一种用于确定水循环中各成分来源的创新方法：以伊朗赞詹冲积含水层为例

《Environmental Challenges》：An innovative methodology for determining origin-based components of the water cycle: Application to the Zanjan alluvial aquifer, Iran

地下水管理中的水源区分方法及应用研究。本研究提出一种新方法框架，结合改良的Thornthwaite-Mather方法和新的Richards方程形式，用于区分降水和灌溉对蒸发蒸腾、土壤湿度和地下水回灌的贡献。以伊朗赞詹冲积含水层为例，发现降水回灌系数27.7%，有效降水系数73%，灌溉应用效率87.1%，灌溉回流量12.6%，回灌延迟从3个月增至6个月。该方法可减少单一方法的不确定性，提升地下水预算评估精度，为半干旱区水管理提供新工具。

　　地下水的管理是许多地区水资源利用的关键部分，特别是在干旱和半干旱地区，地下水的可持续利用对于确保农业灌溉和城市工业用水具有重要意义。由于地下水补给的来源复杂，区分其组成成分，如降水和灌溉的贡献，成为水文研究中的一个主要挑战。本文提出了一种全新的方法框架，用于分离实际蒸散发和土壤含水量、下渗以及地下水补给中的降水和灌溉来源，从而为地下水管理提供更精确的数据支持。

该方法整合了改进版的Thornthwaite-Mather方法和一种基于来源的Richards方程的新形式，用于模拟非饱和区的水分流动。通过这种方法，可以准确估计降水和灌溉的蒸散发量，进而计算出降水有效系数和灌溉应用效率。同时，降水和灌溉来源的下渗量可用于估算降水下渗系数和灌溉回流系数。这四个系数在地下水规划和管理中具有实际意义，是水资源平衡分析的重要组成部分。

以伊朗西北部的赞詹冲积含水层为案例研究，本文验证了该方法的可行性。结果表明，在2002至2021年的观测期间，降水下渗系数和有效降水系数分别为27.7%和73%，而灌溉应用效率和回流系数分别为87.1%和12.6%。值得注意的是，非饱和区的下渗过程全年发生，但夏季除外。此外，非饱和区会减缓下渗水的时间变化，导致地下水补给延迟三到六个月。由于缺乏灌溉数据和土壤属性的空间分布信息，本文对整个含水层的地下水补给和蒸散发进行了评估。然而，未来的研究可以尝试获取空间分布数据，以克服这一主要限制。

在研究区域，赞詹含水层的面积为1146平方公里，气候属于冷温带半干旱。该地区的主要农业用地为雨养作物，占78%，而22%为灌溉农田。农业用地在研究期间增加了248平方公里，表明灌溉对农业发展的贡献逐渐增加。地下水的深度在研究期间从约36米增加到50.7米，显示出地下水位下降的趋势，这种变化导致非饱和区的厚度增加，从而延长了地下水补给的延迟时间。此外，研究还发现，非饱和区的厚度和其水力特性决定了地下水补给的时间滞后，这在不同的含水层中表现各异。

在方法学框架方面，研究分为五个步骤。首先，输入数据和建模设置，包括月度降水和温度数据以及灌溉深度。其次，计算总可用水分，即雨养农业区和自然土地覆盖的降水，以及灌溉农田的降水和灌溉深度之和。第三步，通过改进的Thornthwaite-Mather方法计算实际蒸散发和下渗。该方法将灌溉深度纳入考虑，从而区分降水和灌溉来源的水文过程。第四步，利用土壤水分分配方法区分蒸散发和下渗的来源。最后，通过基于来源的非饱和区流动建模来分离地下水补给的来源。

研究结果表明，通过该方法可以更准确地评估降水和灌溉来源对地下水补给的贡献。在赞詹含水层，降水下渗系数为27.7%，有效降水系数为73%。灌溉应用效率为87.1%，而灌溉回流系数为12.6%。这些结果表明，灌溉对地下水补给的贡献显著高于降水，但降水仍然在一定程度上影响地下水的补给过程。此外，研究还发现，非饱和区的水力特性会显著影响地下水补给的时间滞后，这在干旱和半干旱地区尤为重要。

讨论部分指出，输入数据的不确定性可能对结果产生影响。土壤性质的空间异质性、土壤水分特征模型的假设、测量方法以及仪器误差等因素都可能引入不确定性。然而，该研究假设输入数据是确定的，并在20%的正向系统误差条件下模拟了结果的误差。分析表明，对实际蒸散发、下渗和地下水补给的误差影响较小，而土壤孔隙度的不确定性可能导致更大的误差。因此，准确测定土壤孔隙度对于提高地下水补给估算的可靠性至关重要。

此外，研究还比较了赞詹含水层的四个关键系数与类似地区的研究结果。例如，降水下渗系数在其他干旱地区如伊朗西部的Mosian平原为10.8%，在Shyramyn平原为24.6%，而在东部的Birjand平原为4.8%。这些差异反映了不同地区的水文条件和气候特征对地下水补给的影响。灌溉回流系数在研究区域为12.6%，与文献中其他干旱地区的15%-20%范围相符，表明该估算具有一定的可靠性。同时，研究发现，伊朗的灌溉应用效率平均为75%，而赞詹含水层的估算值为87.1%，这可能与其较高的灌溉深度和更有效的灌溉系统有关。

在地下水补给延迟方面，研究发现，地下水补给的延迟时间在研究期间从三个月增加到六个月，这与地下水位下降导致非饱和区厚度增加密切相关。这种延迟对水资源管理具有重要意义，特别是在干旱和半干旱地区，它影响了水资源的时空分布和利用效率。研究还指出，灌溉系统的选择和管理对地下水补给和枯竭有重要影响，例如，从漫灌转向喷灌可以减少地下水开采，但可能降低地下水补给效率。因此，制定合理的灌溉系统规划对于地下水的可持续利用至关重要。

最后，研究总结了四个关键系数在水资源管理中的应用价值。降水下渗系数有助于评估降水对地下水补给的贡献，而有效降水系数反映了降水被植物消耗的比例。灌溉应用效率和灌溉回流系数则分别用于衡量灌溉水的利用效率和回流比例。这些系数在水资源预算评估、地下水可持续性分析以及土地利用规划中具有重要意义，特别是在半干旱地区，水资源的稀缺性要求更精确的水资源管理策略。

综上所述，本文提出的方法框架为地下水补给和蒸散发的来源分析提供了新的思路，有助于更精确地评估水资源的动态变化。通过结合改进的Thornthwaite-Mather方法和基于来源的Richards方程建模，研究能够区分降水和灌溉对水文过程的贡献，并估算相应的系数。这些成果对于干旱和半干旱地区的地下水管理具有重要的实践意义，有助于制定更科学的水资源利用和保护策略。未来的研究可以进一步探索空间分布数据的应用，以提高模型的准确性和适用性。