基于SWAT的積雪消融對高寒區(qū)農(nóng)田土壤水分影響模擬

王 斌 郭帥帥 馮 杰 黃金柏 宮興龍

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 淮安 223001；3.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院， 揚(yáng)州 225009)

0 引言

土壤水分是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)水文、生物和生物化學(xué)過程的關(guān)鍵因素[1]；積雪是一種特殊且重要的地面覆蓋介質(zhì)，對土壤具有良好的緩沖、絕熱和保墑效應(yīng)，影響土壤水分的遷移過程[2-5]。不同的自然地理環(huán)境下，積雪的累積過程以及積雪與土壤水分的交換過程明顯不同，關(guān)于積雪對土壤水分的影響方面，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)研究。MOHAMMED等[6]在研究加拿大大草原西部邊緣草地積雪消融過程中發(fā)現(xiàn)，部分積雪消融發(fā)生在土壤凍結(jié)期，該時(shí)期內(nèi)的融雪主要去向是補(bǔ)給土壤水分。HARDER等[7]定量分析了加拿大薩斯喀徹溫省作物殘留對積雪消融過程的影響，結(jié)果表明作物殘留有利于積雪堆積，并能抑制積雪升華。在美國西部典型山區(qū)，融雪對徑流和表層土壤水分的影響十分顯著，且春季融雪對土壤水分的補(bǔ)給比對徑流的補(bǔ)給更快，但融雪與深層土壤水分無顯著相關(guān)關(guān)系[8]。在青藏高原多年凍土區(qū)沼澤和草甸觀測場，積雪覆蓋下的淺層土壤開始凍結(jié)和消融的時(shí)間都有所滯后，積雪覆蓋能夠促使淺層土壤水分變化速率略微增加[9]。我國華北、西北等地區(qū)，積雪還能對冬小麥等越冬作物起到增濕、保溫等作用[10-11]。

與青藏高原、華北、西北等地區(qū)不同，我國東北地區(qū)的降雪、積雪和融雪對土壤水分的影響具有明顯的高寒地域特征。付強(qiáng)等[3]在黑龍江省哈爾濱市開展的研究表明，積雪直接影響農(nóng)田土壤水分的分布與遷移過程，土壤水分對氣溫變化的響應(yīng)隨積雪厚度的增加而延后。王子龍等[12]利用積雪遙感數(shù)據(jù)和全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(GLDAS)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)研究了松嫩平原黑土區(qū)融雪期表層土壤的水分變化與影響因素，結(jié)果表明融雪前期的表層土壤水分主要受積雪影響，而后期主要與降雨及總降水變化密切相關(guān)。薄愛[13]基于中國雪深度長期序列數(shù)據(jù)集和ERA-Interim土壤水分等數(shù)據(jù)，研究了1980—2012年東北地區(qū)積雪對土壤水分的影響，發(fā)現(xiàn)最大積雪深度和累積積雪深度與春季表層土壤水分存在時(shí)空相關(guān)性。黑龍江省是我國產(chǎn)糧最多的省份，除春小麥在4月上旬播種外，其他大田作物一般在5月上旬播種。因此，研究積雪消融對黑龍江省4—5月農(nóng)田土壤水分的影響，明確積雪融雪對全省糧食作物生產(chǎn)的作用具有參考意義。

然而，受飄雪、遮擋、地形等因子影響，農(nóng)田積雪很少呈均勻分布狀態(tài)，而土壤水分的時(shí)空變異性又較大，加之我國土壤墑情站布設(shè)密度較低，與氣象站的布設(shè)位置通常也不一致，源于氣象站、墑情站的降雪、土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的時(shí)空同步性較差，時(shí)空代表性不高，即使單獨(dú)設(shè)置監(jiān)測站，所獲取的點(diǎn)尺度資料也難于反映區(qū)域?qū)嶋H情況；同時(shí)，源于遙感、陸面模式等空間技術(shù)反演的積雪、土壤水分等數(shù)據(jù)的空間分辨率較低(如0.25°×0.25°等)，受反演精度和空間分辨率所限，通常不適用于市縣等區(qū)域尺度。相對而言，利用遵循水量平衡方程、能量平衡方程和水文循環(huán)原理的水文模型開展積雪融雪與土壤水分模擬研究更具時(shí)空優(yōu)勢[14-17]。綜上，本文利用SWAT(Soil and water assessment tool)模型[18-19]，以地處高寒區(qū)的黑龍江省呼蘭河流域?yàn)槔?，在流域尺度模擬積雪消融與土壤水分的逐日變化過程，研究積雪消融對農(nóng)田土壤水分變化過程的影響，以期為指導(dǎo)流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 SWAT模擬土壤水分及積雪消融過程原理

水文響應(yīng)單元(Hydrologic response unit，HRU)是SWAT模擬的基本單元[20]，其土壤剖面水量平衡方程為[19]

(1)

式中Wt——時(shí)段末土壤水分含量，mm

W0——時(shí)段初土壤水分含量，mm

t——時(shí)段時(shí)間，d

Rday,i——第i天的降水量，mm

Qsurf,i——第i天的地表徑流量，mm

Ea,i——第i天的蒸散量，mm

wseep,i——第i天從土壤剖面進(jìn)入不飽和帶的水量，mm

Qgw,i——第i天的回歸流水量，mm

當(dāng)平均氣溫低于降雪臨界溫度時(shí)，SWAT定義降水為降雪，降雪量累加到積雪量(覆蓋在整個(gè)HRU區(qū)域上的水當(dāng)量深度)中，積雪量隨降雪增加，隨積雪融化和升華減少，其質(zhì)量守恒方程為

S=S0+Rday-Esub-Smlt

(2)

(3)

式中S——某天的積雪水當(dāng)量，mm

S0——某天的初始積雪水當(dāng)量，mm

Rday——日平均氣溫低于降雪臨界溫度時(shí)某天的降雪水當(dāng)量，mm

Esub——某天的積雪升華量，mm

Smlt——某天的融雪水當(dāng)量，mm

bmlt——某天的融雪因子，mm/(℃·d)

scov——積雪覆蓋面積占HRU面積的比例

Tsno——某天的積雪溫度，℃

Tmax——某天的最高氣溫，℃

SMT——融雪基溫，℃

融雪因子存在季節(jié)性變化，在夏至和冬至?xí)r分別達(dá)到最大值和最小值，計(jì)算式為

(4)

式中SMX——年內(nèi)最大融雪速率，mm/(℃·d)

SMN——年內(nèi)最小融雪速率，mm/(℃·d)

J——年內(nèi)日序數(shù)

SWAT采取積雪面積消退曲線方程模擬HRU的積雪不均勻分布狀態(tài)，即

(5)

式中SCOVM——100%積雪覆蓋時(shí)的雪深閾值，mm

c1、c2——積雪面積消退曲線形狀系數(shù)

采用積雪溫度延遲因子計(jì)算積雪溫度，計(jì)算式為

Tsno,i=Tsno,i-1(1-Tmp)+TiTmp

(6)

式中Tsno,i——第i天的積雪溫度，℃

Tsno,i-1——第i-1天的積雪溫度，℃

Tmp——積雪溫度延遲因子

Ti——第i天的平均氣溫，℃

從以上方程可以看出，利用SWAT模擬土壤水分與積雪消融過程，需要確定SMT、SMX、SMN、SCOVM、Tmp等參數(shù)。

2 研究流域SWAT模型構(gòu)建與應(yīng)用

2.1 流域概況

呼蘭河水系地處黑龍江省中部，松嫩平原(黑龍江省內(nèi)部分)東部，為松花江左岸一級支流，整體呈東北-西南流向(圖1)，地理范圍介于125°23′～128°44′E、45°47′～48°8′N之間，全流域枯水期潛水埋深為3～10 m[21]。上游林區(qū)(圖2中混交林分布區(qū)域，下同)地勢較高，中下游農(nóng)業(yè)區(qū)(圖2中農(nóng)田分布區(qū)域，下同)地勢較平坦，利用數(shù)字高程模型(DEM)提取的河口以上集水區(qū)面積為36 369 km2。流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均最低氣溫、最高氣溫和平均氣溫分別為-2.9、8.4、2.5℃，多年平均降水量565.5 mm，冬季寒冷漫長，降雪期和積雪期可達(dá)半年之久，主要集中在11月至翌年3月，融雪期在3—4月。呼蘭河流域是黑龍江省開發(fā)較早的富饒農(nóng)業(yè)帶，流域內(nèi)的綏化、海倫等市縣已被確定為限制開發(fā)的國家農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)。

圖1 呼蘭河流域地形及站點(diǎn)分布Fig.1 Topography and station distribution in Hulan River Basin

圖2 呼蘭河流域土地覆蓋與土壤類型空間分布Fig.2 Spatial distributions of land cover and soil types in Hulan River Basin

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

DEM來源于黑龍江省1∶1 000 000地面高程圖，以蘭西站(46°15′N，126°21′E)為出口提取的集水區(qū)(以下稱呼蘭河流域)面積為27 712 km2(圖1)。土地覆蓋數(shù)據(jù)從國際地圈-生物圈計(jì)劃(IGBP)建立的全球土地覆蓋數(shù)據(jù)集提取，重分類后得到混交林(43.02%)、農(nóng)田(42.3%)、草地(13.6%)等8種土地覆蓋類型，見圖2a。土壤數(shù)據(jù)來源于世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)，分上下兩層，第1層300 mm，第2層700 mm，提取的流域土壤分布情況見圖2b，包括簡育黑土(56.91%)、潛育黑鈣土(25.99%)、潛育黑土(6.22%)等16種類型。逐日氣象數(shù)據(jù)來源于海倫、北林、鐵力、明水4個(gè)氣象站，逐日降水?dāng)?shù)據(jù)采用43個(gè)雨量站實(shí)測資料(圖1)。

2.3 模型率定與評價(jià)

確定性系數(shù)Dc計(jì)算式為[22]

(7)

式中Qobs,i——第i天的實(shí)測流量，m3/s

Qsim,i——第i天的模擬流量，m3/s

現(xiàn)行GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》將模擬精度分為甲(Dc>0.9)、乙(0.90≥Dc≥0.70)、丙(0.70>Dc≥0.50)3個(gè)等級。本文采用SUFI 2(Sequential uncertainty fitting version 2)算法[23]率定模型，利用Dc評價(jià)SWAT模擬精度，根據(jù)模型率定結(jié)果選取參數(shù)的最終適用值，并輸出研究所需各種模擬數(shù)據(jù)。利用蘭西站1982—2000年實(shí)測日流量數(shù)據(jù)，以1982年為預(yù)熱期，1983—1995年為率定期，1996—2000年為驗(yàn)證期，率定結(jié)果見表1。模型率定期和驗(yàn)證期Dc分別為0.81、0.79，達(dá)到《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》規(guī)定的乙級精度，高于SWAT在鄰近的阿什河流域月流量過程模擬時(shí)的精度(Dc=0.65，丙級精度)[24]，表明SWAT模擬呼蘭河流域水文過程的精度和可靠性較高。

表1 呼蘭河流域SWAT參數(shù)率定結(jié)果Tab.1 Calibration results of SWAT parameters in Hulan River Basin

3 結(jié)果與分析

依據(jù)吳瓊等[25]提出的黑龍江省冬季(11月至翌年3月)、春季(4—5月)劃分標(biāo)準(zhǔn)，為論述方便，定義11月至翌年3月、4—5月分別為呼蘭河流域冬季、春季，提取SWAT模擬的呼蘭河流域1982—2000年HRU的逐日降雪量、融雪量、積雪量及農(nóng)田土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，分析積雪融雪量的時(shí)空變化特征及其對農(nóng)田土壤水分的影響。

3.1 積雪融雪特性參數(shù)的空間分布特征

統(tǒng)計(jì)呼蘭河流域1982—2000年各HRU的最大日積雪量、年平均降雪量及最大日融雪量(水當(dāng)量)(圖3a～3c)，采用一元線性方程的斜率評價(jià)平均積雪量、總降雪量及平均融雪量變化趨勢(圖3d～3f)。

由圖3a～3c可知，最大日積雪量、年平均降雪量及最大日融雪量的空間分布特征相近，總體表現(xiàn)為自西向東增加；不同地區(qū)的積雪量、降雪量和融雪量在數(shù)值上差異明顯，最大日積雪量相差54.9 mm，年平均降雪量相差27.4 mm，最大日融雪量相差37.6 mm；在諾敏河和呼蘭河干流源區(qū)等區(qū)域，存在最大日積雪量、年平均降雪量及最大日融雪量的斑塊狀高值區(qū)，但這些特性參數(shù)在流域西部農(nóng)田覆蓋區(qū)均處于較低水平。由圖3d～3f可知，多年平均積雪量變化率和總降雪量變化率空間分布特征十分相近，諾敏河、通肯河源區(qū)及流域西部農(nóng)田覆蓋區(qū)域?yàn)橄陆祬^(qū)，流域西南的呼蘭河上游區(qū)域?yàn)樵鲩L區(qū)，全流域的變化率總體上呈增長趨勢；平均融雪量變化率很小，僅在流域東南部出現(xiàn)了2個(gè)斑塊狀增長區(qū)，其他大部分區(qū)域呈下降趨勢。此外，呼蘭河流域積雪融雪特性參數(shù)的多年變化趨勢還與水系分布情況有關(guān)，安邦河、諾敏河及通肯河上游，呼蘭河干流與通肯河交匯處等區(qū)域均呈現(xiàn)增長趨勢，而通肯河中游、歐根河、諾敏河上游等區(qū)域均呈現(xiàn)下降趨勢。從圖3還可以看出，積雪量、降雪量特性參數(shù)空間變化差異較大，但融雪量特性參數(shù)空間變化差異較小。

圖3 呼蘭河流域降雪、積雪融雪特性參數(shù)的空間分布Fig.3 Spatial distributions of characteristic parameters of snowfall, snow cover and snowmelt in Hulan River Basin

3.2 積雪融雪與農(nóng)田土壤水分的年際變化特征

由于呼蘭河流域連續(xù)的降雪和積雪過程跨越日歷年，為合理統(tǒng)計(jì)年度降雪量和積雪量，設(shè)置水文年自上年6月至翌年5月，并以翌年命名，所得呼蘭河流域1983—2000年降雪量、積雪量、融雪量及農(nóng)田土壤水分含量動態(tài)過程見圖4。

圖4 呼蘭河流域積雪融雪與農(nóng)田土壤水分含量的年變化過程Fig.4 Annual change of snowfall, snow cover and snowmelt and cropland soil moisture in Hulan River Basin

由圖4可知，在1983—2000水文年間，降雪量、積雪量、融雪量及農(nóng)田土壤水分含量的年際變化趨勢相似，以1990年和1996年為界，都經(jīng)歷了兩次較大的上升下降變化過程；年降雪量、年積雪量、年融雪量的變化趨勢十分相近，降雪量與積雪量、降雪量與融雪量的相關(guān)系數(shù)分別為0.968 4、0.968 7，而積雪量與融雪量相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.996 6。分析這些雪量數(shù)據(jù)可知，在多年平均情況下，積雪量和融雪量分別占降雪量的94.5%、83.9%，表明在降雪-積雪-融雪過程中存在雪升華現(xiàn)象，降雪-積雪過程中升華量占降雪量的5.5%，積雪-融雪過程中升華量占降雪量的10.6%，二者合計(jì)為4.7 mm/年，占年降雪量的16.1%。統(tǒng)計(jì)1983—2000水文年的呼蘭河流域農(nóng)田土壤水分含量與降水量年數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)系數(shù)為0.881 7；圖4所示的1990、1991、1996年的3個(gè)水文年農(nóng)田土壤水分含量較低，同期水文年降水量也較少，分別為237.9、367.9、315.1 mm，均低于1983—2000水文年間降水量平均值493.2 mm。由流域水量平衡方程可知，降水量是流域水量的直接來源，據(jù)此分析降水量是影響呼蘭河流域年度農(nóng)田土壤水分的重要因素。

3.3 月積雪融雪量與月農(nóng)田土壤水分含量的相關(guān)性

在呼蘭河流域農(nóng)田覆蓋下的110個(gè)HRU中，提取1982—1999年的11—3月降雪量、積雪量及融雪量，分別與1983—2000年春季4—5月的農(nóng)田土壤水分含量進(jìn)行相關(guān)性分析，并統(tǒng)計(jì)相關(guān)性通過顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)的HRU數(shù)量(表2)。

由表2可知，降雪量、積雪量、融雪量與春季農(nóng)田土壤水分含量的相關(guān)性有很大不同：除上年11月降雪量外，冬季其他月份降雪量與春季各月農(nóng)田土壤水分含量的相關(guān)性很弱，表現(xiàn)為上年12月、當(dāng)年1—3月降雪量與當(dāng)年4、5月農(nóng)田土壤水分含量顯著相關(guān)的HRU數(shù)量很少，甚至為0；冬季各月積雪量與春季各月農(nóng)田土壤水分含量的相關(guān)性均較強(qiáng)，尤其上年12月、當(dāng)年3月積雪量與當(dāng)年春季各月農(nóng)田土壤水分含量的相關(guān)性更大；3月融雪量與當(dāng)年春季各月農(nóng)田土壤水分含量的相關(guān)性極弱，而4月融雪量與當(dāng)年春季各月農(nóng)田土壤水分含量的相關(guān)性較強(qiáng)。分析產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因可能是：在降雪和積雪方面，春季4、5月的農(nóng)田土壤水分，與各月降雪量、積雪穩(wěn)定性、積雪累積深度以及前期氣候變化等因素有關(guān)；在融雪方面，當(dāng)土壤溫度較低時(shí)，融雪與土壤水分含量聯(lián)系較弱，積雪消融對土壤水分的補(bǔ)給隨地溫上升而增強(qiáng)，從而使得4月融雪量與4、5月農(nóng)田土壤水分含量具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

表2 降雪量、積雪量、融雪量與春季各月農(nóng)田土壤水分含量顯著相關(guān)的HRU數(shù)量Tab.2 Number of HRU that had significant correlation between amount of snowfall, snow cover and snowmelt and monthly cropland soil moisture in spring

3.4 積雪融雪條件下農(nóng)田土壤水分日過程變化規(guī)律

為具體分析呼蘭河流域降雪、積雪及融雪過程對春季4—5月農(nóng)田土壤水分的影響，以4個(gè)氣象站所在縣市的農(nóng)田土地覆蓋類型區(qū)為例，以上年11月初至翌年5月末為分析時(shí)段，模擬所得4個(gè)縣市農(nóng)田區(qū)的降雪量、積雪量、融雪量、降雨量及土壤水分含量的逐日變化過程(圖5)，統(tǒng)計(jì)4個(gè)縣市農(nóng)田區(qū)的最大積雪量、積雪時(shí)間，計(jì)算4個(gè)農(nóng)田區(qū)在積雪期(積雪開始至結(jié)束)與融雪期(融雪開始—4月30日)的農(nóng)田土壤水分標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)(表3)，其中積雪時(shí)間為積雪量累積時(shí)間序列中大于1 mm且連續(xù)出現(xiàn)的天數(shù)。

圖5 呼蘭河流域典型農(nóng)田區(qū)雨雪與土壤水分含量的日變化過程Fig.5 Daily change processes of rainfall, snow and soil moisture in typical cropland areas in Hulan River Basin

表3 呼蘭河流域典型農(nóng)田區(qū)積雪融雪與農(nóng)田土壤水分變化特征Tab.3 Characteristics of snow cover, snowmelt and soil moisture change in typical cropland areas in Hulan River Basin

由圖5可知，模擬的4個(gè)縣市農(nóng)田區(qū)降雪主要集中在11月至翌年2月，融雪期較短，約在3月下旬至4月上旬；另經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在集中融雪時(shí)段，這4個(gè)農(nóng)田區(qū)的融雪量可占總降雪量的85%～90%。在模擬時(shí)段之初，4個(gè)農(nóng)田區(qū)的土壤水分含量處于100～120 mm之間，從11月中旬至翌年3月中下旬左右，地表均有積雪覆蓋，農(nóng)田土壤水分變化平緩，變化范圍在3.2～7.3 mm之間，積雪量在消融之初達(dá)到最大值，4個(gè)農(nóng)田區(qū)積雪量在19.1～35.3 mm之間；分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，在此期間氣溫較低，土壤呈凍結(jié)狀態(tài)，僅有很小的蒸發(fā)速率，大部分降雪都積累在農(nóng)田土壤表面。隨氣溫上升，積雪開始消融，土壤逐漸解凍，融雪水入滲補(bǔ)給土壤水，使得農(nóng)田土壤水分短期波動上升，各地的農(nóng)田土壤水分在融雪后1～10 d內(nèi)均達(dá)到極大值，土壤水分含量增長率依次為5.4%(圖5a)、5.4%(圖5b)、19.7%(圖5c)、15.4%(圖5d)，積雪量決定了融雪水對土壤水的補(bǔ)給作用。在達(dá)到極大值后，各地的農(nóng)田土壤水分整體表現(xiàn)為急劇下降趨勢，分析原因是該時(shí)期農(nóng)田土壤水分的蒸發(fā)速率隨氣溫升高而增強(qiáng)；此外，還可以看出，春季降雨也促使了農(nóng)田土壤水分短暫升高?？梢?，在連續(xù)的農(nóng)田土壤水分動態(tài)過程中，融雪水和雨水的間斷補(bǔ)給是農(nóng)田土壤水分在局部時(shí)段上升的主要原因，這種補(bǔ)給延緩了土壤水分的大幅下降，為春小麥前期生長和其他大田作物播種創(chuàng)造有利的土壤水分條件。

4 結(jié)論

(1)呼蘭河流域最大日積雪量、年平均降雪量、最大日融雪量的空間分布呈現(xiàn)自西向東逐漸增加的相近特征；積雪量、降雪量變化率的空間分布特征十分相近，全流域的變化率總體上呈增長趨勢；融雪量變化率很小，流域大部分區(qū)域的變化率呈下降趨勢。

(2)呼蘭河流域降雪量、積雪量、融雪量和農(nóng)田土壤水分的年際變化趨勢相似，降雪量、積雪量、融雪量之間的聯(lián)系十分密切，多年平均的雪升華量占降雪量的16.1%；農(nóng)田土壤水分的年際變化受降水量影響較大，降水量是影響呼蘭河流域年度農(nóng)田土壤水分含量的重要因素。

(3)在呼蘭河流域，上年11月降雪量、冬季各月積雪量、4月融雪量與春季4、5月農(nóng)田土壤水分含量顯著相關(guān)，其他月份的降雪量、積雪量、融雪量與春季4、5月農(nóng)田土壤水分含量相關(guān)關(guān)系不顯著。

(4)融雪對農(nóng)田土壤水分的補(bǔ)給時(shí)段在3月下旬至4月上旬，能夠促使農(nóng)田土壤水分短期上升，積雪量決定了融雪水對土壤水的補(bǔ)給作用；農(nóng)田土壤水分在融雪前下降趨勢平緩，在融雪后急劇下降，受融雪或降雨補(bǔ)給而呈短期上升波動變化。