劉庚煒，戴長雷，肖瑞晗，張義鑫，蘇泉沖

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江哈爾濱 150080；3.黑龍江省寒區(qū)水文與水利工程聯(lián)合實驗室(國際合作)，黑龍江哈爾濱 150080)

近年來，隨著人類用水強度的不斷提高，流域生態(tài)環(huán)境問題愈發(fā)明顯[1-2]。居民生活用水和農(nóng)業(yè)用水對河流水資源的無節(jié)制取用，引發(fā)了河流水文情勢和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變[3-4]。目前，河流生態(tài)功能的退化已經(jīng)引發(fā)了社會對于河流生態(tài)流量的關(guān)注[5]，對河流的生態(tài)流量進行科學(xué)合理的評價，對于促進水資源的合理利用、恢復(fù)河流的生態(tài)功能、提高水資源的利用效率[6-7]以及維持整個流域生態(tài)功能的完整性和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都具有重要意義[8]。

2021年，中國水利部發(fā)布《河湖生態(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/T 712-2021)，指出河流和湖泊基本生態(tài)流量是指維持河流、湖泊、沼澤給定的生態(tài)保護目標(biāo)所對應(yīng)的生態(tài)環(huán)境功能不喪失，需要保留的基本水流過程。20世紀(jì)70年代，中國開始著手生態(tài)流量的研究，在塔里木盆地水資源與綠洲建設(shè)一文中首先提出了“生態(tài)環(huán)境用水”的概念[9]。近年來，開展了很多關(guān)于生態(tài)流量的研究，例如，利用改進的Tennant 法(MTMMHC 法)，計算不同標(biāo)準(zhǔn)等級下漢江流域的生態(tài)流量，確定了不同年份水資源開發(fā)利用率的閾值[10]；采用多種水文學(xué)方法，計算大通河的生態(tài)流量，并研究了流域生態(tài)流量預(yù)警方案和預(yù)警流量控制指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)基于基流比例法的計算結(jié)果更具全面性和合理性，可以反映各年際各時段的流域生態(tài)流量[11]；利用長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(LSTM)與熵值法，構(gòu)建了椒江流域的生態(tài)流量預(yù)警預(yù)報模型，該模型在椒江流域具有很好的適用性，能夠很好地完成河湖生態(tài)流量預(yù)警信息預(yù)報任務(wù)[12]；按季節(jié)將年內(nèi)展布法進行改進更適用于西北河地區(qū)[13]。

以往的生態(tài)流量計算主要關(guān)注主河道或流域出口的生態(tài)流量，缺乏對整個流域缺水量的時空分配方法的研究，但是流域水系統(tǒng)是一個整體，各個子流域之間存在密切關(guān)系，必須點面結(jié)合、上下聯(lián)動、多目標(biāo)協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)生態(tài)補水的均衡[14]，因此，對整個流域的生態(tài)流量及缺水量的時空分布進行分析與評價是十分必要的[15]。本研究通過建立呼蘭河流域的天然徑流與實際徑流過程，并進行流域汛期與非汛期的劃分，模擬了2008—2020 年呼蘭河流域的徑流過程[16]；基于SWAT模型和流域生態(tài)流量理論，完成了對整個呼蘭河流域生態(tài)流量的計算并分析了呼蘭河流域的生態(tài)缺水現(xiàn)狀。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

呼蘭河是松花江左岸的一級支流，約占松花江流域面積的6.56%，為松花江流域的第三大支流。呼蘭河流域?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為0～3 ℃，年降水量為574.7 mm，且分布不均勻，多集中在6～9 月。呼蘭河?xùn)|北部與小興安嶺相鄰，南部與青山嶺相接，西部與明青坡地相連，總面積35 683 km2，為全境均在黑龍江省內(nèi)的第一大河[17]，承擔(dān)著流域內(nèi)居民用水和農(nóng)田灌溉的責(zé)任[18]，因此呼蘭河的生態(tài)安全與流域內(nèi)社會經(jīng)濟的發(fā)展和居民用水息息相關(guān)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 數(shù)字高程模型(DEM)

利用SWAT 模型進行徑流模擬時，宜選擇20～150 m 分辨率的高程圖[19]。從地理空間數(shù)據(jù)云平臺下載30 m 分辨率的SRTM 高程數(shù)據(jù)，并運用DEM高程圖提取流域的相關(guān)參數(shù)，呼蘭河流域的高程圖見圖1。

圖1 呼蘭河流域高程圖和水系圖Fig.1 Elevation map and water system map of the Hulan River basin

1.2.2 氣象數(shù)據(jù)

通過訪問國家氣象數(shù)據(jù)中心，獲取呼蘭河流域4個基本氣象站的降水、溫度、風(fēng)速、相對濕度和太陽輻射實測數(shù)據(jù)，4個基本氣象站包括綏化北林區(qū)基本氣象站(編號50853)、海倫基本氣象站(編號50756)、鐵力基本氣象站(編號50862)和明水基本氣象站(編號50758)，氣象站分布如圖1所示。對氣象站逐日氣象數(shù)據(jù)進行分析，并利用SWAT weather軟件對缺測數(shù)據(jù)進行插補，構(gòu)建氣象數(shù)據(jù)庫。

1.2.3 水文數(shù)據(jù)

選擇呼蘭河流域蘭西水文站觀測的2008—2022 年的逐日徑流數(shù)據(jù)以及1964—1971 年的逐月徑流數(shù)據(jù)，這兩個時期的數(shù)據(jù)連續(xù)性較好，可用于模型率定與驗證，水文站站點位置如圖1所示。

1.2.4 土地利用數(shù)據(jù)

土地利用是建立SWAT 模型所需要的重要數(shù)據(jù)之一，其影響著降水在地面形成徑流的過程[20-21]，本研究所用的土地利用數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)數(shù)據(jù)平臺的“中國多時期土地利用遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)集(CNLUCC)”，數(shù)據(jù)在使用之前需要制作土地利用索引表[22]，1980 年和2020 年呼蘭河的土地利用類型如圖2所示。

圖2 1980年和2020年呼蘭河流域土地利用類型圖Fig.2 Land use type map of the Hulan River basin in 1980 and 2020

1.2.5 土壤類型數(shù)據(jù)

在SWAT 模型中，土壤數(shù)據(jù)是主要的輸入?yún)?shù)之一，土壤數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞對模型的模擬結(jié)果會產(chǎn)生重要影響，呼蘭河流域土壤類型空間分布圖來源于HWSD(harmonized world soil database)全球土壤數(shù)據(jù)庫[23]，在構(gòu)建土壤數(shù)據(jù)庫之前，利用SPAW 軟件計算各種土壤理化性質(zhì)并對研究區(qū)土壤進行重分類[24]。

1.3 SWAT模型

SWAT 模型是一種物理-概念相結(jié)合的模型，其每一個進程都基于水量平衡作為驅(qū)動力，可用于長時間尺度的水文循環(huán)和物質(zhì)循環(huán)研究[25-26]。其工作原理是，首先將流域劃分為水文響應(yīng)單元，然后對每個水文響應(yīng)單元的內(nèi)部循環(huán)進行獨立研究，最后通過子流域和河網(wǎng)將各個響應(yīng)單元有機地連接起來。SWAT 模型主要用于評估土地利用管理等人類活動對流域水循環(huán)、泥沙、農(nóng)業(yè)污染物質(zhì)遷移的長期影響和作用[27]。在模型建立過程中，首先要劃分子流域，子流域是指由匯入河流網(wǎng)格單元的產(chǎn)匯流累積量超過集水面積閾值所形成的區(qū)域[28]，本研究共劃分39個子流域(圖3)。在子流域劃分的基礎(chǔ)上，進一步根據(jù)土地利用類型、土壤類型和坡度，將子流域內(nèi)具有相同組合的不同區(qū)域劃分為同一類水文響應(yīng)單元(HRU)[29]。然后在子流域出口處對所有水文響應(yīng)單元的產(chǎn)出進行疊加，得到子流域的總產(chǎn)出[30-31]。本研究將呼蘭河流域土地利用類型分為8類，土壤類型分為17類，坡度等級設(shè)為4級，即0°～8°，＞8°～30°，＞30°～60°，＞60°，考慮流域的地形情況，將流域土地利用面積、土壤面積和坡度等級的閾值分別設(shè)置為10%、10%和5%。對于氣象數(shù)據(jù)，利用SWAT weather軟件，對實測數(shù)據(jù)缺測值進行插補[32]，制作數(shù)據(jù)索引表，然后輸入到SWAT模型中進行模擬。

圖3 呼蘭河子流域劃分圖Fig.3 Subwatershed division map of the Hulan River basin

1.4 徑流模擬及流域豐枯期的劃分

前人采用Mann-Whitney-Pettitt變點分析方法對呼蘭河流域徑流量的研究結(jié)果顯示，當(dāng)給定顯著性水平為0.05 時，呼蘭河流域年徑流突變點發(fā)生在1972 年。說明在1972 年之前人類活動對呼蘭河流域徑流的影響較小[33]，因此，利用突變點之前所率定水文模型的參數(shù)，將樣本流域的實測氣象數(shù)據(jù)輸入到SWAT 模型中，模擬出的2008—2020年的流量過程可以認(rèn)為是人類活動影響較小的天然流量過程。本研究采用1980 年和2020 年的土地利用數(shù)據(jù)(見圖2)，分別進行呼蘭河流域天然徑流過程與實際徑流過程水文模型的構(gòu)建。對于天然徑流模型，1964—1967年為模型的率定期，1968—1971 年為模型的驗證期；對于實際徑流模型，2008—2014年為模型的率定期，2014—2020年為模型的驗證期。將率定后的水文模型參數(shù)與呼蘭河流域的實測氣象數(shù)據(jù)輸入到SWAT 模型中。根據(jù)利用呼蘭河流域天然徑流模型所得出的2008—2020 年的天然徑流數(shù)據(jù)，采用累計距平法(CAM)，劃分2008—2020年的豐水期和枯水期[34]，最終得出呼蘭河流域月平均流量累計距平的平均和指數(shù)曲線，徑流累計距平法計算方法如下：

1.5 生態(tài)流量計算

Tennant 法是目前應(yīng)用比較廣泛的生態(tài)流量計算方法[35]，本研究采用Tennant 法對呼蘭河流域的生態(tài)流量進行計算，根據(jù)河道內(nèi)的生態(tài)環(huán)境狀況，選擇生態(tài)流量占同時段多年平均天然流量的百分比來代表不同標(biāo)準(zhǔn)等級下的生態(tài)流量。為了彌補Tennant 法不能客觀反映徑流的年際和年內(nèi)變化、會破壞年流量和年際流量的峰谷、會使天然水文過程均勻化等缺點，本研究將呼蘭河流域劃分為汛期與非汛期，分別計算其生態(tài)流量閾值[36]，如表1所示。

表1 不同生態(tài)環(huán)境狀況下對應(yīng)的河道流量百分比Table 1 Flow percentage of river channels corresponding to different eco-environment conditions

1.6 生態(tài)補水量化

生態(tài)補水是指通過人工措施補充河流的生態(tài)環(huán)境用水量。生態(tài)補水量的計算[37]如下：

公式(5)中，Wi(m3)為要達成生態(tài)環(huán)境為i等級下的所需水量；Wa(m3)為子流域的現(xiàn)狀水量；Ws(m3)為子流域所需的補水量。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流模擬和流域豐枯期劃分

基于前人的研究結(jié)果[38-39]及SWAT操作指南，選取27個參數(shù)，利用SWAT-CUP進行參數(shù)率定[40-41]，應(yīng)用程序選擇SUFI-2 算法。流域天然徑流模型的率定期和驗證期的R2值分別為0.82 和0.72，模擬結(jié)果如圖4 所示。采用累計距平法(CAM)，劃分2008—2020 年的豐水期和枯水期，呼蘭河月平均流量累計距平的平均和指數(shù)曲線上升階段為6～10月，下降階段為11月至翌年5月(圖5)，因此，呼蘭河汛期為每年的6～10 月，非汛期為每年的11月至次年的5 月。由于呼蘭河流域開發(fā)程度較大，導(dǎo)致其實際徑流的年際變化較大，而SWATCUP 在運行時優(yōu)先擬合汛期洪峰，從而使得枯水期的率定結(jié)果不理想，因此采用分期率定的方式[42-43]，以減弱汛期洪峰對枯水期率定結(jié)果的影響。雖然對于整體R2與Ens值影響不大，但分期率定使枯水期模擬值能夠更加貼合實際值，模型率定期和驗證期的R2值分別為0.74 和0.80，這表示經(jīng)率定后的SWAT 模型對呼蘭河流域具有一定的適用性[44-45]。呼蘭河實際徑流率定期和驗證期的模擬結(jié)果如圖4 所示，模型經(jīng)SWAT-CUP 率定的最終參數(shù)如表2 所示。

表2 SWAT模型參數(shù)Table 2 Parameter of the SWAT model

圖4 驗證期和率定期呼蘭河流域徑流量模擬結(jié)果及實測降水量Fig.4 Simulation results of runoff and measured rainfall in the Hulan River basin during verification period and rate period

圖5 呼蘭河流域月平均流量累計距平的平均和指數(shù)Fig.5 Average summation indexes of the cumulative anomaly of monthly mean flow of the Hulan River basin

2.2 徑流現(xiàn)狀評估

為了進一步確定人類活動對呼蘭河流域水文狀況的影響程度，根據(jù)利用SWAT 天然徑流模型模擬的1962—2020年呼蘭河流域徑流數(shù)據(jù)以及水文情報預(yù)報規(guī)范(GB/T 22482-2008)中一定保證率的年徑流量，選取3 個典型水文年型(P≤37.5%，37.5%＜P≤62.5%，P＞62.5%，其中P表示在劃分水文年時的頻率)，對流域的豐水年、平水年和枯水年進行劃分[47]，最終確定呼蘭河流域的豐水年為2012—2020 年，平水年為2009 年和2010 年，枯水年為2008年和2011年。

呼蘭河流域開發(fā)利用程度較大，2008—2020年，與天然徑流相比，實際徑流的年平均徑流量顯著下降，徑流年際變化較大(圖6)。整體來看，現(xiàn)狀年平均徑流量約為天然年平均徑流量的40%，且在人類活動影響下徑流的時空分布格局有所變化，在時間上，非汛期徑流量占比減小，在空間上，各子流域徑流量顯著減少。徑流在時間上分布不均勻，汛期(6～10 月)產(chǎn)流量約占全年總產(chǎn)流量的85%，說明降水是影響呼蘭河流域徑流量的主要因素。

圖6 呼蘭河流域天然及實際徑流時空分布Fig.6 Temporal and spatial distribution of natural and actual runoff in the Hulan River basin

如圖7所示，呼蘭河流域天然月平均徑流量顯著高于多年平均月徑流量，整體削減程度約為58%。其中非汛期11 月削減最明顯，約為78%，汛期10月削減最明顯，為70%。整體上非汛期削減程度為64%，汛期削減程度為49%，即便在豐水年，各月份的實際平均徑流量也顯著低于天然徑流量?？偟膩碚f，呼蘭河流域水資源消耗處于較高水平，應(yīng)及時完善呼蘭河流域的水資源調(diào)度方案，加強對水資源的監(jiān)管力度，以免出現(xiàn)某些子流域在非汛期斷流的情況。

圖7 呼蘭河流域不同水文情況下天然與實際月平均徑流量比較Fig.7 Comparison of natural and actual monthly average discharge in the Hulan River basin under different hydrological conditions

2.3 生態(tài)流量計算結(jié)果

根據(jù)2008—2020年呼蘭河流域天然徑流的模擬結(jié)果，分非汛期(11～12 月和1～5 月)和汛期(6～10 月)兩個階段分別計算其在不同標(biāo)準(zhǔn)等級下的生態(tài)流量(圖8)。呼蘭河流域干流和下游地區(qū)的天然徑流量較大，生態(tài)流量需求也較大。其中，38號子流域的生態(tài)流量需求最大，12號子流域的生態(tài)流量需求最小。不論是在非汛期還是汛期，生態(tài)流量的空間分布特征基本一致?？傮w來說，汛期的生態(tài)流量需求約為非汛期的6倍。

圖8 不同生態(tài)環(huán)境狀況下呼蘭河流域生態(tài)流量空間分布Fig.8 Spatial distribution of ecological discharge under different eco-environment conditions in the Hulan River basin

2.4 生態(tài)補水量化

由圖9可知，在“中”和“差”標(biāo)準(zhǔn)下，呼蘭河流域汛期和非汛期均無生態(tài)缺水現(xiàn)象，達到了生態(tài)流量的標(biāo)準(zhǔn)要求，整體上生態(tài)流量保證程度較高。其中，“中”標(biāo)準(zhǔn)下的最低保證程度出現(xiàn)在1號子流域，為105%。在月尺度上，“好”等級下呼蘭河流域在汛期和非汛期都出現(xiàn)了少量子流域缺水的情況，汛期1 號和6 號子流域的缺水量約為3.37×106m3和3.11×106m3，非汛期為1.03×105m3和1.30×105m3。在“最佳”標(biāo)準(zhǔn)等級下，呼蘭河流域汛期缺水最嚴(yán)重的是27 號子流域，缺水量約為5.97×107m3；在非汛期，所有子流域均呈缺水狀態(tài)，其中，缺水最嚴(yán)重的是37號子流域，缺水量為8.55×107m3?！逗雍鷳B(tài)環(huán)境需水計算規(guī)范》(SL/T 712-2021)指出，河流流量占年平均流量的30%～60%，河寬、水深、流速均佳，大部分邊槽有水流，河岸能夠為魚類提供活動區(qū)。因此，本研究結(jié)合呼蘭河流域居民用水需求，將“非常好”標(biāo)準(zhǔn)下的生態(tài)流量作為重點討論的目標(biāo)生態(tài)流量，具體補水量見表3。

表3 非常好標(biāo)準(zhǔn)下呼蘭河流域汛期和非汛期月補水量Table 3 Monthly water replenishment of the Hulan River basin in flood and non-flood seasons under very good standard

圖9 不同生態(tài)環(huán)境狀況下呼蘭河流域子流域缺水量空間分布Fig.9 Spatial distribution of water deficiency in subbasins of the Hulan River basin under different eco-environment conditions

3 結(jié)論

為了使Tennant 法更適用于年內(nèi)徑流變化較大的河流，采用累計距平法對呼蘭河流域進行豐水期和枯水期的劃分，并分別計算其生態(tài)流量閾值，結(jié)果表明，呼蘭河流域非汛期為每年的1～5月和11～12月，汛期為每年的6～10月，采用累計距平法對呼蘭河流域進行豐水期和枯水期的劃分能夠更好地顯示出流域年內(nèi)徑流變化的特點。利用SWAT 模型模擬的呼蘭河流域天然與實際徑流過程的R2均達到了0.7以上，說明SWAT模型對于呼蘭河流域具有很強的適用性。

采用人類活動對徑流影響較小時間段的徑流數(shù)據(jù)，利用SWAT 模型建立呼蘭河流域的天然徑流過程來進行天然徑流的還現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的徑流還現(xiàn)法與降水-徑流深曲線法，該方法對于數(shù)據(jù)的要求更低且更為簡便，通過比較各子流域的天然徑流過程與實際徑流過程，發(fā)現(xiàn)人類活動嚴(yán)重影響了呼蘭河流域的自然水文過程，月平均徑流削減明顯，非汛期徑流量在年平均徑流量中所占的比例減少。

雖然Tennant 法是目前應(yīng)用最廣泛的確定生態(tài)流量閾值的水文學(xué)方法，具有計算簡便、適用性強等優(yōu)點，但其并未考慮生態(tài)棲息地、水質(zhì)、水溫及河床形狀變化等因素，因此在后續(xù)的研究中應(yīng)該運用多種生態(tài)流量計算方法計算流域的生態(tài)流量閾值，并評估最適合計算呼蘭河流域生態(tài)流量閾值的方法。

利用SWAT 模型模擬呼蘭河流域的徑流過程并對各個子流域的生態(tài)流量進行計算與校核，既考慮到了河道的水力聯(lián)系，也顯示了流域內(nèi)各子流域生態(tài)流量閾值的分布，結(jié)果顯示，呼蘭河流域生態(tài)流量具有很強的空間分布特征，干流和下游地區(qū)生態(tài)流量明顯大于支流和上游地區(qū)。