基于SWAT模型的根河流域蒸散量時空分布特征

王雅倩, 岳永杰, 烏云珠拉, 伊麗茜, 李 旭, 趙 愷

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 呼和浩特 010010; 2.青海省烏蘭縣氣象局, 青海 海西州 817100)

蒸散主要包括植被蒸騰、土壤水分蒸發(fā)以及截留降水或露水的蒸發(fā)，是陸地生態(tài)系統(tǒng)降水再循環(huán)的主要來源，驅(qū)動著土壤—植被—大氣連續(xù)體的物質(zhì)運輸和能量交換[1]，是水—碳—能量循環(huán)的重要組成部分[2]，蒸散研究備受國內(nèi)外水文學(xué)界的關(guān)注，成為國際上的焦點問題之一[3]。目前，國內(nèi)學(xué)者研究了不同地區(qū)蒸散量的時空變化特征，如大沽河流域[4]、烏江流域[5]、東江流域等[6]，大多是對暖溫帶、亞熱帶地區(qū)的蒸散變化規(guī)律及其成因的研究，評價區(qū)域水資源或評估作物需水量等生態(tài)環(huán)境問題。對于高寒區(qū)典型流域的蒸散量研究比較少，高寒區(qū)由于存在復(fù)雜的生態(tài)水文過程和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，當(dāng)受到區(qū)域氣候變化和人類活動干擾時，極易遭到破壞且難以修復(fù)，因此，對高寒區(qū)蒸散的變化過程和影響機制研究對進一步了解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的水文過程具有重要意義。

自道爾頓提出蒸發(fā)計算公式以來，蒸發(fā)計算方法有很多種，因為蒸散的實測數(shù)據(jù)較難獲取，許多研究以模型估算和預(yù)測潛在蒸散和實際蒸散進行[7]。在眾多的模型中，Penman模型作為基準(zhǔn)公式存在，后經(jīng)過不斷改進得出目前廣泛應(yīng)用的Penman-Monteith公式，此模型在1998年經(jīng)由聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)的推薦，成為估算參考作物蒸散量的標(biāo)準(zhǔn)方法[8]。而SWAT模型中計算蒸散量的公式就包括Penman-Monteith公式，SWAT模型自帶了許多模型數(shù)據(jù)庫，還具有內(nèi)嵌天氣發(fā)生器(Weather Generator)可以靈活地解決資料缺失問題[9]。SWAT模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局開發(fā)的一種分布式流域水文模型，具有良好的物理基礎(chǔ)，可以結(jié)合GIS和RS提供的空間數(shù)據(jù)模擬地表徑流、蒸散和水質(zhì)狀況等，從而預(yù)測氣候變化、調(diào)整土地利用措施等。Yang等[10]通過建立合適的SWAT模型，分析了加拿大農(nóng)業(yè)流域目前水資源狀況及實施有益的管理措施進行水土保持；Koirala等[11]把SWAT模型應(yīng)用于美國克林奇河上游流域，分析了氣候變化與水文的響應(yīng)機制。張蕾娜等[12]成功地構(gòu)建了適用于云州水庫流域的SWAT模型；王建鵬等[13]基于改進的SWAT模型對不同灌溉模式下的ET進行了模擬，得出在不同模式下ET的變化規(guī)律。

根河流域所處寒溫帶地區(qū)，有著豐富的水土資源，分布著大面積多年凍土和季節(jié)性凍土，根河流域近地表土壤的季節(jié)性凍融循環(huán)影響著地表能量和水分交換。近幾十年來，隨著全球氣候變暖，根河流域氣溫呈明顯上升趨勢。溫度的升高改變了凍土的凍融過程?？偟膩碚f，具體表現(xiàn)為最大凍土深度減小、凍結(jié)開始日期推遲以及解凍開始日期提前等現(xiàn)象[14]，中緯度高寒地區(qū)活動層和多年凍土變化顯著。本文以SWAT模型模擬計算根河流域1980—2017年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析根河流域蒸散量的時空變化特征。通過此研究，探討土壤凍融對根河流域生態(tài)系統(tǒng)水分交換的影響，同時為根河流域水資源的規(guī)劃與管理、氣候及生態(tài)環(huán)境的改善提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

根河流域位于東經(jīng)119°-123°北緯49.6°-51.5°的區(qū)域內(nèi)，海拔1 241 m，全長415 km。根河流域地處寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季短暫且溫暖多雨，冬季漫長寒冷且積雪量大，全年無霜期為90 d左右，年平均氣溫為-4.9℃，年平均降水量為411.75 mm，年降水量多集中在7—8月[15]。根河屬于黑龍江額爾古納水系，發(fā)源于大興安嶺伊吉奇山西南部的薩吉氣林場。地勢東北高西南低，從根河上游河源周圍平頂山海拔1 451 m，沿根河的河谷向西南到斯捷帕尼哈山海拔1 174 m。根河流域森林土壤的地帶性結(jié)構(gòu)簡單，區(qū)域土層較淺，是典型的地帶性土壤—棕色針葉林土[16]。在山頂崗梁上分布有零星粗骨土，溝谷洼地和山溝蝶形低地分布有沼澤土，河流兩側(cè)階地分布有黑鈣土、草甸土等土壤。研究區(qū)內(nèi)植物資源豐富，擁有我國唯一的典型寒溫帶明亮針葉林，包含多年凍土發(fā)育指示性植物興安落葉松林、樟子松林、白樺林、山楊林等(圖1，表1)。

表1 氣象站點位置

圖1 研究區(qū)地理位置

2 研究方法

2.1 流域模型的建立

首先根據(jù)Google Earth估計根河流域的坐標(biāo)范圍下載相應(yīng)的DEM(Digital Elevation Model，Landsat 8)分幅圖，格式為ESRI Grid，DEM數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥www.gscloud.cn/)，在ArcGIS 10.2平臺上進行拼接、投影轉(zhuǎn)換、掩膜提取等一系列工作得到研究流域DEM圖。然后下載土地利用數(shù)據(jù)(LUCC)，根據(jù)流域掩膜數(shù)據(jù)對其進行裁剪，獲取研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)，重新劃分土地利用類型，制作土地利用檢索表，土地利用數(shù)據(jù)下載于中國科學(xué)院資源環(huán)境中心(https:∥www.resdc.cn)。分辨率為1 km。接著下載土壤類型數(shù)據(jù)，同樣進行裁剪，得到研究區(qū)土壤類型圖進行遙感解譯，并制作土壤類型檢索表，土壤類型數(shù)據(jù)下載于寒旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，分辨率為1 km，土壤數(shù)據(jù)庫和土地利用數(shù)據(jù)庫結(jié)合ArcGIS 10.2和SPAW軟件建立。根河流域內(nèi)設(shè)有17個氣象站，由于設(shè)備齊全程度及1980—2017年數(shù)據(jù)的完整性差異，氣象數(shù)據(jù)主要來源于額爾古納氣象站、根河氣象站、圖里河氣象站，均為國家一級氣象站點，分布于根河流域上、中、下游，相關(guān)氣象因子有降水量、氣溫、相對濕度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實測氣象數(shù)據(jù)建立SWAT模型流域氣象數(shù)據(jù)庫。

將DEM數(shù)據(jù)進行“無洼”處理，分析河流流向以得到流向柵格數(shù)據(jù)，在ArcGIS 10.2平臺上進行大地圖代數(shù)、柵格計算等空間分析獲得流域網(wǎng)格柵格數(shù)據(jù)，之后進行柵格矢量化，根據(jù)出水口確定流域河網(wǎng)及面積，然后進行子流域劃分(SUB)，集水面積的大小決定SUB數(shù)量的多少，最后劃分為28個SUB。依據(jù)根河流域2018年土地利用類型及土壤類型在SUB的基礎(chǔ)上劃分水文響應(yīng)單元(HRU)，在SUB中具有相同土地利用類型、土壤類型、坡度及坡向的劃分為一個HRU再進行計算，本文的百分比閾值為0，最終劃分為1 380個HRU。HRU分布確定之后，輸入用于流域模擬的氣象數(shù)據(jù)庫，在ArcSWAT中加載氣象資料，各個SUB與加載的氣象數(shù)據(jù)庫通過測站鏈接就近選擇氣象站點數(shù)據(jù)，這也是SWAT模型計算整個流域蒸散數(shù)據(jù)的原理。最后經(jīng)過參數(shù)敏感性分析及模型率定，使用SUB文件、rch文件、HRU文件等進行蒸散數(shù)據(jù)分析。

2.2 蒸散量數(shù)據(jù)計算方法

2.2.1 潛在蒸散的計算 Penman-Monteith法包含維持蒸發(fā)所需能量、水汽輸送路徑長度、空氣動力學(xué)因子以及表面阻抗因子，其方程如下：

對于中性穩(wěn)定大氣下水分供給充足的植物，在假定對數(shù)風(fēng)速分布下，Penman-Monteith方程為：

式中:λ表示蒸散潛熱(MJ/kg);E1表示最大散發(fā)率(mm/d);K1表示確保兩個變量單位統(tǒng)一所需的換算系數(shù)(當(dāng)uz的單位是m/s時,K1=8.64萬);P表示大氣壓(kPa)。

2.2.2 實際蒸散的計算 確定潛在蒸散總量后就可以計算實際蒸散了。SWAT模型會先計算截留雨量的蒸發(fā)。如果潛在蒸散E0小于冠層持有的自由水量RINT，則：

Ea=Ecan=E0

RINT(f)=RINT(i)-Ecan

式中:Ea表示某天流域的實際蒸散量(mm)；Ecan表示某天冠層持有的自由水分的蒸發(fā)量(mm);E0表示某天的潛在蒸散量(mm)；RINT(f)表示某天冠層持有的最終自由水量(mm)；RINT(i)表示某天冠層持有的初始自由水量(mm)。

如果潛在蒸散E0大于冠層持有的自由水量RINT，則：

Ecan=RINT(i)

RINT(f)=0

當(dāng)植被冠層持有的自由水分完全蒸發(fā)掉后，剩余的蒸發(fā)需水量(E′0=E0-Ecan)來自植被與積雪/土壤。

接下來開始計算蒸散量，其公式如下：

Et=E′0LAI>3.0

最后計算升華和土壤蒸發(fā)，其公式為：

Es=E′0·covsol

式中:Es表示某天升華/土壤蒸發(fā)的最大量(mm);E′0表示考慮冠層自由水分蒸發(fā)后的潛在蒸散量(mm)；covsol表示土壤覆蓋指數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 根河流域蒸散量時間變化特征

由圖2可知，1980—2017年根河流域ET年際波動較小，年均值變化范圍為280.20～410.14 mm/a，變化率為0.46 mm/a，整體呈增加趨勢。多年平均ET值為350.16 mm，明顯超出多年平均值的年份為1988年、2013年，其中2013年ET最高，超出平均值59.98 mm，相對變化率達到了17.13%；ET最小值出現(xiàn)在1980年。PET的年均值變化范圍為665.27～877.22 mm/a，變化率為1.82 mm/a，整體呈增加趨勢。多年平均PET值為771.61 mm，顯著超過多年平均值的年份是2000年、2007年，其中2007年P(guān)ET最高，超出平均值105.61 mm，相對變化率達到了13.69%；PET最小值出現(xiàn)在1984年。綜上所述，近40 a來，蒸散量大部分年份相對穩(wěn)定，少數(shù)幾年ET和PET高低相差懸殊，且ET和PET均呈持續(xù)增加趨勢。

圖2 根河流域ET，PET的年際變化

由圖3可知根河流域ET，PET的年內(nèi)變化特征，兩類蒸散主要發(fā)生在5—9月，呈現(xiàn)出以8月為峰值的單峰型分布。根河流域多年各月ET均值波動在0.59～83.93 mm范圍內(nèi)，ET主要集中在5—9月，3—5月快速增長，8月達到峰值83.93 mm，9—11月迅速下降，1月降至年內(nèi)最低值0.59 mm。據(jù)根河流域的氣候特征可知，5—9月是該流域溫度最高、降水豐富、地面蒸發(fā)和植物蒸騰作用較旺盛的時期，良好的水熱條件和高風(fēng)速為蒸散提供了有利條件；9月氣溫逐漸降低，樹木開始掉葉保持自身水分，抵御寒冷的氣候，向著不利于蒸散的條件轉(zhuǎn)變；1月、2月、12月天氣寒冷，降水較少且土壤水分凍結(jié)，植物大部分枯萎，蒸騰作用減弱許多，因此ET值達到年內(nèi)最小。根河流域多年各月PET均值波動在0.87～193.51 mm范圍內(nèi)，8月份峰值為193.51 mm，1月份為年內(nèi)最低值0.87 mm。

圖3 根河流域ET，PET年內(nèi)分布

3.2 根河流域蒸散量空間分布特征

3.2.1 ET與PET的空間分布特征 由圖4A可見，根河流域1 380個HRU的ET年均值范圍在231.83～1 180.15 mm，整體上呈上游高，中下游低的分布格局。根河流域年均ET峰值出現(xiàn)在上游，上游主要分布的是林地與高覆蓋度草地，植被葉面積較大，蒸騰作用強，同時根河及其支流周圍水汽充足，ET值明顯高于其他地方；而中游主要分布的是疏林地與高覆蓋度草地，因此ET較小于上游；下游主要分布的是低覆蓋度草地、耕地、沼澤地以及建設(shè)用地，植物葉面積較小，蒸騰作用較弱，所以下游的植被蓄水能力相對較差，ET值也較小。

由圖4B可知，根河流域1 380個HRU的PET年均值范圍在581.64～2 214.50 mm，整個流域的PET值呈現(xiàn)西南>東北>東南的分布。東北區(qū)域有大面積林地且林種豐富；而東南區(qū)域是林草相間，土壤含水量不及東北區(qū)域高，故東北區(qū)域的PET值高于東南區(qū)域。西南區(qū)域?qū)儆诟恿饔蛳掠?，土壤肥沃，草地及作物分布廣泛，且南面有部分區(qū)域分布了較多的小面積水域，而上、中游多為山地，所以西南區(qū)域在充分供水條件下，PET達到流域中最高值?？傮w來說，根河流域上中下游ET及PET值具有明顯的空間差異性。

圖4 根河流域多年ET，PET空間分布

3.2.2 不同凍融時期蒸散量的分布特點 由表2可知，為了更好地分析ET值，將分成4個時期進行討論，生長期(5—9月)、始凍期(10—11月)、完全凍結(jié)期(12-翌年2月)和融凍期(3—4月)。

表2 1980-2017年根河流域月均氣溫、降水、日照時數(shù)

由圖5可知，生長期ET年均值在561.98～846.43 mm范圍內(nèi)波動，變化率為1.20 mm/a，整體呈增加趨勢。生長期降水豐沛，溫度較高，植被蒸騰作用較強，流域內(nèi)ET值在8月份達到全年最大。始凍期ET年均值在87.72～223.87 mm范圍內(nèi)變化，變化率為-0.68 mm/a，整體呈降低趨勢。始凍期氣溫逐漸降低，土壤水分開始凍結(jié)，植物代謝活動減少，地表蒸散量逐漸回落。完全凍結(jié)期ET年均值在6.08～11.68 mm范圍內(nèi)浮動，變化率為0.01 mm/a，整體基本不變。完全凍結(jié)期氣溫達到全年最低，降水量很小，地下水完全凍結(jié)，不利于植被生長，ET值達到全年最小。融凍期ET年均值在93.81～251.00 mm范圍內(nèi)變動，變化率為0.45 mm/a，整體呈增加趨勢。融凍期隨著氣溫回暖，土壤逐漸解凍，植被開始萌發(fā)，蒸發(fā)與蒸騰作用增強，蒸散量逐漸增加。ET在4個時期的年均值分別為696.39 mm，156.07 mm，8.94 mm，190.79 mm，分別占年內(nèi)蒸散量的66.18%，14.83%，0.86%，18.13%。

圖5 根河流域不同凍融時期ET的變化

3.2.3 不同土地利用類型蒸散量變化特征 由圖6看出，ET年均值在不同土地覆被類型下的大小排序為：林地>草地>耕地>建設(shè)用地>沼澤地；而PET年均值排序為：耕地>建設(shè)用地>林地>草地>沼澤地。從圖6可以看出PET與ET之間的差值，能夠很好地反映區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型的自然水分狀況，差值越小自然水分越充足。林地的ET值最高，其次為草地、耕地、建設(shè)用地以及沼澤地。究其根本，一方面，森林資源豐富且根系吸水生理特性強，利于蒸騰的發(fā)生；另一方面，高郁閉度喬木冠層下覆蓋的低矮植物也貢獻了森林的整體ET值。研究區(qū)草地多為高覆蓋度草地，水土保持能力較強，ET值也較高；沼澤地植被覆蓋度低，同樣的水熱條件下，其ET值較低?？傮w說明植被具有涵養(yǎng)水源和保持水土的功能，可以改善區(qū)域內(nèi)蒸散的大小，林地、草地的表現(xiàn)尤為突出。

圖6 不同土地利用類型年均ET，PET值

3.3 蒸散量與氣候的相關(guān)分析

運用SPSS軟件對1980—2017年日氣象數(shù)據(jù)進行主成分分析。由表3計算結(jié)果可知，原始變量與影響因素變量之間的依賴程度在71%左右，第一主成分的方差貢獻率達到了46.85%，說明原始變量與提取的主成分之間的相關(guān)性較大，提取的主成分具有一定的代表性。

表3 主成分分析

計算結(jié)果表明(表4)，第一主成分為平均相對濕度、降水量、日照時數(shù)和平均風(fēng)速，方差貢獻率為46.85%，當(dāng)ET值增大時，平均相對濕度、降水量和平均風(fēng)速增大，日照時數(shù)減小。濕度變化直接影響ET值的大小，風(fēng)能將空氣中的O2，CO2，熱量等進行物質(zhì)交換與輸送，促進水分的蒸散速率。第二主成分是平均氣溫，方差貢獻率為24.17%，影響程度較大，當(dāng)ET值增大時，平均氣溫升高。因此，全球變暖也是根河流域ET值呈增大趨勢的主要因素，溫度的升高可促進邊界層水熱交換，從而提高蒸散速率。

表4 主成分分析成分載荷矩陣

為進一步探討氣象因子對ET值的影響，將1980—2017年平均風(fēng)速、平均氣溫、平均相對濕度、降水量和日照時數(shù)在ET值的控制下進行相關(guān)性分析，如表5所示。

表5 氣象因子間及氣象因子與蒸散發(fā)的相關(guān)分析

結(jié)果顯示，平均氣溫與平均風(fēng)速和平均相對濕度呈顯著負(fù)相關(guān)；平均相對濕度與降水量呈顯著正相關(guān)，與日照時數(shù)和平均氣溫呈顯著負(fù)相關(guān)；日照時數(shù)與平均相對濕度和降水量呈顯著負(fù)相關(guān)；ET值與降水量和氣溫呈顯著正相關(guān)，且ET值與降水量相關(guān)性最大，相關(guān)性系數(shù)為0.67。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

根河流域1980—2017年ET值整體呈增加趨勢，與涇河流域[17]和青藏高原高寒草甸地區(qū)[18]研究結(jié)果一致，表明由于氣溫的升高使得終年凍土帶退化迫使土壤含水量降低。岳永杰等[19]研究結(jié)果顯示，2013年根河流域的年降水量是近幾十年中降水量最大的年份，這與本文在近40 a中根河流域2013年ET值最高的結(jié)果相一致。大部分研究區(qū)月均ET值呈單峰型分布，7月、8月ET值最大，1月、2月最小，如大沽河流域[4]和疏勒河流域[21]。7月、8月氣溫較高、降水集中，ET值達到年內(nèi)最大，而1月、2月氣溫較低、降水少、地表覆被條件差，耕地多處于裸土狀態(tài)，普遍是ET值最低的月份。

根河流域ET年均值在不同土地覆被類型的大小排序為：林地>草地>耕地>建設(shè)用地>沼澤地，這一結(jié)果在高永剛等[22]研究中得到證實，近幾十年中大興安嶺地區(qū)沼澤地出現(xiàn)嚴(yán)重退化，這對于沼澤地的蒸散影響是很大的。在三江源區(qū)[20]的研究中同樣表明除水體之外，林地是所有土地利用類型中ET值最高的。

在多年凍土區(qū)土壤蒸散對氣候變化的敏感性分析中得出根河流域年平均氣溫增加顯著，年降水量有減少趨勢[23]。相關(guān)性分析結(jié)果顯示，ET值與降水量和氣溫呈顯著正相關(guān)，且ET值與降水量相關(guān)性最大。在高寒凍土區(qū)，氣溫普遍偏低，晝夜溫差大，所以土壤蒸散對降水量、空氣相對濕度以及風(fēng)速最為敏感。在精河流域[24]風(fēng)速與ET值的相關(guān)性最大，在雅魯藏布江流域[25]ET值對氣溫的響應(yīng)更明顯，故不同區(qū)域ET值對氣候變化的敏感因子各不相同。

4.2 結(jié) 論

(1)根河流域1980—2017年ET值整體呈增加趨勢，ET年均值為350.16 mm，其中2013年ET最高，1980年最低。PET值整體呈增加趨勢，PET年均值為771.61 mm，其中2007年P(guān)ET最高，1984年最低。ET和PET均呈持續(xù)增加的趨勢，表明根河流域在未來幾年可能呈現(xiàn)干旱災(zāi)害加劇的趨勢。

(2)根河流域ET，PET年內(nèi)變化特征，呈現(xiàn)出以8月為峰值的單峰型分布，主要集中在5—9月份，3—5月快速增長，8月份達到峰值，9—11月迅速下降，1月份降至年內(nèi)最低值。

(3)根河流域ET值在空間上呈上游高，中下游低的分布格局，年均ET峰值出現(xiàn)在上游地區(qū)。PET值在空間上呈現(xiàn)西南>東北>東南的分布，年均PET值在西南區(qū)域最大?？傮w來說，根河流域上中下游ET及PET值具有明顯的空間差異性。

(4)根河流域的生長期(5—9月)、完全凍結(jié)期(12月-翌年2月)、融凍期(3—4月)ET值均呈增加趨勢，始凍期(10—11月)ET值呈降低趨勢。ET值在4個時期的年均值分別為696.39 mm，156.07 mm，8.94 mm，190.79 mm，分別占年內(nèi)蒸散量的66.18%，14.83%，0.86%，18.13%。

(5)根河流域ET年均值在不同土地覆被類型的大小排序為：林地>草地>耕地>建設(shè)用地>沼澤地；PET年均值排序為：耕地>建設(shè)用地>林地>草地>沼澤地。

(6)根河流域年均ET值與降水量和氣溫呈顯著正相關(guān)，且ET值與降水量相關(guān)性最大，相關(guān)性系數(shù)為0.67。