高學(xué)睿 閆程晟 王玉寶 趙西寧 趙 旗 吳普特
(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)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院, 陜西楊凌 712100;3.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室, 陜西楊凌 712100)
干旱缺水和水土流失是制約黃土高原經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)的重要因素[1]。黃土高原降水少、蒸發(fā)大,地表水資源十分匱乏[2],深厚黃土層所形成較深的包氣帶使得地下水埋藏較深[3-4]。雨水資源的高效利用是有效應(yīng)對黃土高原水資源匱乏問題唯一可行的技術(shù)手段[5-6]。目前,黃土高原地區(qū)雨水資源化的調(diào)控技術(shù)側(cè)重于點尺度技術(shù)研發(fā)推廣,且已較為成熟,如動力攔截技術(shù)、就地入滲技術(shù)、徑流蓄存技術(shù)以及集蓄灌溉技術(shù)等[7-8]。而針對大尺度雨水資源利用潛力的評估研究還很薄弱[9]。雨水資源化潛力指數(shù)是有效、準(zhǔn)確評價區(qū)域雨水資源的方法之一。馮浩等[10]認(rèn)為,雨水資源化潛力可以分成3個層次:①理論潛力,即降落到研究區(qū)的雨水資源總量。②現(xiàn)實潛力,即現(xiàn)有雨水利用技術(shù)條件下已被利用的雨水資源量。③可以實現(xiàn)的潛力,即流域內(nèi)可達(dá)到的最大雨水資源使用量以及現(xiàn)實潛力。ZHAO等[11]認(rèn)為,由于黃土高原深厚的包氣帶,地下水既難以得到補(bǔ)充,也難以被開發(fā)利用,所以黃土高原地區(qū)雨水資源化潛力可以不包括地下水增量部分。高曉東等[12]從黃土高原小流域的土壤水時空變異角度出發(fā),通過數(shù)理統(tǒng)計手段評價黃土丘陵區(qū)小流域的雨水資源化潛力,但小流域的評價方法難以在大流域直接使用。ZHANG等[8]首次將分布式水文模型VIC模型應(yīng)用到黃土高原,并按照50 km×50 km的空間單元計算黃土高原地區(qū)的雨水資源化潛力,從而實現(xiàn)了對研究區(qū)雨水資源化潛力空間分布和時間變化規(guī)律的量化分析。但上述研究空間分辨率過大,因此導(dǎo)致雨水資源化潛力的模擬精度不理想。
在氣候變化和下墊面變化的共同影響下,氣象和水文要素的時空分布規(guī)律均發(fā)生了較大變化[13-15],即氣候變化和人類活動對自然水文過程產(chǎn)生較大影響。而目前雨水資源化潛力的評估方式和工具還不完善,建立適用于變化環(huán)境下的雨水資源化潛力計算方法和模型工具具有重要意義[16-17]。本文引入分布式水文模型,以自然流域為基本計算單元,提高模型的空間分辨率,構(gòu)建適用于黃土高原地區(qū)、具有物理成因機(jī)制的分布式雨水資源化潛力評估模型,定量評估區(qū)域雨水資源化潛力,為開展變化環(huán)境下黃土高原雨水資源高效利用提供堅實的技術(shù)支撐。
黃土高原地處內(nèi)陸,全區(qū)面積約為64萬km2。全域大部分區(qū)域覆蓋深厚的黃土層,最厚處達(dá)200 m以上,是世界著名的干旱區(qū)和水土流失區(qū)[9]。其中黃河河口鎮(zhèn)至龍門段(河龍區(qū)間)坐落于黃河流域中部,東西窄南北長[18],屬于黃土高原典型的溝壑丘陵區(qū),面積約11.2萬km2,是黃土高原水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域之一[19]。河龍區(qū)間包含延安市、榆林市、呂梁市等行政區(qū),農(nóng)林業(yè)較發(fā)達(dá),高效的水土資源利用、各項水土保持措施極大地改變了區(qū)域下墊面[7]。黃土高原河龍區(qū)間的空間分布如圖1所示。
圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of study area
雨水資源的高效利用是緩解黃土高原干旱缺水和水土流失的關(guān)鍵所在,而雨水資源化潛力的定量評估是高效利用當(dāng)?shù)赜晁Y源的關(guān)鍵。對于一般地區(qū)而言,雨水資源總量應(yīng)為全部降水量,而雨水資源化潛力應(yīng)包含由降水經(jīng)下墊面再分配過程轉(zhuǎn)換而來的地表徑流、土壤有效水和地下水3部分。然而,黃土高原農(nóng)業(yè)用水主要以降水補(bǔ)給為主,井灌面積較小,并且降水向地下水的補(bǔ)給水分微弱,目前針對黃土高原雨水資源化潛力的內(nèi)涵和組成已經(jīng)達(dá)成了基本共識[5],即雨水資源化潛力主要由一定時間段內(nèi)由降水產(chǎn)生的地表徑流和下墊面土壤有效水的增量兩部分組成,因此對雨水資源化潛力計算中可以不重點考慮地下水[8]。通過以上分析表明,黃土高原雨水資源化潛力應(yīng)為每次降水后所產(chǎn)生的地表徑流和下滲到土壤的有效水含量之和[11,20-21],公式為
(1)
式中 ΔS——每次降水事件后土壤有效水凈增量,mm
Ss——降雨事件開始前土壤有效水含量,mm
Se——降水事件結(jié)束后土壤有效水含量,mm
(2)
式中P——雨水資源化潛力,mm
R——地表徑流量,mm
i——降水事件次序j——子流域編號
m——研究時段內(nèi)降水的次數(shù)
n——研究區(qū)子流域數(shù)量
本研究所采用的水文模型是由美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心(USDA-ARS)開發(fā)的流域尺度的半分布式水文模型(Soil water assessment tool,SWAT)[22]。該模型基于物理過程對水流驗算、泥沙運(yùn)移等過程進(jìn)行模擬,具有運(yùn)算效率高、可以連續(xù)長時間模擬等優(yōu)點[23]。在構(gòu)建SWAT分布式水文模型過程中,本研究需收集的數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)表1資料建立SWAT模型,所建立的SWAT模型可以在水文響應(yīng)單元以及子流域兩個空間尺度上輸出土壤有效水含量以及地表徑流量,根據(jù)式(1)和式(2)計算出各子流域上的土壤有效水凈增量以及雨水資源化潛力。
表1 河龍區(qū)間數(shù)據(jù)資料清單Tab.1 Data of Helong region
為了進(jìn)一步探索影響河龍區(qū)間雨水資源的主要因素是氣候變化還是人類活動,區(qū)分氣候變化和土地利用/覆蓋變化對研究區(qū)雨水資源化潛力的影響貢獻(xiàn)率,本研究設(shè)置3種情景:①以退耕還林(草)工程實施年份(1999年)為界,定義1980—1999年為基準(zhǔn)情景(S1),代表雨水資源化潛力的歷史平均水平,利用1980年的土地利用/覆蓋和1980—1999年的氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動水文模型。②將變化情景1(S2)定義為黃土高原退耕還林(草)之后氣候發(fā)生變化,而土地利用沒發(fā)生變化的假設(shè)情景,以1980年的土地利用/覆蓋和2001—2015年的氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動水文模型。③將變化情景2(S3)定義為黃土高原退耕還林(草)之后氣候發(fā)生變化,土地利用/覆蓋也發(fā)生變化的情景,以2010年的土地利用/覆蓋和2001—2015年的氣象觀測數(shù)據(jù)驅(qū)動水文模型。
在此基礎(chǔ)上,研究區(qū)氣候變化和土地利用對雨水資源潛力的影響貢獻(xiàn)率的量化公式為
ΔPL=PS3-PS2
(3)
ΔPC=PS2-PS1
(4)
ΔP=|ΔPL|+|ΔPC|
(5)
(6)
(7)
式中 ΔPL——雨水資源化潛力受土地利用影響的變化量,mm
ΔPC——雨水資源化潛力受氣候變化影響的變化量,mm
PS1——S1情景下多年的平均雨水資源化潛力,mm
PS2——S2情景下多年的平均雨水資源化潛力,mm
PS3——S3情景下多年的平均雨水資源化潛力,mm
ΔP——雨水資源化潛力變化總量,mm
μL——土地利用變化對雨水資源化潛力變化的影響貢獻(xiàn)率,%
μC——?dú)夂蜃兓瘜τ晁Y源化潛力變化的影響貢獻(xiàn)率,%
本文所使用的趨勢檢驗方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計方法,該方法在水文氣象研究當(dāng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,能夠檢驗?zāi)骋蛔兞窟^程是否存在突變趨勢。Mann-Kendall(MK)檢驗統(tǒng)計量K計算公式為[24]
(8)
其中
(9)
式中k——數(shù)據(jù)點的數(shù)量
xa、xb——時間序列a、b中的數(shù)值
方差計算公式為
(10)
式中tc——第c個數(shù)對應(yīng)的捆綁值
l——捆綁值的數(shù)量
本研究觀測值連續(xù)且樣本數(shù)量k>10,因此標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)檢驗統(tǒng)計量計算公式為
(11)
Z值代表標(biāo)準(zhǔn)正常試驗統(tǒng)計量,當(dāng)其為正時表示數(shù)列有增加趨勢,為負(fù)時則表示有減少趨勢。趨勢檢驗在給定的α置信水平上進(jìn)行,如果|Z|≥Z1-α/2,則原假設(shè)不可接受。當(dāng)|Z|>1.28,則表明數(shù)列通過90%置信度的顯著性檢驗;當(dāng)|Z|>1.64,則表明數(shù)列通過95%置信度的顯著性檢驗;當(dāng)|Z|>2.32,則表明數(shù)列通過99%置信度的顯著性檢驗。
選擇研究區(qū)內(nèi)2個黃河干流上的站點以及4個子流域徑流資料對水文模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗證,站點分別為龍門站、府谷站、安塞站、綏德站、溫佳川站、大寧站。校準(zhǔn)期為1981—1985年,驗證期為1986—1990年。使用SWAT-CUP軟件中的自動校準(zhǔn)方法設(shè)定適合黃土高原的參數(shù)范圍,對模型進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)和模擬結(jié)果的驗證,自動校準(zhǔn)的取值范圍及最終參數(shù)取值結(jié)果如表2所示。
SWAT-CUP軟件根據(jù)水量平衡原理自動對水文站徑流的模擬和實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,同時選取最優(yōu)參數(shù)系列,并計算最優(yōu)參數(shù)下的模擬值和實測值的納什效率系數(shù)Ns和決定系數(shù)。針對上述6個站點,模型校準(zhǔn)期和驗證期的模擬結(jié)果如圖2所示,兩個黃河干流站點模擬效果好,其他大部分站點的模擬值與實測值吻合度較好。模型預(yù)測的評價系數(shù)滿足評價標(biāo)準(zhǔn),模型模擬結(jié)果能夠為研究區(qū)域水資源合理利用提供有效的參考價值。
表2 模型率定參數(shù)范圍及參數(shù)最優(yōu)值Tab.2 Optimal simulation parameters and parameter range
圖2 模型率定和驗證結(jié)果Fig.2 Results of model calibration and verification
在氣候變化導(dǎo)致年均降水量逐漸上升和退耕還林(草)工程實施的雙重背景下,河龍區(qū)間雨水資源化潛力將不可避免地出現(xiàn)劇烈變化。圖3為1980—2015年河龍區(qū)間年平均雨水資源化潛力的時間變化趨勢。由圖可知,研究區(qū)地表徑流量、土壤有效水增量以及雨水資源化潛力三者均呈上升趨勢。其中,地表徑流量上升速率為0.366 3 mm/a,土壤有效水增量上升速率為0.554 6 mm/a,雨水資源化潛力的上升趨勢最為明顯,達(dá)到了0.920 9 mm/a。同時,圖3表明土壤有效水增量是雨水資源化潛力的主要構(gòu)成因素,其原因是黃土高原地區(qū)土質(zhì)松軟、吸水性強(qiáng),因此在分析黃土高原水資源狀況時土壤有效水是不可或缺的一部分。
圖3 河龍區(qū)間雨水資源化潛力變化趨勢Fig.3 Trends of rainwater harvesting potential in Helong Region
圖4 地表徑流量、土壤有效水增量和雨水資源化空間趨勢分布Fig.4 Spatial trend distributions of surface runoff, soil water incremental and rainwater harvesting potential
通過計算各子流域多年平均地表徑流量及土壤有效水增量,并通過式(8)~(10)進(jìn)行MK檢驗,檢測1980—2015年河龍區(qū)間每個子流域的地表徑流量、土壤有效水增量及雨水資源化潛力的變化趨勢,用以分析河龍區(qū)間地表徑流量、土壤有效水增量以及雨水資源化潛力的空間分布及趨勢變化規(guī)律。如圖4a所示,河龍區(qū)間地表徑流量主要呈中部較少、南北方向較多的分布規(guī)律,年均地表徑流為25.5 mm。圖4b為研究區(qū)土壤有效水增量的空間分布情況,呈東南向西北地區(qū)遞減的變化趨勢,年均土壤有效水增量為241.7 mm。圖4c則反映了河龍區(qū)間雨水資源化潛力的空間分布情況,與土壤有效水增量的空間分布及趨勢變化情況類似,河龍區(qū)間雨水資源化潛力在空間上呈由東南向西北遞減趨勢,多年平均可利用潛力超過267 mm,雨水資源化潛力最大值為307.97 mm。
如圖4a所示,河龍區(qū)間西北大部分子流域的年均地表徑流量通過了95%的置信水平,呈顯著上升的趨勢,南部地區(qū)則呈顯著下降趨勢,其余地區(qū)MK趨勢檢驗的Z值均在[-1.64,1.64]區(qū)間內(nèi),未表現(xiàn)出顯著的變化趨勢,但是大體上呈現(xiàn)南部下降北部上升的趨勢。從圖4b可以發(fā)現(xiàn),大部分子流域土壤有效水增量都呈現(xiàn)上升趨勢,其中河龍區(qū)間東部以及西南部子流域有顯著上升趨勢,西部個別子流域呈顯著下降趨勢。圖4c表明河龍區(qū)間大部分子流域的雨水資源化呈上升趨勢,其中北部、中部部分地區(qū)上升趨勢顯著,南部極少部分子流域下降趨勢顯著。通過對比發(fā)現(xiàn),雨水資源化潛力變化趨勢與土壤有效水增量變化趨勢相似,但具有顯著性變化子流域的個數(shù)有所不同。這也進(jìn)一步說明了土壤有效水是黃土高原雨水資源化潛力的主要組成部分,同時隨著氣候變化和人類活動,河龍區(qū)間雨水資源有總體增長的趨勢。
采用情景分析法進(jìn)一步探索影響河龍區(qū)間雨水資源的主要因素是氣候變化還是人類活動。具體情景設(shè)定按照1.4節(jié)設(shè)置3個情景:基準(zhǔn)期(S1)、氣候變化情景(S2)、土地利用/覆蓋變化情景(S3)。表3列出了基準(zhǔn)期(S1)、變化情景1(S2)和變化情景2(S3)下對應(yīng)的地表徑流量、多年平均土壤有效水增量以及雨水資源化潛力的計算結(jié)果。氣候和土地利用/覆蓋變化對雨水資源化潛力的影響貢獻(xiàn)率分析結(jié)果根據(jù)1.4節(jié)貢獻(xiàn)率計算方法計算。
通過對比分析,氣候變化對土壤有效水增量和地表徑流量均為積極影響,即在土地利用不變的情況下,研究區(qū)僅受氣候變化影響時土壤有效水增量和地表徑流量均增多。其中多年平均土壤有效水增量增加30.9 mm,多年平均地表徑流量增加14.8 mm,多年平均雨水資源化潛力增加45.7 mm。土地利用/覆蓋變化對土壤有效水增量和地表徑流量均為消極影響,即在氣候不變的情況下,研究區(qū)僅受土地利用變化影響時土壤有效水增量和地表徑流量均減少。其中多年平均土壤有效水增量減少18.0 mm,多年地表徑流量減少8.4 mm,多年平均雨水資源化潛力減少26.4 mm?;谑?3)~(7)貢獻(xiàn)率計算方法,氣候變化對雨水資源化潛力變化的貢獻(xiàn)率為63.4%,且為正影響;土地利用/覆蓋變化對雨水資源化潛力變化的貢獻(xiàn)率為-36.6%,為負(fù)影響。由此可以看出,在2000—2015年氣候變化和土地利用/覆蓋變化共同影響的時期,氣候變化對流域內(nèi)雨水資源化潛力的變化起到主導(dǎo)作用,而土地利用/覆蓋變化的影響稍弱。計算結(jié)果表明,在2000年以后氣候變化增加了當(dāng)?shù)赜晁Y源,這與該時間段降雨量增長有密不可分的關(guān)系。但增加的雨水資源又會被人類活動帶來的土地利用/覆蓋變化削弱,使得雨水資源增長程度減小。因此,要時刻關(guān)注黃土高原地區(qū)人類活動所帶來的影響,提高雨水收集利用率,發(fā)展雨水收集、精準(zhǔn)灌溉技術(shù),更好地利用河龍區(qū)間的雨水資源。
表3 氣候變化和土地利用對雨水資源化潛力的影響貢獻(xiàn)率Tab.3 Contribution rate of climate change and land use to rainwater harvesting potential
植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,在水土保持、調(diào)節(jié)大氣成分以及減緩溫室氣體濃度上升和維持氣候穩(wěn)定等方面具有不可替代的作用,地表植被覆蓋變化對地理環(huán)境將產(chǎn)生巨大影響[25-26]。為探究河龍區(qū)間植被恢復(fù)情況,利用2000年和2015年9月1日的NDVI數(shù)據(jù)及雨水資源化潛力數(shù)據(jù),分析計算退耕還林(草)工程實施以來NDVI和雨水資源化潛力的變化情況,并采用GIS工具表征其空間格局。
如圖5a所示,自退耕還林(草)以來,河龍區(qū)間大部分地區(qū)NDVI年均值呈現(xiàn)增長趨勢,個別地區(qū)NDVI年均值有所下降,且研究區(qū)域北部較為集中。全區(qū)近一半?yún)^(qū)域NDVI變化率大于40%,這表明2000—2015年間研究區(qū)大部分區(qū)域植被覆蓋狀況顯著好轉(zhuǎn)。同樣的,自退耕還林(草)政策實施以來,研究區(qū)雨水資源化潛力也發(fā)生了大幅度波動。如圖5b所示,河龍區(qū)間南部部分子流域有下降趨勢,而中部和北部則呈現(xiàn)出大范圍的上升趨勢,中部地區(qū)上升超過了200%??傮w來看,河龍區(qū)間雨水資源化潛力呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。圖6為研究期間NDVI年均值與雨水資源化潛力的散點圖。由圖可見,兩者的決定系數(shù)為0.554,擬合程度一般,但呈正相關(guān)關(guān)系。
圖5 退耕還林(草)工程實施后NDVI變化率與雨水資源化潛力變化率空間分布Fig.5 Spatial distributions of NDVI and rainwater harvesting potential changing trend after GFG Project
圖6 雨水資源化潛力與NDVI相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis between rainwater harvesting potential and NDVI
植被和水的相互作用關(guān)系是水文學(xué)領(lǐng)域極為重要的研究內(nèi)容。在我國長江流域和黃河流域的研究表明,在氣候濕潤的長江流域,植被覆蓋較好區(qū)域的產(chǎn)流量大于少林或無林流域;在干燥旱區(qū)的黃河流域,林木生長勢必引起蒸騰、蒸發(fā)量的增加,區(qū)域產(chǎn)流量減小[27]。本研究發(fā)現(xiàn)在氣候變化的背景下,植被覆蓋和雨水資源化潛力存在一定的相關(guān)關(guān)系,但雨水資源化潛力實際上受多種因素的影響,植被覆蓋只是其中的一項。雨水資源化潛力的增加又為植被提供更好的生長環(huán)境,目前黃土高原退耕還林(草)是否可持續(xù)還存在爭議。通過前文的分析可以發(fā)現(xiàn),在氣候變化的背景下,黃土高原雨水資源較為充足,可以滿足現(xiàn)狀條件下區(qū)域生態(tài)恢復(fù)用水需求。
大規(guī)模植被恢復(fù)實施后,黃土高原植被覆蓋狀況得到了明顯改善,大部分區(qū)域植被恢復(fù)效果顯著。植被恢復(fù)一方面對于減緩?fù)寥狼治g、控制水土流失有著積極的作用[28],但另一方面,又會造成區(qū)域耗水量的急劇增加,進(jìn)一步加劇區(qū)域水資源短缺現(xiàn)狀[3]。近年來隨著氣候變化,暴雨頻率增加,更加需要植被來保持水土。同時總的降雨量也在增加,使得黃河中游地區(qū)雨水資源化有上升趨勢[29]。若采取合理的工程技術(shù)措施對地表徑流和土壤有效水進(jìn)行調(diào)控利用,可最大程度發(fā)揮退耕還林(草)工程的效益,同步緩解干旱缺水與水土流失的問題。
本研究利用水文模型來計算雨水資源化潛力可以提高計算的精度,但由于水文模型本身存在一定的不確定性,因此帶來雨水資源化潛力計算的不確定性:①由模型經(jīng)驗公式帶來的不確定性。SWAT模型為半分布式水文模型,模型內(nèi)部引用的部分公式為經(jīng)驗公式,不一定適合黃土高原地區(qū)。②氣候變化和土地利用變化單獨(dú)考慮帶來的不確定性,然而事實上氣候變化可以影響植被生長、人類活動、土地利用/覆蓋的變化等,人類活動又反過來會導(dǎo)致氣候變化。在模型當(dāng)中將兩者獨(dú)立考慮可能會帶來貢獻(xiàn)率計算的偏差。③黃土高原地區(qū)植被恢復(fù)的不確定性。近20年,黃土高原植被得到了很好的恢復(fù),這極大地改變了下墊面要素。單從土地利用/覆蓋變化來描述植被恢復(fù)不夠準(zhǔn)確,需要從植被生長、生態(tài)水文的角度考慮問題。
(1)構(gòu)建了黃河流域河龍區(qū)間的SWAT模型,并將雨水資源化潛力的計算方法與模型相結(jié)合,在水文響應(yīng)單元以及子流域兩個空間尺度上計算出雨水資源化潛力,為評估雨水資源化潛力提出了新方法。
(2)在氣候變化和人類活動的雙重背景下,黃河流域河龍區(qū)間的地表徑流量、土壤有效水增量和雨水資源化潛力均呈現(xiàn)上升趨勢。通過MK檢驗和空間趨勢分布發(fā)現(xiàn),由于氣候變化和人類活動的雙重影響,河龍區(qū)間大部分子流域雨水資源有增長趨勢,河龍區(qū)間雨水資源較為充足,可以滿足現(xiàn)有條件下區(qū)域生態(tài)恢復(fù)的用水需求。
(3)利用情景分析法和貢獻(xiàn)率計算法得出,氣候變化對雨水資源化潛力變化的貢獻(xiàn)率為63.4%,對雨水資源化起正影響作用;土地利用/覆蓋變化對雨水資源化潛力變化的貢獻(xiàn)率為-36.6%,為負(fù)影響。氣候變化增加了當(dāng)?shù)赜晁Y源,但這種增長又會被人類活動削弱。因此,要時刻關(guān)注人類活動所帶來的影響,提高雨水收集利用率,更好地利用河龍區(qū)間的雨水資源。