水那样集中分布或聚集，也不能由人工直接提取、运输和做各种用途的特性使其迟迟未被作为水资源认识，更没能对其资源特性做出评价。
实际上，土壤水不仅具有重要的资源价值，而且是世界上使用最为方便的淡水资源。首先，土壤水的补给、存储以及运移不仅有利于提供人类的生产和生活资料，而且也宜于生态环境的恢复和维护；其次，土壤水库的强大存储和调节能力不仅可将非播种期的水分积存于作物生长旺盛期，而且也有利于水循环过程的调节。由此可见，土壤水的资源价值是显而易见的。在土壤水的资源价值不断得到认可的过程中，土壤水资源的定量评价成为亟待解决的问题。

2.2 土壤水资源评价的必要性
土壤水作为水循环过程中的一个重要环节，提供作物生长的特性是被普遍公认的。但是，长期以来，由于土壤水对降水的过分依赖性和易于耗散性等自然特征使人们未能将其与狭义水资源（地表水资源和地下水资源）相提并论。然而，随着水资源范畴的扩展，对土壤水认识的加深，从资源角度认识土壤水显得尤为重要。
首先，土壤水是地表水、地下水以及大气水相互联系的纽带，具有其它水资源共有的特性——循环再生性和可调控性[14]。
由水循环过程土壤水的作用表明，地表水和地下水的形成和聚集均是在降水或灌溉水通过土壤过滤作用后得以实现的。土壤水的赋存形式影响它们的形成，土壤水的数量、质量也改变着它们的数量和质量。同时，尽管土壤水不能通过人工取水的方式直接获得，但是可通过调整种植结构、进行适时灌溉等人为措施改变土壤水的分布和运移，显著提高土壤水的利用率。由此可见，土壤水具有水资源共有的循环再生性和可调控性特征。
其次，土壤水是维系作物生长发育、生态环境良性循环的最主要的水分源泉。作物生长和发育所需的水分均由根系从土壤中获得，其他各部分的水只有转化为土壤水才能为作物吸收利用，土壤水的数量和质量直接影响着作物的生长发育；作物作为生态环境良性循环的主要环节，在土壤水直接作用的同时又间接参与维持生态环境的正常运转。
第三，土壤水具有相当大的数量。据统计世界土壤水储量为165 000亿m3，是世界河流中常年蓄水量的7.8倍[15]；中国1956～1979年降水量的55%被转化为土壤水[16]。
第四，土壤水资源由于其赋存的介质——土壤具有一定的纳污能力和净化作用，通过循环，对地表水资源和地下水资源质量的变化具有重要作用。
由此可见，非饱和带土壤层并非一种简单的水循环介质，而是具有巨大容量的“土壤水库”，赋存于其中的水资源——土壤水资源具有地表水资源和地下水资源共同的特性——循环再生性和储量的可调控性以及储量巨大的客观实在性。这说明对土壤水资源进行评价有可能也有必要。

3 土壤水资源的评价

3.1 土壤水资源的评价原理
土壤水资源的评价是对土壤水资源数量、质量、有效性、可利用量以及相应的时空分布等进行的定量分析。各种土壤水资源的数量均建立在土壤水蓄水量的基础上，并与其赋存介质密切相关。因而，以下取流域内单位面积，某一厚度的土柱为研究对象，对土壤水资源采用通量的形式进行评价。对于一定的土柱，尽管其蓄水量可能由垂直向下（入渗）或垂直向上（潜水蒸发），或侧向壤中流形成，然而由于侧向壤中流极易受地形影响，通常山丘区较大，而平原区却为零。因此，以下首先讨论将侧向水分交换视为零，以垂向水分交换为主的单位面积土柱的土壤水蓄水量情况。
依据以上表述，可将单位面积，某一厚度土壤层水量平衡方程表示为：
（1）
式中：：为土壤体积含水率；流入单位面积土柱的水通量；流出单位面积土柱的通量；为土层的厚度；
对式（1）在土层厚度到上积分，即得单位面积，厚度为土层的土壤水蓄水量的变化率
（2）
令为土层到的蓄水量
则式（2）变为： （3）
推得： （4）
由于水流具有一定的方向，为从水流方向直观表述土壤水蓄水量的变化率，引入上行通量和下行通量两个概念。式（3）、式（4）中不同土层处的水通量和用上行通量和下行通量分别表示如下： ；
；
同时令 （5）
（6）
式（5）和式（6）分别为流经土层深度为和处单元面积的净水分通量。
结合式（4）、式（5）和式（6）可以将厚度为的土壤单位面积垂向的土壤水蓄水量的变化率表示为
（7）
若对水流用标量表示，取水流向下方向为正（与坐标轴的方向一致），则式（7）可以表示为
（8）
一定时间段内，单位面积土层土壤水蓄水量可以对时间进行积分求得，具体表示为式（9）：
（9）
若t表示年尺度的时间，由于通常对水资源的评价是以一年为时间间隔，因此上式又可简单表示为：
（10）
式（10）即为不考虑侧向水分交换的单位面积土柱一年内土壤水蓄水量的计算公式。
由于不同的地形，水流的水平和侧向流所占的比例不同。对于水平侧向水流不能忽略的地貌单元，如山丘区，应考虑水平侧向水流。因而，在考虑侧向水流的单位面积土柱土壤水蓄水量可表示为：
(11)
其中侧向水流由厚度为土层在，方向上的净流入量组成。对于净流入量可用水平通量将其表示如下：
（12）
由式（11）和式（12）即可计算具有侧向水流的单位面积土柱的土壤水蓄水量。

3.2 土壤水资源评价的指标体系及计算方法
3.2.1 土壤水资源评价的指标体系
由于作为水资源最本质的三大特点是：有效性、可控性和可再生性[14]。有效性是指对人类的生存和发展具有效用的水分；可控性是指在对人类有效用的水分中，能够通过适当的工程或非工程的技术手段开发利用的水量；可再生性是指能够保持流域水循环相对稳定性的水资源量。区域水资源的评价均建立在以上准则的基础上。作为广义水资源[17]成分之一的土壤水资源在对其评价时也应以此为准则。
围绕水资源的有效性、可控性和再生性三大特点建立的土壤水资源评价指标分别为：土壤水蓄水量、最大可能被利用的土壤水资源量、可能被作物直接吸收利用的土壤水资源量以及针对土壤水资源的作用目的进一步细分的用于国民经济产生产的土壤水资源量和用于维持生态环境的土壤水资源量。各个指标间的相互关系可用下图1表示。

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1 土壤水资源评价系统指标关系示意图
3.2.2 土壤水资源评价指标的计算方法
对于不同地貌和不同土壤层，其土壤水蓄水量和可利用量不完全相同，因而，应针对不同的目标，对土壤水资源做出不同尺度的评价。
1） 土壤水蓄水量的评价
由于土壤水资源是指从地表到潜水面之间非饱和土壤层所含的有效水量。那么，对于单位面积土柱土壤水蓄水量应为土壤整个包气带内的水量。因此，为地表面，令其为0；取为潜水埋深米，由式（10）或式（11）得土壤水蓄水量。
对于流域的单元面积而言，处的水平侧向流量可以忽略，那么处的净通量可以表示为：

其中
（潜水埋深处）的净通量为：

整理得土壤水蓄水量：
（13）
式中为潜水蒸发通量；Rg为深层渗漏通量（降水对地下水的补给）；E为地表土壤蒸发通量；ET为植被蒸腾通量；P降水通量；I植被截留量；Rs为降水形成的地表径流量；D填洼水量；P地表水下渗为地表水下渗量；R水平侧向净流入量为壤中流。
通常情况下，R水平侧向净流入量被认为是0；根据地下水埋深的不同而不同，当潜水埋深较大时，可忽略不计。
式（13）即为从水量平衡角度推导的区域单元面积土层厚度为的土壤水在时段的蓄水量。
由于实际进行水资源评价，主要是以年为时段，因而对式（13）在年时段内积分即得的年土壤水蓄水量。

2）最大可能被利用的土壤水资源量的评价（有效性评价）
土壤水是以吸着水、薄膜水，毛管水和重力水四种形式存在于土壤的孔隙、裂隙之中。各种水的性质决定了土壤水并不能完全被利用，仅介于作物凋萎点和田间持水量之间的水分能够稳定的存在于土壤中并被完全使用。因此，应对土壤水的最大可利用量即最大可能土壤水资源量做出评价。结合式（8），土壤水的最大可利用量用通量的形式表示为：

（14）
式中为田间持水量；为凋萎点体积含水量；
在实际中，土壤的含水量并可能总是维持在田间持水量的水平，而是介于凋萎点和田间持水量之间。因而，在分析可能被利用水资源量中，实际可利用量被提出。实际可利用量可表示为：

（15）
（14）（15）两式中，为单位面积土柱在时段时的最大土壤水可利用量和实际土壤水可利用量。

3）可被植被直接吸收利用的土壤水资源量的评价（可控制性）
植被生长所利用的土壤水资源量包括生长前期的土壤水资源量和生长阶段的土壤水资源量两部分；为计算的方便将这两部分的土壤水资源量均定义为植被根系下扎深度及其影响区域土层的有效土壤水蓄水量。
在植被生长阶段，从土壤表层到根系吸水层（即指在特定条件下作物吸收土壤水的可能深度）的土壤含水量认为是植被可利用的土壤水资源量。因此，对式（14）从地表面到根系吸水层进行积分

（16）
植被特定生育时段土壤水可利用水量，由式（8）和式（16）共同决定。尽管式（16）提出了根系吸水层厚度影响下的可被植被吸收利用的土壤水资源量的概念，但是，由于根系吸水层的厚度是一个受植被种类、生育阶段，地下水埋深以及气象等因素综合影响的变量，在实际中较难实现，因而，由式（16）推导的结果仅为一种理论值。
以上各式均为单位面积土柱中衡量土壤水资源量的指标。
为区分单位面积和特定区域的土壤水资源量二者的关系，以下借鉴通量的概念，将单位面积土柱内的土壤水资源量定义为土壤水资源通量，特定区域的土壤水资源量定义为土壤水资源存量。为此可得不同性质土壤水资源存量的计算方法。
3.2.3 区域用于国民经济生产和生态环境的土壤水资源量的计算
一定面积特定时段不同土壤水资源存量可表示为单元面积计算结果与计算面积的乘积，具体表示如下： （17）
A为计算区域的面积；s为由式（13）、式（14）和式（15）表示的任何一个单位面积的土壤水资源量，即土壤水资源通量。
根据以上的计算方法，结合新型的流域水文模型[18]——二元分布式水文模型，针对流域内不同的下垫面，用于国民经济生产的土壤水资源量和维护生态环境的土壤水资源量也将可获得。

4 实例

为检验以上提出的土壤水资源的评价理论，本文在WEP-L二元分布式水文模型[18]计算各个子流域的水文要素的基础上，对黄河流域的土壤水蓄水量以及不同土壤水资源指标作了分析。由于根系层的作用深度无法准确的确定，表1仅列出了土壤水储量和最大可利用的土壤水资源量。

表1 黄河流域不同水资源分区土壤水资源计算结果 单位：亿m3
黄河流域水资源分区
最大可能的土壤蓄水量
实际土壤蓄水量
最大可能被利用的土壤水资源
实际最大可能被利用的土壤水资源量
全流域
2853.21
1479.70
1764.08
1282.00
龙羊峡以上
296.76
181.69
186.69
160.74
龙羊峡至兰州
183.38
129.02
124.99
114.94
兰州至河口镇
924.17
364.33
535.58
304.52
河口镇至龙门
200.15
118.38
122.22
104.71
龙门至三门峡
581.18
367.50
395.03
323.00
三门峡至花园口
189.92
116.31
128.18
101.88
花园口以下
68.58
52.92
45.26
47.84
内流区
409.07
149.55
226.14
124.37

5 结论与讨论

土壤水作为水资源的重要组成成分受到普遍关注。本文在充分认识宏观土壤水资源概念和土壤水资源价值的基础上，为进一步定量认识土壤水资源及其本质特性，构建了土壤水资源评价体系雏形，并采用水循环通量方法从水循环机理中推导了衡量土壤水资源状况的指标。
在分析过程中发现，在机理上认识土壤水资源的前提下，土壤水资源评价体系需进一步完善；要实现流域土壤水资源的评价、认识土壤水在水循环过程中的作用，有必要将此评价体系与“3s”技术和流域分布式水循环模型相结合。这将为规划区域的农业生产和生态环境建设提供新的依据。
在明确土壤水资源数量的同时，土壤水资源的质量状况有待于进一步探讨。因为土壤水资源的质量直接影响着农业经济的产出和生态环境的健康发展。