CN108564243A - 一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，包括以下步骤：通过原型生态水文观测试验获取土壤水文特性参数；构建研究区分布式生态水文模拟；最后根据前期获得的水文特性参数以及构建的分布式生态水文模型设定情景方案，将各情景方案模拟得到的生态水文过程与采取措施之前进行对比，定量分析不同生态保护措施后的水资源效应。该方法解决了现有生态水文模型在解决大尺度、高寒高海拔江河源头区对生态水文过程模拟中面临的适用性问题，同时将试验观测数据与模型参数进行直接对比，对于定量分析大规模的生态保护与修复措施产生的水源涵养及河川径流效应提供科学依据。
Description
技术领域
本发明属于生态环境保护与修复技术领域，具体涉及一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法。
背景技术
生态环境保护与修复已成为我国生态文明建设的核心内容之一，是实现“绿水青山”基础保障，尤其是江河的源头区、上中游地区，开展实施了大规模的水土保持、生态修复、退耕还林还草、荒漠化治理等一系列保护措施。但是对保护的效果监测评价还面临很大的困难，主要在于原型观测网受经费、人力、自然条件等限制，只能在点尺度、小范围实施，对大尺度的保护效果监测评估难以实现；其次，水系统与气候、生态、人类活动等诸多要素密切相关，仅靠原型观测难以区分和定量评估保护措施带来的水资源效应。
目前，关于生态保护、土地利用等下垫面变化条件下的水资源效应评价，主要有以下几种途径：一是建立分布式水文模型，模拟下垫面变化对径流深、径流量等水文特征的影响。比较常见的是利用SWAT模型，在不同的土地利用类型下，模拟汛期、非汛期等不同时间尺度的水文要素的变化，并分析水文要素变化与主要景观类型的响应关系；二是基于某一个或者几个植被生长要素，利用统计分析方法比较生态保护措施的效果。例如基于植被盖度、叶面积指数、流速等指标，根据Mann-Kendall法、Mann-Whitney法、聚类分析法、Pettitt法、秩和检验法等统计方法对指标进行趋势、突变等特征进行分析检验；三是构建评价指标体系，评估生态水文过程的变化。较为常见的是先基于水文变化指标法(IHA)，从水文情势的量、时间、频率、延时和变化率5种基本特征出发，构建生态水文评估指标体系，然后在此基础上利用变化范围法(RVA)，确定生态保护措施实施前后指标的改变程度，进而评估其生态水文效应。
以上三种评估方法都存在一定的局限与不足。基于水文模型模拟的方法从区域水文特征出发，注重分析流量、流速等要素的变化，从而体现河川径流的水文响应特征，但比较依赖模型本身的适用能力，常见的模型(如SWAT模型)由于缺乏能够模拟高寒江河源区积雪融雪、土壤冻融等过程的模块，加上水文过程参数的不确定性，难以适用江河源区的生态水文过程模拟及生态效应评价预测。基于植被生长要素变化的统计评价方法只能从定性角度描述生态保护措施的基本效应，缺乏定量化、空间化的精确分析，而且针对未来生态保护措施的制定与管理不能给出定量预测结果。基于构建生态水文指标体系的评价大多用于河流，由于筑坝、气候变化、引水、地下水超采等原因导致的生态水文情势变化的统计评价，而河流生态水文特征与大尺度、高寒地区生态水文特征存在较大差异，生态指标体系对于后者有较大局限性，尤其是对江河源区生态保护水资源效应定量评估方面还缺乏有效工具。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，该方法具有在高寒江河源区模拟大尺度生态水文过程演变的能力，并能够对大规模生态保护与修复措施实施后产生的水资源效应进行模拟评估及预测，指导生态保护规划措施的制定与实施。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，具体包括以下步骤：
(1)基于江河源区原型生态水文观测试验，获取土壤水文特性参数；
(2)采集流域空间地理信息库信息，根据该信息构建分布式水文模型，该模型对地表积雪融雪过程、土壤水冻融过程和植被生长过程进行分布式模拟；该信息包括土地利用信息、土壤类型信息、气象站点的空间分布信息；
(3)根据所述分布式生态水文模型，以生态保护与修复措施为基础设定情景方案，根据所述土壤水文特性参数设定基准方案，将各情景方案模拟得到的生态水文过程与基准方案进行对比，评估生态保护与修复措施的水资源效应。
进一步地，步骤(2)中采用分布式水文模型对地表积雪融雪过程进行模拟的具体方法为能量和质量平衡计算积雪和融雪过程，计算公式为：
式中，Cs是冰的比热，J/(kg·℃)；ρw是水的密度，103kg/m3；W是表层积雪的雪水当量，m；Ts是表层温度，℃；Qr是净辐射，KJ/(m2·day)；Qs是感热通量，KJ/(m2·day)；Qe是潜热通量，KJ/(m2·day)；Qp是经由降雨和降雪提供给积雪层的能量，KJ/(m2·day)；Qm是液态水结冰时向积雪层释放的能量或融化时从积雪层吸收的能量，KJ/(m2·day)。
进一步地，步骤(2)中采用分布式水文模型对土壤水冻融过程进行模拟的具体方法为通过以下公式来进行模拟：
式中：FSi为第i层土壤水冻结量，mm；θi为第i层土壤的含水量；θstat,i为当层土壤饱和含水量。
进一步地，步骤(2)中采用分布式水文模型对植被生长过程进行模拟的具体方法为对光合作用和呼吸作用进行模拟，光合作用通过公式(1)进行模拟，呼吸作用通过公式(2)进行模拟：
式中：GPP为植被总初级生产力，g·C/(m2·d)；ε为光转化因子，无量纲；PAR为大气上界的光合有效辐射，MJ/(m2·d)；FPAR为植被对入射光合有效辐射的吸收比例；a，b为经验系数；DL为理论日照时长，h；n为实际日照时数，h；
为T0温度时的光呼吸系数；Tday为日平均气温，℃；RG为植物生长呼吸消耗量，kg C/(m2·d)；Rg为生长呼吸系数；RM为维持呼吸消耗量，g C/(m2·d)；T0为作物呼吸的最适温度，℃；为T0温度时的维持呼吸系数；Q10为呼吸作用的温度系数。
进一步地，步骤(3)中水资源效应包括水源涵养效应、径流调节效应，径流包括汛期径流和枯水期径流；当水源涵养量增加，汛期洪峰径流量减少，枯水期径流量增加时，生态保护与修复措施产生正面效应。
本发明提供的江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，具有以下有益效果：
(1)本发明是针对江河源区采取的生态保护修复措施实施后，对其水资源提供的一种效果定量评价方法，该方法通过原型生态水文观测试验获取土壤关键参数，根据所获取的信息构建研究区分布式生态水文模型，主要是针对大区域、高寒高海拔江河源头区的生态水文系统中地面积雪融雪过程、土壤水冻融过程、植物生长过程的模拟，然后定量评估及预测研究区生态保护修复后产生的水资源效应，该水资源效应包括陆面水源涵养效应和冰川径流变化过程效应。该方法通过构建大区域分布式生态水文模型，模拟设定生态保护措施中的多种情景方案，对比分析不同保护措施情景下的水资源要素变化，通过与基准情景的比较分析，分离出单一保护修复措施或组合措施对江河源区生态水文过程的影响程度及贡献度，最后将模拟得到的水资源效应值与试验观测及实测统计结果的相关部分进行对比验证，从而给出能够反映区域生态保护措施水资源效果的客观结论，为生态保护及补偿机制研究提供技术支撑。
(2)该方法具有在高寒江河源区模拟大尺度生态水文过程演变的能力，解决了现有生态水文模型在解决大尺度、高寒高海拔江河源头区对生态水文过程模拟中面临的适用性问题；同时该方法能够对大规模生态保护与修复措施实施后产生的水资源效应进行模拟评估及预测，指导生态保护规划措施的制定与实施，其局限性小，易于推广。
附图说明
图1为江河源区生态保护水资源效应定量评估方法的主要流程图。
图2三江源区河网水系提取结果图。
图3三江源区子流域划分图。
图4积雪融雪过程验证(沱沱河)结果图。
图5水源涵养效应空间分布(一期)图。
图6水源涵养效应空间分布(二期)图。
图7汛期径流调节效应(长江直门达站)结果图。
具体实施方式
本发明以三江源区为研究区域，其保护修复后水资源效应定量评估方法的主要流程如图1所示，具体过程如下：
实施例1
一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，具体包括以下步骤：
(1)通过原型生态水文观测试验获取土壤水文特性关键参数
选择三江源区具有代表性的草原、草甸、湿地等典型水源涵养区域，针对不同土壤退化程度、不同植被覆盖度下的草原土、草甸土、泥炭土进行实地采样监测(设计方案见表1)，取样地20cm、40cm、60cm深度内土壤，获取不同退化程度、不同类型土壤的容重、非毛管孔隙度、粒径、饱和导水率和有机质含量等参数值，为模拟评估三江源区生态系统水源涵养量提供数据验证和理论支撑，参数值具体见表2-4。
表1三江源区不同退化程度、不同类型土壤理化参数观测试验设计方案
表2草甸土土壤主要参数观测值
*中度退化草甸土(Ⅰ)的退化时间较长，但人类活动影响稍弱，**中度退化草甸土(Ⅱ)退化时间较短，但人类活动影响稍强。
表3草原土土壤主要参数观测值
*重度退化草原土(Ⅰ)的退化时间较长，**中度退化草甸土(Ⅱ)退化时间稍短。
表4沼泽土土壤主要参数观测值
(2)构建三江源区分布式生态水文模型
主要是构建适用于高寒、高海拔生态脆弱区的分布式生态水文模型，这个过程是将地表积雪融雪过程、土壤水冻融过程、植被生长过程与流域地表产汇流、土壤水与地下水循环系统进行深度耦合，客观反应江源区的生态水文特征，具体步骤如下：
第一步，划分计算单元，建立单元、河网拓扑关系。
基于研究区DEM数据信息，利用ArcGIS平台提取流域河网水系(图2)，并与实际河网进行对比验证后，根据每条河段的集水范围划分子流域(图3)及计算单元，按照水流的汇聚特征建立单元、河段之间的上下游拓扑关系。
根据提取的水系，划分得到1099个子流域单元。其中，长江流域366个(三江源区外16个)；澜沧江流域190个(三江源区外50个)；黄河流域418个(三江源区外88个)；西北诸河流域125个。
第二步，根据划分的单元信息，提取三江源区的土地利用、土壤类型、气象站点的空间分布等信息，并完成模型输入文件。其中，三江源区的土地利用以草地、未利用地、林地为主，其中草地占比达68％，低覆盖度和中覆盖度草地分布范围最广；三江源区的土壤类型以草毡土、寒钙土、黑毡土、薄草毡土、淡寒钙土、暗寒钙土、栗钙土、沼泽土等8种土壤为主，其中草毡土和寒钙土分布最广，占三江源区总面积的36％、15％。气象站点50个，其中分布在三江源区范围内的气象站点有22个(黄河源区13个、长江源区7个、澜沧江源区2个)。气象要素包括降水、最高与最低气温、平均气温、平均风速、相对湿度、日照时数等的日尺度信息，数据系列1980-2012年，根据这些信息来构建适用于高寒、高海拔生态脆弱区的分布式生态水文模型。
需要指出的是，为了满足江河源区生态水文模拟的需求，本模型研发改进了地表积雪融雪模块、土壤水冻融模块、植被生长模块。
①地表积雪融雪模块。采用双层积雪融雪模块来模拟江河源区积雪融雪过程，即较薄的积雪表层和下积雪层，其中大气、冠层和积雪层的能量交换仅发生在积雪表层。该模块基于能量和质量平衡计算积雪和融雪过程，能量平衡部分主要模拟融雪、再结冰以及积雪热含量的变化过程，质量平衡部分主要模拟积雪、融雪、雪水当量变化及融雪产流量，融雪量或冻结水量(W)的计算公式如下：
式中，Cs是冰的比热，J/(kg·℃)；ρw是水的密度，103kg/m3；W是表层积雪的雪水当量，m；Ts是表层温度，℃；Qr是净辐射，KJ/(m2·day)；Qs是感热通量，KJ/(m2·day)；Qe是潜热通量，KJ/(m2·day)；Qp是经由降雨和降雪提供给积雪层的能量，KJ/(m2·day)；Qm是液态水结冰时向积雪层释放的能量或融化时从积雪层吸收的能量，KJ/(m2·day)；△t和t指时间，按天计算；把积雪表层看做单元体，其吸收的能量即进入单元体的能量记为正值，从单元体释放的能量记为负值。②土壤水冻融模块。土壤的冻结与融化过程实际就是其中的水分相态变化过程，土壤中的热量被放出并使其温度降低到土壤的冻结临界温度时，土壤中水分便开始冻结。土壤的临界冻结或融化温度直接影响到土壤内部的温度梯度，是判定土壤冻结深度的基本指标。土壤的临界冻结温度受到土壤自身性质的影响，比如土颗粒的物理化学成分、土壤含水率和含盐量以及外界条件(如压力)的影响。将冻土冻融过程分为四个阶段：不稳定缓慢冻结阶段、快速而稳定冻结阶段、不稳定融化阶段、融化阶段。为适应流域大尺度冻土过程模拟，模型基于水热耦合原理，采用简化的一维土壤水冻融分层模拟方法：
式中：FSi为第i层土壤水冻结量，mm；θi为第i层土壤的含水量；θstat,i为当层土壤饱和含水量。
③植被生长模块。光合作用与呼吸作用是植被生长的两大关键过程，也是构建植被生长模型的核心与关键。陆地植物的光合作用包括所有叶片、茎、生殖器官的光合作用，与植物冠层吸收的光合有效辐射、气温、冠层CO2浓度以及植物种类等生态因子密切相关，其关键过程模拟见式(3)；植物呼吸过程主要是维持自身需要将光合作用中形成的糖类消耗掉并释放CO2的过程，包括光呼吸、生长呼吸与维持呼吸三个过程，其关键数学公式见式(4)：
式中：GPP为植被总初级生产力，即植被实际生长环境条件下的每日光合产物量，g·C/(m2·d)；ε为光转化因子，即植被吸收光的利用效率，无量纲；PAR为大气上界的光合有效辐射，MJ/(m2·d)；FPAR为植被对入射光合有效辐射的吸收比例。a，b为经验系数；DL为理论日照时长，h；n为实际日照时数，h；为T0温度时的光呼吸系数；Tday为日平均气温，℃；RG为植物生长呼吸消耗量，kg C/(m2·d)；Rg为生长呼吸系数；RM为维持呼吸消耗量，gC/(m2·d)；T0为作物呼吸的最适温度，℃；为T0温度时的维持呼吸系数；Q10为呼吸作用的温度系数。
第三步，模型率定与验证。将模拟的径流过程和积雪冻融过程得到的结果与区域实测的水文气象资料以及原型观测试验得到的数据信息进行对比分析，选用相对误差Re、相关系数R2和确定性效率系数Ens(Nash-Suttcliffe)验证模拟结果的可靠性，从而把握生态水文过程的变化机理。
径流过程验证。选择研究区沱沱河、直门达、唐乃亥、香达等10个控制性水文站资料对径流过程进行模拟验证，率定期为1980～1999年，验证期为2000～2012年，结果见表5。
表5模型率定与验证效果评价
积雪融雪过程验证。选择长江源头区沱沱河水文站观测资料对积雪融雪及土壤冻融产生的径流过程进行模拟验证(图4)，结果显示考虑积雪融雪和土壤冻融过程后，径流模拟精度显著提升，满足应用要求。
(3)生态保护与修复情景的模拟与水资源效应定量评估。
根据三江源区一期、二期保护规划的范围及措施，以现状作为基准年，考虑退牧还草、鼠害防治、黑土滩治理、林地保护、湿地保护、综合措施等保护内容设定13套情景方案，具体见表6。然后将各情景方案模拟得到的生态水文过程与基准方案做对比分析，定量分析不同生态保护措施的水资源效应。
水资源效应，包括陆面水源涵养效应、径流调节效应。
①水源涵养效应。与不采取保护措施相比，采取生态保护措施后，三江源区水源涵养量显著增加，一期规划情景下水源涵养量增加6.2亿m3，增加0.6％；二期规划情景下，水源涵养量增加15.6亿m3，增加1.4％；其中，长江源区水源涵养量增幅最大，保护效应最为显著，具体结果见表7。从生态保护效果的空间变化来看(图5、图6)，一期规划措施在长江流域的保护效果最为突出，尤其是下游的直门达至石鼓、雅砻江流域；二期规划措施的效果更加明显，另外黄河流域的玛曲至龙羊峡区域的水源涵养量增幅显著。
②径流调节效应。汛期径流过程变化：以长江直门达站为例，与保护前相比，在实施一期生态保护措施后，长江源区汛期(5-9月)月洪水峰值明显降低(图7)，其中7月份径流减少最为显著，削减洪量约0.87亿m3，汛期累计削减洪量约2.62亿m3；实施规划二期生态保护措施后，长江源区汛期累计削减洪量约5.27亿m3。二期规划情景下月均最大流量比一期情景显著减小，一期综合情景的月平均最大流量比基准年降低31.1m3/s，二期综合情景比基准年降低56.2m3/s。
枯水期径流变化：以长江直门达站为例，一期生态保护措施实施后，长江源区枯季(11月-次年4月)平均径流量较一期实施前有显著增加，11-12月份径流增加最为显著，分别增加水量约0.1亿m3，枯季径流累计增加了0.53亿m3，增幅为1.2％；二期措施实施后较一期实施前枯季径流累计增加了1.49亿m3，增幅为3.3％。
表6三江源生态保护与修复情景设置
| 序号 | 方案情景 | 方案编号 | 情景内容说明 |
| 1 | 基准方案 | G10 | 现状 |
| 2 | 退牧还草方案 | G11 | 18个自然保护区范围内实施退牧还草保护措施 |
| 3 | 鼠害防治方案 | G12 | 18个自然保护区范围内实施鼠害防治保护措施 |
| 4 | 黑土滩治理方案 | G13 | 18个自然保护区范围内实施黑土滩治理保护措施 |
| 5 | 林地保护方案 | G14 | 18个自然保护区范围内实施退耕还林等保护措施 |
| 6 | 湿地保护方案 | G15 | 18个自然保护区范围内实施沼泽湿地保护措施 |
| 7 | 一期综合方案 | G16 | 将上述G11-G16方案的措施综合实施 |
| 8 | 草场治理方案 | G21 | 22个县镇范围内实施沙化草地治理等保护措施 |
| 9 | 黑土滩治理方案 | G22 | 22个县镇范围内实施黑土滩治理保护措施 |
| 10 | 鼠虫害防治方案 | G23 | 22个县镇范围内实施鼠虫害防治等保护措施 |
| 11 | 林地保护方案 | G24 | 22个县镇范围内实施封山育林等保护措施 |
| 12 | 沙漠化治理方案 | G25 | 22个县镇范围内实施沙漠化治理等措施 |
| 13 | 湿地保护方案 | G26 | 22个县镇范围内实施湿地、水土保持等保护措施 |
| 14 | 二期综合方案 | G27 | 将上述G21-G27方案的措施综合实施 |
表7三江源生态保护与修复的水源涵养效应
本发明评估方法在大区域、高海拔、高寒冷地区也可应用，在面积39.5万km2、海拔4000～5800m、年平均气温-5.4～4.1℃的三江源区域评估了不同生态保护与修复措施的水资源效应；此外本发明对生态保护单一措施及综合措施效应的定量评估，并具有预测未来生态保护措施实施效果的能力，可以为区域规划设计提供建议。
Claims (5)
1.一种江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于江河源区原型生态水文观测试验，获取土壤水文特性参数；
(2)采集流域空间地理信息库信息，根据所述信息构建分布式水文模型，该模型对地表积雪融雪过程、土壤水冻融过程和植被生长过程进行分布式模拟；所述信息包括土地利用信息、土壤类型信息、气象站点的空间分布信息；
(3)根据所述分布式生态水文模型，以生态保护与修复措施为基础设定情景方案，根据所述土壤水文特性参数设定基准方案，将各情景方案模拟得到的生态水文过程与基准方案进行对比，评估生态保护与修复措施的水资源效应。
2.根据权利要求1所述的江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，其特征在于，步骤(2)中采用分布式水文模型对地表积雪融雪过程进行模拟的具体方法为能量和质量平衡计算积雪和融雪过程，表层积雪的雪水当量计算公式为：
式中，Cs是冰的比热，J/(kg·℃)；ρw是水的密度，103kg/m3；W是表层积雪的雪水当量，m；Ts是表层温度，℃；Qr是净辐射，KJ/(m2·day)；Qs是感热通量，KJ/(m2·day)；Qe是潜热通量，KJ/(m2·day)；Qp是经由降雨和降雪提供给积雪层的能量，KJ/(m2·day)；Qm是液态水结冰时向积雪层释放的能量或融化时从积雪层吸收的能量，KJ/(m2·day)。
3.根据权利要求1所述的江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，其特征在于，步骤(2)中采用分布式水文模型对土壤水冻融过程进行模拟的具体方法为通过以下公式进行模拟：
式中：FSi为第i层土壤水冻结量，mm；θi为第i层土壤的含水量；θstat,i为当层土壤饱和含水量。
4.根据权利要求1所述的江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，其特征在于，步骤(2)中采用分布式水文模型对植被生长过程进行模拟的具体方法为对光合作用和呼吸作用进行模拟，光合作用通过公式(1)进行模拟，呼吸作用通过公式(2)进行模拟：
式中：GPP为植被总初级生产力，g·C/(m2·d)；ε为光转化因子，无量纲；PAR为大气上界的光合有效辐射，MJ/(m2·d)；FPAR为植被对入射光合有效辐射的吸收比例；a，b为经验系数；DL为理论日照时长，h；n为实际日照时数，h；
为T0温度时的光呼吸系数；Tday为日平均气温，℃；RG为植物生长呼吸消耗量，kg C/(m2·d)；Rg为生长呼吸系数；RM为维持呼吸消耗量，g C/(m2·d)；T0为作物呼吸的最适温度，℃；为T0温度时的维持呼吸系数；Q10为呼吸作用的温度系数。
5.根据权利要求1所述的江河源区生态保护修复的水资源效应定量评估方法，其特征在于，步骤(3)中水资源效应包括水源涵养效应、径流调节效应，径流包括汛期径流和枯水期径流；当水源涵养量增加，汛期洪峰径流量减少，枯水期径流量增加时，生态保护与修复措施产生正面效应。
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