基于Budyko假設(shè)和SCS-CN模型的河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能研究

杜世勛, 郭新亞, 榮月靜

(山西省生態(tài)環(huán)境研究中心, 太原 030000)

河源區(qū)作為一種重要生態(tài)功能區(qū)，是主要河流的“河源”和生態(tài)系統(tǒng)運行過程的“生態(tài)源”，具有獨特的生態(tài)地位，其水源涵養(yǎng)、水土保持等生態(tài)功能的發(fā)揮，不僅具有一定的生態(tài)環(huán)境效益，而且可為中下游地區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展提供生態(tài)保障。目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究主要以Costanza[1]、De Groot[2]等以及MA(Millennium Ecosystem Assessment)[3]的研究成果最具代表性，但是國內(nèi)關(guān)于河源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究甚少，劉青[4]對江西東江源區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值進行了估算，得到不同服務(wù)功能的價值及總價值；趙秀敏[5]通過開展遼河源頭的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價，分析了生態(tài)系統(tǒng)功能演變及其成因；賴敏、吳紹洪等[6]對三江源地區(qū)的單位生態(tài)服務(wù)價值進行了修正，進而估算了生態(tài)修復(fù)額度等。國內(nèi)學(xué)者開展河源區(qū)生態(tài)服務(wù)的探索與研究，對認識河源區(qū)的重要生態(tài)功能、實行河源區(qū)的保護具有重要意義。

水源涵養(yǎng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一，可以改善水文狀況、調(diào)節(jié)區(qū)域水分循環(huán)、保護可飲水水源等。水源涵養(yǎng)功能的評價方法主要有水量平衡法、綜合蓄水量法、降水存儲量法、模型法等。其中水量平衡法是研究水源涵養(yǎng)機理的基礎(chǔ)，能夠比較準確地計算水源涵養(yǎng)量，且可操作性強，使用頻率最高。但是國內(nèi)學(xué)者基于水量平衡法對水源涵養(yǎng)功能的研究主要集中于對林地等單一生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量的研究，對復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的研究較少，如張彪[7]、余新曉[8]等采用水量平衡法僅評估了森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能；且水量平衡法中蒸散量因子的研究方法較為簡單，基于Budyko假設(shè)確定蒸散量的研究較少，如張海博[9]基于SEBS計算蒸散發(fā)因子，聶憶黃[10]基于地表能量平衡計算蒸散發(fā)因子，這兩種方法不能體現(xiàn)下墊面因素的影響，而Budyko假設(shè)方法計算蒸散發(fā)因子的優(yōu)點是既包含了反映區(qū)域大背景的氣候因子，又包含了反映局地特征的下墊面參數(shù)。

本文將沁河源區(qū)作為研究區(qū)，利用水量平衡法，基于Budyko假設(shè)和SCS-CN模型，研究沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布特征，比較不同土地利用類型、海拔和坡度下的水源涵養(yǎng)能力，以期為分析沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能的研究提供一定的參考，并對Budyko假設(shè)和SCS-CN模型在河源區(qū)以及流域范圍復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能研究中的應(yīng)用提供一定的借鑒作用。

1 研究區(qū)概況

沁河，屬于黃河一級支流，干流總長485 km，流域面積13 532 km2，發(fā)源于山西省長治市沁源縣霍山東麓的二郎神溝，源頭至孔家坡段為河源區(qū)，長度69 km，區(qū)域面積1 360.71 km2(圖1)。研究區(qū)地處我國東部季風(fēng)區(qū)暖溫帶半濕潤地區(qū)的西緣，大陸性季風(fēng)氣候顯著，四季分明，雨熱同期。研究區(qū)內(nèi)的海拔高度范圍為0～2 500 m，大部分區(qū)間屬于山區(qū)型峽谷，坡陡流急，水多沙少，河道平均縱坡為3.8‰，水能資源豐富。以石質(zhì)山區(qū)為主，干流河道大部分為砂頁巖地層，水量滲透較少。

圖1 沁河源區(qū)水系圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文的氣象數(shù)據(jù)來源于研究區(qū)周圍18個氣象站點所提供的1980—2013年日氣象資料，其中將整理出的各站點年降雨數(shù)據(jù)根據(jù)經(jīng)緯度坐標導(dǎo)入到ArcGIS，利用ArcGIS中的克里金插值得到研究區(qū)多年平均降水量柵格圖；土地利用類型數(shù)據(jù)來自全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查與評估項目；土壤屬性數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國糧農(nóng)組織和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所所構(gòu)建的世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSDv1.1)；DEM數(shù)據(jù)來自ASTER GDEM，空間分辨率為30 m。

2.2 Budyko假設(shè)模型

Budyko根據(jù)流域水量和能量平衡，指出流域蒸散發(fā)同時受降水和蒸發(fā)兩個因素的控制，Budyko假設(shè)隨著氣候越來越干燥，流域多年平均實際蒸散發(fā)量逐漸趨近于多年平均降雨量，基于此得出一個半經(jīng)驗公式[11]：

E/P=f(E0/P)=f(F)

(1)

式中：E是實際蒸散發(fā)量；E0是潛在蒸散發(fā)量；P是降水量；F為干燥指數(shù)。

Zhang等在Budyko假設(shè)的基礎(chǔ)上得到計算蒸發(fā)的解析表達式[12]：

(2)

式中：w為下墊面影響系數(shù)，依據(jù)土地利用類型取值，耕地、高覆蓋林地(覆蓋度≥30%)、低覆蓋林地(覆蓋度<30%)、灌叢、草地、人工用地和其他類型用地的w值分別取0.5，2，1，1，0.5，0.1，0.1。

通過Thornthwaite法計算潛在蒸散發(fā)量E0。Thornthwaite法是應(yīng)用較多的方法之一，優(yōu)點是僅考慮溫度變化，其表達式為[13]：

(3)

(4)

(5)

α=0.000000675I3-0.0000771I2+0.0179I+0.492

(6)

式中：當Ti<0℃時，E0=0；K為修正系數(shù)；d為月平均日照時數(shù)；m為每月天數(shù)；Ti為月平均氣溫(℃)；I為年熱指數(shù)；α為經(jīng)驗指數(shù)。

2.3 SCS-CN模型

徑流曲線數(shù)模型(SCS-CN模型)是美國農(nóng)業(yè)部水土保持局于1954年研制的小流域設(shè)計洪水模型，該模型可以反映不同下墊面及人類活動對降雨徑流的影響。由于該模型結(jié)構(gòu)簡單、所需參數(shù)較小，是一種較好的小型集水區(qū)徑流計算方法。該方法的公式如下[14]：

(7)

Ia=0.2S

(8)

(9)

R=0P

(10)

式中：R為徑流深(mm)；S為可能最大滯留量(mm)；Ia為降雨初損值(mm)；P為降雨量(mm)；CN為徑流曲線數(shù)，可反映流域綜合特征，理論取值范圍為0～100，根據(jù)流域產(chǎn)流特征，實際取值范圍為40～98[15]，CN值越大，S值越小，越易產(chǎn)生徑流，其影響因素包括3方面：水文土壤組類型、土地利用類型、土壤前期濕度程度。水文土壤組反映土壤入滲能力的強弱，依據(jù)土壤種類將土壤劃分為A，B，C，D四大類型[16](表1)。土壤前期濕度(AMC)依據(jù)次降雨前五天的降雨總量可分為三級：干旱情況(AMCⅠ)、正常情況(AMCⅡ)和濕潤情況(AMCⅢ)[17]，研究區(qū)屬于季風(fēng)氣候區(qū)，降雨集中于雨季，產(chǎn)流多以蓄滿產(chǎn)流模式出現(xiàn)，雨水通過下滲進入土壤的比例較小，使得在AMCⅠ的條件下，初損值偏大，徑流量偏小，在AMCⅢ的條件下，初損值偏小，徑流量偏大，因此本文選取AMCⅡ條件計算研究區(qū)徑流量。根據(jù)具體的土地利用方式和土壤類型來確定CN值。

2.4 水源涵養(yǎng)量計算

利用水量平衡法計算水源涵養(yǎng)量。將生態(tài)系統(tǒng)作為一個閉合的集水區(qū)，把大氣降水作為生態(tài)系統(tǒng)的水分輸入量，蒸發(fā)與蒸騰及各種徑流量視為水分的輸出量，根據(jù)水量平衡法，降雨中扣除蒸散發(fā)和徑流量后的貯水量能有效地貯存降雨和調(diào)節(jié)地表徑流，可視為整個區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的體現(xiàn)，即為水源涵養(yǎng)量[9]：

WY=P-E-R

(11)

式中：WY為水源涵養(yǎng)量(mm)；P為多年平均降水量(mm)；E是實際蒸散發(fā)量(mm)；R為徑流深(mm)。

表1 SCS模型土壤分類

在森林系統(tǒng)中，由于降雨能夠很快地下滲，一般不考慮產(chǎn)流的影響，即森林涵養(yǎng)水源的總量取決于森林地帶的降水量和蒸發(fā)量。

本文中計算林地水源涵養(yǎng)量時不考慮產(chǎn)流量的影響，其余土地利用類型的水源涵養(yǎng)量則考慮產(chǎn)流量的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布特征

根據(jù)水量平衡公式，水源涵養(yǎng)量由降水、蒸散發(fā)和徑流量決定，依據(jù)每個因子的分布情況，以此分析水源涵養(yǎng)量的空間分布特征。

3.1.1 沁河源區(qū)降水量、蒸散發(fā)量和徑流量分布情況 將各雨量站年降水量進行克里金插值，得到河源區(qū)年均降水量空間分布柵格圖，以土地利用類型為基礎(chǔ)，依據(jù)budyko假設(shè)計算沁河源區(qū)實際蒸散發(fā)，利用SCS-CN模型，進行相應(yīng)的柵格運算，得到沁河源區(qū)徑流量分布情況，各因子空間分布特征見圖2。

降水分布總體上自西北向東南減少，區(qū)域內(nèi)年均降水在400 mm以上，屬半濕潤地區(qū)，區(qū)域內(nèi)降水差值不大，最大與最小年降雨量相差73.80 mm。蒸散發(fā)量和徑流量的分布與降水量和土地利用類型有關(guān)，就不同土地利用類型的蒸散發(fā)而言，由于研究區(qū)內(nèi)林地茂盛，覆蓋度在60%以上，蒸散發(fā)量較大，且東南區(qū)域降水較大，該區(qū)域的蒸散發(fā)相對較大；建設(shè)用地的蒸散發(fā)較小，研究區(qū)內(nèi)最大與最小蒸散發(fā)量相差13.32 mm。由于本文在計算林地水源涵養(yǎng)量時不考慮產(chǎn)流量的影響，所以林地所在區(qū)域的產(chǎn)流量為0；建設(shè)用地不透水面積大，透水性差，產(chǎn)流多。

3.1.2 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布特征 基于budyko假設(shè)和SCS-CN模型，利用水量平衡法，得到柵格分布式的沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)量，結(jié)果見圖3。沁河源區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)量為306.48 mm，占年均降水量的60.18%，水源涵養(yǎng)總量達到4.19億m3。水源涵養(yǎng)功能在研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出明顯的空間差異，水源涵養(yǎng)功能較高的地區(qū)主要集中在以落葉闊葉林和常綠針葉林覆蓋為主的區(qū)域，最高值達到487.87 mm，主要原因在于這些地區(qū)林地覆蓋度高，雖然蒸發(fā)作用強烈，但是雨水截留量大，徑流產(chǎn)生少，土壤保水能力高，因而水源涵養(yǎng)量較高。水源涵養(yǎng)功能次高的地區(qū)主要集中在以灌木林和草地覆蓋為主的區(qū)域，與有林地相比，其蒸騰作用相對較弱，但土壤的蓄水能力亦較弱，且易產(chǎn)生地表徑流。居住地、工業(yè)用地和采礦場等建設(shè)用地的蓄水能力弱，徑流量大、匯流時間短，降雨多以地表徑流的形式流走，水源涵養(yǎng)功能差。

圖2沁河源區(qū)降水量、土地利用類型、蒸散發(fā)量和徑流量分布

圖3 沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能

3.2 沁河源區(qū)不同土地利用類型水源涵養(yǎng)功能特征

統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型下的水源涵養(yǎng)量均值、面積比例及貢獻率(各土地利用類型水源涵養(yǎng)量占總水源涵養(yǎng)量的比例)，見圖4。研究區(qū)內(nèi)林地的面積最大，占研究區(qū)總面積的75.40%，包括落葉闊葉林、常綠針葉林和落葉闊葉灌木林，這三種林地的面積分別為424.76 km2，397.95 km2，202.94 km2，占總面積的31.23%，29.26%和14.92%；其次為旱地(190.97 km2)，占總面積的14.04%；草地面積次之，包括草叢(106.25 km2)和草甸(15.26 km2)；建設(shè)用地和河流的面積最小，僅占總面積的1.52%和0.11%。

不同土地利用類型的水源涵養(yǎng)量均值依次為常綠針葉林(364.53 mm)>落葉闊葉林(330.41 mm)>草甸(185.92 mm)>河流(178.01 mm)>落葉闊葉灌木林(173.58 mm)>草叢(142.98 mm)>旱地(138.36 mm)>居住地(91.39 mm)>采礦場(71.39 mm)>工業(yè)用地(52.73 mm)。就森林生態(tài)系統(tǒng)而言，林地通過冠層截留、枯枝落葉層持水和土壤滲透蓄水發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能[18]，針葉樹種的截留降水量較大，闊葉樹種次之，常綠樹種較大，落葉樹種次之，故常綠針葉林的冠層截留量較落葉闊葉林的大；枯落物截留量一般是闊葉林>針葉林[19]；林分間土壤滲透性存在一定差異，研究區(qū)內(nèi)針葉林和闊葉林的土壤以粉砂壤土和壤土為主，滲透性較強。研究區(qū)內(nèi)的草甸是山西屈指可數(shù)的典型亞高山草甸之一，主要生長著矮草類高山植物，與草叢相比，植被茂盛且覆蓋度高，水源涵養(yǎng)能力相對較好。

各土地類型水源涵養(yǎng)貢獻率與水源涵養(yǎng)量和面積有關(guān)。研究區(qū)內(nèi)的水源涵養(yǎng)主要由落葉闊葉林和常綠針葉林所貢獻，兩者的貢獻率分別為43.99%和42.00%，落葉闊葉林的貢獻率稍大主要由于其面積最大所致。

圖4 不同土地利用類型水源涵養(yǎng)功能特征

3.3 沁河源區(qū)不同海拔高度水源涵養(yǎng)功能特征

統(tǒng)計研究區(qū)在海拔高度<1 000 m，1 000～1 500 m，1 500～2 000 m，2 000～2 500 m四個類別下的水源涵養(yǎng)量均值、面積比例及貢獻率(圖5)。研究區(qū)內(nèi)海拔1 000～1 500 m的面積比例為73.25%，1 000 m以下的較少，只有0.05%。研究區(qū)內(nèi)水源涵養(yǎng)功能主要來自于海拔1 000～1 500 m地區(qū)，其貢獻率達到66.12%，其次來自于海拔1 500～2 000 m地區(qū)，貢獻率為29.23%，位于海拔2 000～2 500 m和1 000 m以下的水源涵養(yǎng)功能貢獻率較低，分別為4.65%和0.01%。不同海拔高度上的水源涵養(yǎng)量均值不同，位于海拔1 500～2 000 m上的林地面積較大，其水源涵養(yǎng)量均值最大，為401.71 mm，其次為位于海拔2 000～2 500 m和1 000～1 500 m地區(qū)，均值分別為312.73 mm和280.10 mm，位于海拔1 000 m以下的水源涵養(yǎng)能力最低，為52.80 mm?？梢姡０? 000～1 500 m地區(qū)貢獻率最高主要受其面積較大的影響，海拔1 500～2 000 m地區(qū)貢獻率較高與水源涵養(yǎng)量和面積均較高有關(guān)。

圖5 不同海拔高度水源涵養(yǎng)功能特征

3.4 沁河源區(qū)不同坡度水源涵養(yǎng)功能特征

根據(jù)不同的坡度，可分為平坡(5°以下)、緩坡(5°～15°)、斜坡(15°～25°)、陡坡(25°～35°)、急坡(35°～45°)和險坡(45°以上)六大類。統(tǒng)計研究區(qū)內(nèi)不同坡度類型下的水源涵養(yǎng)量均值、面積比例及貢獻率，見圖6。研究區(qū)內(nèi)以緩坡和斜坡為主，急坡和險坡較少，94.32%的地面坡度小于25°。各坡度類型水源涵養(yǎng)貢獻率依次為緩坡(48.36%)>斜坡(38.16%)>平坡(6.53%)>陡坡(6.46%)>急坡(0.48%)>險坡(0.02%)，大小與水源涵養(yǎng)量和面積有關(guān)。對于水源涵養(yǎng)量均值，急坡、陡坡和險坡的最大，分別為373.62 mm，368.32 mm和363.94 mm，這三種坡度上主要分布著落葉闊葉林和常綠針葉林，因此水源涵養(yǎng)功能較高；其次為斜坡和緩坡，水源涵養(yǎng)量均值為344.73 mm和290.46 mm；平坡的最小，為183.34 mm；建設(shè)用地主要分布在此坡段上，以致水源涵養(yǎng)能力較低。對于水源涵養(yǎng)貢獻率，緩坡因其面積比重最大，其水源涵養(yǎng)貢獻率仍高于其他坡地，斜坡的水源涵養(yǎng)量和面積比重均較大，因而貢獻率也較高，盡管其他坡度的水源涵養(yǎng)量并不低，但是由于面積比重較小，導(dǎo)致貢獻率不高。

圖6 不同坡度類型水源涵養(yǎng)功能特征

4 結(jié) 論

(1) 本文以沁河源區(qū)作為河源區(qū)典型區(qū)域，研究了沁河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能空間分布特征。基于水量平衡法，依據(jù)Budyko假設(shè)和SCS-CN模型，計算得到沁河源區(qū)多年平均水源涵養(yǎng)量為306.48 mm，水源涵養(yǎng)總量達到4.19億m3。不同土地利用類型、海拔和坡度的水源涵養(yǎng)功能不同，其中落葉闊葉林和常綠針葉林的水源涵養(yǎng)貢獻率和水源涵養(yǎng)量均值最大；

海拔處于1 000～1 500 m的水源涵養(yǎng)功能貢獻率最大，海拔處于1 500～2 000 m的水源涵養(yǎng)量均值最大；緩坡和斜坡水源涵養(yǎng)貢獻率較大，急坡、陡坡和險坡上，植被蓋度高，水源涵養(yǎng)功能較高。

(2) 本文在水量平衡法計算中，基于Budyko假設(shè)原理計算地表實際蒸散發(fā)，利用SCS-CN模型計算地表產(chǎn)流量，結(jié)果基本可以反映該區(qū)水源涵養(yǎng)空間分布特征。但是由于參數(shù)的選擇是依據(jù)國內(nèi)相關(guān)文獻，與研究區(qū)實際情況可能存在一定誤差，參數(shù)的驗證與改進可以進一步討論。

(3) “河源區(qū)”作為一種重要的生態(tài)功能區(qū)，具有極高的水源涵養(yǎng)服務(wù)功能，對河源區(qū)的保護程度直接影響中下游以致整個流域范圍的生態(tài)環(huán)境的好壞，與周邊城市鄉(xiāng)村的生產(chǎn)、生活與經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展有密切關(guān)系。對河源區(qū)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能的評價過程是生態(tài)保護的基礎(chǔ)工作，因此，探討計算專門適用于河源區(qū)水源涵養(yǎng)功能的研究方法，使研究結(jié)果更具科學(xué)性，是今后逐步研究的重點。

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