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    基于Budyko假設(shè)和SCS-CN模型的河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能研究

    2018-05-05 08:44:48杜世勛郭新亞榮月靜
    水土保持研究 2018年1期
    關(guān)鍵詞:沁河河源源區(qū)

    杜世勛, 郭新亞, 榮月靜

    (山西省生態(tài)環(huán)境研究中心, 太原 030000)

    河源區(qū)作為一種重要生態(tài)功能區(qū),是主要河流的“河源”和生態(tài)系統(tǒng)運行過程的“生態(tài)源”,具有獨特的生態(tài)地位,其水源涵養(yǎng)、水土保持等生態(tài)功能的發(fā)揮,不僅具有一定的生態(tài)環(huán)境效益,而且可為中下游地區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展提供生態(tài)保障。目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究主要以Costanza[1]、De Groot[2]等以及MA(Millennium Ecosystem Assessment)[3]的研究成果最具代表性,但是國內(nèi)關(guān)于河源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究甚少,劉青[4]對江西東江源區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行了估算,得到不同服務(wù)功能的價值及總價值;趙秀敏[5]通過開展遼河源頭的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價,分析了生態(tài)系統(tǒng)功能演變及其成因;賴敏、吳紹洪等[6]對三江源地區(qū)的單位生態(tài)服務(wù)價值進行了修正,進而估算了生態(tài)修復(fù)額度等。國內(nèi)學(xué)者開展河源區(qū)生態(tài)服務(wù)的探索與研究,對認識河源區(qū)的重要生態(tài)功能、實行河源區(qū)的保護具有重要意義。

    水源涵養(yǎng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一,可以改善水文狀況、調(diào)節(jié)區(qū)域水分循環(huán)、保護可飲水水源等。水源涵養(yǎng)功能的評價方法主要有水量平衡法、綜合蓄水量法、降水存儲量法、模型法等。其中水量平衡法是研究水源涵養(yǎng)機理的基礎(chǔ),能夠比較準確地計算水源涵養(yǎng)量,且可操作性強,使用頻率最高。但是國內(nèi)學(xué)者基于水量平衡法對水源涵養(yǎng)功能的研究主要集中于對林地等單一生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的研究,對復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的研究較少,如張彪[7]、余新曉[8]等采用水量平衡法僅評估了森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能;且水量平衡法中蒸散量因子的研究方法較為簡單,基于Budyko假設(shè)確定蒸散量的研究較少,如張海博[9]基于SEBS計算蒸散發(fā)因子,聶憶黃[10]基于地表能量平衡計算蒸散發(fā)因子,這兩種方法不能體現(xiàn)下墊面因素的影響,而Budyko假設(shè)方法計算蒸散發(fā)因子的優(yōu)點是既包含了反映區(qū)域大背景的氣候因子,又包含了反映局地特征的下墊面參數(shù)。

    本文將沁河源區(qū)作為研究區(qū),利用水量平衡法,基于Budyko假設(shè)和SCS-CN模型,研究沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布特征,比較不同土地利用類型、海拔和坡度下的水源涵養(yǎng)能力,以期為分析沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能的研究提供一定的參考,并對Budyko假設(shè)和SCS-CN模型在河源區(qū)以及流域范圍復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能研究中的應(yīng)用提供一定的借鑒作用。

    1 研究區(qū)概況

    沁河,屬于黃河一級支流,干流總長485 km,流域面積13 532 km2,發(fā)源于山西省長治市沁源縣霍山東麓的二郎神溝,源頭至孔家坡段為河源區(qū),長度69 km,區(qū)域面積1 360.71 km2(圖1)。研究區(qū)地處我國東部季風(fēng)區(qū)暖溫帶半濕潤地區(qū)的西緣,大陸性季風(fēng)氣候顯著,四季分明,雨熱同期。研究區(qū)內(nèi)的海拔高度范圍為0~2 500 m,大部分區(qū)間屬于山區(qū)型峽谷,坡陡流急,水多沙少,河道平均縱坡為3.8‰,水能資源豐富。以石質(zhì)山區(qū)為主,干流河道大部分為砂頁巖地層,水量滲透較少。

    圖1 沁河源區(qū)水系圖

    2 數(shù)據(jù)與方法

    2.1 數(shù)據(jù)資料

    本文的氣象數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)周圍18個氣象站點所提供的1980—2013年日氣象資料,其中將整理出的各站點年降雨數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)緯度坐標導(dǎo)入到ArcGIS,利用ArcGIS中的克里金插值得到研究區(qū)多年平均降水量柵格圖;土地利用類型數(shù)據(jù)來自全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評估項目;土壤屬性數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSDv1.1);DEM數(shù)據(jù)來自ASTER GDEM,空間分辨率為30 m。

    2.2 Budyko假設(shè)模型

    Budyko根據(jù)流域水量和能量平衡,指出流域蒸散發(fā)同時受降水和蒸發(fā)兩個因素的控制,Budyko假設(shè)隨著氣候越來越干燥,流域多年平均實際蒸散發(fā)量逐漸趨近于多年平均降雨量,基于此得出一個半經(jīng)驗公式[11]:

    E/P=f(E0/P)=f(F)

    (1)

    式中:E是實際蒸散發(fā)量;E0是潛在蒸散發(fā)量;P是降水量;F為干燥指數(shù)。

    Zhang等在Budyko假設(shè)的基礎(chǔ)上得到計算蒸發(fā)的解析表達式[12]:

    (2)

    式中:w為下墊面影響系數(shù),依據(jù)土地利用類型取值,耕地、高覆蓋林地(覆蓋度≥30%)、低覆蓋林地(覆蓋度<30%)、灌叢、草地、人工用地和其他類型用地的w值分別取0.5,2,1,1,0.5,0.1,0.1。

    通過Thornthwaite法計算潛在蒸散發(fā)量E0。Thornthwaite法是應(yīng)用較多的方法之一,優(yōu)點是僅考慮溫度變化,其表達式為[13]:

    (3)

    (4)

    (5)

    α=0.000000675I3-0.0000771I2+0.0179I+0.492

    (6)

    式中:當Ti<0℃時,E0=0;K為修正系數(shù);d為月平均日照時數(shù);m為每月天數(shù);Ti為月平均氣溫(℃);I為年熱指數(shù);α為經(jīng)驗指數(shù)。

    2.3 SCS-CN模型

    徑流曲線數(shù)模型(SCS-CN模型)是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局于1954年研制的小流域設(shè)計洪水模型,該模型可以反映不同下墊面及人類活動對降雨徑流的影響。由于該模型結(jié)構(gòu)簡單、所需參數(shù)較小,是一種較好的小型集水區(qū)徑流計算方法。該方法的公式如下[14]:

    (7)

    Ia=0.2S

    (8)

    (9)

    R=0P

    (10)

    式中:R為徑流深(mm);S為可能最大滯留量(mm);Ia為降雨初損值(mm);P為降雨量(mm);CN為徑流曲線數(shù),可反映流域綜合特征,理論取值范圍為0~100,根據(jù)流域產(chǎn)流特征,實際取值范圍為40~98[15],CN值越大,S值越小,越易產(chǎn)生徑流,其影響因素包括3方面:水文土壤組類型、土地利用類型、土壤前期濕度程度。水文土壤組反映土壤入滲能力的強弱,依據(jù)土壤種類將土壤劃分為A,B,C,D四大類型[16](表1)。土壤前期濕度(AMC)依據(jù)次降雨前五天的降雨總量可分為三級:干旱情況(AMCⅠ)、正常情況(AMCⅡ)和濕潤情況(AMCⅢ)[17],研究區(qū)屬于季風(fēng)氣候區(qū),降雨集中于雨季,產(chǎn)流多以蓄滿產(chǎn)流模式出現(xiàn),雨水通過下滲進入土壤的比例較小,使得在AMCⅠ的條件下,初損值偏大,徑流量偏小,在AMCⅢ的條件下,初損值偏小,徑流量偏大,因此本文選取AMCⅡ條件計算研究區(qū)徑流量。根據(jù)具體的土地利用方式和土壤類型來確定CN值。

    2.4 水源涵養(yǎng)量計算

    利用水量平衡法計算水源涵養(yǎng)量。將生態(tài)系統(tǒng)作為一個閉合的集水區(qū),把大氣降水作為生態(tài)系統(tǒng)的水分輸入量,蒸發(fā)與蒸騰及各種徑流量視為水分的輸出量,根據(jù)水量平衡法,降雨中扣除蒸散發(fā)和徑流量后的貯水量能有效地貯存降雨和調(diào)節(jié)地表徑流,可視為整個區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的體現(xiàn),即為水源涵養(yǎng)量[9]:

    WY=P-E-R

    (11)

    式中:WY為水源涵養(yǎng)量(mm);P為多年平均降水量(mm);E是實際蒸散發(fā)量(mm);R為徑流深(mm)。

    表1 SCS模型土壤分類

    在森林系統(tǒng)中,由于降雨能夠很快地下滲,一般不考慮產(chǎn)流的影響,即森林涵養(yǎng)水源的總量取決于森林地帶的降水量和蒸發(fā)量。

    本文中計算林地水源涵養(yǎng)量時不考慮產(chǎn)流量的影響,其余土地利用類型的水源涵養(yǎng)量則考慮產(chǎn)流量的影響。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布特征

    根據(jù)水量平衡公式,水源涵養(yǎng)量由降水、蒸散發(fā)和徑流量決定,依據(jù)每個因子的分布情況,以此分析水源涵養(yǎng)量的空間分布特征。

    3.1.1 沁河源區(qū)降水量、蒸散發(fā)量和徑流量分布情況 將各雨量站年降水量進行克里金插值,得到河源區(qū)年均降水量空間分布柵格圖,以土地利用類型為基礎(chǔ),依據(jù)budyko假設(shè)計算沁河源區(qū)實際蒸散發(fā),利用SCS-CN模型,進行相應(yīng)的柵格運算,得到沁河源區(qū)徑流量分布情況,各因子空間分布特征見圖2。

    降水分布總體上自西北向東南減少,區(qū)域內(nèi)年均降水在400 mm以上,屬半濕潤地區(qū),區(qū)域內(nèi)降水差值不大,最大與最小年降雨量相差73.80 mm。蒸散發(fā)量和徑流量的分布與降水量和土地利用類型有關(guān),就不同土地利用類型的蒸散發(fā)而言,由于研究區(qū)內(nèi)林地茂盛,覆蓋度在60%以上,蒸散發(fā)量較大,且東南區(qū)域降水較大,該區(qū)域的蒸散發(fā)相對較大;建設(shè)用地的蒸散發(fā)較小,研究區(qū)內(nèi)最大與最小蒸散發(fā)量相差13.32 mm。由于本文在計算林地水源涵養(yǎng)量時不考慮產(chǎn)流量的影響,所以林地所在區(qū)域的產(chǎn)流量為0;建設(shè)用地不透水面積大,透水性差,產(chǎn)流多。

    3.1.2 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布特征 基于budyko假設(shè)和SCS-CN模型,利用水量平衡法,得到柵格分布式的沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)量,結(jié)果見圖3。沁河源區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)量為306.48 mm,占年均降水量的60.18%,水源涵養(yǎng)總量達到4.19億m3。水源涵養(yǎng)功能在研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出明顯的空間差異,水源涵養(yǎng)功能較高的地區(qū)主要集中在以落葉闊葉林和常綠針葉林覆蓋為主的區(qū)域,最高值達到487.87 mm,主要原因在于這些地區(qū)林地覆蓋度高,雖然蒸發(fā)作用強烈,但是雨水截留量大,徑流產(chǎn)生少,土壤保水能力高,因而水源涵養(yǎng)量較高。水源涵養(yǎng)功能次高的地區(qū)主要集中在以灌木林和草地覆蓋為主的區(qū)域,與有林地相比,其蒸騰作用相對較弱,但土壤的蓄水能力亦較弱,且易產(chǎn)生地表徑流。居住地、工業(yè)用地和采礦場等建設(shè)用地的蓄水能力弱,徑流量大、匯流時間短,降雨多以地表徑流的形式流走,水源涵養(yǎng)功能差。

    圖2沁河源區(qū)降水量、土地利用類型、蒸散發(fā)量和徑流量分布

    圖3 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能

    3.2 沁河源區(qū)不同土地利用類型水源涵養(yǎng)功能特征

    統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型下的水源涵養(yǎng)量均值、面積比例及貢獻率(各土地利用類型水源涵養(yǎng)量占總水源涵養(yǎng)量的比例),見圖4。研究區(qū)內(nèi)林地的面積最大,占研究區(qū)總面積的75.40%,包括落葉闊葉林、常綠針葉林和落葉闊葉灌木林,這三種林地的面積分別為424.76 km2,397.95 km2,202.94 km2,占總面積的31.23%,29.26%和14.92%;其次為旱地(190.97 km2),占總面積的14.04%;草地面積次之,包括草叢(106.25 km2)和草甸(15.26 km2);建設(shè)用地和河流的面積最小,僅占總面積的1.52%和0.11%。

    不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)量均值依次為常綠針葉林(364.53 mm)>落葉闊葉林(330.41 mm)>草甸(185.92 mm)>河流(178.01 mm)>落葉闊葉灌木林(173.58 mm)>草叢(142.98 mm)>旱地(138.36 mm)>居住地(91.39 mm)>采礦場(71.39 mm)>工業(yè)用地(52.73 mm)。就森林生態(tài)系統(tǒng)而言,林地通過冠層截留、枯枝落葉層持水和土壤滲透蓄水發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能[18],針葉樹種的截留降水量較大,闊葉樹種次之,常綠樹種較大,落葉樹種次之,故常綠針葉林的冠層截留量較落葉闊葉林的大;枯落物截留量一般是闊葉林>針葉林[19];林分間土壤滲透性存在一定差異,研究區(qū)內(nèi)針葉林和闊葉林的土壤以粉砂壤土和壤土為主,滲透性較強。研究區(qū)內(nèi)的草甸是山西屈指可數(shù)的典型亞高山草甸之一,主要生長著矮草類高山植物,與草叢相比,植被茂盛且覆蓋度高,水源涵養(yǎng)能力相對較好。

    各土地類型水源涵養(yǎng)貢獻率與水源涵養(yǎng)量和面積有關(guān)。研究區(qū)內(nèi)的水源涵養(yǎng)主要由落葉闊葉林和常綠針葉林所貢獻,兩者的貢獻率分別為43.99%和42.00%,落葉闊葉林的貢獻率稍大主要由于其面積最大所致。

    圖4 不同土地利用類型水源涵養(yǎng)功能特征

    3.3 沁河源區(qū)不同海拔高度水源涵養(yǎng)功能特征

    統(tǒng)計研究區(qū)在海拔高度<1 000 m,1 000~1 500 m,1 500~2 000 m,2 000~2 500 m四個類別下的水源涵養(yǎng)量均值、面積比例及貢獻率(圖5)。研究區(qū)內(nèi)海拔1 000~1 500 m的面積比例為73.25%,1 000 m以下的較少,只有0.05%。研究區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)功能主要來自于海拔1 000~1 500 m地區(qū),其貢獻率達到66.12%,其次來自于海拔1 500~2 000 m地區(qū),貢獻率為29.23%,位于海拔2 000~2 500 m和1 000 m以下的水源涵養(yǎng)功能貢獻率較低,分別為4.65%和0.01%。不同海拔高度上的水源涵養(yǎng)量均值不同,位于海拔1 500~2 000 m上的林地面積較大,其水源涵養(yǎng)量均值最大,為401.71 mm,其次為位于海拔2 000~2 500 m和1 000~1 500 m地區(qū),均值分別為312.73 mm和280.10 mm,位于海拔1 000 m以下的水源涵養(yǎng)能力最低,為52.80 mm??梢姡0? 000~1 500 m地區(qū)貢獻率最高主要受其面積較大的影響,海拔1 500~2 000 m地區(qū)貢獻率較高與水源涵養(yǎng)量和面積均較高有關(guān)。

    圖5 不同海拔高度水源涵養(yǎng)功能特征

    3.4 沁河源區(qū)不同坡度水源涵養(yǎng)功能特征

    根據(jù)不同的坡度,可分為平坡(5°以下)、緩坡(5°~15°)、斜坡(15°~25°)、陡坡(25°~35°)、急坡(35°~45°)和險坡(45°以上)六大類。統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)不同坡度類型下的水源涵養(yǎng)量均值、面積比例及貢獻率,見圖6。研究區(qū)內(nèi)以緩坡和斜坡為主,急坡和險坡較少,94.32%的地面坡度小于25°。各坡度類型水源涵養(yǎng)貢獻率依次為緩坡(48.36%)>斜坡(38.16%)>平坡(6.53%)>陡坡(6.46%)>急坡(0.48%)>險坡(0.02%),大小與水源涵養(yǎng)量和面積有關(guān)。對于水源涵養(yǎng)量均值,急坡、陡坡和險坡的最大,分別為373.62 mm,368.32 mm和363.94 mm,這三種坡度上主要分布著落葉闊葉林和常綠針葉林,因此水源涵養(yǎng)功能較高;其次為斜坡和緩坡,水源涵養(yǎng)量均值為344.73 mm和290.46 mm;平坡的最小,為183.34 mm;建設(shè)用地主要分布在此坡段上,以致水源涵養(yǎng)能力較低。對于水源涵養(yǎng)貢獻率,緩坡因其面積比重最大,其水源涵養(yǎng)貢獻率仍高于其他坡地,斜坡的水源涵養(yǎng)量和面積比重均較大,因而貢獻率也較高,盡管其他坡度的水源涵養(yǎng)量并不低,但是由于面積比重較小,導(dǎo)致貢獻率不高。

    圖6 不同坡度類型水源涵養(yǎng)功能特征

    4 結(jié) 論

    (1) 本文以沁河源區(qū)作為河源區(qū)典型區(qū)域,研究了沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布特征。基于水量平衡法,依據(jù)Budyko假設(shè)和SCS-CN模型,計算得到沁河源區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)量為306.48 mm,水源涵養(yǎng)總量達到4.19億m3。不同土地利用類型、海拔和坡度的水源涵養(yǎng)功能不同,其中落葉闊葉林和常綠針葉林的水源涵養(yǎng)貢獻率和水源涵養(yǎng)量均值最大;

    海拔處于1 000~1 500 m的水源涵養(yǎng)功能貢獻率最大,海拔處于1 500~2 000 m的水源涵養(yǎng)量均值最大;緩坡和斜坡水源涵養(yǎng)貢獻率較大,急坡、陡坡和險坡上,植被蓋度高,水源涵養(yǎng)功能較高。

    (2) 本文在水量平衡法計算中,基于Budyko假設(shè)原理計算地表實際蒸散發(fā),利用SCS-CN模型計算地表產(chǎn)流量,結(jié)果基本可以反映該區(qū)水源涵養(yǎng)空間分布特征。但是由于參數(shù)的選擇是依據(jù)國內(nèi)相關(guān)文獻,與研究區(qū)實際情況可能存在一定誤差,參數(shù)的驗證與改進可以進一步討論。

    (3) “河源區(qū)”作為一種重要的生態(tài)功能區(qū),具有極高的水源涵養(yǎng)服務(wù)功能,對河源區(qū)的保護程度直接影響中下游以致整個流域范圍的生態(tài)環(huán)境的好壞,與周邊城市鄉(xiāng)村的生產(chǎn)、生活與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有密切關(guān)系。對河源區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的評價過程是生態(tài)保護的基礎(chǔ)工作,因此,探討計算專門適用于河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能的研究方法,使研究結(jié)果更具科學(xué)性,是今后逐步研究的重點。

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