張洪波, 支童, 衛(wèi)星辰, 黨池恒, 夏巖, 高文冰

(1.長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054; 2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054;3.中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院,陜西 西安 710021; 4.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710021)

近年來,降水、氣溫等氣候要素的趨勢性變化以及極端事件(干旱、暴雨)發(fā)生頻率與強(qiáng)度的變化,對流域水文循環(huán)過程造成了一定的影響,同時大規(guī)模水利工程建設(shè)、水土保持和植樹造林工程、直接取用水等人類活動也在加劇流域下墊面的改變,影響流域截留、入滲、蒸散發(fā)、徑流等產(chǎn)匯流過程[1],從而顯著減少了流域地表徑流量及其動能和勢能[2]。如在我國黃河中游的黃土高原區(qū),退耕還林還草政策的實(shí)施,使得1999—2010年間黃土高原累計(jì)造林面積達(dá)到1 890.6×104hm2 [3]。有研究表明,2000—2014年黃土高原植被覆蓋指數(shù)持續(xù)顯著增大,增速達(dá)6.93%/(10 a)(P<0.01)[4]?？梢?“黃土高原變綠”已成為不爭的事實(shí)。然而數(shù)據(jù)顯示,在近50年來，黃土高原區(qū)生態(tài)效應(yīng)顯著提高的同時,黃河流域的徑流量卻呈現(xiàn)銳減趨勢[5]。對比1956—2000年與2001—2017年兩個不同時期,可發(fā)現(xiàn)黃河中游后一時期的平均降水量比前一時期增加了僅3.1%,但地表水資源量卻減少了21%[6]。由此可見,降水因素并不是造成黃河水資源大幅減少的直接原因,黃土高原林草植被改善和大規(guī)模梯田淤地壩的運(yùn)用應(yīng)該是造成徑流量顯著減少且不容忽視的影響因素。

有關(guān)土地利用/覆被變化水文效應(yīng)的研究自20世紀(jì)90年代興起,重點(diǎn)對焦變化環(huán)境下的水循環(huán)問題。由于該問題的復(fù)雜性與交叉性,目前乃至未來幾十年仍將是全球研究的熱點(diǎn)和前沿問題[7]。對于黃河徑流演變及其與變化環(huán)境的關(guān)系,國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量的研究,其方法可主要?dú)w納為3類,即趨勢分析法、水文模型法和概念性方法[8]。趨勢分析法?；趶搅骱陀绊懸蛩氐幕貧w關(guān)系,例如累積量斜率變化率比較法和雙累積曲線法[9-10];水文模型法主要依托集總式水文模型和分布式水文模型[11-12];而概念性方法多基于Budyko假設(shè)和Tomer-Schilling框架展開,如彈性系數(shù)法和水文敏感性分析法等[13-14]。其中,分布式水文模型憑借其較強(qiáng)的物理機(jī)制,已廣泛應(yīng)用于流域徑流過程模擬及對環(huán)境要素的響應(yīng)分析中。SWAT模型是典型的分布式水文模型之一[15],在我國多個流域都取得了較好的應(yīng)用效果。但由于黃土高原地區(qū)的地下水補(bǔ)給較為強(qiáng)烈,基流量占到了徑流總量的50%～80%,而傳統(tǒng)的SWAT模型又在地下水模擬方面能力略顯不足,故在該地區(qū)的應(yīng)用相對有限。為解決這一問題,本文擬引入在地下水模擬方面表現(xiàn)較為出色的MODFLOW模型,通過構(gòu)建SWAT-MODFLOW地表水-地下水耦合模型,彌補(bǔ)地表水模型主要對地表及非飽和土層中水流運(yùn)動過程進(jìn)行模擬,而對含水層中的水流運(yùn)動過程簡單處理(一般基于水量平衡和簡單調(diào)蓄作用來計(jì)算)的缺點(diǎn),同時規(guī)避地下水模型在模擬土壤水下滲過程(包括水流在包氣帶、潛水層及承壓水層中的運(yùn)動)中涉及與地表水的交換過程時,對交換水量的計(jì)算往往采用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行簡單計(jì)算的不足。通過對黃河中游區(qū)徑流過程的模擬,重點(diǎn)探索“黃土高原變綠”情況下氣候和下墊面對流域水文系統(tǒng)的關(guān)鍵性驅(qū)動過程,為變化環(huán)境下的流域水資源管理和水安全保證提供技術(shù)支持與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

延河是黃河中游的一級支流,也是陜北黃土丘陵溝壑區(qū)的重要水源,其重要性不言而喻。受氣候變化、人類取用水活動以及“黃土高原變綠”的影響,延河的徑流量呈現(xiàn)逐年減少趨勢[16]。鑒于此,本文以黃河中游區(qū)延河流域延安水文站以上控制流域以及西川河子流域?yàn)檠芯繀^(qū),通過模擬1964—2019年杏河站、安塞站、棗園站和延安站4個水文站的近天然徑流(即徑流不受人類活動直接或間接的影響)和高原變綠條件下的自然徑流(即徑流僅受間接人類活動引起的下墊面變化的影響,而不受人類直接取用水活動的影響),研究“黃土高原變綠”對流域徑流過程的影響,旨在為變化環(huán)境下的流域水資源評價與科學(xué)管理提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

延河發(fā)源于靖邊縣天賜灣鄉(xiāng)周山,由西北向東南流經(jīng)志丹、安塞、延安區(qū)域,最終于延長縣南河溝涼水岸附近注入黃河。流域地勢西北高、東南低,水系結(jié)構(gòu)呈樹枝狀。徑流年內(nèi)分配不均勻,主要集中于夏季(6—9月),冬季徑流最少。延河流域?qū)僦袦貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候,年平均氣溫8.8 ℃,年平均降水量505 mm[17]。

本文研究區(qū)為延河流域延安水文站以上流域及其一級支流西川河流域(以下簡稱延河流域)。延安水文站的控制流域面積為3 188 km2,多年平均徑流量為1.21×108m3。棗園水文站位于西川河下游,系流域控制站,控制流域面積為713.2 km2,多年平均徑流量為0.22×108m3。研究區(qū)水系分布及各水文站點(diǎn)位置如圖1所示。

采用的數(shù)據(jù)資料主要包括:30 m分辨率的數(shù)字高程模型(DEM,來源于地理空間數(shù)據(jù)云);1 km分辨率的全國4期土地利用類型數(shù)據(jù)(19世紀(jì)70年代末、1995年、2005年、2015年,來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心);土壤類型空間分布數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)(來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫,HWSD);延安站、靖邊站、橫山站、綏德站、延長站1962—2019年的氣象數(shù)據(jù)(日降水量、日最高/最低氣溫、日平均風(fēng)速、日相對濕度,來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集);杏河站(1959—2016年)、安塞站(1981—2016年)、棗園站(1971—2014年)、延安站(1959—2014年)的實(shí)測日徑流數(shù)據(jù)(來源于黃河水利委員會水文數(shù)據(jù)年鑒)。

圖1 研究區(qū)水系分布及站點(diǎn)位置

2 研究方法

SWAT-MODFLOW耦合模型是目前較為流行的地表水-地下水耦合模擬模型,具有輸入數(shù)據(jù)量小、易獲取、耦合操作簡單等優(yōu)點(diǎn),已受到國內(nèi)外水資源領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注[18-20]。該模型是由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)出的SWAT模型和美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的MODFLOW模型耦合而成。其特點(diǎn)在于充分利用了MODFLOW模型在地下水?dāng)?shù)值模擬與SWAT在地表水?dāng)?shù)值模擬方面的優(yōu)勢,通過GIS以數(shù)據(jù)共享的方式將其耦合,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,不僅大大提高了水資源模型的模擬精度,也大大降低了耦合操作的難度。

2.1 SWAT模型

SWAT模型屬于典型的分布式水文模型[21],主要應(yīng)用數(shù)值分析來建立相鄰水文響應(yīng)單元(HRUs)之間的時空關(guān)系,即在每個HRU上應(yīng)用傳統(tǒng)的概念性模型來推求凈雨,再進(jìn)行匯流演算,最后模擬出口斷面的流量過程[22]。

基于SWAT的流域水文過程模擬主要涉及水循環(huán)的陸面部分和水面部分。陸面部分(即產(chǎn)流和坡面匯流)主要控制各子流域內(nèi)主要河道水的輸入量。水面部分(即河道匯流)決定水由河網(wǎng)向流域出口的輸移過程。其模型水文循環(huán)模擬簡易單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SWAT模型水文循環(huán)簡易單元結(jié)構(gòu)

SWAT模型的水文模擬模塊主要基于水量平衡方程:

(1)

式中:SWt為土壤最終含水量,mm;SW0為第i天的土壤初始含水量,mm;Rday為第i天的降水量,mm;Qsurf為第i天的地表徑流量,mm;Ea為第i天的蒸散發(fā)量,mm;Wseep為第i天離開土壤剖面底部的滲透水流和旁通水流的水量,mm;Qgw為第i天的回歸流水量,mm。

其中,水循環(huán)的陸面部分主要包括地表徑流計(jì)算、壤中流計(jì)算、地下水計(jì)算和蒸發(fā)計(jì)算,其中地表徑流計(jì)算一般采用SCS徑流曲線法[23],入滲采用存儲演算方法計(jì)算,地下水計(jì)算應(yīng)用潛水和承壓水的水量平衡方程,潛在蒸發(fā)能力一般采用Penman-Monteith法[24]。水循環(huán)的水面部分多采用曼寧公式和馬斯京根法進(jìn)行匯流計(jì)算。

2.2 SWAT-MODFLOW模型

SWAT-MODFLOW耦合模型的基本過程是通過水文響應(yīng)單元(HRUs)和有限差分網(wǎng)格(Cells)之間的映射關(guān)系,將SWAT模擬的深層入滲量作為面狀補(bǔ)給分配到MODFLOW模型的相應(yīng)網(wǎng)格單元上,以作為地下水模擬的邊界條件。同時,將MODFLOW模型所計(jì)算出的地下水排泄量,通過映射關(guān)系添加到SWAT模型的相應(yīng)子流域流量中,從而實(shí)現(xiàn)SWAT模型與MODFLOW模型之間的數(shù)據(jù)雙向傳遞和耦合。

SWAT-MODFLOW耦合模型主要通過QGIS軟件的QSWATMOD插件來實(shí)現(xiàn)。2017年,Seonggyu Park和Ryan T Bailey采用FORTRAN語言編寫并開發(fā)了SWAT模型與MODFLOW模型的耦合程序,即“SWAT-MODFLOW.exe”,QSWATMOD插件則正是基于這個耦合程序而創(chuàng)建的。

2.3 模型校準(zhǔn)

SWAT模型通常采用SWAT-CUP實(shí)施模型校準(zhǔn)。SWAT-CUP是由瑞士聯(lián)邦水質(zhì)科學(xué)技術(shù)研究所專門針對SWAT模型開發(fā)的,實(shí)現(xiàn)了自動參數(shù)率定,可給出最優(yōu)參數(shù)值和最優(yōu)參數(shù)的取值范圍。其中,SUFI-2方法由于考慮了模型結(jié)構(gòu)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、模型參數(shù)等不確定來源,因此本文擬選擇SUFI-2方法進(jìn)行流域參數(shù)率定。

MODFLOW模型校準(zhǔn)多以基礎(chǔ)水文地質(zhì)參數(shù)作為初始值,在滿足水文地質(zhì)條件定性認(rèn)識的基礎(chǔ)上,不斷調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)值,直至得到既能符合水文地質(zhì)條件的定性認(rèn)識,又能最佳擬合徑流觀測值資料的水文地質(zhì)參數(shù)。

本文選取決定系數(shù)R2和納什效率系數(shù)NS作為模擬流量和實(shí)測流量的擬合程度評價指標(biāo),其計(jì)算公式為:

(2)

(3)

式中:Qm,i為實(shí)測流量,m3/s;Qp,i為模擬流量,m3/s;Qm,avg為多年實(shí)測平均流量,m3/s;Qp,avg為多年模擬平均流量,m3/s;n為實(shí)測時間序列長度。一般認(rèn)為,當(dāng)R2>0.60且NS>0.50時,模型擬合程度滿意。

3 模型構(gòu)建

3.1 模型數(shù)據(jù)庫

SWAT模型運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)主要包括流域空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)。其中,空間數(shù)據(jù)包括流域DEM、流域土地利用類型數(shù)據(jù)和流域土壤類型數(shù)據(jù)。DEM主要用于生成水系、出水口點(diǎn)和子流域劃分等;土地利用數(shù)據(jù)和土壤數(shù)據(jù)主要為生成水文響應(yīng)單元(HRUs)和模型產(chǎn)流匯流計(jì)算服務(wù);土壤屬性數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)需要按照模型輸入手冊的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)庫構(gòu)建。

3.1.1 土地利用數(shù)據(jù)

本文選擇4期土地利用類型數(shù)據(jù)(20世紀(jì)70年代末、1995年、2005年、2015年)作為模型現(xiàn)狀下墊面條件下徑流模擬的輸入,利用ArcGIS裁剪出研究區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù),并進(jìn)行土地利用類型重分類。

各類型土地利用面積統(tǒng)計(jì)見表1。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,在時域上即從20世紀(jì)70年代末期到2015年,延河流域的耕地面積呈現(xiàn)較為明顯的減少趨勢。其中,20世紀(jì)70年代末期到2000年延河流域耕地面積的變化相對較為微弱,2000年以后減少趨勢逐漸凸顯;林地面積從20世紀(jì)70年代末到2015年呈現(xiàn)連續(xù)增長趨勢,同樣在2000年以后林地面積變化顯著;同期草地面積呈現(xiàn)類似的減少趨勢。

表1 延河流域土地利用類型面積統(tǒng)計(jì) km2

延河流域各期土地利用類型分布如圖3所示。由圖3可以看出,在空間上,耕地、林地和草地的面積變化較為均勻,未出現(xiàn)聚集性特征。時間上,延河流域在2000年后退耕還林還草效果明顯,流域下墊面變化顯著。

圖3 延河流域各時期土地利用類型空間分布

3.1.2 土壤數(shù)據(jù)

模型運(yùn)行所需的土壤數(shù)據(jù)包括土壤類型的空間分布數(shù)據(jù)和土壤的屬性數(shù)據(jù)。土壤屬性表主要字段包括土壤名、頂層土壤質(zhì)地、土壤參考深度、土壤有效持水量、土壤相位、到土壤底部存在障礙的深度分類、土壤含水量特征、碎石體積百分比、砂石含量、淤泥含量、黏土含量、土壤容重、有機(jī)碳含量、酸堿度、土壤的陽離子交換能力、碳酸鹽或石灰含量、硫酸鹽含量、電導(dǎo)率等參數(shù),其中以T開頭的屬性字段表示上層土壤屬性(0～30 cm),以S開頭的屬性字段表示下層土壤屬性(30～100 cm)。由于FAO-90土壤分類系統(tǒng)的土壤分級采用的是美國農(nóng)業(yè)部USDA分級制,不必要再對土壤粒徑進(jìn)行轉(zhuǎn)換,可利用GIS掩膜工具裁剪出研究區(qū)土壤類型圖,實(shí)施土壤類型重分類,最后依據(jù)SWAT土壤屬性數(shù)據(jù)庫格式要求建庫。其中,土壤有效持水量、土壤濕密度、土壤飽和導(dǎo)水率使用SPAW軟件計(jì)算;土壤侵蝕力因子和最小下滲率采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

延河流域各類型土壤面積統(tǒng)計(jì)見表2,土壤類型空間分布如圖4所示。

表2 延河流域土壤類型面積統(tǒng)計(jì)表

圖4 延河流域土壤類型空間分布

由表2可知,整個流域內(nèi)黃綿土所占面積比重最大,其次是珊瑚砂土和新積土,所占面積比重最小的是積鈣紅黏土和鈣質(zhì)粗骨土。

由圖4可知,在空間分布上,河道之外以黃綿土為主,而在河道內(nèi)以珊瑚砂土和新積土為主,且新積土主要分布在杏子河和西川河支流上。積鈣紅黏土和鈣質(zhì)粗骨土占據(jù)面積極為有限。

3.2 子流域劃分與模型耦合

經(jīng)過反復(fù)調(diào)試,設(shè)定延河流域集水面積閾值為6 500 hm2,添加具有監(jiān)測數(shù)據(jù)的杏河、安塞站為控制點(diǎn),延安和棗園水文站(西川河)為流域出口點(diǎn),最終將延河流域劃分為33個子流域,如圖5所示。設(shè)定延河流域土地利用面積閾值為5%,土壤類型面積閾值為5%,坡度閾值為5%,最終將延河流域劃分為615個HRU,如圖6所示。

圖5 延河流域子流域劃分

圖6 延河流域HRUs劃分

目的含水層設(shè)定為埋藏在80 m以下、100 m以上的地下水含水層。MODFLOW模型則根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)、水文地質(zhì)特征,對研究區(qū)進(jìn)行均勻網(wǎng)格剖分。延河流域設(shè)置網(wǎng)格大小為300 m×300 m,活動單元格數(shù)為44 905個,如圖7所示。

圖7 延河流域MODFLOW網(wǎng)格剖分

SWAT-MODFLOW模型通過構(gòu)建SWAT模型的HRUs和MODFLOW模型的cells的映射關(guān)系來達(dá)到兩個模型的耦合。在創(chuàng)建完4個鏈接文件的基礎(chǔ)上,自動生成swatmf_link.txt文件,即可運(yùn)行耦合后的SWAT-MODFLOW模型。

3.3 模型率定和驗(yàn)證

輸入氣象數(shù)據(jù)后,設(shè)置率定期為1964—1968年,驗(yàn)證期為1969—1970年,模擬時間尺度為月尺度,預(yù)熱期長度為2 a,進(jìn)行SWAT模型的率定和驗(yàn)證。杏河站、安塞站、棗園站、延安站率定的最佳參數(shù)見表3。

表3 延河流域參數(shù)率定

MODFLOW模型的調(diào)參主要是通過參數(shù)反演和人工調(diào)參相結(jié)合,對各水文地質(zhì)分區(qū)的滲透系數(shù)(K)及給水度(μ)進(jìn)行調(diào)整,最終結(jié)果見表4。

表4 MODFLOW模型水文地質(zhì)參數(shù)率定

對于SWAT-MODFLOW耦合模型,流域月均流量模擬值為SWAT模型地表模擬結(jié)果和MODFLOW地下水補(bǔ)給河流模擬結(jié)果之和。由于安塞站實(shí)測數(shù)據(jù)從1981年開始,棗園站實(shí)測數(shù)據(jù)從1971年開始,因此在延河流域率定期和驗(yàn)證期(1964—1970年)僅采用杏河站和延安站模擬月均流量與實(shí)測月均流量進(jìn)行模型評價,所得站點(diǎn)模擬結(jié)果的評價指標(biāo)R2和NS見表5。由表5可知,各站點(diǎn)模擬評價指標(biāo)均符合擬合要求,證明所構(gòu)建的SWAT-MODFLOW耦合模型可用。其中,位于支流上的杏河站模擬結(jié)果較好,這與支流上人類活動對徑流影響較小相符合。另外,模型在流量峰值模擬上表現(xiàn)欠佳,這可能是由黃土高原地區(qū)復(fù)雜的產(chǎn)匯流機(jī)制所導(dǎo)致的。兩個站點(diǎn)率定期和驗(yàn)證期的實(shí)測值和模擬值擬合情況分別如圖8和圖9所示。

表5 延河流域模型模擬結(jié)果

圖8 杏河站率定期和驗(yàn)證期的模擬值和實(shí)測值對比

圖9 延安站率定期和驗(yàn)證期的模擬值和實(shí)測值對比

4 徑流模擬

4.1 近天然徑流模擬

采用1964—2019年長序列氣象數(shù)據(jù)和20世紀(jì)70年代末期的土地利用數(shù)據(jù),模擬流域近天然條件下的月流量過程(即徑流不受人類活動直接或間接的影響)。杏河站、安塞站、棗園站、延安站天然條件下年徑流量模擬值如圖10所示。由圖10可見,近天然條件下的年徑流年際變化基本呈現(xiàn)豐枯交替的平穩(wěn)趨勢,但受降水量減少的影響,近天然徑流有微弱的下降趨勢。

圖10 天然條件下各站點(diǎn)年徑流模擬值

4.2 高原變綠條件下的徑流模擬

采用1964—2019年長序列氣象數(shù)據(jù)和1970s及1995、2005、2015年的土地利用數(shù)據(jù),對流域高原變綠條件下(即現(xiàn)狀下墊面條件下)的月流量過程進(jìn)行模擬(即徑流僅受間接人類活動引起的下墊面變化的影響而不受直接人類取用水活動的影響)。其中,1991年之前的模擬,采用1970s的土地利用數(shù)據(jù);1991—2000年的,采用1995年土地利用數(shù)據(jù);2001—2010年的,采用2005年土地利用數(shù)據(jù);2011—2019年的,采用2015年土地利用數(shù)據(jù)。高原變綠條件下,杏河站、安塞站、棗園站和延安站的年徑流量模擬值如圖11所示。由圖11可見,高原變綠影響下,延河流域各站的年徑流量均呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢,說明間接人類活動導(dǎo)致的流域下墊面變化確系流域年徑流量減少的主因之一。

圖11 高原變綠條件下各站點(diǎn)年徑流模擬值

4.3 高原變綠影響的定量分析

繪制延河流域杏河站、安塞站、棗園站、延安站近天然條件、高原變綠條件下的模擬年徑流量序列以及實(shí)測年徑流量序列的對比箱圖，如圖12所示。由圖12可發(fā)現(xiàn),延安站徑流量的年際變化較大,且延河流域在近天然條件、高原變綠條件下的模擬年徑流量和實(shí)測年徑流量呈現(xiàn)逐級消減態(tài)勢。這說明間接人類活動導(dǎo)致的流域下墊面變化和直接人類取用水活動均對流域徑流量的縮減有所貢獻(xiàn)。

基于上述不同站點(diǎn)徑流量變化間的差值,可統(tǒng)計(jì)分析不同人類活動影響因素的貢獻(xiàn)量。這里需要說明的是,由于模型模擬結(jié)果中考慮了氣候因素的變化,因此所得的差值僅反映直接和間接人類活動的影響量。其中,間接人類活動對年徑流量的影響可設(shè)定為近天然條件下的年徑流量與高原變綠條件下的年徑流量的差,直接人類活動對年徑流量的影響可設(shè)定為高原變綠條件下的年徑流量與實(shí)測年徑流量的差。遂可得間接人類活動和直接人類活動對流域人類活動所驅(qū)動的年徑流量減少的貢獻(xiàn)量,詳見表6。

圖12 各站點(diǎn)模擬年徑流量及實(shí)測年徑流量分布箱圖

表6 延河流域間接和直接人類活動對年徑流量減少的貢獻(xiàn)

由表6可知,不同站點(diǎn)控制流域范圍內(nèi)的間接和直接人類活動的影響不同,其對徑流縮減的貢獻(xiàn)也不同。杏河站、安塞站和延安站的間接人類活動的影響略大于直接人類活動的影響,棗園站所表征的西川河流域直接人類活動影響強(qiáng)烈,貢獻(xiàn)了人類活動所驅(qū)動的年徑流量縮減的70.97%。以上結(jié)果表明,高原變綠對流域徑流量的影響不容小覷,已成為驅(qū)動黃河中游區(qū)徑流衰減的重要因素,應(yīng)給予更多的關(guān)注,并開展有效的支撐性研究。

5 結(jié)語

本文以黃河中游區(qū)延河流域延安水文站以上流域及西川河子流域?yàn)檠芯繀^(qū),構(gòu)建了SWAT-MODFLOW耦合模型,模擬了1964—2019年杏河站、安塞站、棗園站和延安站近天然條件下與高原變綠條件下的徑流變化,分析了“黃土高原變綠”對流域徑流過程的定量影響,得到的結(jié)論如下:

1)空間數(shù)據(jù)分析表明,研究區(qū)土地利用類型以耕地、林地和草地為主。從20世紀(jì)70年代末期到2015年,研究區(qū)耕地和草地的面積呈現(xiàn)減少趨勢,且2000年后減少趨勢顯著;林地面積呈現(xiàn)連續(xù)增長趨勢,同樣2000年后增加顯著。這說明,研究區(qū)在退耕還林還草工程的影響下,流域下墊面變化顯著。

2)模型校驗(yàn)結(jié)果表明,SWAT-MODFLOW耦合模型在研究區(qū)具有適用性,納什系數(shù)均在0.71以上,可有效開展黃河中游區(qū)特別是黃土高原區(qū)的水文模擬研究。

3)模型模擬結(jié)果表明,近天然條件(不考慮人類取用水與下墊面變化的影響)下,研究區(qū)年徑流基本呈現(xiàn)豐枯交替的平穩(wěn)趨勢;而在高原變綠條件(考慮下墊面變化的影響,不考慮人類取用水的影響)下,年徑流則呈現(xiàn)出較為明顯的縮減變化,從而驗(yàn)證了研究區(qū)間接人類活動所導(dǎo)致的下墊面變化系研究區(qū)年徑流減少的重要主因。

4)定量分析表明,杏河站、安塞站和延安站的徑流受間接人類活動的影響略大于受直接人類活動的影響,而西川河流域中直接人類活動的影響相對強(qiáng)烈,貢獻(xiàn)了人類活動所驅(qū)動的年徑流量縮減的70.97%。

通過以上結(jié)論可知,變化環(huán)境下的流域水循環(huán)是一個極其復(fù)雜的過程,特別是在黃河中游的黃土高原區(qū),氣候變化、下墊面改變和人類直接活動交織影響著區(qū)域水文循環(huán)過程,驅(qū)動著地表水資源量的變化。且由于影響因素的非平穩(wěn)性變化,導(dǎo)致區(qū)域徑流的不確定性日益增大。如何認(rèn)識、掌握黃河中游黃土高原區(qū)氣候-下墊面-人類活動-水文系統(tǒng)間的驅(qū)動過程,已成為保障區(qū)域水安全和促進(jìn)黃河流域高質(zhì)量所迫切需要解決的問題之一,亟須開展科學(xué)深入的基礎(chǔ)性研究,以期為變化環(huán)境下的區(qū)域水資源管理和社會經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量提供參考依據(jù)。