孟凡香，李天霄，付 強(qiáng)，劉 東，楊麗妍

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 黑龍江省寒區(qū)水資源與水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150030；4.黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150090）

1 研究背景

近年來(lái)，氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)自然水文過(guò)程造成了較大影響［1］，產(chǎn)生了水資源短缺、水土流失等一系列問(wèn)題，已經(jīng)成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要因素。雨水資源是可利用的淡水資源，科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)和利用雨水資源，一方面可以增加土壤入滲，涵養(yǎng)土壤水庫(kù)，消除水土流失的原動(dòng)力，緩解區(qū)域干旱缺水現(xiàn)象［2］，另一方面對(duì)于修復(fù)和促進(jìn)自然界水循環(huán)［3］、解決全球性水資源緊缺和水危機(jī)具有重要的理論價(jià)值。因此，如何科學(xué)合理的計(jì)算和分析區(qū)域雨水資源化潛力引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者及政府部門(mén)的廣泛關(guān)注［4-6］。

自1980年代起相關(guān)學(xué)者就開(kāi)始逐步對(duì)雨水資源化潛力的理論與應(yīng)用等方面進(jìn)行研究，如：李武彥等［7］從提高天然降水利用的角度研究了豫西地區(qū)雨水?dāng)r蓄措施對(duì)作物增產(chǎn)的影響；鄭寶宿［8］以我國(guó)干旱缺水和水土流失嚴(yán)重的甘肅省為研究對(duì)象，分析了甘肅省雨水資源化及其利用的可行性，在此基礎(chǔ)上提出了雨水積蓄利用技術(shù)體系和甘肅省雨水蓄積利用實(shí)踐模式；Karen lies［9］從第三世界農(nóng)村飲水安全的角度提出了肯尼亞提高雨水利用效率的實(shí)踐措施。進(jìn)入2000年以后，雨水資源化潛力的研究逐步由定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎垦芯俊＠罴t軍等［10］在闡述雨水資源概念和內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，從理論潛力、現(xiàn)實(shí)潛力和目標(biāo)潛力3 個(gè)角度給出了流域雨水資源化潛力的計(jì)算公式，建立了目標(biāo)潛力計(jì)算模型；趙西寧等［11-12］、張寶慶等［13-14］分別從不同的角度，研究了黃土高原的雨水資源化潛力，并從理論角度提出了雨水資源化潛力的計(jì)算和評(píng)價(jià)模型；BR Sharma等［15］采用印度604個(gè)地區(qū)225個(gè)主要降雨區(qū)在作物生育期的氣候水量平衡關(guān)系得出了研究區(qū)雨水資源潛力約為1140×108m3；Md.Tariqul Islam等［16］構(gòu)建了孟加拉國(guó)山區(qū)流域雨水資源化潛力模型理論框架，基于流域面積、灌溉需求、蒸發(fā)損失等因子計(jì)算了研究區(qū)的雨水資源化潛力。上述研究表明，雨水資源化潛力研究無(wú)論在理論上還是實(shí)踐中均取得了一定的研究成果，但從整體上來(lái)看，由于區(qū)域地質(zhì)條件、氣候條件等方面的差異，導(dǎo)致現(xiàn)有雨水資源化潛力計(jì)算模型和理論的適用性不強(qiáng)。因此，基于區(qū)域特點(diǎn)，建立適當(dāng)?shù)挠晁Y源化潛力計(jì)算方法和模型對(duì)于提高區(qū)域水資源利用效率具有重要的理論和實(shí)踐意義。

黑龍江省松嫩平原是我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，其黑土面積占我國(guó)黑土面積的54.2%，對(duì)于保障我國(guó)糧食安全具有重要的戰(zhàn)略地位，水資源相對(duì)緊缺問(wèn)題是制約其農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要“瓶頸”，如何準(zhǔn)確估算松嫩平原雨水資源的潛力，提高雨水資源的利用效率，對(duì)于緩解農(nóng)業(yè)水資源緊缺的局面具有重要的實(shí)踐價(jià)值。因此，本文引入分布式水文模型SWAT［17］，考慮地下水補(bǔ)給量和基流量對(duì)雨水資源化潛力的影響，提出研究區(qū)雨水資源化潛力理論計(jì)算方法，構(gòu)建適用于黑龍江省松嫩平原地區(qū)的雨水資源化潛力模型，評(píng)估黑龍江省松嫩平原雨水資源化潛力，以期為緩解研究區(qū)農(nóng)業(yè)水資源緊張的局面、提高水資源利用效率提供理論和實(shí)踐保障。

2 研究區(qū)域概況

松嫩平原是我國(guó)東北三大平原中面積最大的平原，位于大小興安嶺、長(zhǎng)白山脈及松遼分水嶺之間，主要由松花江和嫩江沖積而成，跨越內(nèi)蒙古自治區(qū)、黑龍江省和吉林省三個(gè)行政區(qū)［18］。本文以黑龍江省境內(nèi)的松嫩平原為研究區(qū)，研究區(qū)位于黑龍江省西部，地理坐標(biāo)為122.41°E—128.53°E，44.07°N—50.51°N，東與小興安嶺和張廣才嶺相鄰，南至哈爾濱市五常市，西以黑龍江省與內(nèi)蒙古自治區(qū)省界為分界線，北起黑河市嫩江縣，總面積15.95萬(wàn)km2，具體位置如圖1所示［19］。

黑龍江省松嫩平原屬于松花江水系，松花江是黑龍江右岸的最大支流，總長(zhǎng)2309 km，流域面積54.56萬(wàn)km2，多年平均徑流量733億m3。全年溫差較大，冬季最低氣溫可達(dá)-30 ℃以下，夏季最高氣溫可達(dá)35 ℃以上，多年平均氣溫2 ℃～6 ℃，無(wú)霜期100～160 d之間，多年平均水面蒸發(fā)量600～950 mm，多年平均降水量380～520 mm之間，主要集中在7—9月份。2017年，農(nóng)作物播種面積達(dá)783.75萬(wàn)hm2，占全省的55.46%；糧食總產(chǎn)量4039.51萬(wàn)t，占全省的53.67%，由于受到半干旱季風(fēng)氣候和溫帶大陸性季風(fēng)氣候的影響，降水量相對(duì)較少，尤其是西部半干旱區(qū)，近幾年年降水量不足300 mm［20］。為了應(yīng)對(duì)干旱，黑龍江省松嫩平原部分地區(qū)地下水超采導(dǎo)致局部地區(qū)地下水位下降，這在一定程度上影響了區(qū)域生態(tài)安全和水安全。

3 雨水資源化潛力計(jì)算方法

3.1 雨水資源化潛力的內(nèi)涵雨水資源化是指人們通過(guò)調(diào)控降水在下墊面的時(shí)空分布，使之能夠被開(kāi)發(fā)利用，進(jìn)而產(chǎn)生價(jià)值的過(guò)程，即雨水轉(zhuǎn)化為可利用資源的過(guò)程［5，21］。從雨水的自然屬性和社會(huì)屬性來(lái)看，雨水資源化存在兩種途徑：（1）雨水作為一種自然產(chǎn)物，在自然狀態(tài)下通過(guò)入滲、產(chǎn)流、匯流等形式供給作物生長(zhǎng)，即自然資源化過(guò)程；（2）雨水作為一種社會(huì)產(chǎn)物，通過(guò)人類活動(dòng)干擾，使其轉(zhuǎn)化為資源供農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或人畜等利用，即人為資源化過(guò)程。雨水資源化潛力不僅包括自然資源化過(guò)程的潛力，也包括人為資源化過(guò)程的潛力。因此本文在前人研究的基礎(chǔ)［2，14，22-24］上認(rèn)為：雨水資源化潛力是在當(dāng)前社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)條件下，以水生態(tài)文明建設(shè)為前提和保障，通過(guò)自然資源化過(guò)程和人為資源化過(guò)程，將雨水轉(zhuǎn)化為雨水資源的最大能力。

3.2 雨水資源化潛力計(jì)算方法根據(jù)上述內(nèi)涵，雨水資源化潛力是指通過(guò)各種方式和技術(shù)，雨水可能被開(kāi)發(fā)的理論最大值。對(duì)于一個(gè)封閉的區(qū)域或流域而言，降水是其陸地各種形態(tài)水資源的補(bǔ)給來(lái)源，若以年為計(jì)算單位，則年內(nèi)降水總量可視為區(qū)域或流域內(nèi)水資源的可更新量，當(dāng)區(qū)域或流域無(wú)外來(lái)水源時(shí)，雨水資源總潛力則為該流域或區(qū)域的年降水總量，計(jì)算公式如下：

式中：Rt為區(qū)域或流域第t年的雨水資源總潛力，m3；Pi為區(qū)域或流域第i個(gè)分區(qū)的年平均降水量，mm；Ai為區(qū)域或流域第i個(gè)分區(qū)的控制面積，km2；n為區(qū)域或流域分區(qū)個(gè)數(shù)。

由式（1）可知，雨水資源總潛力與區(qū)域或流域的年降水量有關(guān)。由于不同氣象站點(diǎn)不同年份的降水量存在較大的差異，故其總潛力也會(huì)隨之變化，一般采用不同降水頻率條件下的降水總量作為區(qū)域或流域的雨水資源總潛力［25］。但式（1）僅從降水總量的角度計(jì)算了雨水資源的潛力，并未考慮降水的再分配過(guò)程。因此，從水循環(huán)的角度考慮，雨水降到地面以后主要轉(zhuǎn)化為以下幾部分：植被截流量、地表徑流量、株間蒸發(fā)量、植株蒸騰量、土壤含水量、壤中流、地下水補(bǔ)給量和基流量，則某區(qū)域或流域第i個(gè)分區(qū)的年降水量可表示為：

式中：ΔR截i為植被截流量，mm；ΔRi為地表徑流量，mm；ΔEsi為株間蒸發(fā)量，mm；ΔEvi為植株蒸騰量，mm；ΔR壤i為壤中流量，mm；ΔSi為土壤含水量（土壤有效水凈增加量），mm；ΔGi為地下水補(bǔ)給量，mm；ΔBFi為基流量，mm。則第t年雨水資源潛力計(jì)算公式可轉(zhuǎn)化為：

式（3）中的植被截流量ΔR截i、株間蒸發(fā)量ΔEsi、植株蒸騰量ΔEvi等無(wú)效損失是不可避免的，人類也不可能完全利用。另外，株間蒸發(fā)量ΔEsi、植株蒸騰量ΔEvi實(shí)際并非無(wú)效損失，而是已經(jīng)被作物有效利用。因此，對(duì)于某一區(qū)域或流域第t年的可利用雨水資源化潛力的計(jì)算公式如下：

式中：PARt為可利用雨水資源化潛力，m3；ΔP1為已利用水量，m3；ΔP2為不可利用的水量，m3。

其中：

對(duì)于黑龍江省松嫩平原而言，黑土和黑鈣土的面積達(dá)到了60%以上，主要分布在東部地區(qū)，而風(fēng)沙土主要分布在西部半干旱區(qū)，面積相對(duì)較少，故其產(chǎn)流方式多以飽和產(chǎn)流和蓄滿產(chǎn)流為主，這個(gè)特點(diǎn)決定了ΔR壤i難以被人類利用。因此式（4）中ΔP2可表示為：

黑龍江省松嫩平原地下水埋深空間差異較大，如：綏化等部分地區(qū)最大埋深達(dá)到了45 m左右（局部漏斗），而山前傾斜平原枯水期的地下水埋深僅為3.0～5.0 m。已有研究表明：黑龍江省松嫩平原大氣降水補(bǔ)給地下水的量占總補(bǔ)給量的70%左右［26］，故在可利用雨水資源潛力中應(yīng)該考慮地下水補(bǔ)給量ΔGi和基流量ΔBFi，這與已有關(guān)于黃土高原的研究有所不同［25］。根據(jù)上述分析，將式（3）、式（5）和式（6）帶入式（4），可轉(zhuǎn)化為：

式（7）中的參數(shù)通過(guò)構(gòu)建SWAT模型進(jìn)行計(jì)算，其中：

式中：Sbeg為降雨初期土壤的有效水含量，mm；Send為降雨末期土壤的有效水含量，mm。

3.3 SWAT 模型SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是一種基于GIS 基礎(chǔ)的分布式水文模型，用于流域水循環(huán)、泥沙和非點(diǎn)源污染等模擬，具有較強(qiáng)的物理機(jī)制。模型的優(yōu)勢(shì)在于輸入?yún)?shù)簡(jiǎn)單、所需驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)容易獲取且計(jì)算效率高，適用于模擬大尺度長(zhǎng)期的水文循環(huán)和物質(zhì)運(yùn)移［27］。SWAT模型主要包括4大子模塊，分別為水文模塊、土壤侵蝕與泥沙輸運(yùn)模塊、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸運(yùn)模塊和植物生長(zhǎng)與經(jīng)營(yíng)模塊，本文主要運(yùn)用SWAT模型的水文模塊進(jìn)行模擬。

SWAT模型構(gòu)建之后需進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行率定及驗(yàn)證。SWAT-CUP 2012可以進(jìn)行模型參數(shù)的靈敏度分析、率定和驗(yàn)證。模型率定前采用SWAT-CUP 軟件對(duì)徑流模擬影響較大的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。SWAT模型包含大量的水文參數(shù)，并非所有參數(shù)都對(duì)模型結(jié)果有顯著影響，因此需選擇對(duì)研究區(qū)影響較大的參數(shù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，來(lái)提高模型計(jì)算的準(zhǔn)確性。本文選擇納什系數(shù)（Nash-Sutcliffe Effi?ciency，NSE）、確定系數(shù)（r2）和百分比偏差（PBIAS，%）3個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)研究區(qū)SWAT模型模擬的適應(yīng)性，其計(jì)算公式如下：

式中：為模擬流量，m3/s；Q為實(shí)測(cè)流量，m3/s；為實(shí)測(cè)流量平均值，m3/s。當(dāng)3個(gè)指標(biāo)結(jié)果均滿足給定標(biāo)準(zhǔn)NSE＞0.5，r2＞0.7，|PBIAS|＜25%時(shí)，則表明模型精度符合要求，能夠用于研究流域降水匯流過(guò)程模擬和相關(guān)影響分析［28］。

3.4 數(shù)據(jù)來(lái)源SWAT模型需要地形、土地利用、土壤和水文氣象等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。考慮到數(shù)據(jù)的完整性、可獲取性和一致性，氣象數(shù)據(jù)采用研究區(qū)35個(gè)氣象站點(diǎn)2008—2016年逐日的最高氣溫、最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速、平均相對(duì)濕度和降水?dāng)?shù)據(jù)，并對(duì)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行質(zhì)量分析，對(duì)于部分站點(diǎn)缺失的數(shù)據(jù)，采用相鄰站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行插補(bǔ)。徑流數(shù)據(jù)采用2008—2016年研究區(qū)內(nèi)同盟、富拉爾基和大賚3個(gè)水文站的月徑流數(shù)據(jù)。其它數(shù)據(jù)具體情況如表1所示，氣象水文站點(diǎn)分布如圖1所示。

表1 數(shù)據(jù)來(lái)源情況

4 基于SWAT的雨水資源化潛力計(jì)算模型

4.1 SWAT模型數(shù)據(jù)庫(kù)建立通過(guò)ArcGIS對(duì)下載的DEM進(jìn)行拼接、裁剪，形成研究區(qū)地形數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)研究區(qū)土地利用類型進(jìn)行重分類，共分為6類，土地利用類型分布如圖2所示。將土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，在研究區(qū)內(nèi)提取34種土壤類型，空間分布如圖3所示。

圖2 研究區(qū)土地利用空間分布

圖3 研究區(qū)土壤類型空間分布

4.2 子流域與研究分區(qū)的劃分子流域是SWAT 模型劃分水文響應(yīng)單元（HRU）的基礎(chǔ)，也是降雨徑流過(guò)程模擬中進(jìn)行流域匯流最重要的部分［29］。根據(jù)DEM 數(shù)據(jù)對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行劃分，當(dāng)匯水面積設(shè)置的越小，生成的子流域個(gè)數(shù)就越多，水系模擬也會(huì)越準(zhǔn)確。但模型的計(jì)算效率會(huì)隨著子流域的增加、數(shù)據(jù)量的提高而降低，子流域數(shù)量的增加，會(huì)使模型模擬的準(zhǔn)確度呈現(xiàn)先上升后減小的趨勢(shì)，隨后趨于穩(wěn)定。本文根據(jù)天然河網(wǎng)和盆地地形，將研究區(qū)劃分為24 個(gè)子流域，如圖4所示。

劃分后的子流域由于流域地質(zhì)地形條件，土地利用情況，土壤狀況等方面的影響，同一個(gè)子流域內(nèi)可能存在不同的水文響應(yīng)結(jié)果。為了反映這些方面帶來(lái)的多元影響，需要進(jìn)一步細(xì)化劃分后的子流域，即HRU的劃分。根據(jù)研究區(qū)模型的構(gòu)建，將子流域劃分成為177個(gè)HRU，同時(shí)，為了便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和處理，SWAT模型運(yùn)行結(jié)束后，計(jì)算雨水資源化潛力時(shí)的子流域分區(qū)按照子流域特性進(jìn)行合并，合并后的分區(qū)如圖5所示。

圖4 研究區(qū)子流域劃分

圖5 研究區(qū)子流域分區(qū)

4.3 SWAT 模型參數(shù)率定結(jié)果模型采用大賚、同盟和富拉爾基3 個(gè)水文站月徑流量數(shù)據(jù)對(duì)SWAT模型進(jìn)行校準(zhǔn)。2008年作為模型的預(yù)熱期，2009—2016年作為率定期。首先利用SWAT-CUP模型內(nèi)部敏感性分析LH-OAT 方法，基于水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算所選12 個(gè)參數(shù)的敏感性，12 個(gè)參數(shù)分別為CN2、ALPHA_BF、GW_DELAY、ESCO、SOL_AWC、SOL_K、CH_K2、GWQMN、GW_REVAP、REVAPMN、SFTMP、SMTMP。通過(guò)SWAT-CUP模型中SUFI-2算法進(jìn)行每次為1000次的迭代，確定參數(shù)的最優(yōu)值（如表2所示），進(jìn)而對(duì)SWAT模型進(jìn)行校準(zhǔn)。

表2 SWAT模型所選參數(shù)及最優(yōu)值

模型校準(zhǔn)中大賚站、同盟站和富拉爾基站的NSE、r2、PBIAS分別為0.78、0.83 和14%；0.68、0.79 和21%；0.74、0.84 和14%，均滿足給定精度，表明所構(gòu)建的SWAT 模型適用于此區(qū)域的研究。圖6顯示了研究區(qū)水文站的實(shí)測(cè)流量與模擬流量之間的對(duì)比結(jié)果，實(shí)測(cè)值和模擬值出現(xiàn)的峰值時(shí)間一致，衰退時(shí)期也一致，其中：大賚站2011年模擬效果最好，同盟站和富拉爾基站2013年模擬效果最好，雖然模擬值和實(shí)測(cè)值之間還存在一定差異，但總體而言，SWAT 模型在此研究區(qū)域的模擬效果較好。

圖6 模型校準(zhǔn)過(guò)程中實(shí)測(cè)和模擬的月徑流量

5 區(qū)域雨水資源化潛力計(jì)算及時(shí)空分布

由于黑龍江省松嫩平原冬季寒冷，基本無(wú)作物種植，因此本文僅計(jì)算作物生育期5—9月的雨水資源化潛力。將研究區(qū)35個(gè)氣象站2008—2016年的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)輸入率定后SWAT模型中，計(jì)算研究區(qū)的雨水資源化潛力。

5.1 生育期雨水資源化潛力計(jì)算精度分析黑龍江省松嫩平原2008—2016年各分區(qū)生育期多年平均雨水資源化潛力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知：未考慮地下水補(bǔ)給量ΔGi和基流量ΔBFi時(shí)，黑龍江省松嫩平原生育期多年平均水層深度為149.18 mm，平均可利用雨水資源化潛力為235.95億m3，與生育期多年平均雨水總量683.71億m3相比，其百分比為34.51%；考慮地下水補(bǔ)給量ΔGi和基流量ΔBFi時(shí)，生育期多年平均水層深度為215.80mm，平均可利用雨水資源化潛力為343.78億m3，占多年平均雨水總量的50.28%?？紤]地下水補(bǔ)給量ΔGi和基流量ΔBFi計(jì)算得到的生育期多年平均可利用雨水資源化潛力比未考慮時(shí)增加了45.70%，大大提高了雨水資源化潛力的計(jì)算精度，為缺水的黑龍江省松嫩平原地區(qū)提供了更科學(xué)的雨水資源化潛力計(jì)算方式，可以用來(lái)指導(dǎo)研究區(qū)更好地進(jìn)行集雨管理工作。

表3 黑龍江省松嫩平原2008—2016年各分區(qū)多年平均生育期雨水資源化潛力

圖7 各分區(qū)生育期雨水資源化潛力空間分布

5.2 各分區(qū)生育期雨水資源化潛力空間分布規(guī)律根據(jù)表3繪制各分區(qū)生育期雨水資源化潛力空間分布（圖7）。由圖7分析可知：黑龍江省松嫩平原生育期多年平均可利用雨水資源化潛力為343.78億m3，其中：地下水補(bǔ)給量占比26.76%、地表徑流量占比為54.06%，基流量占比為4.11%，土壤水增量占比為15.07%；雨水資源化潛力最大的為分區(qū)3，達(dá)到了93.24億m3，占研究區(qū)總量的27.12%；雨水資源化潛力最小的為分區(qū)4，僅為43.07億m3，占研究區(qū)總量的12.53%。

從單位面積上的雨水資源化潛力來(lái)看，分區(qū)5最大，為23.89億m3/萬(wàn)km2，分區(qū)2最小，為19.82億m3/萬(wàn)km2?？梢?jiàn)，黑龍江省松嫩平原生育期雨水資源化潛力在空間上具有一定的差異性。

從雨水資源化潛力的構(gòu)成來(lái)看，各分區(qū)產(chǎn)流量在雨水資源化潛力中占比均較大，如分區(qū)2，其產(chǎn)流量達(dá)到了161.96 mm，占分區(qū)雨水資源化潛力比例達(dá)到了80%以上。根據(jù)黑龍江省人民政府公布的水土流失重點(diǎn)防治區(qū)可知：位于松嫩平原的哈爾濱市、齊齊哈爾市、大慶市、五常市、五大連池市、北安市、訥河市、克山縣、克東縣、拜泉縣、依安縣、綏化市、嫩江縣等32 個(gè)縣市為重點(diǎn)治理區(qū)，幾乎包含了松嫩平原的所有區(qū)域。因此，對(duì)于黑龍江省松嫩平原而言，可重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用降水徑流匯集、徑流蓄存和集雨補(bǔ)灌等相關(guān)技術(shù)，為農(nóng)田防護(hù)林、防風(fēng)固沙林以及退耕還林還草工程提供充足的水源，以達(dá)到合理利用和調(diào)控地表徑流、減緩水土流失造成的危害等雙重效果。

從各分區(qū)的土壤水增量來(lái)看，分區(qū)4 最大，超過(guò)了45 mm，是分區(qū)2 和分區(qū)3 土壤水增量的2 倍以上。因此，對(duì)于分區(qū)4（黑龍江省松嫩平原西部半干旱區(qū)），在今后節(jié)水灌溉技術(shù)研究和實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)加大對(duì)土壤擴(kuò)蓄增容、土壤保水劑和抗旱劑、土壤水與作物水高效轉(zhuǎn)化等方面的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用工作，進(jìn)而充分利用雨水資源，保護(hù)區(qū)域生態(tài)安全，促進(jìn)區(qū)域環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

5.3 各分區(qū)生育期雨水資源化潛力時(shí)間變化規(guī)律黑龍江省松嫩平原2008—2016年各分區(qū)生育期歷年雨水資源化潛力計(jì)算結(jié)果如表4—表8所示。

由表4—表8可知：各分區(qū)不同年份雨水資源化潛力存在較大的差異。對(duì)于分區(qū)1，研究時(shí)段內(nèi)雨水資源化潛力的變化區(qū)間為［33.92 104.2］億m3，其中：2016年最小，不足最大年份2014年的1/2；2008—2011年與2011—2016年兩個(gè)時(shí)段變化規(guī)律相似，均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，但2008—2011年的雨水資源化潛力均值為47.33 億m3，僅為2011—2016年均值82.11 億m3的57.65%。在構(gòu)成上，地下水補(bǔ)給量和產(chǎn)流量占比均較大，其均值分別達(dá)到了雨水資源化潛力的39.03%和39.63%，在時(shí)間上均呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，但其最大值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)具有一定的差異，地下水補(bǔ)給量為2014年，而產(chǎn)流量則為2013年。

表4 黑龍江省松嫩平原2008—2016年分區(qū)1生育期雨水資源化潛力

表5 黑龍江省松嫩平原2008—2016年分區(qū)2生育期雨水資源化潛力

表6 黑龍江省松嫩平原2008—2016年分區(qū)3生育期雨水資源化潛力

表7 黑龍江省松嫩平原2008—2016年分區(qū)4生育期雨水資源化潛力

表8 黑龍江省松嫩平原2008—2016年分區(qū)5生育期雨水資源化潛力

分區(qū)2的雨水資源化潛力變化規(guī)律與分區(qū)1在時(shí)間上存在較大的差異，整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)基本呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，其變化區(qū)間為［42.09 121.51］億m3，但其最小值出現(xiàn)的年份與分區(qū)1 相同。在構(gòu)成上，產(chǎn)流量占比最大，其均值超過(guò)了雨水資源化潛力的80%，研究時(shí)間段內(nèi)與雨水資源化潛力呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律；而地下水補(bǔ)給量和基流量，僅在部分年份有值，其余幾乎為0。這與分區(qū)2的地下水位埋深較大有關(guān)，已有研究表明［26］，分區(qū)2的綏化市等地區(qū)地下水埋深超過(guò)了40 m，雨水對(duì)其補(bǔ)給的潛力已經(jīng)很小了。

分區(qū)3的雨水資源化潛力變化規(guī)律與分區(qū)1和分區(qū)2在時(shí)間上均不相同，整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)基本呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，平均每年增加約8.19億m3，其變化區(qū)間為［57.14 128.04］億m3，但其最大值出現(xiàn)的年份與分區(qū)1相同。在構(gòu)成上，產(chǎn)流量占比最大，其均值達(dá)到了雨水資源化潛力的48.67%，研究時(shí)間段內(nèi)與雨水資源化潛力呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

分區(qū)4 的雨水資源化潛力在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)無(wú)明顯的上升或下降趨勢(shì)，隨著時(shí)間推移呈現(xiàn)出波動(dòng)特征，其變化區(qū)間為［28.91 56.52］億m3，較前三個(gè)分區(qū)變幅明顯下降，可見(jiàn)分區(qū)4 在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)雨水資源化潛力分布比較均勻。在構(gòu)成上，與前三個(gè)分區(qū)相同，產(chǎn)流量占比最大，其均值超過(guò)了雨水資源化潛力的50%，研究時(shí)間段內(nèi)與雨水資源化潛力呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

分區(qū)5 的雨水資源化潛力在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)與分區(qū)1 相同，2008—2011年與2011—2016年兩個(gè)時(shí)段均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，其變化區(qū)間為［31.95 98.32］億m3。在構(gòu)成上，與前四個(gè)分區(qū)相同，產(chǎn)流量占比最大，其均值超過(guò)了雨水資源化潛力的50%，研究時(shí)間段內(nèi)與雨水資源化潛力呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

由于變差系數(shù)反映了雨水資源化潛力年際變化特征，其值大小在一定程度上體現(xiàn)了可開(kāi)發(fā)利用的難度。從5個(gè)分區(qū)研究時(shí)段雨水資源化潛力的變差系數(shù)可以看出，分區(qū)1和分區(qū)2相對(duì)較大，均超過(guò)了0.35，分區(qū)3-分區(qū)5的相對(duì)較少，均小于0.30，即：分區(qū)1和分區(qū)2的雨水資源化潛力年際波動(dòng)較大，不便于開(kāi)發(fā)利用；而相對(duì)于分區(qū)1 和分區(qū)2，分區(qū)3-分區(qū)5 的雨水資源化潛力年際波動(dòng)則較小，更利于開(kāi)發(fā)利用。

6 結(jié)論

松嫩平原水資源緊缺問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，本文結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，考慮地下水補(bǔ)給量和基流量對(duì)雨水資源化潛力的影響，提出了黑龍江省松嫩平原雨水資源化潛力計(jì)算方法，借助SWAT模型，計(jì)算了研究區(qū)2008—2016年生育期的雨水資源化潛力及其各組成，并對(duì)其空間分布特征和時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）考慮地下水補(bǔ)給量和基流量的影響，雨水資源化潛力計(jì)算精度更高，比未考慮時(shí)多年平均生育期雨水資源化潛力增加了45.70%?？臻g分布上，研究區(qū)生育期雨水資源化潛力具有一定的差異性，分區(qū)5 潛力最大，分區(qū)2 最小，因此要根據(jù)不同分區(qū)的特點(diǎn)，充分提高雨水收集利用效率，保證區(qū)域生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。從構(gòu)成來(lái)看，各分區(qū)產(chǎn)流量在雨水資源化潛力中占比均最大，建議重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用降水徑流匯集、徑流蓄存和集雨補(bǔ)灌等相關(guān)技術(shù)。分區(qū)4 土壤水增量最大，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過(guò)程中，建議應(yīng)加大土壤水與作物水高效轉(zhuǎn)化等方面的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用工作。

（2）2008—2016年研究區(qū)生育期多年平均可利用雨水資源化潛力為343.78億m3，各分區(qū)年際間雨水資源化潛力及其構(gòu)成均存在較大的差異，其中潛力最大的為分區(qū)3，最小的為分區(qū)4，其雨水資源化潛力分別占研究區(qū)總量的27.12%和12.53%。同一分區(qū)年際間雨水資源化潛力呈波動(dòng)趨勢(shì)，這主要是由于研究區(qū)不同年份降雨量存在較大差異導(dǎo)致的。各分區(qū)中，年際間基流量和地下水補(bǔ)給量的波動(dòng)性均較大，進(jìn)一步驗(yàn)證了研究區(qū)雨水資源化潛力計(jì)算要充分考慮基流量和地下水補(bǔ)給量帶來(lái)的影響。

（3）本研究采用水文模型計(jì)算雨水資源化潛力，可以提高雨水資源化潛力計(jì)算的精度，能夠?yàn)檠芯繀^(qū)提高雨水資源利用率，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐提供科學(xué)參考。但由于影響雨水資源化的因素還有很多，而且水文模型本身也存在一定的不確定性，因此導(dǎo)致雨水資源化潛力計(jì)算結(jié)果亦存在不確定性，此問(wèn)題需要在下一步工作中進(jìn)一步完善。