孫青言,陸垂裕,郭 輝,嚴(yán)聆嘉,何 鑫,吳 初

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100038； 2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,黑龍江 哈爾濱 150080)

區(qū)域水量平衡是指特定時(shí)段內(nèi)水量收入與支出的差值,即區(qū)域水儲(chǔ)量的變化量[1],其在氣候和人類活動(dòng)的影響下處于動(dòng)態(tài)變化中。其中,人為引起的土地利用變化影響尤其值得關(guān)注[2]。土地利用變化除了直接引起蒸發(fā)、下滲、產(chǎn)流等水文過(guò)程的變化[3],往往伴隨著強(qiáng)烈的水資源開(kāi)發(fā)利用活動(dòng),如地下水開(kāi)采、地表水蓄引提調(diào)、農(nóng)田灌溉等[4-5],從而影響區(qū)域水量收支,改變區(qū)域水儲(chǔ)量。如果區(qū)域水儲(chǔ)量出現(xiàn)持續(xù)增加或者減少的趨勢(shì),依賴于其中某種水分條件的生態(tài)系統(tǒng)將發(fā)生重大變化[6-7],依賴于某種水源的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)將不得不消耗更高的成本進(jìn)行調(diào)整和治理[8-9],反過(guò)來(lái)進(jìn)一步加劇土地利用的變化。因此,建立土地利用變化與水量平衡的關(guān)系應(yīng)是解決前述問(wèn)題的科學(xué)基礎(chǔ)。

區(qū)域水儲(chǔ)量的變化量作為水量平衡的關(guān)鍵變量,其重要性不低于水量的收入項(xiàng)和支出項(xiàng)[10]。然而,相關(guān)研究大都聚焦于幾個(gè)關(guān)鍵通量的對(duì)比分析,如蒸散發(fā)、產(chǎn)流、地下水補(bǔ)給等,忽略了區(qū)域蓄水量的變化[2,11-12]。另外,大部分研究都關(guān)注下墊面對(duì)降水的再分配過(guò)程,即降水與冠層截留、蒸發(fā)蒸騰、地表產(chǎn)流、下滲等之間的水量平衡(或者土壤植被層的水量平衡),忽略地表水、地下水的水量平衡[12-15]。后兩者作為區(qū)域水文循環(huán)和水資源的重要組成部分,應(yīng)包括在區(qū)域水量平衡的相關(guān)研究中。出現(xiàn)上述問(wèn)題的原因可能是研究者重點(diǎn)關(guān)注土地利用變化對(duì)水文過(guò)程的直接影響,忽視了土地利用變化伴隨著的強(qiáng)烈水資源開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)對(duì)區(qū)域整體水文循環(huán)的間接影響；還可能是采用的研究方法限制了水量平衡廣泛而深入的研究。目前,開(kāi)展土地利用變化對(duì)水文循環(huán)影響研究的方法主要包括多個(gè)流域?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)法、長(zhǎng)系列水文數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析法、水文模型模擬法等[2,16-23]。實(shí)驗(yàn)法和統(tǒng)計(jì)分析法的局限性不必多言,模型模擬法中如果模型不具備良好的水量平衡核查機(jī)制和水資源供用耗排的模擬能力,出現(xiàn)前述問(wèn)題也不可避免。

利用水文模型開(kāi)展土地利用變化的水量平衡響應(yīng)研究主要采用delta方法[2,24],即利用變化前后的兩期(或多期)土地利用數(shù)據(jù)分別建立模型,開(kāi)展不同土地利用格局下的水文過(guò)程對(duì)比分析。然而,這種方法不能體現(xiàn)土地利用連續(xù)變化的影響,在模型校驗(yàn)階段和水文過(guò)程對(duì)比分析方面均存在一定的矛盾和缺陷[25-29]，具備土地利用數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新功能的水文模型則能夠克服這些不足。本文將利用一套基于此功能的分布式水文模型[25],采用一種新型對(duì)比分析方法,開(kāi)展三江平原土地利用變化對(duì)水量平衡的影響分析,為三江平原制定土地利用調(diào)控和水資源調(diào)配方面的策略提供參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

三江平原位于黑龍江省東部,黑龍江、松花江和烏蘇里江交匯的區(qū)域(圖1)。該區(qū)域以三江干流和分水嶺為邊界,地理上相對(duì)較為獨(dú)立；又有相似的氣候特征、地質(zhì)條件、自然景觀、農(nóng)業(yè)管理模式等,一般作為一個(gè)整體,從黑龍江省分離出來(lái),單獨(dú)進(jìn)行管理和水文循環(huán)研究。三江平原面積約10.57萬(wàn)km2,其中平原區(qū)約占61.2%,由三江低平原、興凱湖平原2片完整的大平原和分散的山間河谷平原組成。20世紀(jì)50年代以來(lái),三江平原土地利用變化開(kāi)始加劇,以濕地、林地、草地向農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳎?0世紀(jì)80年代開(kāi)始,農(nóng)田從旱地向水田轉(zhuǎn)變；2000年后土地利用變化以水田面積快速擴(kuò)張為主,對(duì)區(qū)域水文過(guò)程產(chǎn)生顯著影響[30-32]。2000—2014年是三江平原水田面積擴(kuò)張最快的時(shí)期,從占區(qū)域總面積的9.0%增加到22.8%,相關(guān)的水資源開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)也隨之加劇；此后,水田擴(kuò)張趨于停滯。

圖1 三江平原概況Fig.1 General information map of the Sanjiang Plain

1.2 研究方法

1.2.1 技術(shù)思路

在土地利用變化劇烈的區(qū)域開(kāi)展水文循環(huán)模擬,模型輸入多期土地利用數(shù)據(jù),并在運(yùn)行時(shí)根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)更新數(shù)據(jù),由此建立的動(dòng)態(tài)土地利用水文模型比采用單期土地利用數(shù)據(jù)構(gòu)建的靜態(tài)土地利用水文模型,更加符合區(qū)域土地利用連續(xù)變化的特征,對(duì)水文循環(huán)的模擬也更精確[24-25]。上述建模思路需要水文模型具有土地利用數(shù)據(jù)連續(xù)更新的功能,目前具備這一功能的模型并不多見(jiàn),其中代表性的有MODCYCLE、SWAT等[25,33]。

本研究以MODCYCLE為工具開(kāi)展土地利用變化對(duì)水量平衡的影響研究。采用2000年、2005年、2010年和2014年的土地利用數(shù)據(jù)(動(dòng)態(tài)LU情景),構(gòu)建三江平原2000—2014年的水文循環(huán)仿真模型,并進(jìn)行率定和驗(yàn)證,保證仿真模型對(duì)實(shí)際水文循環(huán)的近似模擬,該過(guò)程已在文獻(xiàn)[25]中完成。采用2000年的土地利用數(shù)據(jù)替換仿真模型的全部土地利用數(shù)據(jù),其他數(shù)據(jù)和參數(shù)保持不變,建立2000以來(lái)土地利用不變(2000年靜態(tài)LU情景)的水文循環(huán)假設(shè)模型。模型假設(shè)2000年開(kāi)始三江平原實(shí)施了積極的土地利用管控措施,控制水稻的無(wú)序增長(zhǎng),加強(qiáng)濕地、林地、草地生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù),基本保持了三江平原土地利用格局的穩(wěn)定。對(duì)比仿真模型與假設(shè)模型的水量平衡差異,探索三江平原此后15 a間的土地利用管控可否防止現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的水量失衡問(wèn)題,并量化水量失衡的修復(fù)程度。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2014年后三江平原水稻種植面積趨于平穩(wěn),國(guó)家對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)日益重視,林地、濕地等得到有效保護(hù),使三江平原的土地利用格局基本定型。用2014年的土地利用數(shù)據(jù)再次替換仿真模型的全部土地利用數(shù)據(jù),其他數(shù)據(jù)和參數(shù)依然保持不變,建立2014年以后土地利用不變(2014年靜態(tài)LU情景)的水文循環(huán)預(yù)測(cè)模型。模型假設(shè),在相同的氣候和供用水條件下,控制土地利用格局基本穩(wěn)定。對(duì)比分析仿真模型和預(yù)測(cè)模型的水量平衡模擬結(jié)果,預(yù)測(cè)未來(lái)15a水量失衡的發(fā)展趨勢(shì),為當(dāng)?shù)刂贫ㄓ行У乃Y源開(kāi)發(fā)利用調(diào)控策略、改善水量失衡的現(xiàn)狀提供理論支持。

1.2.2 模型簡(jiǎn)介

MODCYCLE為耦合了地下水?dāng)?shù)值模型的分布式水文模型,已在多種不同特征的區(qū)域取得了成功應(yīng)用[25,34-37]。在開(kāi)展流域水文循環(huán)建模時(shí),首先需要按照DEM和實(shí)際河網(wǎng)將流域離散為若干子流域,然后再根據(jù)土地利用、土壤、農(nóng)業(yè)管理模式類型的空間疊加,將子流域劃分為若干水文響應(yīng)單元(HRU)。HRU是水文模擬的最小單元,降水、截留、蒸發(fā)、下滲、產(chǎn)流等首先通過(guò)HRU分割,產(chǎn)流隨后通過(guò)坡面漫流匯入子流域一一對(duì)應(yīng)的主河道,然后逐級(jí)匯流,直至流域出口。

MODCYCLE可以模擬農(nóng)田的灌溉或排水過(guò)程。模型綜合降水、蒸發(fā)、下滲、產(chǎn)流等水文過(guò)程,模擬農(nóng)田的土壤墑情(水田的積水深度),并對(duì)比用戶預(yù)設(shè)的農(nóng)作物不同生育期土壤墑情閾值(水稻不同生育期積水深度閾值),判斷農(nóng)田的灌溉或排水時(shí)機(jī),模擬農(nóng)田的灌溉水量,從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田完整水文過(guò)程的模擬。因此,模型輸入的農(nóng)田灌溉用水統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)僅作為參考,用于分割不同水源的取水量。更詳細(xì)的模型原理可參考文獻(xiàn)[37]。

水文循環(huán)模擬過(guò)程中土地利用數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新是MODCYCLE的重要功能之一[25]。模型以子流域?yàn)榛締卧?以每年最后時(shí)刻作為時(shí)間節(jié)點(diǎn),進(jìn)行土地利用數(shù)據(jù)的年尺度更新。如果某一年土地利用數(shù)據(jù)缺失,模型會(huì)利用該年份前后的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值予以補(bǔ)充。上一年度模擬的HRU蓄水量(如土壤含水量、積雪量、截留量等)將以一致性傳遞的方式繼承給下一年度由新土地利用數(shù)據(jù)劃分的HRU,以保持土地利用更新前后水文循環(huán)模擬的連貫性[25]。

水量平衡是水文模型的核心原理。MODCYCLE模型開(kāi)發(fā)出一套層次化的水量平衡核查機(jī)制。該機(jī)制先從水文模擬的各基礎(chǔ)組成部分進(jìn)行獨(dú)立層次的水量平衡核查,包括水文響應(yīng)單元、濕地、水庫(kù)、主河道、子流域或網(wǎng)格單元地下水等,再進(jìn)行平原區(qū)含水層、子流域中間綜合層次的水量平衡核查,最后進(jìn)行數(shù)值模擬區(qū)、全流域整體綜合層次的水量平衡核查。各層次的水量收入與支出差值必須等于蓄量變化。一般情況下,若某個(gè)獨(dú)立層次的水量平衡出現(xiàn)問(wèn)題,則中間綜合層次的水量平衡也會(huì)出問(wèn)題,進(jìn)而導(dǎo)致整體綜合層次水量平衡出現(xiàn)問(wèn)題,由此形成了層層遞進(jìn)的水量平衡核查機(jī)制。模型可以輸出日、月和年尺度水量平衡的各分項(xiàng)結(jié)果,供用戶分析使用[37]。

1.3 數(shù)據(jù)及其處理

模型構(gòu)建所需數(shù)據(jù)繁雜,具體包括基礎(chǔ)地理信息、氣象數(shù)據(jù)、土壤參數(shù)、農(nóng)作物管理信息、水利工程信息、供用水?dāng)?shù)據(jù)以及用于模型率定的水文觀測(cè)資料等。模型首先利用DEM和數(shù)字河網(wǎng)將研究區(qū)劃分為1 705個(gè)子流域和對(duì)應(yīng)的主河道；然后把三江低平原和興凱湖平原分離出來(lái),按照2 km×2 km的間距進(jìn)行網(wǎng)格剖分,含水層分為深層和淺層,開(kāi)展地下水?dāng)?shù)值模擬。根據(jù)所收集時(shí)間序列數(shù)據(jù)的完整性,構(gòu)建2000—2014年三江平原水文循環(huán)仿真模型,并采用地表徑流、地下水位和水稻灌溉量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證,基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)際水文過(guò)程的模擬[25]。

土地利用數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所,一級(jí)分類包括耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地和未利用土地6個(gè)地類。根據(jù)三江平原特點(diǎn)將收集的4期土地利用數(shù)據(jù)中的水域、沼澤地合并為濕地,各年份不同土地利用類型的面積比例如圖2所示。圖中顯示,三江平原耕地面積占總面積的一半左右,其中,水田面積增加迅速,2014年將近耕地面積的一半。其他土地利用類型面積略有起伏。

圖2 三江平原主要土地利用類型面積比例Fig.2 Proportion of main land use types in the Sanjiang Plain

研究區(qū)不同區(qū)域、不同類型土地利用面積有增有減。為了明確其空間變化,以子流域?yàn)閱卧?取4期土地利用數(shù)據(jù)中某種土地利用類型面積的平均值與2000年的相同類型面積比較,比較后的差值為正表示子流域該土地利用類型面積呈增加趨勢(shì),反之則呈減少趨勢(shì)；然后除以子流域面積,用以展示子流域內(nèi)該土地利用類型變化強(qiáng)度,絕對(duì)值越大表明子流域內(nèi)該土地利用類型變化強(qiáng)度越大[25]?？傮w上看,水田面積增加最為強(qiáng)烈,平原區(qū)基本上以水田增加為主；平原區(qū)旱地則以減少為主,三江低平原中部和東北部旱地有所增加,山丘區(qū)的山間河谷平原旱地也有增加趨勢(shì)；林地在三江平原東北部和南部有所減少；濕地受人類擾動(dòng)比較強(qiáng)烈,空間變化較為分散,增減各有分布。總之,水田作為高耗水土地利用類型,其面積急劇增加勢(shì)必強(qiáng)烈干擾三江平原的水量平衡。

2 結(jié)果分析

為深入挖掘三江平原水量平衡存在的問(wèn)題,本研究在全區(qū)域、全區(qū)域子系統(tǒng)、平原區(qū)地下水3個(gè)層面逐級(jí)進(jìn)行對(duì)比分析；然后選取水量平衡中的關(guān)鍵分項(xiàng)(蒸散發(fā)和產(chǎn)流),進(jìn)行時(shí)間過(guò)程和空間分布的對(duì)比,并以動(dòng)態(tài)LU和2000年靜態(tài)LU情景對(duì)比為例,分析不同土地利用類型變化對(duì)關(guān)鍵分項(xiàng)變化的影響。

2.1 分級(jí)水量平衡對(duì)比分析

2.1.1 全區(qū)域

2000—2014年期間,三江平原全區(qū)域年均降水量為564.24億m3(降水量為雨量站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)空間展布后乘以對(duì)應(yīng)控制面積核算而來(lái)),三大江年均入境水量為2 351.31億m3(界河計(jì)入模型的河網(wǎng)系統(tǒng)),區(qū)域外引水入境供灌溉、工業(yè)、生活等用水量年均14.98億m3,全區(qū)域總體水分收入量達(dá)2 930.53億m3(表1)。收入項(xiàng)中,降水量是模型的輸入數(shù)據(jù)；地表水入境水量也是模型輸入的水文站監(jiān)測(cè)流量數(shù)據(jù)；區(qū)域外引水供給非農(nóng)業(yè)用水為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),直接輸入模型數(shù)據(jù)庫(kù)；區(qū)域外引水灌溉量則與其他水源灌溉水量一同,由模型模擬獲得。如果三江平原從2000年開(kāi)始控制土地利用的變化,那么15 a間平均每年可以減少5億m3以上的區(qū)域外引水入境量；如果2014年后再實(shí)施土地利用穩(wěn)定政策,那么依然需要平均每年從區(qū)域外多引水近4億m3?？紤]未來(lái)降水減少的可能,區(qū)域外引水量可能進(jìn)一步增加,建議在相關(guān)規(guī)劃中考慮擴(kuò)大未來(lái)境外水源調(diào)入工程規(guī)模。

表1 三江平原不同土地利用情景下年均水量平衡 億m3Table 1 Average annual water balances under different land use scenarios in the Sanjiang Plain

區(qū)域水分支出途徑復(fù)雜多樣,但主要?dú)w結(jié)為兩類:蒸發(fā)蒸騰和地表水出境,均是模型模擬值。仿真模型模擬的年均水分支出量為2 928.08億m3,其中，蒸發(fā)蒸騰包括土壤蒸發(fā)、植被蒸騰、地表水蒸發(fā)、用水消耗等,為區(qū)域的凈耗水量,年均達(dá)496.03億m3；地表水出境量為過(guò)境水量與區(qū)域產(chǎn)流量的總水量,年均為2 432.05億m3。土地利用連續(xù)變化情景下,三江平原全區(qū)的水分收入量和支出量大體相當(dāng),區(qū)域各系統(tǒng)的總蓄水量略有增加。模型在2000年靜態(tài)LU情景下模擬的蒸發(fā)蒸騰量有所減少,出境水量有所增加,但總體上水分支出量是減少的,從而使全區(qū)域的水儲(chǔ)量年均增加11.59億m3；如果保持2014年的土地利用格局,此后的15 a間年均水資源消耗將進(jìn)一步增加,導(dǎo)致區(qū)域水儲(chǔ)量呈減少趨勢(shì),年均虧空4.25億m3。未來(lái)要改變這種水資源虧空的狀況,要么限制高耗水產(chǎn)業(yè)發(fā)展,要么增加區(qū)域外引調(diào)水量。

2.1.2 全區(qū)域子系統(tǒng)

全區(qū)域水量平衡在不同的土地利用情景下呈現(xiàn)較大差異,尤其在蒸發(fā)蒸騰方面,然而在蓄水量上的差異主要來(lái)自哪里并不清楚。如果只考慮土地利用變化的直接影響,忽略由此引發(fā)的大規(guī)模水資源開(kāi)發(fā)利用活動(dòng),那么一般會(huì)推斷土壤水應(yīng)是水量平衡變化最大的子系統(tǒng)。然而,模型在土壤植被子系統(tǒng)、地表水子系統(tǒng)、地下水子系統(tǒng)的水量平衡統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,地下水系統(tǒng)卻是不同土地利用情景下水量平衡差異最大的(表2—表4)。土壤植被子系統(tǒng)中,3種土地利用情景灌溉水量依次增加,其中地下水灌溉水量差異最大。地下水開(kāi)采增加導(dǎo)致地下水位下降,從而減少了潛水蒸發(fā)量。支出項(xiàng)中蒸發(fā)蒸騰量依次增加,水稻面積變化應(yīng)在其中扮演著重要角色。2種靜態(tài)LU情景的土壤水儲(chǔ)量均較動(dòng)態(tài)LU情景的儲(chǔ)量增加更多,不同于收入項(xiàng)或支出項(xiàng)那樣依次增加或者減少,應(yīng)是所有通量變化綜合作用的結(jié)果。總之,有意識(shí)地控制土地利用的變化將進(jìn)一步提高土壤的濕潤(rùn)度(表2)。

表2 土壤植被子系統(tǒng)不同土地利用情景下年均水量平衡 億m3Table 2 Average annual water balances of soil-vegetation sub-system under different land use scenarios

地表水子系統(tǒng)中,降水產(chǎn)流是主要的收入項(xiàng),人工引水是主要的支出項(xiàng)。2000年開(kāi)始實(shí)施土地利用管控措施顯然比2014年再實(shí)施這些措施更有利于徑流的形成,也可以避免農(nóng)業(yè)灌溉引水量的增加,但是不管早實(shí)施還是晚實(shí)施,都有助于緩解三江平原地表水體萎縮的趨勢(shì)(表3)。

表3 地表水子系統(tǒng)不同土地利用情景下年均水量平衡 億m3Table 3 Average annual water balances of surface water sub-system under different land use scenarios

很明顯,土地利用情景的變化對(duì)地下水子系統(tǒng)的水量平衡影響最大(表4)。仿真模型在動(dòng)態(tài)LU情景下模擬的三江平原地下水儲(chǔ)量已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的減少趨勢(shì),年均虧空3.05億m3,是該地區(qū)水量平衡的最大問(wèn)題所在,龐大的地下水灌溉開(kāi)采應(yīng)是造成這一問(wèn)題的主因。2000年開(kāi)始的土地利用管控措施將會(huì)有效解決這一問(wèn)題,不但不會(huì)使地下水超采,甚至能改善2000年之前的地下水虧缺。然而,2014年再實(shí)施這些措施將繼續(xù)加重地下水超采的狀況,使地下水儲(chǔ)量減少的幅度在2014年的基礎(chǔ)上再增加9億m3以上,水量平衡問(wèn)題進(jìn)一步加劇。

表4 地下水子系統(tǒng)不同土地利用情景下年均水量平衡 億m3Table 4 Average annual water balances of groundwater sub-system under different land use scenarios

2.1.3 平原區(qū)地下水

動(dòng)態(tài)LU情景下仿真模型模擬的全區(qū)域年均水量收支基本保持平衡,甚至蓄水量略有增加(2.45億m3/a)。具體到子系統(tǒng)水量平衡分析才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題主要出現(xiàn)在地下水。區(qū)域內(nèi)部水資源從地下水轉(zhuǎn)移到土壤水(地下水灌溉)對(duì)整個(gè)區(qū)域的水量平衡影響較小,但是對(duì)地下水而言,可能引起嚴(yán)重水量失衡。為進(jìn)一步明確地下水失衡的地區(qū),對(duì)比分析了三江平原平原區(qū)淺層地下水的水量平衡情況(表5)。動(dòng)態(tài)LU情景下平原區(qū)地下水年均蓄變量為-3.13億m3,比全區(qū)域地下水年均虧空量還略大,這說(shuō)明三江平原地下水問(wèn)題聚集在平原區(qū),山丘區(qū)地下水收支為正平衡。如果2000年起控制土地利用變化,那么此后的15a將不會(huì)出現(xiàn)地下水超采問(wèn)題,地下水儲(chǔ)量甚至平均每年增加3.08億m3；如果2014年后再實(shí)施土地利用管控,即使保持土地利用不變,仍將會(huì)對(duì)地下水平衡造成更加嚴(yán)重的破壞,地下水儲(chǔ)量年均虧空14.26億m3,按照平原區(qū)0.13的平均給水度核算,整個(gè)平原區(qū)地下水位平均下降速率將達(dá)到0.21 m/a,除了進(jìn)一步加強(qiáng)土地利用管控,更加積極的水資源調(diào)配及其相關(guān)工程建設(shè)勢(shì)在必行。

表5 平原區(qū)不同土地利用情景下淺層地下水平衡 億m3Table 5 Average annual water balances of groundwater under different land use scenarios in plain areas

2.2 關(guān)鍵平衡分項(xiàng)對(duì)比分析

全區(qū)域水量平衡對(duì)比分析顯示,在相同的環(huán)境下,土地利用變化直接影響蒸散發(fā)和產(chǎn)流,間接影響人類的水資源開(kāi)發(fā)利用活動(dòng),即區(qū)域外引水入境。盡管區(qū)域外引水入境對(duì)區(qū)域水量平衡起著重要作用,但是受人類活動(dòng)干擾較大,存在很大的不確定性,本文主要對(duì)比不同土地利用變化對(duì)蒸散發(fā)和產(chǎn)流的影響。

2.2.1 蒸散發(fā)

動(dòng)態(tài)LU情景下水文循環(huán)模擬更加符合三江平原的實(shí)際情況,作為土地利用變化的蒸散發(fā)(ET)響應(yīng)分析的基準(zhǔn)。2種假設(shè)情景下的蒸散發(fā)過(guò)程與實(shí)際相比,差異顯著(圖3)。2000年靜態(tài)LU與動(dòng)態(tài)LU情景下的ET在2000年時(shí)相同,因當(dāng)年土地利用格局相同,然而此后2種情景土地利用格局差異逐漸擴(kuò)大,ET差異隨之增大；2014年靜態(tài)LU情景下ET過(guò)程均高于其他情景。這說(shuō)明盡早實(shí)施土地利用管控將有助于減少區(qū)域水資源的過(guò)度損耗,實(shí)施越晚對(duì)水資源的消耗越高,即使最終控制了土地利用的無(wú)序變化,未來(lái)水資源消耗仍會(huì)高于2014年之前的狀況。

圖3 三江平原不同土地利用情景的ET過(guò)程差異Fig.3 Annual ET processes of different land use scenarios in the Sanjiang Plain

不同土地利用情景引起的ET變化在三江平原的不同空間位置也存在很大差異。以子流域?yàn)閱卧?比較三種情景的年均ET(圖4),其中,圖4(a)顯示的是2000年以來(lái)土地利用連續(xù)動(dòng)態(tài)變化對(duì)比土地利用不變引起的年均ET差異(ΔET)空間分布,可見(jiàn)三江平原兩大平原區(qū)蒸散發(fā)顯著增加；圖4(b)為2014年開(kāi)始控制土地利用變化相較2000年起土地利用連續(xù)變化引起的年均ET差異,可見(jiàn)即使2014年后土地利用不再變化,年均ET仍然在大部分子流域高于歷史平均水平,蒸散發(fā)大幅增加的子流域甚至擴(kuò)展到了山丘區(qū)。

圖4 2種靜態(tài)LU情景與動(dòng)態(tài)LU情景下子流域年均ET差值空間分布Fig.4 Spatial distribution of average annual ET differences between two static LU scenarios and the dynamic LU scenario

前述分析顯示,不同土地利用情景下ET的時(shí)間過(guò)程和空間分布存在很大差異,但是并不能十分明確ET的變化與哪種土地利用變化關(guān)系更大。為此,以動(dòng)態(tài)LU與2000年靜態(tài)LU情景對(duì)比為例,分析不同土地利用類型面積相對(duì)差異與ΔET之間的相關(guān)性,以判斷引起ET變化的主要原因。耕地、林地、濕地是三江平原主要土地利用類型；水田作為耕地的一種,其灌溉排水過(guò)程對(duì)水文循環(huán)影響較大,專門分出來(lái)進(jìn)行分析。各土地利用類型在子流域中的面積在動(dòng)態(tài)LU情景中以年均值計(jì)算。仍以子流域?yàn)閱挝?展示年均ΔET與不同土地利用類型在不同情景(動(dòng)態(tài)LU與2000年靜態(tài)LU情景對(duì)比)下面積的相對(duì)差異之間的關(guān)系(圖5)。其中,面積相對(duì)差異是指相同LU類型的面積之差與所在子流域面積的比值。圖中顯示,2種土地利用情景下,ΔET與水田面積的差異存在顯著的線性相關(guān)性,R2達(dá)到了0.8以上；與耕地面積的差異也存在一定相關(guān)性,但與水田相比,要弱得多；如果扣除林地面積相對(duì)差異為0的子流域(主要是沒(méi)有林地的子流域),ΔET與林地有一定負(fù)相關(guān)性,主要是因?yàn)榱值亟^大部分分布于山丘區(qū),且主要轉(zhuǎn)變?yōu)楦?導(dǎo)致ET增加；ET變化幾乎與濕地變化不存在顯著相關(guān)性?？傊?三江平原ET的增加主要是由水田面積增加引起的,其他土地利用變化對(duì)蒸散發(fā)的影響相對(duì)較小。

圖5 子流域尺度不同LU類型面積相對(duì)差異與ΔET之間的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis between relative area differences of different LU types and ET differences at sub-watershed scale

2.2.2 產(chǎn)流量

土地利用變化對(duì)三江平原年產(chǎn)流過(guò)程的影響不夠顯著(圖6),應(yīng)是產(chǎn)流年度變化較大影響了差異的顯示度,也與對(duì)比分析所用的時(shí)間尺度有關(guān)。一般時(shí)間尺度越小,土地利用變化對(duì)產(chǎn)流的影響越顯著[38]。以動(dòng)態(tài)LU與2000年靜態(tài)LU對(duì)比為例,年尺度產(chǎn)流量差異為-9.2%～0.2%,月尺度差異增大到-22.9%～14.23%,日尺度差異高達(dá)-38.1%～33.0%,可見(jiàn)時(shí)間尺度增大會(huì)掩蓋土地利用變化的水文效應(yīng)。盡管如此,不同土地利用情景下的年產(chǎn)流過(guò)程仍能顯示出一定的差異性。2000年靜態(tài)LU情景下三江平原產(chǎn)流量比動(dòng)態(tài)LU情景逐漸增加,而2014年靜態(tài)LU情景產(chǎn)流量最低,這一定程度上說(shuō)明三江平原土地利用變化的趨勢(shì)不利于徑流的形成,這可能對(duì)徑流依賴型生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性造成一定危害,如影響河流和湖泊的水資源更新。另外,產(chǎn)流年過(guò)程對(duì)比與ET年過(guò)程對(duì)比有一個(gè)差異說(shuō)明了土地利用變化對(duì)產(chǎn)流的影響更復(fù)雜,即2014年靜態(tài)LU與動(dòng)態(tài)LU情景下2014年的產(chǎn)流量出現(xiàn)了明顯的差異,這種差異在ET對(duì)比中幾乎沒(méi)有(圖3)。2014年2種情景的土地利用格局是相同的,當(dāng)年的ET對(duì)比中無(wú)差異,產(chǎn)流對(duì)比中卻出現(xiàn)了差異,這說(shuō)明當(dāng)年的產(chǎn)流會(huì)受到往年土地利用變化的影響。

圖6 三江平原不同土地利用情景的產(chǎn)流量過(guò)程差異Fig.6 Annual runoff processes of different land use scenarios in the Sanjiang Plain

在子流域尺度上對(duì)比3種情景的產(chǎn)流量差值(ΔR),見(jiàn)圖7。動(dòng)態(tài)LU情景與2000年靜態(tài)LU情景相比,產(chǎn)流量減少的子流域分布較為廣泛,三江低平原的東北部和山丘區(qū)的南部產(chǎn)流減少較為明顯；徑流增加的子流域主要位于山丘區(qū)。如果2014年后土地利用變化得到有效控制,那么未來(lái)一段時(shí)間年均產(chǎn)流量仍會(huì)低于歷史平均水平,但是以山丘區(qū)徑流減少為主。

以動(dòng)態(tài)LU與2000年靜態(tài)LU情景對(duì)比為例,分析不同土地利用類型面積相對(duì)差異與ΔR之間的相關(guān)性(圖8)。水田面積的相對(duì)差異與產(chǎn)流量的差異幾乎沒(méi)有相關(guān)性,即水田的增加并未顯著提高或降低三江平原的產(chǎn)流量；耕地變化反而與ΔR有一定的相關(guān)性,說(shuō)明耕地面積增加可能會(huì)降低三江平原的產(chǎn)流量；子流域林地向耕地的轉(zhuǎn)變(林地面積減少)增強(qiáng)了下墊面對(duì)降水的保持能力,在一定程度上減少了產(chǎn)流量；濕地變化對(duì)三江平原產(chǎn)流量影響有限?？傊?土地利用變化對(duì)產(chǎn)流量的影響比對(duì)蒸散發(fā)的影響要復(fù)雜,區(qū)域產(chǎn)流除了受土地利用變化的影響,還與土壤前期含水量、地下水埋深等有關(guān),較難建立土地利用變化與產(chǎn)流的確切關(guān)系。

圖8 子流域尺度不同LU類型面積相對(duì)差異與ΔR之間的相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis between relative area differences of different LU types and runoff differences at sub-watershed scale

3 討 論

由于水文過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)并不能完全通過(guò)觀測(cè)確定,尤其是區(qū)域性、長(zhǎng)系列的水分通量和狀態(tài)量；水文循環(huán)所處的下墊面、水文地質(zhì)條件等也難以完全調(diào)查清楚,因此,僅用觀測(cè)數(shù)據(jù)很難完成本文中的研究?jī)?nèi)容,分布式水文模型則可以通過(guò)模擬實(shí)現(xiàn)。但是，模型的校驗(yàn)極為重要,需要通過(guò)各種可行的方式對(duì)模型進(jìn)行調(diào)試。本研究盡可能收集了能夠用于模型調(diào)試的各種觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可用性,模型采用多個(gè)水文站、觀測(cè)井的實(shí)測(cè)徑流、地下水位數(shù)據(jù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證,同時(shí)還用水稻灌溉實(shí)驗(yàn)站的多年實(shí)測(cè)灌溉量調(diào)試水稻田的相關(guān)水循環(huán)通量,盡力保證動(dòng)態(tài)LU情景下仿真模型對(duì)實(shí)際水文循環(huán)過(guò)程的真實(shí)模擬[25]。假設(shè)LU情景下的水文過(guò)程并不一定會(huì)在現(xiàn)實(shí)中發(fā)生,如未來(lái)保持2014年LU不變,如果出現(xiàn)連續(xù)豐水年,地下水虧空的部分可能很快得到恢復(fù)；如果出現(xiàn)與2000—2014年期間類似的氣象和供用水情景,則可能會(huì)出現(xiàn)與本研究相近的水量平衡結(jié)果。

本研究重點(diǎn)面向三江平原的宏觀水量平衡分析,局部空間、時(shí)段上的水量平衡規(guī)律可能會(huì)被整體、多年平均的水量平衡規(guī)律所掩蓋,但這并不影響本研究得出的最終結(jié)論。本文沒(méi)有提出詳細(xì)具體的土地利用管控措施,但是為水土管理部門提供了大體的管控方向,即控制水稻的大規(guī)模擴(kuò)張。如果考慮國(guó)家糧食安全和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展,積極的水資源調(diào)配及其相關(guān)工程建設(shè)可能更加合理,其中水資源調(diào)配包含開(kāi)源與節(jié)流(節(jié)水)的內(nèi)容。本研究所用模型需要大量的統(tǒng)計(jì)、觀測(cè)數(shù)據(jù),有些數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計(jì)誤差,如供用水?dāng)?shù)據(jù)；有些數(shù)據(jù)并非連續(xù)觀測(cè),如土地利用數(shù)據(jù)；還有些數(shù)據(jù)僅是代表點(diǎn)尺度的觀測(cè)值,如氣象水文數(shù)據(jù),這些都為模型的構(gòu)建帶來(lái)了大量不確定性,不但需要有經(jīng)驗(yàn)的建模者把關(guān),還需要進(jìn)行細(xì)致的模型校準(zhǔn),是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。

4 結(jié) 論

三江平原土地利用變化及其相關(guān)的水資源開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)在2000年以來(lái)的15 a間逐漸強(qiáng)烈,加劇了對(duì)自然景觀的破壞和區(qū)域水文循環(huán)的擾動(dòng)。本研究在三江平原水文循環(huán)仿真模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建了假設(shè)模型和預(yù)測(cè)模型,對(duì)比了3個(gè)模型代表的土地利用情景下的水量平衡及其關(guān)鍵分項(xiàng)的時(shí)空差異性,主要結(jié)論如下:

(1)通過(guò)分級(jí)水量平衡分析發(fā)現(xiàn),三江平原水量平衡的主要問(wèn)題在地下水,平原區(qū)地下水收支失衡最為嚴(yán)重。全區(qū)域水量收支處于平衡且儲(chǔ)量略有盈余的狀態(tài),但卻掩蓋了三江平原地下水嚴(yán)重失衡的現(xiàn)實(shí)。仿真模型模擬的平原區(qū)地下水年均虧空量達(dá)3.13億m3。

(2)不同土地利用情景的水量平衡對(duì)比分析顯示,假設(shè)2000年起三江平原實(shí)施積極的土地利用管控措施,維持土地利用格局的穩(wěn)定,此后的15 a間將有效減少三江平原對(duì)外調(diào)水的依賴,在緩解地表水萎縮的同時(shí),改善地下水超采的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,甚至使平原區(qū)地下水儲(chǔ)量扭虧為盈,在2000年儲(chǔ)量的基礎(chǔ)上平均每年增加3.08億m3；如果從2014年后開(kāi)始實(shí)施嚴(yán)格的土地利用管控措施,保持2014年的土地利用格局不變,盡管能在一定程度上緩解地表水萎縮的趨勢(shì),但是強(qiáng)烈的水資源開(kāi)發(fā)利用慣性仍會(huì)進(jìn)一步加劇地下水的超采,使平原區(qū)地下水年均虧空量達(dá)到14.26億m3,甚至使全區(qū)域的蓄水量由盈轉(zhuǎn)虧,年均虧損4.25億m3,此時(shí),更加積極的水資源調(diào)配及其相關(guān)工程建設(shè)勢(shì)在必行。

(3)水量平衡關(guān)鍵分項(xiàng)蒸散發(fā)量在2000年靜態(tài)土地利用、動(dòng)態(tài)土地利用、2014年靜態(tài)土地利用情景下依次增加,空間上以平原區(qū)增加為主,然而,即使2014年后土地利用不再變化,年均蒸散發(fā)量仍然在大部分平原區(qū)高于歷史平均水平,且蒸散發(fā)量增加的范圍有向山丘區(qū)擴(kuò)展的趨勢(shì),而水田面積增加在這種變化中扮演著關(guān)鍵角色；產(chǎn)流量在3種土地利用情景下依次減小,但是空間分布上比蒸散發(fā)量變化更加復(fù)雜,與各種土地利用類型面積變化的相關(guān)性均不明顯,表明土地利用變化不是產(chǎn)流量時(shí)空變異的最突出因素。

本文基于水文循環(huán)模型的模擬結(jié)果,分析三江平原土地利用變化與水量平衡的關(guān)系,受模型和數(shù)據(jù)可靠性的影響較大,這是本項(xiàng)研究的局限性。盡管如此,分析結(jié)果和研究結(jié)論仍能在一定程度上反映三江平原水量平衡隨土地利用變化的演變趨勢(shì),為當(dāng)?shù)赝恋乩霉芸睾退Y源配置工程建設(shè)提供依據(jù)，研究方法也可為類似研究提供參考。