水和植被是流域水文循环系统中重要的组成部分。水影响着植被的生长和空间分布,没有水就不会有植被;同时,植被的存在又影响着水的产生和循环过程,从而改变水的分布格局和流通时间^[1,2]。不同的植被类型对水循环过程具有明显的不同,对土壤水分的深度、利用率、水分的收支情况等特征方面存在较大的差异^[3],如森林可通过林冠截留降水比草地明显减少地表径流和土壤入渗,且森林的蒸散耗水量一般也大于草地。以往对植被水文功能的研究多基于样地（坡面）尺度研究水文循环的局部过程,如截留、蒸散发、土壤水分变化等^[4-6],或通过水文模型简单地模拟坡面或流域植被变化水文效应^[7,8]。随着遥感和GIS在水文领域的应用,较多学者在区域或景观尺度水平研究了植被类型及其分布对水文过程和格局的影响研究^[9-12];并且,随着流域分布式生态水文模型的发展,基于植被、土壤、地形等因素划分的水文单元可有效地模拟景观尺度上不同植被类型的水文发生过程,从而更好地揭示流域或区域生态水文分布格局及其变化,如徐丽宏等^[13]应用TOPOG模型模拟了六盘山林区景观格局发生改变对生态水文过程特征和功能的改变。

泾河流域上游,地处半湿润半干旱过渡区,具有土石山区和黄土区。其中,土石山区素有黄土高原上的“湿岛”之称,其内分布的森林和草地对该区水文循环系统及水资源保护具有重要的调节作用;黄土区以农田、草地为主,并种植了大量的人工林。因此,在该区研究植被及分布对水文过程的影响对上游水资源管理和植被恢复具有重要的作用。

1 研究区概况

泾河流域是西北黄土高原水土流失较为严重的地区之一,其上游位于整个流域的西南部,研究流域位于该区泾川测站以上（106°11′E-107°21′E,35°15′N-35°45′N）,面积为3 164 km²,海拔范围在1 026-2 922 m之间。主要有2种地形：土石山区和黄土区,其中土石山区在海拔1 750 m以上,由六盘山及其余脉崆峒山和太统山等组成;黄土区位于1 026-1 750 m之间,主要由丘陵、塬、梁、峁及河川等地貌类型所构成。为半湿润半干旱气候,降水多集中于夏季,6-9月份占71.2%,其中土石山区降水量较高,年降水量614 mm,年均气温为6.5℃,年潜在蒸发量为1 419.9 mm,为半湿润区;黄土区年降水量475 mm,年均气温为8.8℃,年潜在蒸发量为1 438.4 mm,为半干旱区。土壤以灰褐土（土石山区）和黄土（黄土高原）为主。森林主要分布在土石山区,大部分为天然次生林,包括桦树（Betula albo-sinensis）、山杨（Pobulus davidiana）、华山松（Pinus armandi）、辽东栎（Quercus liaotungensis）等树种,少部分为华北落叶松人工林;农田是黄土区的主要植被类型,分布于川地、塬地及丘陵,以种植冬小麦为主,玉米次之;草地在两个分区均有覆盖,在土石山区覆盖度较高为50%-70%,而黄土区较低在40%-50%之间。

2 研究方法

2.1 SWIM模型

SWIM（soil and water integrated model）是20世纪90年代后由Valentina Krysanova将MATSALU与SWAT模型进行整合,以日为步长模拟水文过程、植被生长和养分循环的模型。模型通过划分子流域及水文单元进行模拟,并基于每个水文单元进行水文过程的计算。其中,地表径流根据美国农业部水土保持局开发的SCS曲线法获得;侧向流 (即表层壤中流)的计算与入渗同时进行,即水分入渗到土壤以后,当任何土壤层的储水量大于其田间持水量时就会产生壤中流;实际蒸散量的估算是先用Priestley-Taylor公式计算潜在蒸散,再用经验公式Ritchie方法分别计算土壤蒸发和植被蒸腾,而土壤蒸发和植被蒸腾是叶面积指数、潜在蒸散和土壤含水量的函数。农作物（包括小麦、玉米、马铃薯等）和自然植被（草地、常绿林等）的生长模拟是利用EPIC（Erosion Productivity Impact Calculator）的简单模型获得。同时,模型利用太阳辐射和叶面积指数计算植被光合有效辐射,进而将能量转化为生物量;同时,叶面积指数又是单位热量指数和生物量的函数。单位热量指数根据植物生理成熟度取值,其范围为0-1。另外,模型可以很好地模拟农作物管理,如施肥次数,施肥用量以及作物轮作情况。

针对模型SWIM中具体的水文过程和植被生长计算请参见Krysanova等^[14]文献。

2.2 基础数据准备

收集水文、气象数据：选用泾河上游4个气象站、17个雨量站和1个水文站（泾川测站）1997-2003年间的日气象数据,包括日降水、日最高温度、日最低温度、日平均温度、日太阳总辐射、日相对湿度及日径流数据。

空间数据包括：DEM（分辨率为90 m）、土地利用、土壤类型等。其中,利用DEM将流域划分为74个子流域和677个水文单元,并提取流域河网和有关流域水文参数。土地利用数据来源于2000年5月和10月的TM遥感影像数据（分辨率为30 m）,以及六盘山林管局提供的六盘山林相图和平凉林业局提供的太统林场林相图和土谷堆林场林相图。植被分类是利用ERDAS IMAGINE8.5进行遥感解译分类,分类精度可达87%;并利用ArcGIS将解译结果与现有林相图进行剪切与拼接,且考虑DEM进行农田的再次分类,从而获得17种土地利用/覆被类型。土壤类型数据根据已详细划分的土地利用类型给出,即每个水文单元内的土地利用和土壤数据是唯一的、均质的。

2.3 模型参数

SWIM的参数较多,主要分为3类：植被参数、土壤参数和水文参数。

植被参数主要是最大叶面积指数和主根系分布深度的确定（表1）,可通过野外调查和参考相关文献获得。其它相关植被参数的取值（如收获指数、生长最适温度等）主要利用SWIM模型自带的土地利用/植被数据库中的参数值确定。另外,每种植被类型的SCS模型的CN值直接影响日径流过程的模拟,该值主要基于植被类型、土壤状况等条件而定,并根据土壤前期水分条件划分为干旱（CN₁）、正常（CN₂）和湿润（CN₃）3种情况,表1为确定的17种植被类型CN₂值,CN₁和CN₃可利用CN₂在模型中计算获得。

土壤参数主要包括土壤容重、土厚、孔隙度、田间持水量及饱和导水率。本文主要参考《平凉土壤》和时忠杰博士论文《六盘山香水河小流域森林植被的坡面生态水文影响》^[15]获得,其中饱和导水率可利用模型的土壤饱和导水率修正系数做进一步率定而确定。

水文参数主要是通过Mapwindow GIS提取的河道宽度、长度、曼宁系数等,以及相关的陆面蒸发修正系数、流域基流修正系数和汇流校正系数。

3 结果与分析

3.1 模型的率定与验证

以1997-1999年和2000-2003年数据分别作为模型的率定期和验证期,并利用效率系数(E) (Nash-Sutcliffe系数)和日径流量相对误差进行了结果评价。从流域出口日径流看,SWIM模型模拟的泾川测站日径流量与实测值吻合较好,效率系数E值在率定期（1997-1999年）和验证期（2000-2003年）分别为0.59和0.53,日径流量平均相对误差分别为1.2%和0.7%（图1）。另外,模拟的流域年潜在蒸散量为914 mm,与该区平凉站用E-601型蒸发皿所测年值852 mm较接近;同时,对森林、农田模拟得到的实际蒸散量与研究区内或附近的试验点实测数据进行了对比,如辽东栎林生长季（8-9月份）的蒸散量为53 mm比实测值44 mm略高9 mm^[16];塬地小麦生长期的土壤蒸发（109 mm）和蒸腾量（238 mm）较杨凌地区实测值略低5 mm和2 mm^[17],其年蒸散耗水量455.8 mm,接近于李开元等^[18]对黄土高原农田水量平衡研究得出的小麦耗水量450 mm。因此,模型能够较好模拟流域各水文过程。

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图1   1997-2003 年SWIM模型模拟的泾川站日径流量与实测值比较

Fig.1   Comparison between the observed and simulated runoff by SWIM at Jingchuan station in 1997-2003

3.2 植被类型对水文过程的影响

3.2.1 景观尺度下植被类型的水文效应

表2为针对泾河流域上游不同区域进行的不同植被类型的水文效应模拟结果,包括各植被类型的蒸散及其分量、径流及其分量和土壤深层渗漏。从模拟结果可以看出,森林、农田、草地不同植被类型间的水文过程显著不同,且存在区域差异。

从森林植被的水文效应看,除土石山区的灌木林蒸散量较小（427.0 mm）外,研究区的森林蒸散量平均值在478.2-527.5 mm之间,其蒸散分量存在区域差异,如黄土区森林土壤蒸发略高于蒸腾,而土石山区的明显小于蒸腾。土石山区的森林径流深和土壤深层渗漏显著大于黄土区的,如土石山区森林的径流深在20.8-52.0 mm之间,深层渗漏为35.8-106.7 mm;而黄土区的径流深为6.0 mm（或8.5 mm）,且深层渗漏均为负值。这主要是由于土石山区降水量显著大于黄土区。

从农田的水文效应看,不同地形条件下农田的水文效应略有差异。黄土区农田的蒸散量在442.1-470.1 mm之间,明显大于土石山区的426.2 mm,这可能是因为黄土区气温高于土石山区而有利于农作物的生长,使其蒸腾量（169.9-232.5 mm）明显大于土石山区的（142.9 mm）。各农田类型的径流深在5.3-18.9 mm之间,大小依次为梯田麦田（包括黄土区和土石山区）>塬地麦田>川地麦田。土石山区农田深层渗漏（140.4 mm）显著高于黄土区的（35.0-57.9 mm）,这一方面与土石山区降水量较大有关,另一方面是土石山区农田土壤具有较大的导水率（平均为160 mm/h）而利于深层渗漏。

从草地的水文效应看,土石山区草地的蒸散量（373.5 mm）低于黄土区的395.3 mm,主要是它们的蒸腾量差异较大。这一方面可能与区域气候差异有关;另一方面可能是黄土区草地的土层厚度深,其根系分布深度为40 cm,有利于吸收更多的土壤水,而土石山区土壤较薄,根系分布深度仅为20 cm。土石山区草地径流深为119.3 mm,显著大于黄土区草地,且大部分以壤中流为主。在深层渗漏方面,两个区域的草地差异不大。

从水域和居民地的水文效应看,水域具有最高的蒸发能力和径流深;居民地的蒸散量主要是土壤蒸发,仅为117.8 mm,径流深较高为406.1 mm,深层渗漏由于地表硬化仅为3.2 mm。

3.2.2 植被景观格局对水文过程影响

泾河流域上游植被景观分布除了具有区域差异外,也存在海拔差异。低海拔1 026-1 350 m主要植被类型为川地麦田和黄土草地,海拔1 350-1 750 m主要分布塬地麦田、坡式梯田麦田和草地;当海拔>1 750 m时,基本上属于土石山区,在海拔1 750-2 250 m农田、草地和森林均有分布,而在2 250-2 922 m主要分布为森林。这种植被景观分布格局使得流域上游的水文过程具有明显的空间异质性（图2）。

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图2   泾河流域上游降水量（Prec）、蒸散量（ET）、径流深（Runoff）和土壤深层渗漏（GWR）空间分布

Fig.2   Distribution of precipitation (Prec), evaptranspiration (ET), runoff (Runoff) and deep soil percolation (GWR) in the upper reaches of Jinghe Basin

流域上游平均降水量为547.2 mm,在不同区域、不同海拔具有一定的差异。在黄土区的2个海拔段内的降水差异不大,分别为515.4 mm和513.5 mm,平均为514.4 mm;在土石山区,则随着海拔的升高降水量有所增加,如海拔1 750-2 250 m之间平均降水量为590.0 mm,明显小于海拔2 250-2 922 m之间的640.8 mm（表3）。这一方面与六盘山山脉的迅速抬升而阻拦雨云有关,另一方面可能受森林植被的影响容易形成水平降水而增加该区的降水量。

流域上游平均年潜在蒸散量为934.0 mm,实际蒸散量为445.3 mm。其中,年潜在蒸散量在黄土区的两个海拔段差异不大;但在土石山区则随着海拔的升高明显降低。实际蒸散量在区域和海拔上与潜在蒸散量表现具有不一致性。在黄土区,以川地麦田和草地为主并具有少量森林的低海拔段1 026-1 350 m实际蒸散量为458.3 mm,明显大于以塬地麦田和坡式梯田为主的海拔1 350-1 750 m的蒸散量（440.8 mm）,主要是因为低海拔1 026-1 350 m的川地麦田的蒸散量略高于其他农田,且低海拔处水域和城镇居民地面积较大而显著增加蒸发量。在土石山区,海拔1 750-2 250 m的实际蒸散量最低,为434.2 mm,主要因为该区梯田麦田和草地的蒸散量较低;而在海拔2 250-2 922 m的实际蒸散量较高,为485.8 mm,主要与大面积的森林分布有关。从潜在蒸散量与降水量的比值看,该比值在黄土区两个海拔段间无明显差异,但具有较高值,分别为1.94和1.95,而在土石山区则具有较低值,并随海拔升高明显降低（表3）;而实际蒸散量与降水量比值除黄土区略高于石质山区外,在同一区域不同海拔段间差异不明显。

流域上游土石山区的径流深和土壤深层渗漏均显著大于黄土区的（表3）。在土石山区,尽管海拔2 250-2 922 m的森林植被具有较高的蒸散量,但该区径流深和深层渗漏均较高,分别为61.4 mm和97.4 mm,而海拔1 750-2 250 m的降水量虽然略低于海拔2 250-2 922 m,但区域植被类型总的蒸散量较低,这使得径流深和深层渗漏也较高,分别为69.5 mm和90.0 mm;在黄土区,径流深比土壤深层渗漏的海拔差异性明显。如海拔1 026-1 350 m的径流深为28.3 mm,其明显大于海拔1 350-1 750 m的19.2 mm,主要是因为在海拔1 026-1 350 m具有较多的水域和城镇居民地。另外,径流深和深层渗漏与降水量的比值在同一区域内差异不大,但土石山区的大于黄土区的。

4 结 语

通过利用分布式生态水文模型SWIM对泾河流域上游进行水文单元模拟,进而分析不同植被类型的水文效应及其对流域水文分布格局的影响,发现该区森林、农田、草地及居民地对上游水文系统的影响显著不同,且同一植被类型在不同区域对水文发生的影响结果也存在较大差异,如在土石山区的森林和草地具有较高的径流深,而黄土区的径流深明显较少;且土石山区农田和草地的蒸散量均低于黄土区的。森林植被作为水文环境要素,对降水、蒸散、径流、深层渗漏等水文通量在空间上的分布特征有着重要的影响,具有森林分布的上游区域其蒸散量、径流深和深层渗漏均具有较大值,且径流深和深层渗漏与降水比值也具有较高值;而在农田分布较多的黄土区除了具有较高的深层渗漏外,其蒸散量、径流明显偏低,但蒸散量与降水量比值却明显偏高。另外,从SWIM模拟日径流过程及点尺度验证的结果看,SWIM能够很好的模拟流域水文过程;然而,对于流域内不同区域的径流产生过程及深层渗漏情况目前还难以证实。因此,针对SWIM的模拟结果进行的径流深和土壤深层渗漏空间格局分析还有待于以后的进一步验证。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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