南水北调中线水源区绿水管理技术研究

李 建,尹 炜,杨国胜

(长江水资源保护科学研究所,湖北武汉 430051)

南水北调中线水源区绿水管理技术研究

李 建,尹 炜,杨国胜

(长江水资源保护科学研究所,湖北武汉 430051)

丹江口库区及其上游支流作为南水北调中线水源区在水资源优化配置方面具有重要的战略意义,水源区的水源涵养和水质净化是保障南水北调中线工程可持续调水的关键措施。以丹江口库区典型入库支流堵河上游为研究区域,利用SWAT模型评估研究区域绿水资源价值,通过调整模型参数,模拟不同绿水管理措施工况下堵河上游在水土保持和水源涵养等方面的效果。结果表明,堵河上游区域多年平均绿水资源量约为48.59亿m3,地表覆盖措施有利于丹江口水源区的水源涵养和水资源保护。

绿水管理;SWAT模型;水源涵养;水源地;南水北调中线工程

瑞典斯德哥尔摩国际水资源研究所水文学家Falkenmark[1]于1995年在世界粮农组织(FAO)召开的水土大会上,针对雨养农业与粮食安全问题首次提出绿水(Green Water)和蓝水(Blue Water)的概念。Falkenmark认为,降水在陆地生态系统中被分割成两部分,即绿水和蓝水。蓝水是降水中储存于河流、湖泊及含水层中可见的水,而绿水是降水渗透到非饱和土壤中用于植物生长的不可见的水。

自从绿水概念提出以来,绿水概念体系和评价方法一直处于发展阶段,并且在水资源评价和水文学研究中逐渐得到重视。世界土壤信息中心将绿水定义为源于降水、存储于土壤并被植被蒸散发消耗的水资源[2]。世界土壤信息中心的研究结果表明,全球约2/3的降水通过森林、草地、湿地和雨养农业的蒸散返回到大气中成为绿水,而仅有约1/10的降水储存于河流、湖泊及地下含水层中成为蓝水。这部分被称为“绿水”的水资源量相当可观,虽不能被人类直接利用,但可以被植物利用,间接转化成可被利用的水资源量。

绿水支撑着约占全球耕地面积83%的雨养农业,为世界70%的人口提供粮食保障,是世界粮食生产最重要的水源[3]。因此,瑞典斯德哥尔摩国际水资源研究中心将绿水资源视为关系人类福祉的重要资源,并用简明的水循环图式构画了一种全新的水资源管理策略。另外,国际农业发展基金(IFAD)、全球水系统项目组(GWSP)和未来水研究所(Future-Water)等机构正在致力于绿水的研究。研究内容主要涉及绿水概念体系的发展、绿水评估方法、绿水管理技术创新、绿水和蓝水综合利用、绿水与粮食安全,以及绿水管理与水资源安全等方面[4-6]。

近年来,对不同尺度的绿水定量研究取得了许多成果。有研究表明[7],全球每年蓝水资源约为400万亿m3,绿水资源约为600万亿m3。有学者认为水资源危机问题不是水缺乏的问题,而是水管理的问题。绿水管理包括所有能减少径流、增加水分入渗和降低土壤蒸发的技术和方法,绿水管理直接影响着全球水资源的安全。面对全球水资源短缺问题,为了养活快速增长的世界人口,有效利用降水资源,开发雨养农业潜力值得科学界进一步重视。

绿水概念及评价方法的出现已经引起科学界对水资源概念和水文功能的重新思考,但中国类似的研究工作还涉及较少。中国绿水方面的研究可以分为两个方面,一是绿水概念的引进与总结研究,包括绿水的内涵、多角度评估方法、关键科学问题、在虚拟水战略中的地位、绿水资源保护与管理等方面。初步研究表明[8-12],中国绿水资源总量约3.4万亿m3。二是区域小尺度范围的绿水评估尝试研究。主要涉及干旱与半干旱地区的绿水资源评价和绿水循环过程等内容[13-17]。因此,尽管绿水资源管理在中国已引起重视,但在如何实施绿水管理、绿水管理的技术与措施、绿水管理的生态和效益定量评价、流域绿水管理上游和下游利益管理,即生态服务付费(机制)方面还基本上未见报道,在中国仍属空白。

本文以丹江口库区典型入库支流堵河上游为研究区域,利用模型评估的方法研究区域绿水资源价值,并模拟不同绿水管理措施工况下堵河上游在水土保持、水源涵养和对库区发电量贡献等方面的效果,以期为库区生态服务付费机制和水资源保护工作提供借鉴。

1 研究区域

堵河发源于大巴山北麓,由西南流向东北然后汇入汉江。全长354 km,控制流域面积1.2万km2,平均坡度4.8%。本文以竹山水文站以上的堵河上游流域为研究区域。

堵河上游流域面积约9 027 km2,位于北纬31° 30′～32°37′和东经109°11′～110°25′之间,具有典型的亚热带季风气候,过去50年平均气温维持在12.4℃～18.4℃,多年平均降水量为728～1 480mm, 6～10月份季风期间降水量平均为973mm,占全年平均将水量的80%。研究区内地貌类型多样,以亚高山地貌为主,相对高差较大,最高海拔为2 833m,最低为竹山水文站220m。

2 研究方法

2.1 堵河上游绿水资源价值评估

2.1.1 SWAT模型

SWAT模型是最适合评估水土保持效果和进行绿水资源评估的模型之一[18]。目前,世界不同地区具有利用SWAT模型在不同尺度流域进行水文和水质研究的成功案例。SWAT是一个物理基础的分布式模型,可以进行连续时间序列的模拟。SWAT模拟的流域水文过程分为水循环的陆面部分(即产流和坡面汇流部分)和水循环的水面部分(即河道汇流部分)。前者控制着每个子流域内主河道的水、沙、营养物质和化学物质等的输入量;后者决定水、沙等物质从河网向流域出口的输移运动。整个水分循环系统遵循水量平衡规律。SWAT模型涉及到降水、径流、土壤水、地下水、蒸散以及河道汇流等多个方面。

2.1.2 数据编辑与模型配置

SWAT模型的建立需要输入地形、土壤、土地利用以及水文气象数据。地形信息来源于中国国家测绘中心,DEM的分辨率为25m×25m(图1(a));土壤数据来源于世界土壤信息中心,包括一个1∶10000土壤类型图和土壤属性图;土地利用图(2007)、气象数据和水文数据(2001—2010年)来源于长江水利委员会资料(图1(b)和图1(c))。

利用SWAT2009版本编辑SWAT模型的输入文件。基于DEM、土地利用和土壤数据,堵河上游流域被划分为55个流域子单元(图1(d)),并进一步划分为829个水文响应单元(HRUs)。降水-径流演算利用SCS曲线数法,河道流量演算利用变量存储系数法[19]。Penman-Monteith方程用于计算潜在蒸发,植被蒸散利用潜在蒸发和植被叶面指数的线性关系计算。

图1 堵河流域信息

2.1.3 模型校准与验证

利用流域出口断面竹山水文站2001—2010年的月均流量资料进行模型校核。模型的性能利用Nash-Sutcliffe efficiency(ENS)、百分比偏差(P)和判决系数(coefficient of determination R2)来检验。

式中:ENS为性能利用指标;P为百分比偏差;R2为判决系数;Oi为观测值;Pi为模拟值;Oave为平均观测值;Pave为平均模拟值。一般地,当R2〉0.5时可认为SWAT模型的模拟结果是可以接受的[20]。

2.2 绿水管理措施及模型支持

通过改变计算模型参数来设定不同的开发场景,以此反映不同方式的绿水管理干预措施。根据模型工具包计算出流域各部分水土保持措施对农业生产力和现有水量的影响,并就各场景对上游和下游干预措施进行综合性描述。

2.2.1 绿水管理措施

绿水管理措施包括沿等高线种植植被形成阻隔带、地表覆盖、鱼鳞坑等,通过SWAT模型来量化处理这些绿水管理措施。

a.等高条作。农作物和草带交替条播是一个较成熟的实践措施,草带或其他永久性植被带能够有效阻挡土壤和营养物质流速。这些植被缓冲带建立在等高线上,径流流动更缓慢,能够起到拦截泥沙的作用,同时也增加了农业生态系统的多样性。这种植被带其实是一种廉价梯田替代品。

b.地表覆盖。在农业种植区地表进行秸秆或者杂草覆盖可以有效保护土壤免受侵蚀,减少暴雨造成的冲刷,并且可以保持土壤湿度以及土壤温度的稳定。另外,地表覆盖还可以防止杂草生长,提高生物多样性和增加土壤碳储量。

c.鱼鳞坑。鱼鳞坑主要由平均30 cm宽20 cm高的潜坑组成,沿等高线建立土脊,每隔一段距离垂直土脊建立一个橫层。橫层大概为土脊高度的2/3,因此如果发生溢流,水流将沿犁沟流动,而不是沿等高线流动。虽然构建鱼鳞坑需要付出较多的精力,但是鱼鳞坑的集水效率和防治土壤侵蚀效果较好。同时,在土脊上种植的农作物生长速度高于比那些无脊地块。

2.2.2 模型支持

在SWAT模型中,所有绿水管理措施均通过输入参数调整来实现。代表这些绿水管理措施的模型参数有土壤蒸发补偿系数。

a.土壤蒸发补偿系数(ESCO)。提高土壤蒸发补偿系数将增加土壤蒸发和植被可用于蒸腾的水分,同时意味着增加蓝水量。

b.土壤流失支持实践因子(Pusle)。减小该因子意味着减少土壤侵蚀,同时增加地下水交换量。

c.径流曲线数(CN2)。减小该参数意味着减少土壤侵蚀,同时增加地下水交换量。

2.2.3 情景设定

等高耕作、地表覆盖和鱼鳞坑3种绿水管理措施通过设定SWAT模型不同参数来实现,不同情景下的参数值见表1。

表1 不同绿水管理情景的SWAT模型参数值

3 计算结果与讨论

3.1 模型验证

堵河流域竹山站径流和产沙量的模拟结果见图2和图3。从图中可以看出,模拟的地表径流和产沙量的月径流过程与实测数值具有较好的一致性。利用公式(1)～(3)对模型性能进行校核,结果见表2。校核结果表明,地表径流和产沙量的模拟结果与实测数值匹配较好,说明模型的校准和验证较为成功。

表2 模型性能校核参数

图2 竹山站模拟值与实测值时间序列对比

3.2 绿水与蓝水资源

根据蓝水、绿水的定义,以及SWAT模型的输出结果,蓝水资源量可以认为是产水量与深层地下水补给量之和,绿水资源量等于植被蒸腾量与土壤水储量的变量之和,计算结果见图4和图5。经计算,堵河竹山以上流域平均每年蓝水产生量为56.60亿m3,绿水产生量为48.59亿m3;其中,绿水总量中被植被通过蒸腾作用利用的绿水流为47.92亿m3,土壤中的绿水存储量的变量为0.66亿m3。

图3 模拟值与实测值散点图

图4 堵河竹山以上流域年均(2001—2010)绿水和蓝水资源总量年内分配

3.3 绿水管理模拟效果分析

等高条作、地表覆盖和鱼鳞坑3种绿水管理措施的SWAT模拟结果见表3和表4。其中,表3为干旱年份和多雨年份模拟结果与不采取绿水管理措施的对比,表4为2001—2010年序列计算结果的年平均值。从表中可以看出,3种绿水管理措施都能很好地起到减少泥沙侵蚀的作用。但是,地表覆盖措施更适合堵河流域。因为,地表覆盖措施能够增加汇入丹江口水库的蓝水资源量,这意味着有更多的水能够用于南水北调工程。同时,流域内的水源涵养量和绿水资源量也有所增加,这些绿水和蓝水资源量的增加均与无效蒸发量的减少有关。计算结果表明,采用地表覆盖措施可以减少3%的无效蒸发。

图5 堵河竹山以上流域年均(2001—2010)绿水和蓝水资源总量空间分布

表3 干旱年份(2006年)与湿润年份(2005年)不同绿水管理措施效果与现状对比

表4 多年平均(2001—2010)情况下不同绿水管理措施效果与现状对比

4 结 论

笔者以堵河流域绿水管理为研究对象,通过SWAT模型的构建、校核和参数调整,模拟不同绿水管理措施的实施效果。在等高条作、地表覆盖和鱼鳞坑3种绿水管理情景下的模拟结果表明,地表覆盖可以减少更多的无效蒸发,增加汇入丹江口水库的蓝水量以及涵养于土壤中的绿水量,更适合于丹江口库区的水源涵养和水资源保护。

研究发现,通过调整模型参数来关联绿水管理措施具有较好的可操作性,但是不同参数值与绿水管理措施的关联程度还有待进一步细化,为此期待在该方面继续开展后续研究。

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TV213.4

A

1003 -9511(2014)01 -0007 -05

2013 -10 -20 编辑:张志琴)

10.3969/j.issn.1003 -9511.2014.01.002

李建(1985—),男,山东临沂人,博士,主要从事水文水资源和生态水文研究。E-mail:lijian2750@foxmail.com