南水北調(diào)中線水源區(qū)綠水管理技術(shù)研究

李 建,尹 煒,楊國勝

(長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所,湖北武漢 430051)

南水北調(diào)中線水源區(qū)綠水管理技術(shù)研究

李 建,尹 煒,楊國勝

(長江水資源保護(hù)科學(xué)研究所,湖北武漢 430051)

丹江口庫區(qū)及其上游支流作為南水北調(diào)中線水源區(qū)在水資源優(yōu)化配置方面具有重要的戰(zhàn)略意義,水源區(qū)的水源涵養(yǎng)和水質(zhì)凈化是保障南水北調(diào)中線工程可持續(xù)調(diào)水的關(guān)鍵措施。以丹江口庫區(qū)典型入庫支流堵河上游為研究區(qū)域,利用SWAT模型評估研究區(qū)域綠水資源價值,通過調(diào)整模型參數(shù),模擬不同綠水管理措施工況下堵河上游在水土保持和水源涵養(yǎng)等方面的效果。結(jié)果表明,堵河上游區(qū)域多年平均綠水資源量約為48.59億m3,地表覆蓋措施有利于丹江口水源區(qū)的水源涵養(yǎng)和水資源保護(hù)。

綠水管理;SWAT模型;水源涵養(yǎng);水源地;南水北調(diào)中線工程

瑞典斯德哥爾摩國際水資源研究所水文學(xué)家Falkenmark[1]于1995年在世界糧農(nóng)組織(FAO)召開的水土大會上,針對雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)與糧食安全問題首次提出綠水(Green Water)和藍(lán)水(Blue Water)的概念。Falkenmark認(rèn)為,降水在陸地生態(tài)系統(tǒng)中被分割成兩部分,即綠水和藍(lán)水。藍(lán)水是降水中儲存于河流、湖泊及含水層中可見的水,而綠水是降水滲透到非飽和土壤中用于植物生長的不可見的水。

自從綠水概念提出以來,綠水概念體系和評價方法一直處于發(fā)展階段,并且在水資源評價和水文學(xué)研究中逐漸得到重視。世界土壤信息中心將綠水定義為源于降水、存儲于土壤并被植被蒸散發(fā)消耗的水資源[2]。世界土壤信息中心的研究結(jié)果表明,全球約2/3的降水通過森林、草地、濕地和雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)的蒸散返回到大氣中成為綠水,而僅有約1/10的降水儲存于河流、湖泊及地下含水層中成為藍(lán)水。這部分被稱為“綠水”的水資源量相當(dāng)可觀,雖不能被人類直接利用,但可以被植物利用,間接轉(zhuǎn)化成可被利用的水資源量。

綠水支撐著約占全球耕地面積83%的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè),為世界70%的人口提供糧食保障,是世界糧食生產(chǎn)最重要的水源[3]。因此,瑞典斯德哥爾摩國際水資源研究中心將綠水資源視為關(guān)系人類福祉的重要資源,并用簡明的水循環(huán)圖式構(gòu)畫了一種全新的水資源管理策略。另外,國際農(nóng)業(yè)發(fā)展基金(IFAD)、全球水系統(tǒng)項目組(GWSP)和未來水研究所(Future-Water)等機(jī)構(gòu)正在致力于綠水的研究。研究內(nèi)容主要涉及綠水概念體系的發(fā)展、綠水評估方法、綠水管理技術(shù)創(chuàng)新、綠水和藍(lán)水綜合利用、綠水與糧食安全,以及綠水管理與水資源安全等方面[4-6]。

近年來,對不同尺度的綠水定量研究取得了許多成果。有研究表明[7],全球每年藍(lán)水資源約為400萬億m3,綠水資源約為600萬億m3。有學(xué)者認(rèn)為水資源危機(jī)問題不是水缺乏的問題,而是水管理的問題。綠水管理包括所有能減少徑流、增加水分入滲和降低土壤蒸發(fā)的技術(shù)和方法,綠水管理直接影響著全球水資源的安全。面對全球水資源短缺問題,為了養(yǎng)活快速增長的世界人口,有效利用降水資源,開發(fā)雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)潛力值得科學(xué)界進(jìn)一步重視。

綠水概念及評價方法的出現(xiàn)已經(jīng)引起科學(xué)界對水資源概念和水文功能的重新思考,但中國類似的研究工作還涉及較少。中國綠水方面的研究可以分為兩個方面,一是綠水概念的引進(jìn)與總結(jié)研究,包括綠水的內(nèi)涵、多角度評估方法、關(guān)鍵科學(xué)問題、在虛擬水戰(zhàn)略中的地位、綠水資源保護(hù)與管理等方面。初步研究表明[8-12],中國綠水資源總量約3.4萬億m3。二是區(qū)域小尺度范圍的綠水評估嘗試研究。主要涉及干旱與半干旱地區(qū)的綠水資源評價和綠水循環(huán)過程等內(nèi)容[13-17]。因此,盡管綠水資源管理在中國已引起重視,但在如何實施綠水管理、綠水管理的技術(shù)與措施、綠水管理的生態(tài)和效益定量評價、流域綠水管理上游和下游利益管理,即生態(tài)服務(wù)付費(機(jī)制)方面還基本上未見報道,在中國仍屬空白。

本文以丹江口庫區(qū)典型入庫支流堵河上游為研究區(qū)域,利用模型評估的方法研究區(qū)域綠水資源價值,并模擬不同綠水管理措施工況下堵河上游在水土保持、水源涵養(yǎng)和對庫區(qū)發(fā)電量貢獻(xiàn)等方面的效果,以期為庫區(qū)生態(tài)服務(wù)付費機(jī)制和水資源保護(hù)工作提供借鑒。

1 研究區(qū)域

堵河發(fā)源于大巴山北麓,由西南流向東北然后匯入漢江。全長354 km,控制流域面積1.2萬km2,平均坡度4.8%。本文以竹山水文站以上的堵河上游流域為研究區(qū)域。

堵河上游流域面積約9 027 km2,位于北緯31° 30′～32°37′和東經(jīng)109°11′～110°25′之間,具有典型的亞熱帶季風(fēng)氣候,過去50年平均氣溫維持在12.4℃～18.4℃,多年平均降水量為728～1 480mm, 6～10月份季風(fēng)期間降水量平均為973mm,占全年平均將水量的80%。研究區(qū)內(nèi)地貌類型多樣,以亞高山地貌為主,相對高差較大,最高海拔為2 833m,最低為竹山水文站220m。

2 研究方法

2.1 堵河上游綠水資源價值評估

2.1.1 SWAT模型

SWAT模型是最適合評估水土保持效果和進(jìn)行綠水資源評估的模型之一[18]。目前,世界不同地區(qū)具有利用SWAT模型在不同尺度流域進(jìn)行水文和水質(zhì)研究的成功案例。SWAT是一個物理基礎(chǔ)的分布式模型,可以進(jìn)行連續(xù)時間序列的模擬。SWAT模擬的流域水文過程分為水循環(huán)的陸面部分(即產(chǎn)流和坡面匯流部分)和水循環(huán)的水面部分(即河道匯流部分)。前者控制著每個子流域內(nèi)主河道的水、沙、營養(yǎng)物質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)等的輸入量;后者決定水、沙等物質(zhì)從河網(wǎng)向流域出口的輸移運動。整個水分循環(huán)系統(tǒng)遵循水量平衡規(guī)律。SWAT模型涉及到降水、徑流、土壤水、地下水、蒸散以及河道匯流等多個方面。

2.1.2 數(shù)據(jù)編輯與模型配置

SWAT模型的建立需要輸入地形、土壤、土地利用以及水文氣象數(shù)據(jù)。地形信息來源于中國國家測繪中心,DEM的分辨率為25m×25m(圖1(a));土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤信息中心,包括一個1∶10000土壤類型圖和土壤屬性圖;土地利用圖(2007)、氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)(2001—2010年)來源于長江水利委員會資料(圖1(b)和圖1(c))。

利用SWAT2009版本編輯SWAT模型的輸入文件?；贒EM、土地利用和土壤數(shù)據(jù),堵河上游流域被劃分為55個流域子單元(圖1(d)),并進(jìn)一步劃分為829個水文響應(yīng)單元(HRUs)。降水-徑流演算利用SCS曲線數(shù)法,河道流量演算利用變量存儲系數(shù)法[19]。Penman-Monteith方程用于計算潛在蒸發(fā),植被蒸散利用潛在蒸發(fā)和植被葉面指數(shù)的線性關(guān)系計算。

圖1 堵河流域信息

2.1.3 模型校準(zhǔn)與驗證

利用流域出口斷面竹山水文站2001—2010年的月均流量資料進(jìn)行模型校核。模型的性能利用Nash-Sutcliffe efficiency(ENS)、百分比偏差(P)和判決系數(shù)(coefficient of determination R2)來檢驗。

式中:ENS為性能利用指標(biāo);P為百分比偏差;R2為判決系數(shù);Oi為觀測值;Pi為模擬值;Oave為平均觀測值;Pave為平均模擬值。一般地,當(dāng)R2〉0.5時可認(rèn)為SWAT模型的模擬結(jié)果是可以接受的[20]。

2.2 綠水管理措施及模型支持

通過改變計算模型參數(shù)來設(shè)定不同的開發(fā)場景,以此反映不同方式的綠水管理干預(yù)措施。根據(jù)模型工具包計算出流域各部分水土保持措施對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和現(xiàn)有水量的影響,并就各場景對上游和下游干預(yù)措施進(jìn)行綜合性描述。

2.2.1 綠水管理措施

綠水管理措施包括沿等高線種植植被形成阻隔帶、地表覆蓋、魚鱗坑等,通過SWAT模型來量化處理這些綠水管理措施。

a.等高條作。農(nóng)作物和草帶交替條播是一個較成熟的實踐措施,草帶或其他永久性植被帶能夠有效阻擋土壤和營養(yǎng)物質(zhì)流速。這些植被緩沖帶建立在等高線上,徑流流動更緩慢,能夠起到攔截泥沙的作用,同時也增加了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性。這種植被帶其實是一種廉價梯田替代品。

b.地表覆蓋。在農(nóng)業(yè)種植區(qū)地表進(jìn)行秸稈或者雜草覆蓋可以有效保護(hù)土壤免受侵蝕,減少暴雨造成的沖刷,并且可以保持土壤濕度以及土壤溫度的穩(wěn)定。另外,地表覆蓋還可以防止雜草生長,提高生物多樣性和增加土壤碳儲量。

c.魚鱗坑。魚鱗坑主要由平均30 cm寬20 cm高的潛坑組成,沿等高線建立土脊,每隔一段距離垂直土脊建立一個橫層。橫層大概為土脊高度的2/3,因此如果發(fā)生溢流,水流將沿犁溝流動,而不是沿等高線流動。雖然構(gòu)建魚鱗坑需要付出較多的精力,但是魚鱗坑的集水效率和防治土壤侵蝕效果較好。同時,在土脊上種植的農(nóng)作物生長速度高于比那些無脊地塊。

2.2.2 模型支持

在SWAT模型中,所有綠水管理措施均通過輸入?yún)?shù)調(diào)整來實現(xiàn)。代表這些綠水管理措施的模型參數(shù)有土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)。

a.土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)(ESCO)。提高土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)將增加土壤蒸發(fā)和植被可用于蒸騰的水分,同時意味著增加藍(lán)水量。

b.土壤流失支持實踐因子(Pusle)。減小該因子意味著減少土壤侵蝕,同時增加地下水交換量。

c.徑流曲線數(shù)(CN2)。減小該參數(shù)意味著減少土壤侵蝕,同時增加地下水交換量。

2.2.3 情景設(shè)定

等高耕作、地表覆蓋和魚鱗坑3種綠水管理措施通過設(shè)定SWAT模型不同參數(shù)來實現(xiàn),不同情景下的參數(shù)值見表1。

表1 不同綠水管理情景的SWAT模型參數(shù)值

3 計算結(jié)果與討論

3.1 模型驗證

堵河流域竹山站徑流和產(chǎn)沙量的模擬結(jié)果見圖2和圖3。從圖中可以看出,模擬的地表徑流和產(chǎn)沙量的月徑流過程與實測數(shù)值具有較好的一致性。利用公式(1)～(3)對模型性能進(jìn)行校核,結(jié)果見表2。校核結(jié)果表明,地表徑流和產(chǎn)沙量的模擬結(jié)果與實測數(shù)值匹配較好,說明模型的校準(zhǔn)和驗證較為成功。

表2 模型性能校核參數(shù)

圖2 竹山站模擬值與實測值時間序列對比

3.2 綠水與藍(lán)水資源

根據(jù)藍(lán)水、綠水的定義,以及SWAT模型的輸出結(jié)果,藍(lán)水資源量可以認(rèn)為是產(chǎn)水量與深層地下水補(bǔ)給量之和,綠水資源量等于植被蒸騰量與土壤水儲量的變量之和,計算結(jié)果見圖4和圖5。經(jīng)計算,堵河竹山以上流域平均每年藍(lán)水產(chǎn)生量為56.60億m3,綠水產(chǎn)生量為48.59億m3;其中,綠水總量中被植被通過蒸騰作用利用的綠水流為47.92億m3,土壤中的綠水存儲量的變量為0.66億m3。

圖3 模擬值與實測值散點圖

圖4 堵河竹山以上流域年均(2001—2010)綠水和藍(lán)水資源總量年內(nèi)分配

3.3 綠水管理模擬效果分析

等高條作、地表覆蓋和魚鱗坑3種綠水管理措施的SWAT模擬結(jié)果見表3和表4。其中,表3為干旱年份和多雨年份模擬結(jié)果與不采取綠水管理措施的對比,表4為2001—2010年序列計算結(jié)果的年平均值。從表中可以看出,3種綠水管理措施都能很好地起到減少泥沙侵蝕的作用。但是,地表覆蓋措施更適合堵河流域。因為,地表覆蓋措施能夠增加匯入丹江口水庫的藍(lán)水資源量,這意味著有更多的水能夠用于南水北調(diào)工程。同時,流域內(nèi)的水源涵養(yǎng)量和綠水資源量也有所增加,這些綠水和藍(lán)水資源量的增加均與無效蒸發(fā)量的減少有關(guān)。計算結(jié)果表明,采用地表覆蓋措施可以減少3%的無效蒸發(fā)。

圖5 堵河竹山以上流域年均(2001—2010)綠水和藍(lán)水資源總量空間分布

表3 干旱年份(2006年)與濕潤年份(2005年)不同綠水管理措施效果與現(xiàn)狀對比

表4 多年平均(2001—2010)情況下不同綠水管理措施效果與現(xiàn)狀對比

4 結(jié) 論

筆者以堵河流域綠水管理為研究對象,通過SWAT模型的構(gòu)建、校核和參數(shù)調(diào)整,模擬不同綠水管理措施的實施效果。在等高條作、地表覆蓋和魚鱗坑3種綠水管理情景下的模擬結(jié)果表明,地表覆蓋可以減少更多的無效蒸發(fā),增加匯入丹江口水庫的藍(lán)水量以及涵養(yǎng)于土壤中的綠水量,更適合于丹江口庫區(qū)的水源涵養(yǎng)和水資源保護(hù)。

研究發(fā)現(xiàn),通過調(diào)整模型參數(shù)來關(guān)聯(lián)綠水管理措施具有較好的可操作性,但是不同參數(shù)值與綠水管理措施的關(guān)聯(lián)程度還有待進(jìn)一步細(xì)化,為此期待在該方面繼續(xù)開展后續(xù)研究。

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A

1003 -9511(2014)01 -0007 -05

2013 -10 -20 編輯:張志琴)

10.3969/j.issn.1003 -9511.2014.01.002

李建(1985—),男,山東臨沂人,博士,主要從事水文水資源和生態(tài)水文研究。E-mail:lijian2750@foxmail.com