李 娟, 高建恩,,3, 張?jiān)? 邵 輝

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌712100;3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.奎爾夫大學(xué)地理系, N1 G1 V4, 加拿大 奎爾夫)

黃土高原涇河流域梯田對(duì)河道徑流及生態(tài)基流影響

李 娟1, 高建恩1,2,3, 張?jiān)?, 邵 輝4

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所， 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌712100;3.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 4.奎爾夫大學(xué)地理系, N1 G1 V4, 加拿大 奎爾夫)

[目的] 定量分析涇河流域梯田建設(shè)對(duì)河道徑流、生態(tài)基流的影響程度，為流域梯田建設(shè)提供一定理論支撐。[方法] 采用合作開發(fā)的嵌入梯田模塊的SWAT(soil and water assessment tool)模型模擬河道徑流量。[結(jié)果] 嵌入梯田模塊的SWAT模型在模擬河道徑流時(shí)可滿足模型模擬精度的要求；隨著梯田面積增加，河道年徑流量減少，生態(tài)基流保障程度提高，年、月生態(tài)基流不滿足天數(shù)降低；梯田的年平均減流量為4.25×104m3/(km2·a)；梯田具有蓄洪補(bǔ)枯作用，且對(duì)豐水期的調(diào)控效果高于枯水期，對(duì)河道生態(tài)基流的影響為：枯水期>平水期>豐水期。[結(jié)論] 嵌入梯田模塊的SWAT模型在該流域具有較好的適用性，提高流域內(nèi)梯田面積是滯洪補(bǔ)枯的有效手段之一，在一定程度上保障了河道生態(tài)基流。

涇河流域; 梯田; 河道徑流; 生態(tài)基流

在水土流失極其嚴(yán)重的黃土高原地區(qū)，梯田作為重要的水土保持措施分布廣泛。但隨著梯田面積增加，河道的徑流量減少，使得人們對(duì)梯田的利弊提出了質(zhì)疑。冉大川等[1]研究得出1970—1996年，河口鎮(zhèn)—龍門區(qū)間、涇河流域、北洛河流域和渭河流域梯田年均減洪3.29×107,1.25×107,5.30×106和6.62×107m3。王輝等[2]研究表明大規(guī)模梯田開發(fā)是造成渭河源區(qū)產(chǎn)流效率降低的根本原因，并且隨著梯田面積的增加對(duì)枯水期產(chǎn)流影響最為劇烈、對(duì)豐水期產(chǎn)流影響相對(duì)較弱。然而，梯田對(duì)流域尺度水文過程的影響非常復(fù)雜，傳統(tǒng)技術(shù)方法并不能全面深入研究其對(duì)流域水沙的整體影響，在流域尺度內(nèi)其水文過程研究相對(duì)薄弱。

水文模型是近年研究的熱點(diǎn)[3]，可以對(duì)大中流域尺度內(nèi)的水文過程進(jìn)行模擬。目前，在分布式水文模型中多通過調(diào)節(jié)參數(shù)模擬梯田對(duì)流域尺度徑流的影響。Arabi M等[4]利用SWAT模型通過調(diào)節(jié)CN2，Slsubbsn值模擬了梯田措施對(duì)美國中西部印第安納州小流域產(chǎn)水量的影響。Saleh A等[5]通過改變SWAT模型中的P—factor和CN2值，表明梯田對(duì)流域水量具有影響。這些方法無法直接反映梯田對(duì)流域徑流的調(diào)控過程?；诖?，邵輝等[6]在SWAT中開發(fā)梯田模塊用于計(jì)算流域徑流泥沙對(duì)梯田措施的響應(yīng)。

梯田減小坡面及河道徑流必然會(huì)影響河道生態(tài)基流保障，目前關(guān)于該影響的定量評(píng)價(jià)研究甚少。在贛江袁河流域，肖玉成等[7]利用SWAT模型模擬數(shù)據(jù)計(jì)算了河道內(nèi)的生態(tài)基流。Combalicer E等[8]利用不同模型對(duì)韓國森林小流域的生態(tài)基流進(jìn)行了研究。很多學(xué)者還采用了基流比例法、Tennant法等傳統(tǒng)方法計(jì)算了河道的生態(tài)基流[9-12]。林啟才等[13]研究了寶雞峽渠首引水對(duì)渭河生態(tài)基流的影響及其保障。但目前對(duì)生態(tài)基流的研究主要集中在河道生態(tài)基流的計(jì)算上，而水利水保措施對(duì)河道生態(tài)基流保障影響的研究還很缺乏。

本文基于涇河流域DEM、氣象、土壤、土地利用和徑流資料，在評(píng)價(jià)嵌入梯田模塊的SWAT模型徑流模擬的適用性基礎(chǔ)上模擬研究不同梯田面積對(duì)河道徑流及生態(tài)基流保障的影響。本研究將為嵌入梯田模塊的SWAT模型在黃土高原地區(qū)的徑流模擬提供參考，為該流域內(nèi)梯田的合理規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

涇河是渭河的Ⅰ級(jí)支流,其多年平均徑流量占渭河多年平均值的23.8%[14],對(duì)渭河特別是其下游具有十分顯著影響。該流域位于黃土高原中部(106°14′—108°42′E,34°46′—37°19′N),流域面積45 421 km2,多年(1952—1996年)平均降水量532.7 mm，徑流量1.80×1010m3,輸沙量2.54×108t[1]。流域內(nèi)水系較發(fā)達(dá),地形支離破碎,溝壑縱橫,是黃土高原水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。20世紀(jì)初期涇河流域梯田面積已達(dá)2.36×105hm2[15],約占該流域總面積的5.12%。

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

SWAT模型的輸入數(shù)據(jù)包括：DEM數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、土地利用空間數(shù)據(jù)以及氣象測站系列數(shù)據(jù)等。DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站(http:∥datamirror.csdb.cn/admin/productdemMain.jsp)。土地利用數(shù)據(jù)源于中國1∶250 000土地覆蓋遙感調(diào)查與監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。土壤數(shù)據(jù)是利用黃土高原地區(qū)1∶500 000土壤圖經(jīng)過流域邊界切割得到的。本文所用氣象數(shù)據(jù)包括1950—2008年實(shí)測的14個(gè)雨量站數(shù)據(jù)、10個(gè)氣象測站的降雨、氣溫、風(fēng)速、相對(duì)濕度日數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

1.3.1 嵌入梯田模塊的SWAT模型建立及梯田的設(shè)置 梯田模塊是邵輝等[6]根據(jù)梯田影響流域水環(huán)境的過程開發(fā)了水土保持梯田措施的過程模型，并成功嵌入SWAT模型當(dāng)中。嵌入后的梯田模塊需要在原有的HRU中定義一個(gè)修建梯田的百分比，即“梯田區(qū)域”。模型還需要定義無梯田區(qū)域(HRU中梯田區(qū)域以外的部分)流入梯田區(qū)域的徑流比例。這個(gè)參數(shù)允許梯田以上的區(qū)域?qū)搅鲄R入梯田參與梯田模擬過程，該參數(shù)也從一定層面反映了梯田位置的變化。另外，模型還需定義梯田單元各坡段的形狀參數(shù)(坡長和坡度)。

涇河流域SWAT模型建立采用ArcSWAT 2009.93.7 b交互界面進(jìn)行。子流域劃分設(shè)定的提取閾值為10 000 hm2，共產(chǎn)生220個(gè)子流域。子流域水文響應(yīng)單元是采用主成分法(Dominant)劃分水文響應(yīng)單元，即每個(gè)子流域?qū)?yīng)一個(gè)HRU，該HRU擁有子流域主要的土地利用方式和土壤類型。

流域內(nèi)梯田類型均設(shè)置為水平梯田，梯田形狀參數(shù)根據(jù)地形圖判讀取平均值。梯田垂直坡向田面平均寬度設(shè)定為15 m，平行坡向梯田長度設(shè)置為150 m，梯田的田埂高度30 cm，梯田的邊坡取75°，梯田內(nèi)無排水設(shè)施以及排水渠道，梯田初始為完好的無泥沙淤積的新修梯田。梯田內(nèi)土壤、土地利用方式、種植方式采用與原有HRU相同的設(shè)置。非梯田流域的徑流匯入比例采用梯田面積的50%確定。

1.3.2 模型率定與驗(yàn)證 涇河流域70年代人類活動(dòng)比較少，選取1968—1979年作為SWAT模型的模擬期間。其中，1968—1969年為模型預(yù)熱期，使模型初始條件更接近于研究區(qū)；1970—1974年作為模型的率定期；1975—1979年作為模型的驗(yàn)證期。模型率定和驗(yàn)證過程直接對(duì)含有梯田流域進(jìn)行模擬，當(dāng)模型達(dá)到精度要求后去除或改變流域內(nèi)梯田面積并模擬對(duì)比流域徑流背景值用于評(píng)價(jià)梯田的調(diào)控效果。

本研究選用的衡量模型徑流模擬精度指標(biāo)有納什系數(shù)(NS>0.5)，相關(guān)系數(shù)的平方(r2>0.6)以及相對(duì)偏差百分比(PBIAS <±25%)。根據(jù)前人SWAT模型在涇河流域及黃土高原地區(qū)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[16-18]，選擇不同研究中對(duì)流域徑流敏感的參數(shù)及其率定范圍進(jìn)行區(qū)域的參數(shù)率定。共選8個(gè)參數(shù)：CN2，SOL_AWC，SLSUBBSN，SOL_K，ESCO，ALPHA_FA，GW_DELAY，SOL_Z。

1.3.3 梯田布置 在含有梯田模塊的SWAT模型率定與驗(yàn)證基礎(chǔ)之上，應(yīng)用其模擬1970—1979年10 a不同梯田面積條件下流域出口景村站徑流量。根據(jù)20世紀(jì)80年代以來的梯田統(tǒng)計(jì)面積，模擬涇河流域景村站以上區(qū)域梯田建設(shè)對(duì)河道徑流及生態(tài)基流保障的影響。同時(shí)，為進(jìn)一步研究梯田面積擴(kuò)大的影響，根據(jù)2000年梯田統(tǒng)計(jì)面積擴(kuò)大2，3，4和5倍分別模擬相應(yīng)梯田條件下河道徑流及生態(tài)基流保障的響應(yīng)，具體梯田模擬情景如表1所示。在模擬過程中相應(yīng)改變梯田模塊的梯田比例：s0為假設(shè)流域內(nèi)無梯田的情景，以情景s0為基準(zhǔn)期，將1989，2000年的情景s1989，s2000與其對(duì)比，獲取流域內(nèi)不同梯田面積對(duì)河道徑流及生態(tài)基流保障的影響。

1.3.4 生態(tài)基流的計(jì)算 生態(tài)基流量是指河流維持基本生態(tài)功能應(yīng)保持的基本流量[19]。確保河流生態(tài)基流量的目的是防止由于河道斷流和流量減少所造成的生態(tài)環(huán)境惡化，以實(shí)現(xiàn)流域及河流生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。涇河流域的河道缺水、高含沙[20]，研究生態(tài)基流的保障對(duì)于改善河道健康，促進(jìn)河道生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定具有重要意義。

表1 景村站以上梯田模擬情景

河流生態(tài)基流的計(jì)算方法很多，選用目前在國內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛Tennant計(jì)算方法。研究表明，多年平均徑流量的10%是保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量[21]。本文采用涇河流域1960—1989年水文站的實(shí)測徑流數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)河段的生態(tài)基流量為5.2 m3/s，以其作為控制指標(biāo)，研究梯田對(duì)生態(tài)基流保障的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定與驗(yàn)證

表2匯總了涇河流域徑流參數(shù)率定結(jié)果，可以看出，涇河流域率定的CN2值相對(duì)于默認(rèn)值減小了25.95%，其值約為60，該取值符合SWAT模型A類水文分組土壤CN值的取值范圍(51～77)，說明該區(qū)域下墊面降雨入滲效果很明顯，區(qū)域地表產(chǎn)流能力很小。

由于ArcSWAT自動(dòng)提取的子流域加權(quán)平均坡長較短(23.9 m)，率定的子流域平均坡長增大了1.8倍，達(dá)到43.10 m。

根據(jù)率定參數(shù)模擬的1970—1979年涇河流域日徑流結(jié)果如圖1所示，其中，1970—1974年為率定期，1975—1979年為驗(yàn)證期。可以看出，模型可較好的反映涇河流域日徑流的變化趨勢。但模型在枯水期有高估流域產(chǎn)流的趨勢。

表2 涇河流域徑流模擬參數(shù)率定結(jié)果

注:率定范圍和結(jié)果中含有正號(hào)或負(fù)號(hào)(“±”、“+”以及“-”)的數(shù)據(jù)代表為相對(duì)增減量，其中含有百分號(hào)(%)的數(shù)值為在原值基礎(chǔ)上相對(duì)增減的比例，其他為相對(duì)增減的絕對(duì)值； 不含正負(fù)號(hào)的數(shù)值為率定的絕對(duì)值。

圖1 涇河流域景村水文站1970-1979年日徑流模擬結(jié)果

由表3可以看出，率定期和驗(yàn)證期的日、月徑流模擬均滿足模型徑流模擬的精度要求。說明嵌入梯田模塊的SWAT模型可用于模擬涇河流域徑流變化過程。

表3 涇河流域景村水文站徑流模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：NS為相關(guān)系數(shù)的平方；r2為納什系數(shù)； PBIAS為偏差百分比； 正值為模擬值偏小，負(fù)值為偏大。

2.2 梯田措施對(duì)河道徑流及生態(tài)基流的影響

2.2.1 對(duì)河道徑流的影響 表4統(tǒng)計(jì)了梯田情景對(duì)涇河流域1970—1979年10 a的年均徑流量的影響。在無梯田情形下(s0)，景村站多年年均徑流量達(dá)到5.57×109m3。隨著梯田面積增加，景村站年均徑流量呈下降趨勢，當(dāng)梯田比例達(dá)到4.76%(s2000)時(shí)，梯田可減少年均徑流8.30×108m3，當(dāng)梯田比例達(dá)到23.68%(s2000X5)時(shí)，年均徑流減少量約是s2000的5倍，基本上與梯田面積擴(kuò)大倍數(shù)相一致。梯田面積增加倍數(shù)和減流倍數(shù)基本一致，其微小差異是由于不同面積梯田影響徑流入滲和蒸發(fā)面的強(qiáng)度產(chǎn)生差異。河道徑流量減少主要是由于梯田增大坡面蒸發(fā)量，增加降雨就地入滲，攔截坡面徑流，減少坡面徑流匯入河道[22]。

表4 梯田措施對(duì)涇河流域年均徑流的影響

注：變化量正值代表增加產(chǎn)流量； 負(fù)值代表減少產(chǎn)流量。

從表4可以看出，當(dāng)梯田面積增大時(shí)，單位面積梯田造成的河道年均徑流變化先增大后減小，但波動(dòng)很小，這是由于梯田模塊是過程模擬，梯田造成了多余的入滲及蒸發(fā)，植物生長也會(huì)相應(yīng)消耗更多的水量，但不呈線性變化所致。景村以上區(qū)域梯田平均減流量約為4.25×104m3/(km2·a)。這與馬春林[23]計(jì)算的渭河流域梯田年均減水4.86×104m3/km2基本一致。

圖2為s0(無梯田)、s2000和s2000X5情景1970—1979年各月平均流量?？梢钥闯?，隨著梯田面積的增加，豐水期(7—9月)月均徑流量呈顯著減小趨勢，枯水或平水期(10—6月)月均徑流量呈現(xiàn)增大趨勢，但變化微弱。由于梯田增加了壤中流和地下基流，枯水期河道流量下降變緩，使得枯水期月平均徑流量增大[24]。以無梯田(s0)為基準(zhǔn)，在s2000X5情景下豐水期月均徑流量減少17.76%，枯水期月均徑流增加10.46%。

圖2 梯田對(duì)涇河流域月均徑流量的影響

圖3為不同梯田面積條件下1970—1979年最枯月月均徑流的模擬結(jié)果。隨著梯田面積的增加，最枯月月徑流量都呈現(xiàn)微弱上升趨勢。當(dāng)梯田比例達(dá)4.76%時(shí)，可增加最枯月徑流2.41%，當(dāng)梯田比例達(dá)到23.68%時(shí)，可增加最枯月徑流量12.06%。

2.2.2 對(duì)河道生態(tài)基流的影響 在計(jì)算景村水文站河道生態(tài)基流的基礎(chǔ)上，在不同梯田情景下模擬景村站的日流量，將其與景村站河段的生態(tài)基流5.2 m3/s進(jìn)行比較，得到1970—1979年不同梯田情景下年(月)均生態(tài)基流不滿足天數(shù)。

圖3 梯田對(duì)涇河流域最枯月月徑流量的影響

圖4為梯田情景對(duì)年生態(tài)基流的影響，由圖可知：無梯田條件下(s0)河道不滿足生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)平均天數(shù)為21.6 d，隨著梯田面積的增加，不滿足生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)逐漸減少。當(dāng)梯田比例達(dá)到4.76%(s2000)，不滿足天數(shù)減少到19.5 d，削減了9.72%；當(dāng)梯田比例達(dá)到23.68%(s2000X5)時(shí)，不滿足生態(tài)基流天數(shù)減了6 d，占無梯田條件下生態(tài)基流不滿足天數(shù)的27.78%。這說明修建梯田雖然減小河道徑流量，但可以降低年生態(tài)基流不滿足天數(shù)，對(duì)生態(tài)基流具有保障作用。

圖4 梯田措施對(duì)涇河流域年生態(tài)基流保障的影響

圖5對(duì)涇河流域不同梯田面積條件下各月不滿足生態(tài)基流天數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。由圖5可見：隨著梯田面積增加，各月份的生態(tài)基流不滿足天數(shù)隨之減少。12，1—3月(枯水期)生態(tài)基流不滿足天數(shù)最為突出。在梯田面積比例分別為0%(s0)，4.76%(s2000)和23.68%(s2000X5)時(shí)，豐水期的生態(tài)基流不滿足天數(shù)分別為：0.7，0.6和0.3 d，平水期的生態(tài)基流不滿足天數(shù)為：1.2，1.0和0.6 d，枯水期的生態(tài)基流不滿足天數(shù)分別為3.4，2.9和2.2 d，梯田面積對(duì)河道生態(tài)基流的影響為:枯水期>平水期>豐水期。

圖5 梯田措施對(duì)涇河流域月生態(tài)基流保障的影響

3 結(jié) 論

(1) 嵌入梯田模塊的SWAT模型在涇河流域日、月徑流模擬適用，可以用于評(píng)價(jià)水土保持梯田措施的水環(huán)境效應(yīng)。本文對(duì)于嵌入梯田模塊的SWAT模型在黃土高原地區(qū)的應(yīng)用具有借鑒意義。

(2) 修建梯田措施能顯著的減少河道徑流。隨著流域內(nèi)梯田面積增加，年產(chǎn)流量減少，平均減流量為4.25×104m3/(km2·a)；豐水期月平均徑流量呈現(xiàn)減小趨勢，枯水期月平均徑流量呈現(xiàn)增大趨勢，梯田具有顯著的蓄洪補(bǔ)枯作用，且梯田對(duì)豐水期的調(diào)控效果高于枯水期；最枯月徑流的增加對(duì)保障涇河流域河道生態(tài)基流具有重要作用。

(3) 修建梯田措施對(duì)生態(tài)基流具有保障作用。以Tennant法計(jì)算的景村河段的生態(tài)基流5.2 m3/s作為生態(tài)基流保障目標(biāo)，隨著梯田面積的增加，年、月生態(tài)基流不滿足天數(shù)呈降低趨勢；相對(duì)于無梯田條件下，流域內(nèi)梯田比例達(dá)到23.68%時(shí)，可削減年生態(tài)基流不滿足天數(shù)27.28%；梯田面積對(duì)河道生態(tài)基流的影響為：枯水期>平水期>豐水期。

總之，梯田具有顯著的蓄洪補(bǔ)枯作用，對(duì)于流域河道徑流、尤其是生態(tài)基流保障具有重要意義，同時(shí)嵌入梯田模塊的SWAT模型可用于研究流域梯田對(duì)水環(huán)境的影響。

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Effects of Terrace on Runoff and Ecological Base Flow of Jinghe Watershed in Loess Plateau Region

LI Juan1, GAO Jian’en1,2,3, ZHANG Yuan xing2, SHAO Hui4

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 4.DepartmentofGeography,UniversityofGuelph,Guelph,N1G1V4,Canada)

[Objective] The objective of this study is to quantitatively analyze the effects of terrace on river runoff and ecological basic flow(EBF) of Jinghe watershed in Loess Plateau region， to provide theoretical supports for construction of terraces in the watershed. [Methods] The process-based terrace algorithm was developed based on soil and water assessment tool(SWAT) model to simulate river runoff. [Results] The developed model satisfied the accuracy requirements in runoff simulation. With the increase of terrace area, annual runoff and number of days when runoff less than EBF were reduced, and the security level of EBF enhanced dramatically. Terrace could reduce runoff by as much as 4.25×104m3/(km2·a). Moreover, terrace could adjust the flood and runoff, and this adjustment effect on runoff in wet season was higher than that in dry season. The effects of terrace on EBF showed as: dry season >the normal season >the wet season. [Conclusion] The newly developed terrace algorithm is satisfactory in simulating daily runoff in Jinghe watershed. Increasing terraced area is an effective way to adjust runoff in both wet and dry seasons, and guarantee EBF.

Jinghe watershed; terrace; runoff; ecological basic flow

2014-07-14

2014-07-27

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題“黃土丘陵溝壑區(qū)水土保持與高效農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)集成示范”(2011 BAD31B05); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“復(fù)雜下墊面暴雨徑流侵蝕相似性模擬試驗(yàn)研究”(41371276); 國家科技重大專項(xiàng)課題 (2009ZX07212-002-003-002)

李娟(1988—),女(漢族),陜西省寶雞市人,碩士研究生,研究方向?yàn)榱饔蚬芾怼?E-mail:lijuan19881019@126.com。

高建恩(1962—),男(漢族),山西省運(yùn)城市人,博士,研究員,主要從事水土資源利用與流域治理研究。 E-mail:gaojianen@126.com。

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1000-288X(2015)05-0106-05

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