干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文研究綜述

摘 要：干旱半干旱地區(qū)由于受特殊的地理環(huán)境和氣候條件的影響，是生態(tài)環(huán)境脆弱的重點地區(qū)。介紹了我國干旱半干旱地區(qū)的劃分及其生態(tài)水文研究的內(nèi)容與意義，重點闡述了可用于干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文研究的典型模型如TOPMODEL、MIKE SHE、VIC、DHSVM、SWAT等的形成、結(jié)構(gòu)、適用時/空尺度、主要功能，并就我國學(xué)者對它們的一些應(yīng)用進行的歸納與總結(jié)，為我國干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)水文研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：干旱半干旱地區(qū)；生態(tài)水文；水文模型；綜述

中圖分類號：X171.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-060X（2014）17-0035-03

Review of Eco-Hydrology in Arid and Semi- Arid Regions

ZHANG Cheng-shuo，F(xiàn)ANG Jiang-ping，F(xiàn)ENG Lei

（Institute of Plateau Ecology， College of Agricultural and Animal Husbandry， Tibet University， Nyingchi 860000， PRC）

Abstract：Arid and semi-arid regions due to the influence of the special geographical environment and climate factors are the key area of fragile ecological environment， and such regions account for about more than half of the land area in our country. The paper introduces their partition， research content， significance and methods； focuses on some typical eco-hydrological models to be used in the field，such as TOPMODEL，MIKE SHE，VIC，DHSVM and SWAT； discusses the models’ formation，structure，suitable time and space scales，main functions； and summarizes some of their applications in China. And it provides the reference for related further research in our country.

Key words：arid and semi arid region； eco-hydrology； hydrological model； review

收稿日期：2014-06-25

基金項目：國家社會科學(xué)基金（12BJY031）

作者簡介：張程槊（1988-），男，山西忻州市人，碩士研究生，主要從事水文生態(tài)研究。

通訊作者：方江平

我國西部大部分地區(qū)深居內(nèi)陸，受周邊地形屏障作用的影響，年降水量稀少，且季節(jié)分布不均，加之這些地區(qū)年蒸發(fā)量非常大，以致形成了大片的干旱半干旱地區(qū)域，其面積約占全國總面積的一半以上，在我國陸地生態(tài)系統(tǒng)中占有重要的地位。該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的脆弱性主要表現(xiàn)在水分因子方面。因此，對干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文過程的研究十分重要，筆者總結(jié)了國內(nèi)外對干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文過程的研究內(nèi)容、意義及其相關(guān)的研究方法，以期為我國環(huán)境保護和生態(tài)建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 概 述

干旱半干旱地區(qū)是指年降水量低于400 mm的地區(qū)。一般認(rèn)為，年降水量在200 mm以下的地區(qū)為干旱地區(qū)，而年降水量在200～400 mm之間的為半干旱地區(qū)[1]。王謙等[2]認(rèn)為我國干旱地區(qū)和濕潤區(qū)的分界線為：大興安嶺—壩上草原—陜北—蘭州—拉薩，以北為干旱半干旱地區(qū)，以南為濕潤地區(qū)，這條線大致和我國夏季風(fēng)影響的北界限是一致的。

生態(tài)水文學(xué)是研究生態(tài)格局和生態(tài)過程變化水文學(xué)機制的科學(xué)[3]，它的一個重要研究方向是：在不同時空尺度上和一系列環(huán)境條件下探討生態(tài)水文過程[4]。生態(tài)水文過程是指水文過程與生物動力過程之間的功能關(guān)系，它包括生態(tài)水文物理過程、生態(tài)水文化學(xué)過程及其生態(tài)效應(yīng)[5-6]。目前，有學(xué)者提出要將生態(tài)水文學(xué)作為一門獨立的學(xué)科，成為一個集生態(tài)學(xué)、氣象學(xué)、植物生理學(xué)、地表水文學(xué)、地下水文學(xué)、土壤學(xué)和自然地理學(xué)等于一體，彼此間相互影響、相互滲透的新型邊緣交叉學(xué)科。其主要研究對象是區(qū)域內(nèi)降水、蒸發(fā)、植被、地表水、地下水等各水文要素之間的相互關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者對它的研究均還處于初級階段[7]。

干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文過程，就是研究區(qū)域內(nèi)水文過程與生態(tài)環(huán)境動力（包括動物和植物對生態(tài)水文過程的影響）過程之間的關(guān)系。從研究區(qū)域來看，目前我國干旱半干旱地區(qū)的生態(tài)水文過程研究主要集中在西部地區(qū)。

2 干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文研究的內(nèi)容與意義

2.1 水量平衡

水量平衡即水循環(huán)的數(shù)量表示。在給定任意尺度的時域空間中，水的運動（包括相變運動）具有連續(xù)性，收入的水量與支出的水量之間差額必等于該時段區(qū)域（或水體）內(nèi)蓄水的變化量，即水在循環(huán)過程中，數(shù)量上保持著動態(tài)的收支平衡，其基本原理是質(zhì)量守恒定律。從本質(zhì)上說，水量平衡是質(zhì)量守恒原理在水循環(huán)過程中的具體體現(xiàn)形式，同時也是地球上水循環(huán)可以持續(xù)不斷地進行下去的基本前提。水量平衡是分析研究水文現(xiàn)象和水文過程的基礎(chǔ)，也是水資源數(shù)量與質(zhì)量的計算、評價的依據(jù)。

水循環(huán)是地球上客觀存在的自然現(xiàn)象，水量平衡是水循環(huán)遵循的內(nèi)在規(guī)律，水量平衡方程式是水循環(huán)的數(shù)學(xué)表達。此方程式中的各項收入項、支出項和蓄水變量，隨研究區(qū)域的不同而有所不同。利用水量平衡方程式，可以確定式中各個水量平衡要素之間的數(shù)量關(guān)系，進而估計研究地區(qū)的水量，從而鑒別各種不同的水文學(xué)方法及研究成果。因此，水量平衡理論是水文學(xué)中最重要的基礎(chǔ)理論，水量平衡測算方法因此也成為水文學(xué)研究的基本方法之一。根據(jù)不同的水循環(huán)類型，可以建立不同水量平衡方程。例如：全球水量平衡方程、海洋水量平衡方程、陸地水量平衡方程、流域水量平衡方程等。

2.2 水質(zhì)分析

水質(zhì)分析也稱為水化學(xué)分析，即用化學(xué)與物理的方法測定水體中各化學(xué)成分的含量；分析指標(biāo)主要有：色度、渾濁度、味道、余氯、化學(xué)需氧量、細菌總數(shù)、總大腸菌群、耐熱大腸菌群、大腸埃希氏菌等。

水質(zhì)分析可以分為簡分析、全分析和專項分析三種。簡分析多在野外進行，分析項目較少，但要求速度快，適用于初步了解大范圍內(nèi)水體的主要化學(xué)成分；全分析多在室內(nèi)進行，分析項目全面多樣，對水體進行的全方位、多方面的全面分析；專項分析是根據(jù)具體任務(wù)的需要而定，著重針對水體的某項特征、項目，進行具體、細致的分析研究。

2.3 研究意義

由于干旱地區(qū)水文過程直接影響植被生長發(fā)育，而植被覆蓋和生長狀況又是水土流失和土地荒漠化的主要控制因子，所以水文循環(huán)過程的改變往往是引起干旱地區(qū)所有生態(tài)環(huán)境問題（如水土流失、土地荒漠化）的直接驅(qū)動力。因此，生態(tài)水文過程研究對生態(tài)環(huán)境的保護和恢復(fù)，特別是防治水土流失和土地沙漠化具有重大的理論意義和指導(dǎo)作用，對其深入研究不僅可以維持我國天然生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，而且可為已退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù)，從而為我國廣大干旱半干旱地區(qū)的經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境之間協(xié)調(diào)發(fā)展提供重要的生態(tài)水文學(xué)依據(jù)。例如：水量平衡研究是水文、水資源學(xué)科的基礎(chǔ)課題，也是研究和解決一系列實際問題的手段與方法。水量平衡研究，可以定量地揭示出水循環(huán)過程與全球地理生態(tài)環(huán)境、自然生態(tài)系統(tǒng)之間的聯(lián)系；分析出水循環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)與運行機制，以及蒸發(fā)、降水、徑流等水循環(huán)中各環(huán)節(jié)之間的內(nèi)在聯(lián)系；為人們探究自然界水文過程的基本規(guī)律，揭示水循環(huán)與人類活動的相互影響提供數(shù)據(jù)；是人們掌握河流、湖泊、海洋、地下水等各種水體的基本特征、空間分布、時間變化、發(fā)展趨勢的重要手段，也是水資源現(xiàn)狀評價與供需預(yù)測研究工作的核心。

3 干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文過程研究的主要方法

20世紀(jì)90年代誕生的生態(tài)水文學(xué)使人們已經(jīng)認(rèn)識到它在解決干旱地區(qū)水文過程等系列科學(xué)問題中的重要性[8]。生態(tài)水文學(xué)作為一門新興學(xué)科，對它的研究方法尚處于初步的探討階段。通過閱讀我國近年來有關(guān)干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文研究的相關(guān)文獻，總結(jié)出干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文研究的主要方法有：實驗室仿真、徑流平衡法、水質(zhì)的理化分析和建立生態(tài)學(xué)模型等，當(dāng)然，對生態(tài)水文學(xué)的研究離不開各種研究方法的相互配合。

3.1 實驗室仿真

利用人工降雨系統(tǒng)模擬自然降雨條件下的坡面流并分析其水動力學(xué)特性的變化規(guī)律[9]。利用人工模擬降雨，探討土壤流失規(guī)律和治理效益。例如，中科院寒旱所的雨水集流試驗、灌木截流試驗、雨水集流的坡度試驗等。利用在類似“三輪車斗”的設(shè)施上鋪設(shè)土壤，配合人工模擬降雨器，通過自動升降模擬測定某區(qū)域降水條件下，不同坡度和土壤厚度的雨水入滲、地表徑流等。此外，還可利用現(xiàn)代化氣象站、蒸發(fā)感應(yīng)儀等現(xiàn)代化儀器進行野外觀測和田間試驗，測定不同海拔、不同植被類型區(qū)域的降水量、蒸發(fā)蒸騰量，來探討研究降水、蒸發(fā)和植被之間的關(guān)系。

3.2 徑流平衡法

在干旱半干旱地區(qū)，坡面流、地表徑流和基流均以小流量水流為主[10-11]，這部分水量對維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定具有重要意義，然而現(xiàn)在的方法很少能準(zhǔn)確測量這部分小流量。

目前，在水文試驗中，多采用徑流場法觀察測量降水過程中的地表和不同深度土層的徑流情況，水量通常用翻斗式流量計來測量。翻斗測量的基本原理是：水流直接流入翻斗中，使上位翻斗承接的水量不斷增加，水的重力對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的傾覆力矩不斷增大，當(dāng)承接水量達到一定值時，傾覆力矩大于另一端翻斗自重對轉(zhuǎn)軸的穩(wěn)定力矩與轉(zhuǎn)動摩擦力矩之和，翻斗便繞轉(zhuǎn)軸自動翻轉(zhuǎn)。HOBO記錄儀可以通過數(shù)據(jù)采集器自動記錄所翻斗的次數(shù)。由于翻斗每翻一次的容量是固定的，所以根據(jù)翻斗翻動的次數(shù)就可以計算出相應(yīng)的徑流量。在野外建立徑流場，可測定不同區(qū)域、海拔、植被類型土壤的時空徑流量。目前，我國進行了以黑河流域不同植被景觀帶為研究對象的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)（ENVIS）。

3.3 水質(zhì)的理化分析

通過收集不同時空的降水和地下水，在實驗室進行理化分析，測定它們的化學(xué)元素組分含量及其時空變異。通過這些試驗獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，確定各有關(guān)參數(shù)，進行相關(guān)數(shù)據(jù)分析，研究降水、蒸發(fā)、植被、地下水等各水文要素之間的關(guān)系及水文過程中養(yǎng)分元素的變異規(guī)律。養(yǎng)分元素含量的測定方法為：用濃硫酸—重鉻酸鉀法測定碳元素含量；用凱氏定氮法測全氮含量；用鋁銻抗比色法測定全磷含量；用火焰光度法測定全鉀含量。

3.4 建立水文模型

水文模型是對自然界中復(fù)雜水文現(xiàn)象的一種概化，生態(tài)水文研究要求建立各種水文模型，因此利用各種水文模型來分析生態(tài)水文過程是目前眾多學(xué)者采用的研究方法。在模型構(gòu)建中，考慮生態(tài)-水文過程的一類模型就是生態(tài)水文模型。

3.4.1 TOPMODEL模型 TOPMODEL模型是1979年由Beven和Kirkby提出來的，主要是利用地形/地貌指數(shù)來反映流域水文現(xiàn)象，模型結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)較少[12]。其空間尺度是流域，時間尺度是日尺度（Daily）。模型結(jié)構(gòu)為分布式流域水文模型，以地形空間變化為主要結(jié)構(gòu)，用地形或地形-土壤指數(shù)描述徑流趨勢以及由于重力排水作用徑流沿坡向的運動。模型功能：采用水量平衡和Darcy定律來描述流域水文過程。在我國的應(yīng)用實例：彭定志等[13]應(yīng)用改進的TOPMODEL，對拉薩河流域1998～2001年的洪水進行水文模擬，探討該模型在雅魯藏布江拉薩河流域的適用性。

3.4.2 MIKE SHE模型 MIKE SHE模型是丹麥水力學(xué)研究所（DHI）在20世紀(jì)90年代開發(fā)的一種用于模擬大多數(shù)陸地水文過程的綜合性分布式水文系統(tǒng)模型[14]。其空間尺度為流域或局部小尺度，時間尺度是日或日尺度以內(nèi)（daily或sub-daily）。模型結(jié)構(gòu)為全分布式物理模型，在流域水平面上分成許多網(wǎng)格，便于處理模型參數(shù)、降雨輸入和水文相應(yīng)的空間分布性；在垂向上分為若干水平層來處理不同土壤層的水運動。模型功能：模擬水文循環(huán)的整個階段，可用于研究地表水和地下水的相互影響、濕地動力機制、點源和非點源的水質(zhì)污染。在我國的應(yīng)用實例：2001年溫汝俊等[15]利用MIKE SHE相關(guān)模型軟件，對重慶市主城區(qū)（即沿嘉陵江和長江20 km）的水質(zhì)變化情況和三峽庫區(qū)的水質(zhì)變化進行了模擬計算和分析。

3.4.3 可變下滲能力（VIC）模型 VIC模型于1994年被Lianget al.提出，可同時進行陸-氣間能量平衡與水量平衡的模擬，也可只進行水量平衡的計算，輸出每個網(wǎng)格上的徑流深，再通過匯流模型將網(wǎng)格上的徑流深轉(zhuǎn)化成流域出口斷面的流量過程，彌補了傳統(tǒng)水文模型對熱量過程描述的不足[16]。其空間尺度為陸地流域大尺度，時間尺度為日或日尺度以內(nèi)（daily或sub-daily）。模型結(jié)構(gòu)為半分布式物理結(jié)構(gòu)。模型功能：模擬陸地—大氣通量，陸地表面水和能量平衡。在我國的應(yīng)用實例：吳志勇等[17]運用VIC模型，采用日降水量和日氣溫極值的實測數(shù)據(jù)，模擬了1971～2005年間，全國范圍30 km-30 km分辨率的逐日土壤含水量。

3.4.4 DHSVM模型 DHSVM模型是由美國西北太平洋實驗室的Wigmosta等在1994年研制成功的一種物理意義的分布式水文模型，可以很精細地考慮地形、土壤、植被等與水循環(huán)的關(guān)系[18]。其空間尺度為大陸和區(qū)域尺度（100 km2），時間尺度為日尺度以內(nèi)（sub-daily）。模型結(jié)構(gòu)為分布式模型。模型功能：模擬地形和植被水通量響應(yīng)。在我國的應(yīng)用實例：2008年，康麗莉等[19]將DHSVM模型應(yīng)用到浙江蘭江流域，通過對比模擬與實測的年、月徑流量，發(fā)現(xiàn)兩者比較吻合，驗證了該模型用于中小流域研究的適用性。

3.4.5 SWAT模型 SWAT模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心于1994年開發(fā)的，其最初目的是對大流域尺度上土壤類型的預(yù)測，以及研究土地利用方式和管理對水分、泥沙及化學(xué)物質(zhì)的影響[20]。其空間尺度為大流域尺度，時間尺度為日尺度（daily）。模型結(jié)構(gòu)為以GIS為基礎(chǔ)的分布式流域模型。模型功能：模擬多種不同的水文物理化學(xué)過程，如水質(zhì)及水運動過程中營養(yǎng)元素的傳輸與轉(zhuǎn)化等。在我國的應(yīng)用實例：2009年，程磊等[21]將SWAT應(yīng)用到黃河中游干旱半干旱地區(qū)多沙粗沙典型流域之一的窟野河流域，模擬了該流域在1980～1985年的日流量和月平均流量過程，分析并探討了SWAT產(chǎn)流機制對水源劃分和徑流形成過程的影響。

4 問題與展望

生態(tài)水文模型也可以簡單地理解為生態(tài)學(xué)模型和水文模型的相互融合，由于傳統(tǒng)的生態(tài)學(xué)和水文學(xué)都有相對獨立而強大的“模型庫”，這為生態(tài)水文模型的建立奠定了較為堅實的基礎(chǔ)。近些年來雖然生態(tài)水文模型的發(fā)展較快，但從建模的層次來看，大多數(shù)模型還處在對水文學(xué)模型和生態(tài)學(xué)模型的借鑒和綜合運用上，尚未從生態(tài)水文過程的角度建立一些機理模型。而且已開發(fā)運用的生態(tài)水文模型大多存在尺度轉(zhuǎn)換的問題[22-23]，這也是將來生態(tài)水文學(xué)研究的難點與方向[24]。在未來干旱半干旱地區(qū)生態(tài)水文學(xué)研究中，仍然需要不同時空尺度的模型轉(zhuǎn)化與應(yīng)用，通過模型轉(zhuǎn)化來模擬不同尺度的真實物理界面的生態(tài)水文效應(yīng)。

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（責(zé)任編輯：成 平）