基于SWAT的沁河流域水壓力指數計算及生態脆弱性分析

全志淼, 左其亭,2, 王鵬抗, 張羽

(1.鄭州大學 水利與交通學院,河南 鄭州 450001; 2.河南省水循環模擬與水環境保護國際聯合實驗室,河南 鄭州 450001)

生態脆弱性是指生態系統面臨外部壓力時受到破壞或崩潰的敏感程度[1]。生態脆弱性作為生態系統固有的一個特殊屬性,與水資源、氣候變化、土地利用類型以及土壤質地等眾多因素息息相關,可以綜合反映生態系統的健康水平。然而,人口增長和經濟社會的快速發展,人類社會對水資源的需求激增,導致水生態問題日益嚴重。特別是處于干旱和半干旱地區的內陸河流域,由于水資源不足且時空分布不均勻,使得流域生態環境更為脆弱[2],水資源成為影響流域生態脆弱性的關鍵因素。因此,從水資源的角度分析流域生態脆弱性狀況及時空變化特征,對評估流域生態系統健康水平和促進地區水資源優化配置具有重要意義。

現階段,國內外在生態脆弱性方面進行了諸多研究,其主要是基于不同學科理論和研究目的發展了一系列評估模型框架,包括壓力-敏感性-恢復力[3-4]、暴露-敏感性-適應力[5-8]、壓力-狀態-響應[9-12]等,研究范圍涵蓋流域[13-14]、行政區[15-16]、城市[17-18]、地形地貌單元[19-20]以及生態功能區[21-22]等。生態脆弱性的研究已成為當前的研究熱點,但是現有的研究大多關注于構建指標評價體系,且指標的類型大多集中在氣候狀況、土地利用類型以及植被覆蓋度等因素上,鮮有從水資源的角度對地區生態脆弱性進行分析。此外,現有的研究方法單一,大多是基于統計數據構建評估模型,忽略了研究區完整的生態過程。并且,大多數研究都是基于單一時間尺度分析地區生態脆弱性,忽略了多時間尺度下的生態脆弱性的時間變化特征,且無法捕捉研究區內部的空間異質性。

蒸散發量(Evapotranspiration,ET)反映了土壤蒸發和植物表面蒸騰的綜合過程,是流域尺度上反映生態系統健康狀態的重要指標。蒸散發量主要有兩大類,分別是潛在蒸散發量(Potential Evapotranspiration,PET)和實際蒸散發量(Actual Evapotranspiration,AET),它們分別反映了作物的需水量和實際耗水量[23-25]?，F有研究表明,基于潛在蒸散發量(PET)和實際蒸散發量(AET)的比率構建的水壓力指數(Water Stress Index,WS)是表征流域生態系統健康狀態及其時空變化特征的一個重要指標[26-28], LIAQAT U W等采用了水壓力指數來分析朝鮮半島的水資源壓力足跡[26], JAHANGIR M H等基于該指數分析了伊朗地區生態系統狀態對土地覆蓋變化的動態響應[27], SUN H W等利用該指數評估中國生態系統的壓力狀況[28]。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國農業部研發的分布式水文模型,在國內外水資源相關研究中得到廣泛的應用[29-34]。SWAT模型內置多種計算潛在蒸散發量的模型公式,可以簡化計算過程。同時,SWAT模型可以全面考慮水文要素變化的自然因素和人為因素,反映研究區內部的空間異質性,較為完整地揭示流域生態過程的內在機理。

綜上,本文以沁河流域為研究對象,基于2008—2016年氣象水文資料構建SWAT模型,分別采用Penman-Monteith法和Hargreaves法計算沁河流域的潛在蒸散發量,引入水壓力指數計算公式對沁河流域生態脆弱性進行量化評價,分析其多年時空變化特征,以期為沁河流域生態系統保護及治理提供一定研究思路和技術支持。

1 研究區概況及數據來源

1.1 沁河流域概況

沁河發源于山西省沁源縣,屬黃河一級支流。沁河自北而南流經山西、河南兩省,最終從河南省武陟縣南流入黃河。如圖1所示:沁河干流全長485 km,流域面積達13 532 km2。沁河流域位于北緯34°5′～36°6′、東經111°5′～113°5′[35-36],屬溫帶大陸性氣候,多年平均降水量613.1 mm,降水量年內變化大,且多集中在夏季(6—8月),是典型的半干旱地區內陸河流域。沁河流域是中國北方的一個重要農業區,也是華北平原水資源較為豐富的區域之一。隨著經濟的快速發展和城市化進程的加快,沁河流域資源環境問題日益凸顯,生態環境狀況逐漸惡化,生態脆弱性不斷增強。因此,對沁河流域的生態脆弱性進行研究對于流域生態系統保護和可持續發展具有重要的意義。

圖1 沁河流域圖

1.2 數據來源

構建流域SWAT模型所需的數據包括數字高程數據(DEM)、土地利用數據、土壤類型數據、氣象數據以及水文數據。其中DEM數據來自地理空間數據云平臺,分辨率為90 m×90 m;土地利用數據來源于中國科學院資源環境科學數據中心,空間分辨率為30 m×30 m;土壤類型數據來源于世界土壤數據庫(HWSD),分辨率為1 km;氣象數據來源于高分辨率CMADS 1.1數據集,空間分辨率為0.25°×0.25°;水文數據選取了沁河流域潤城水文站(112°31′E、35°28′N)、五龍口水文站(112°41′E、35°10′N)和武陟水文站(113°16′E、35°04′N)3個水文站點的數據。2008—2016年月徑流數據被用于模型率定與驗證。

2 研究方法

2.1 基于SWAT模型的流域水壓力指數計算框架

構建沁河流域SWAT模型,通過SWAT模型內置功能模擬計算沁河流域2010—2016年的潛在蒸散發量(PET)和實際蒸散發量(AET),并引入水壓力指數(WS)分析流域生態脆弱性及其時空變化特征。研究框架如圖2所示:①基于DEM數據、土地利用數據、土壤數據、坡度數據和氣象數據構建沁河流域SWAT模型;②利用沁河流域實測月平均徑流數據對模型進行率定和驗證,以滿足模型的精度要求;③計算潛在蒸散發量(PET)和實際蒸散發量(AET);④利用潛在蒸散發量(PET)和實際蒸散發量(AET),計算水壓力指數(WS);⑤分析流域WS值和生態脆弱性的時空變化特征。

圖2 技術路線圖

2.2 SWAT模型構建

2.2.1 模型數據庫構建

1)DEM數據構建。首先下載沁河流域及其附近區域的DEM數據,然后對下載的DEM數據進行拼接、研究區域裁剪、坐標系投影以及填洼處理,最后得到沁河流域的DEM數據。

2)土地利用數據庫構建。首先從中國科學院資源環境科學數據中心下載數據,然后根據沁河流域邊界裁剪、坐標投影得到研究區土地利用柵格數據,再將流域內的土地利用類型重新分為10類,如圖3(a)所示,并建立索引表。

圖3 沁河流域土地利用類型和土壤類型示意圖

3)土壤數據庫構建。土壤數據來自世界土壤數據庫(HWSD),不需要進行粒徑轉換。根據土壤分組將土壤數據重分類,分為10種類型,如圖3(b)所示。

4)氣象數據輸入。采用高分辨率CMADS 1.1數據集驅動SWAT模型,通過提取流域所在氣象站點數據,制作氣象數據索引表,得到沁河流域氣象數據。

2.2.2 模型構建及運行

基于DEM數據,結合流域實際河網分布,選取流域出口斷面位置(113°26′E、34°59′N),對流域進行子流域劃分;加載土地利用數據、土壤數據、坡度數據,進行水文響應單元的劃分;加載氣象數據,運行SWAT模型。

2.2.3 模型率定與驗證

使用SWAT-CUP軟件對模型進行參數敏感性分析。采用SUFI-2反演算法和潤城水文站、五龍口水文站以及武陟水文站3個水文站點2008—2016年的實測月徑流數據對模型進行參數率定和驗證,參考相關研究[37-38],并選用納什系數(ENS)、相關系數(R2)評價模型的適用性?；趦上禂涤嬎憬Y果的模型精確程度評估標準見表1。

表1 SWAT模型精確程度評估標準

2.3 流域蒸散發量計算

通過SWAT模型模擬結果可直接獲取實際蒸散發量(AET),并基于SWAT模型所搭載的兩種計算方法對流域的潛在蒸散發量(PET)進行計算,具體如下。

2.3.1 Penman-Monteith法

Penman-Monteith(PM)法適用性強,計算結果精確度較高。該方法在考慮了多種氣象因素后,將物質傳送方法與能量平衡相結合,是目前公認的誤差最小的潛在蒸散發量估算方法[39-40]。采用基于PM模型的FOA-PM公式計算研究區的潛在蒸散發量(PET),計算公式如下:

(1)

式中:Rn為作物表面的凈輻射,MJ/(m2·d);T為離地面2 m高處的日均氣溫,℃;G為土壤熱量通量密度,MJ/(m2·d);U2為離地面2 m高處風速,m/s;es為飽和水汽壓差,kPa;ea為實際水汽壓差,kPa;Δ為蒸汽壓曲線的斜率,kPa/℃;γ為干濕計常數,kPa/℃。

2.3.2 Hargreaves法

Hargreaves(HS)法僅根據溫度資料便能計算出區域的潛在蒸散發量,且計算結果精度較高[41]。計算公式如下:

(2)

式中:λ為水蒸發潛熱,MJ·kg-1,根據相關文獻取λ=2.45 MJ·kg-1[42];Tmax和Tmin分別為研究區的最高氣溫和最低氣溫,℃;T為平均氣溫,℃。

2.4 水壓力指數計算及生態脆弱性分級標準

水壓力指數(WS)基于實際蒸散發量(AET)與潛在蒸散發量(PET)之比而構建[26-28],通過實際蒸散發量(AET)與潛在蒸散發量(PET)的差異程度反映土壤或植被水分供需狀況、灌溉效率以及水資源利用效率等綜合效應。因此,WS值被常用作評估地區水資源短缺和干旱程度、監測植被生長狀況以及荒漠化進程等。而上述評估內容與地區生態系統健康水平及生態脆弱性息息相關?；诖?本文擬采用水壓力指數(WS)的計算結果對沁河流域生態脆弱性狀況及生態系統健康水平進行量化評價。通過WS的計算結果分析地區水資源的利用情況,得出其相應的生態脆弱性評價結果及時空分布特征。計算公式如下:

(3)

通過查閱相關文獻,設定WS=0.2為水壓力指數的最小閾值[43],并在此基礎上,參考國內外生態脆弱性評價研究的分級標準[44-47],將沁河流域生態脆弱性劃分為5個等級,分別為生態良好、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱、極度脆弱。其水壓力指數和生態脆弱性分區標準見表2。

表2 WS、生態脆弱性分級標準及生態特征

3 結果分析

3.1 SWAT模型率定結果

構建沁河流域SWAT模型,并根據ENS和R2率定結果評價沁河流域SWAT模型的徑流模擬精度。模型校驗結果如圖4和表3所示。圖4和表3中的結果表明:3個水文站模擬期內的模擬徑流與實測徑流曲線趨勢擬合程度較好,3個水文站的ENS和R2均符合模型評估標準(表1),結合表1中的評估標準可知,模擬結果較為可觀,中間過程的模型參數和數據較為合理。圖4和表3中的模擬結果表明,基于CMADS 1.1數據集驅動的SWAT模型在沁河流域徑流模擬中具有較好的適用性。

表3 3個典型水文站點率定期和驗證期擬合結果

圖4 3個典型水文站點率定期和驗證期徑流模擬結果對比

3.2 沁河流域水壓力指數及生態脆弱性變化特征

3.2.1 水壓力指數及生態脆弱性年尺度變化特征

通過SWAT模型進行年尺度徑流模擬后,分別采用Penman-Monteith法和Hargreaves法計算年尺度下的沁河流域的WS值,結果如圖5所示。具體表現為:采用Penman-Monteith法計算的WS值由2010年的0.492降低至2016年的0.411,生態脆弱性為中度脆弱;而采用Hargreaves法計算的WS值由2010年的0.607降低至2016年的0.520,生態脆弱性由重度脆弱轉變為中度脆弱;兩種方法計算得到的WS值變化均呈現較為明顯的下降趨勢。此外,采用Hargreaves法的計算結果整體大于Penman-Monteith法的,原因主要是Hargreaves法主要考慮溫度和太陽輻射的影響,忽略了降雨對計算結果的影響,故使用Hargreaves法非常容易出現估值偏大的情況。

圖5 沁河流域WS值年尺度時間變化特征

綜合兩種方法的結果可以得出如下結論:①沁河流域的水壓力指數變化值整體呈現較為明顯的下降趨勢,這表明流域生態脆弱性逐漸減弱,生態系統的健康水平逐漸提高。這一變化趨勢主要歸因于沁河流域推行新型農業節水模式,減少了無效蒸發,對解決流域水資源短缺問題、改善流域生態脆弱性起到了積極的作用。②沁河流域2010—2016年的WS計算結果均大于0.4,生態脆弱性以中度脆弱為主。這表明沁河流域的水資源受到較大壓力,流域生態脆弱性較強,生態系統較為敏感,蒸散發量是流域耗水的主要影響因素。因此,為了解決流域水資源短缺問題、改善流域生態脆弱性,必須堅持推行新型農業節水技術、優化灌溉方式并調節農業生產結構,以降低蒸散發量,提高水資源利用效率。

3.2.2 水壓力指數及生態脆弱性月尺度變化特征

通過SWAT模型進行月尺度徑流模擬后,分別采用Penman-Monteith法和Hargreaves法計算年尺度下的沁河流域WS指數值,結果見表4,表中PM指Penman-Monteith法,HS指Hargreaves法。由表4中的結果可看出:WS值變化整體呈現先遞減再遞增的動態演化趨勢,夏季(6—8月)的水壓力指數值較小,8月達到最小值;而冬季(當年12月—次年2月)的WS值較大,1月份達到最大值。此外,Hargreaves法的計算結果在每年6月均出現較為明顯的波動性變化,并且整體的計算結果較Penman-Monteith法的計算結果大。出現這一現象的主要原因是夏季日照時間長、太陽高度角較大、氣溫較高,使得Hargreaves法的計算結果偏大并出現波動。

表4 沁河流域WS月尺度變化特征

綜合兩種方法的計算結果可以分析出如下結論:沁河流域多年月尺度生態脆弱性整體呈現先減弱再增強的動態演化趨勢,夏季(6—8月)生態脆弱性較弱,部分計算結果接近微度脆弱;而冬季(當年12月—次年2月)生態脆弱性較強,部分計算結果達到極度脆弱。對于流域生態脆弱性的季節性變化,根據沁河流域地域特征,結合相關研究成果認為其原因主要是夏季降水量較大,而冬季期間會受到冰雪天氣的影響,使得期間的實際蒸散發量(AET)接近0[26,48-49]。政府及相關部門可針對不同季節影響水壓力指數的因素,采取相應的水資源管理和生態保護措施,以改善流域生態脆弱性,提升生態系統的穩定性。

3.3 沁河流域水壓力指數和生態脆弱性空間變化特征

通過SWAT模型進行年尺度徑流模擬后,分別采用Penman-Monteith法和Hargreaves法計算年尺度下沁河流域的WS值,并從子流域層面對2010—2016年沁河流域WS值的空間分布進行分析,探究沁河流域生態脆弱性的空間演化特征,結果分別如圖6和圖7所示。

圖6 沁河流域WS指數年尺度空間變化特征(Penman-Monteith法)

圖7 沁河流域WS指數年尺度空間變化特征(Hargreaves法)

由圖6和圖7中的結果可知:WS低值區主要分布在流域的南部和中部地區,而WS高值區主要分布在北部、西部以及東部地區。流域WS計算結果整體呈現逐年遞減的趨勢,但各子流域計算結果的空間異質性較為明顯。且Hargreaves法的計算結果整體大于Penman-Monteith法的計算結果,出現這一現象的主要原因如上文闡述,此處不再進行解釋。

綜合兩種方法的計算結果可以得出如下結論:①各子流域生態脆弱性呈現逐年遞減的趨勢,這表明流域生態系統的健康水平逐漸提高。②沁河流域生態脆弱性低值區主要分布在流域的南部和中部地區,而生態脆弱性高值區主要分布在北部、西部以及東部地區,這主要受其潛在蒸散發空間分布和降雨空間趨勢的影響。③各子流域計算結果的空間異質性較為明顯,尤其是隨著整體生態脆弱性遞減后,各子流域之間的生態脆弱性的差距總體呈擴大趨勢。因此,在評估生態脆弱性時,除了關注整體的評價結果外,還需重視研究區生態脆弱性的空間分布特征,這將有助于深化對研究區生態脆弱性狀況的認識。

4 結論

基于SWAT模型,分別采用Penman-Monteith法和Hargreaves法計算沁河流域2010—2016年的潛在蒸散發量(PET),并引入水壓力指數(WS)計算公式,定量分析了沁河流域水分脅迫程度、生態脆弱性以及生態系統健康水平及其時空變化特征,得到以下結論:

1)構建基于CMADS 1.1數據集驅動的沁河流域SWAT模型,通過水文站的實測月徑流資料對模型進行率定和驗證,結果表明SWAT模型的擬合程度較好,模擬結果可用于描述研究區域的水文過程。

2)Penman-Monteith法和Hargreaves法在沁河流域的計算結果精度良好。其中Hargreaves法的計算結果偏大,因此有必要對Hargreaves法進行修正,提高其在一定地區的計算精度和可靠性。

3)從時間變化來看,沁河流域的年際水壓力指數值逐年減小,但依舊大于0.4,流域生態脆弱性仍然為中度脆弱,而蒸散發量是流域耗水的主要影響因素。此外,沁河流域生態脆弱性年內變化較大,呈現先減弱再增強的動態演化趨勢,夏季(6—8月)的生態脆弱性較弱,而冬季(當年12月—次年2月)的生態脆弱性較強,主要是因為夏季降雨量較大,冬季受到冰雪天氣的影響,降雨量較小。

4)從空間分布變化來看,沁河流域生態脆弱性整體呈現逐年減弱的趨勢,但是流域內部各子流域生態脆弱性評價結果的空間異質性呈現擴大趨勢。