基于SWAT模型的北江流域生態(tài)徑流調(diào)節(jié)服務(wù)評估

林若蘭, 卓文珊，高延康，高藝桔，符洪恩，劉祖發(fā)

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510611； 2.中山大學(xué)測試中心，廣東 廣州 510275；3.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275； 4.華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點實驗室，廣東 廣州 510275； 5.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 珠海 519082)

水文調(diào)節(jié)是生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的重要內(nèi)容。生態(tài)系統(tǒng)的水文調(diào)節(jié)服務(wù)可理解為生態(tài)系統(tǒng)對自然界中水的各種運動變化所發(fā)揮的作用，從而使水在時間、空間、數(shù)量等方面發(fā)生變化的現(xiàn)象和過程[1-2]。目前有較多學(xué)者對森林、濕地等生態(tài)系統(tǒng)和不同景觀格局的水文調(diào)節(jié)過程、機理進行研究[3-7]或?qū)ζ渖鷳B(tài)服務(wù)價值進行評估[8-13]。水文調(diào)節(jié)量的計算方法主要有實地試驗法、經(jīng)驗估算法和水文模型模擬法。實地試驗法由于采樣數(shù)據(jù)有限，只適用于小尺度范圍，在尺度外推時存在較多問題。經(jīng)驗估算法包括降水儲存量法、多因子回歸法、綜合蓄水量法等[14],但由于氣象、水文、下墊面條件的空間異質(zhì)性以及水量輸移和轉(zhuǎn)化極其復(fù)雜，經(jīng)驗估算法的結(jié)果往往較為粗略。隨著遙感、地理信息系統(tǒng)、雷達測雨和計算機等技術(shù)的發(fā)展，分布式水文模型在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。夏瑞等[15]通過DTVGM模型對武夷山市各行政區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的徑流調(diào)節(jié)量及其價值量進行了評估；孫倩瑩等[16]應(yīng)用SWAT模型評估廈門市不同時間的土地利用下的生態(tài)水文調(diào)節(jié)服務(wù)；黃清華等[17]在對SWAT分布式水文模型改進的基礎(chǔ)上,對黑河干流山區(qū)流域出山徑流進行了模擬；Morán-Tejeda等[18]分別用SWAT模型和RHESSys模型對生態(tài)系統(tǒng)變化情景下的水文過程進行模擬。

北江流域是典型的洪澇災(zāi)害高發(fā)區(qū)[19]，歷史上特大、較大洪水時有發(fā)生，生態(tài)系統(tǒng)的徑流調(diào)節(jié)對于防洪安全具有重要意義。本文基于SWAT模型，分析土地利用變化背景下北江流域生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)服務(wù)的時空變化，以期為制定合理科學(xué)的生態(tài)系統(tǒng)保護政策提供參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

北江是珠江的第二大水系，主要支流有武江、滃江、連江、綏江等，流域面積為3.9萬km2(以石角站為流域出口站點)，大部分面積位于廣東省內(nèi)，小部分面積在湖南省、江西省。流域氣候主要為亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量在1 300～2 400 mm之間，地形主要為山地和丘陵，地勢北高南低(圖1)，土地利用類型主要為林地、耕地、草地等。流域內(nèi)有北江大堤、飛來峽水利樞紐、樂昌峽水利樞紐等重要水利工程。

圖1 北江流域水系及范圍Fig.1 River system and boundaries of Beijiang River Basin

1.2 數(shù)據(jù)來源

收集地理空間數(shù)據(jù)云平臺90 m×90 m的DEM數(shù)據(jù)，聯(lián)合國農(nóng)糧組織和維也納國際應(yīng)用系統(tǒng)研究所于2009年發(fā)布的HWSD數(shù)據(jù)庫的1 km分辨率土壤數(shù)據(jù)，以Landsat系列遙感影像為數(shù)據(jù)源的1980年、2000年、2015年的30 m×30 m土地利用數(shù)據(jù)，中國氣象共享網(wǎng)的1975—2015年的氣象數(shù)據(jù)(包括降雨、氣溫、相對濕度、風(fēng)速等)。此外收集來源于水文年鑒的1980—2010年的流域內(nèi)水文站逐日徑流數(shù)據(jù)，包括石角站、犁市站、長壩站、滃江站、橫石站，部分站點序列不能達到2010年，利用插值法補全。

2 研究方法

2.1 SWAT模型

2.1.1模型構(gòu)建

根據(jù)DEM生成的水系劃分子流域，子流域數(shù)量不同徑流模擬效果不同，本研究劃分56個子流域以取得較佳模擬效果。為考慮水利工程的影響，在飛來峽大壩的位置自定義添加子流域出口點，并設(shè)置為水庫。建立土壤屬性數(shù)據(jù)庫，根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)劃分水文響應(yīng)單元(HRU)。根據(jù)歷史氣象數(shù)據(jù)建立天氣發(fā)生器以填補氣候數(shù)據(jù)缺值，輸入實測降雨、氣溫、輻射、相對濕度、風(fēng)速的逐日數(shù)據(jù)。添加水庫特性參數(shù)，包括水庫開始運行的年月、水庫特征水位對應(yīng)的水面面積及庫容、水庫的日出流量等。設(shè)置模型計算時間步長為1 d，將1975—1979年作為預(yù)熱期，1980—1998年為模型率定期，1999—2010年為模型驗證期。利用實測徑流數(shù)據(jù)進行參數(shù)率定和模型驗證，采用百分比偏差(P)、均方根誤差與標準差比值(R)和納什效率系數(shù)(N)評價模型的模擬效果。

2.1.2模型率定和驗證

率定參數(shù)時主要的敏感性參數(shù)為徑流曲線數(shù)、淺層地下水再蒸發(fā)系數(shù)、土層的有效含水量等[20]。不斷調(diào)整參數(shù)，先率定上游的子流域，再率定下游子流域(從犁市站、長壩站、滃江站到橫石站，最后到石角站)。其中，子流域水文站的驗證期模擬效果為：P<8.02%，R>0.42，N>0.75。流域控制站石角站的徑流量模擬結(jié)果見圖2，率定期P=2.10%，R=0.33，N=0.90；驗證期P=1.61%，R=0.29，N=0.91，模擬效果很好。模擬的基流值和實測值基本吻合，部分年份的徑流峰值未達到，峰值、谷值出現(xiàn)時間基本吻合，總體模擬效果較好，表明SWAT模型能夠應(yīng)用于北江流域長時間尺度的徑流模擬。

圖2 石角站月徑流量的模擬和實測值Fig.2 Simulated and measured values of monthly runoff in Shijiao Station

2.1.3模擬情景設(shè)置

為定量研究土地利用變化對徑流變化的貢獻量，基于1980—2015年氣象數(shù)據(jù)，利用SWAT模型對6種情景(實際土地利用的1980年(情景1)、2000年(情景2)、2015年(情景3);土地極度退化的1980年(情景4)、2000年(情景5)和2015年(情景6))進行模擬。以情景1為背景條件，分析不同時期的土地利用變化對北江流域的影響。為評估北江流域生態(tài)系統(tǒng)的徑流調(diào)節(jié)能力，設(shè)置極度退化裸露無植被情景，將北江流域林地、灌木、草地、耕地這些有植被的土地利用類型替換為裸地，然后將實際土地利用情景和極度退化情境下的水文通量進行對比，得到生態(tài)系統(tǒng)對各水文通量的調(diào)節(jié)量。

2.2 土地利用變化

為定量反映不同土地利用類型之間的轉(zhuǎn)化方向，計算土地轉(zhuǎn)移矩陣，表達式為

(1)

式中：n為土地利用類型數(shù)目；Sij(i,j=1,2,…,n)為第i種土地利用類型轉(zhuǎn)化為第j種土地利用類型的面積。

2.3 徑流調(diào)節(jié)價值量評估

利用SWAT模型計算北江流域的徑流調(diào)節(jié)量，采用替代工程法，以水庫建設(shè)成本來定量計算生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)的價值量[21]：

E=WC

(2)

式中：E為流域生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)的價值量；W為流域內(nèi)的徑流調(diào)節(jié)量；C為水庫建設(shè)成本，根據(jù) LYT 1721—2008《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》，2005年水庫建設(shè)成本為6.11元/m3，通過消費價格指數(shù)推算到2015年水庫建設(shè)成本為7.19元/m3。

3 結(jié)果分析

3.1 徑流調(diào)節(jié)量的時間分布特征

利用SWAT模型對實際土地利用的情景3和土地極度退化的情景6進行模擬，分別計算2015年實際徑流深和潛在徑流深，推求2015年北江流域的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)徑流深。北江流域降水豐沛，降水量(多年平均值為1 727.7 mm)遠大于流域生態(tài)系統(tǒng)的徑流調(diào)節(jié)能力，因此流域降水量越大，年均調(diào)節(jié)徑流深比例(徑流深調(diào)節(jié)量與實際土地利用情景下的徑流深之比)越小。生態(tài)系統(tǒng)對北江流域的多年平均年調(diào)節(jié)徑流深為-141.2 mm，調(diào)節(jié)比例為 -12.2%；豐水期(4—9月)調(diào)節(jié)徑流深為 -90.6 mm，調(diào)節(jié)比例為-10.1%；枯水期(10—3月)調(diào)節(jié)徑流深為 -50.6 mm，調(diào)節(jié)比例為 -19.4%，豐水期的調(diào)節(jié)量大于枯水期，調(diào)節(jié)比例小于枯水期。

如表1所示，在實際土地利用情景3下，地表徑流全年調(diào)節(jié)量為-472.8 mm，且豐水期調(diào)節(jié)徑流深大于枯水期，前汛期的調(diào)節(jié)量大于后汛期。而向淺層含水層的滲透量增加，其全年調(diào)節(jié)量為 282.8 mm，從而使基流增加，豐水期由于降水充足，滲透量比枯水期大。另外，植被的覆蓋對側(cè)向流有直接影響[22-23]，使側(cè)向流全年增加62.8 mm，其中前汛期的增加量最大。在情景3下流域全年蒸散發(fā)量增加126.8 mm，主要是由于植物蒸散發(fā)量增大，增加量主要分布在豐水期，枯水期蒸散發(fā)量變化幅度很小。

表1 生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)徑流深的年內(nèi)分布(情景3)Table 1 Annual distribution of hydrological fluxes regulated by ecosystem in scene 3 mm

總體而言，生態(tài)系統(tǒng)對下墊面起減流作用，尤其是前汛期調(diào)節(jié)徑流深最大，但在后汛期調(diào)節(jié)徑流深很小。這是由于在充足的降水下，森林、灌木、草地等生態(tài)系統(tǒng)使更多的降水轉(zhuǎn)化為土壤水和地下水，前汛期土壤含水量逐漸增加，到了后汛期發(fā)生降雨時土壤孔隙較快蓄滿達到飽和，產(chǎn)生地表徑流，因此與前汛期相比，后汛期植被對地表徑流的調(diào)節(jié)作用較小，前汛期的地表徑流的調(diào)節(jié)徑流深是后汛期的1.9倍。另外植被覆蓋使地下徑流和側(cè)向流增加，因此植被覆蓋對后汛期的總徑流深影響不大。北江流域多年平均的調(diào)節(jié)徑流深為141.2 mm，轉(zhuǎn)換為水量即55.1億m3，推算到2015年生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)價值量為396.2億元。

3.2 徑流調(diào)節(jié)量的空間分布

SWAT模型是分布式水文模型，全面考慮降雨和下墊面空間不均勻性。利用模型模擬情景3和情景6條件下的徑流量，其差值為生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)量，轉(zhuǎn)化為生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)徑流深，結(jié)果如圖3所示。

圖3 北江流域生態(tài)調(diào)節(jié)徑流深的空間分布Fig.3 Spatial distribution of runoff depth regulated by ecosystem in Beijiang River Basin

北江干流上游的調(diào)節(jié)徑流深比下游大，上游支流錦江、湞江、武江流域調(diào)節(jié)徑流深分別為 -168.0 mm、-148.5 mm，-139.7 mm(各子流域按面積加權(quán)平均)；中下游的連江、滃江流域的調(diào)節(jié)徑流深相對較小，分別為-130.5 mm、-141.4 mm；到下游干流調(diào)節(jié)徑流深減小，但濱江流域的調(diào)節(jié)徑流深較大，為 -155.9 mm。影響水文調(diào)節(jié)服務(wù)的主要因素包括：自然植被面積比例、農(nóng)田面積比例等[24-25]。分析北江流域56個子流域調(diào)節(jié)徑流深與森林覆蓋率(林地+灌木林)的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.92，通過0.01的顯著性水平檢驗；調(diào)節(jié)徑流深與自然植被覆蓋率(林地+灌木林+草地)的相關(guān)系數(shù)為0.84，通過0.01的顯著性水平檢驗。表明自然植被(尤其是樹林)對徑流調(diào)節(jié)服務(wù)起正向促進作用，即自然植被覆蓋率越大的子流域，其調(diào)節(jié)徑流深越大，生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)能力越強。而調(diào)節(jié)徑流深與耕地面積比例的相關(guān)系數(shù)為-0.45，通過0.01的顯著性水平檢驗，耕地面積比與調(diào)節(jié)徑流深呈負相關(guān)關(guān)系。

3.3 土地利用變化對徑流調(diào)節(jié)價值量的影響

1980—2015年北江流域的主要土地利用類型為林地，面積占比超過62%，其次為耕地、草地，面積占比分別超過20%、6%。從時間上來看，流域的土地利用變化可分為兩個階段：1980—2000年和2000—2015年。1980—2000年，各土地利用類型面積的年變化率較小，總體變化幅度較小，除了草地面積占比減少0.16%以外(轉(zhuǎn)變成林地、耕地、灌木)，其他各類型的面積占比變化率均不超過0.10%。2000年后，各土地利用類型的平均年變化率明顯增大，其中耕地面積的減少速度是上一時段的15倍，而建設(shè)用地面積的增加速度是上一時段的23倍。2015年耕地、林地、灌木、草地面積占比與2000年相比分別降低0.74%、0.18%、0.17%、0.02%，水域和建設(shè)用地面積占比分別上升0.12%、0.98%，2015年建設(shè)用地面積是2000年的1.63倍。

總體而言，1980—2000年的土地利用變化幅度不大，因此僅列出2000—2015年的土地轉(zhuǎn)移矩陣(表2)。減少的耕地面積主要是變成林地和建設(shè)用地，分別占原本耕地面積的3.34%、3.01%；減少的林地面積主要是變成耕地、草地和建設(shè)用地，分別占原本耕地面積的0.92%、0.68%、0.54%；減少的灌木面積主要是變成林地，占原本灌木面積的3.61%。耕地、林地、灌木、草地分別減少280.1 km2、76.3 km2、64.5 km2、10.8 km2，水域面積、建設(shè)用地分別增加了47.4 km2、384.3 km2。整體表現(xiàn)為耕地減少，植被覆蓋減少，建設(shè)用地增加。

表2 2000—2015年北江流域的土地轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Land use transition matrix of Beijiang River Basin from 2000 to 2015 km2

由表3可知，北江流域2000年生態(tài)系統(tǒng)徑流調(diào)節(jié)量的空間分布與2015年基本一致。2000年徑流調(diào)節(jié)量為55.92億m3，北江流域植被面積的減少以及建設(shè)用地的擴張在一定程度上降低了徑流調(diào)節(jié)量，到2015年調(diào)節(jié)量降低為55.10億m3，減少 0.82億m3，調(diào)節(jié)價值量降低5.85億元。除濱江流域外，其他北江支流流域的徑流調(diào)節(jié)量均有所減小，連江流域的減少量最大，為0.16億m3，調(diào)節(jié)價值量降低1.15億元；錦江流域調(diào)節(jié)量變化最小，減少了0.01億m3，調(diào)節(jié)價值量降低0.07億元。

表3 2000—2015年各子流域徑流調(diào)節(jié)量及調(diào)節(jié)價值量的變化Table 3 Change of runoff regulation amounts and their economic value in different sub basins from 2000 to 2015

4 結(jié) 論

a. 1980—2000年的土地利用變化幅度不大，2000年以后土地利用年變化率明顯增大，耕地面積減少280.1 km2，植被覆蓋面積減少151.6 km2，建設(shè)用地增加384.3 km2。

b. 2015年生態(tài)系統(tǒng)對北江流域的多年平均年調(diào)節(jié)徑流深為-141.2 mm，調(diào)節(jié)比例為-12.2%，調(diào)節(jié)價值量為396.2億元。在生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用下，全年的地表徑流減少472.8 mm，但側(cè)向流增加62.8 mm，向淺層含水層的滲透量增加282.8 mm，因此地下徑流增加，蒸散發(fā)增加 126.8 mm，豐水期調(diào)節(jié)量大于枯水期，豐水期調(diào)節(jié)比例小于枯水期，而豐水期的調(diào)節(jié)量主要集中在前汛期。

c. 從空間分布來看，2015年北江干流上游的調(diào)節(jié)徑流深比下游大，自然植被對徑流調(diào)節(jié)服務(wù)起正向促進作用，尤其是樹林，而耕地面積比例與調(diào)節(jié)徑流深呈負相關(guān)關(guān)系。

d. 由于土地利用變化幅度整體較小，2000年與2015年北江流域調(diào)節(jié)徑流深空間分布基本一致，2015年調(diào)節(jié)量減少0.82億m3，調(diào)節(jié)價值量降低5.85億元。