三江平原土地利用變化對水量平衡的影響

孫青言,陸垂裕,郭 輝,嚴聆嘉,何 鑫,吳 初

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100038； 2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院,黑龍江 哈爾濱 150080)

區(qū)域水量平衡是指特定時段內(nèi)水量收入與支出的差值,即區(qū)域水儲量的變化量[1],其在氣候和人類活動的影響下處于動態(tài)變化中。其中,人為引起的土地利用變化影響尤其值得關注[2]。土地利用變化除了直接引起蒸發(fā)、下滲、產(chǎn)流等水文過程的變化[3],往往伴隨著強烈的水資源開發(fā)利用活動,如地下水開采、地表水蓄引提調(diào)、農(nóng)田灌溉等[4-5],從而影響區(qū)域水量收支,改變區(qū)域水儲量。如果區(qū)域水儲量出現(xiàn)持續(xù)增加或者減少的趨勢,依賴于其中某種水分條件的生態(tài)系統(tǒng)將發(fā)生重大變化[6-7],依賴于某種水源的社會經(jīng)濟系統(tǒng)將不得不消耗更高的成本進行調(diào)整和治理[8-9],反過來進一步加劇土地利用的變化。因此,建立土地利用變化與水量平衡的關系應是解決前述問題的科學基礎。

區(qū)域水儲量的變化量作為水量平衡的關鍵變量,其重要性不低于水量的收入項和支出項[10]。然而,相關研究大都聚焦于幾個關鍵通量的對比分析,如蒸散發(fā)、產(chǎn)流、地下水補給等,忽略了區(qū)域蓄水量的變化[2,11-12]。另外,大部分研究都關注下墊面對降水的再分配過程,即降水與冠層截留、蒸發(fā)蒸騰、地表產(chǎn)流、下滲等之間的水量平衡(或者土壤植被層的水量平衡),忽略地表水、地下水的水量平衡[12-15]。后兩者作為區(qū)域水文循環(huán)和水資源的重要組成部分,應包括在區(qū)域水量平衡的相關研究中。出現(xiàn)上述問題的原因可能是研究者重點關注土地利用變化對水文過程的直接影響,忽視了土地利用變化伴隨著的強烈水資源開發(fā)利用活動對區(qū)域整體水文循環(huán)的間接影響；還可能是采用的研究方法限制了水量平衡廣泛而深入的研究。目前,開展土地利用變化對水文循環(huán)影響研究的方法主要包括多個流域對比實驗法、長系列水文數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析法、水文模型模擬法等[2,16-23]。實驗法和統(tǒng)計分析法的局限性不必多言,模型模擬法中如果模型不具備良好的水量平衡核查機制和水資源供用耗排的模擬能力,出現(xiàn)前述問題也不可避免。

利用水文模型開展土地利用變化的水量平衡響應研究主要采用delta方法[2,24],即利用變化前后的兩期(或多期)土地利用數(shù)據(jù)分別建立模型,開展不同土地利用格局下的水文過程對比分析。然而,這種方法不能體現(xiàn)土地利用連續(xù)變化的影響,在模型校驗階段和水文過程對比分析方面均存在一定的矛盾和缺陷[25-29]，具備土地利用數(shù)據(jù)動態(tài)更新功能的水文模型則能夠克服這些不足。本文將利用一套基于此功能的分布式水文模型[25],采用一種新型對比分析方法,開展三江平原土地利用變化對水量平衡的影響分析,為三江平原制定土地利用調(diào)控和水資源調(diào)配方面的策略提供參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

三江平原位于黑龍江省東部,黑龍江、松花江和烏蘇里江交匯的區(qū)域(圖1)。該區(qū)域以三江干流和分水嶺為邊界,地理上相對較為獨立；又有相似的氣候特征、地質條件、自然景觀、農(nóng)業(yè)管理模式等,一般作為一個整體,從黑龍江省分離出來,單獨進行管理和水文循環(huán)研究。三江平原面積約10.57萬km2,其中平原區(qū)約占61.2%,由三江低平原、興凱湖平原2片完整的大平原和分散的山間河谷平原組成。20世紀50年代以來,三江平原土地利用變化開始加劇,以濕地、林地、草地向農(nóng)田轉變?yōu)橹鳎?0世紀80年代開始,農(nóng)田從旱地向水田轉變；2000年后土地利用變化以水田面積快速擴張為主,對區(qū)域水文過程產(chǎn)生顯著影響[30-32]。2000—2014年是三江平原水田面積擴張最快的時期,從占區(qū)域總面積的9.0%增加到22.8%,相關的水資源開發(fā)利用活動也隨之加劇；此后,水田擴張趨于停滯。

圖1 三江平原概況Fig.1 General information map of the Sanjiang Plain

1.2 研究方法

1.2.1 技術思路

在土地利用變化劇烈的區(qū)域開展水文循環(huán)模擬,模型輸入多期土地利用數(shù)據(jù),并在運行時根據(jù)用戶預設的時間節(jié)點更新數(shù)據(jù),由此建立的動態(tài)土地利用水文模型比采用單期土地利用數(shù)據(jù)構建的靜態(tài)土地利用水文模型,更加符合區(qū)域土地利用連續(xù)變化的特征,對水文循環(huán)的模擬也更精確[24-25]。上述建模思路需要水文模型具有土地利用數(shù)據(jù)連續(xù)更新的功能,目前具備這一功能的模型并不多見,其中代表性的有MODCYCLE、SWAT等[25,33]。

本研究以MODCYCLE為工具開展土地利用變化對水量平衡的影響研究。采用2000年、2005年、2010年和2014年的土地利用數(shù)據(jù)(動態(tài)LU情景),構建三江平原2000—2014年的水文循環(huán)仿真模型,并進行率定和驗證,保證仿真模型對實際水文循環(huán)的近似模擬,該過程已在文獻[25]中完成。采用2000年的土地利用數(shù)據(jù)替換仿真模型的全部土地利用數(shù)據(jù),其他數(shù)據(jù)和參數(shù)保持不變,建立2000以來土地利用不變(2000年靜態(tài)LU情景)的水文循環(huán)假設模型。模型假設2000年開始三江平原實施了積極的土地利用管控措施,控制水稻的無序增長,加強濕地、林地、草地生態(tài)系統(tǒng)的保護,基本保持了三江平原土地利用格局的穩(wěn)定。對比仿真模型與假設模型的水量平衡差異,探索三江平原此后15 a間的土地利用管控可否防止現(xiàn)實中出現(xiàn)的水量失衡問題,并量化水量失衡的修復程度。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù),2014年后三江平原水稻種植面積趨于平穩(wěn),國家對生態(tài)環(huán)境保護日益重視,林地、濕地等得到有效保護,使三江平原的土地利用格局基本定型。用2014年的土地利用數(shù)據(jù)再次替換仿真模型的全部土地利用數(shù)據(jù),其他數(shù)據(jù)和參數(shù)依然保持不變,建立2014年以后土地利用不變(2014年靜態(tài)LU情景)的水文循環(huán)預測模型。模型假設,在相同的氣候和供用水條件下,控制土地利用格局基本穩(wěn)定。對比分析仿真模型和預測模型的水量平衡模擬結果,預測未來15a水量失衡的發(fā)展趨勢,為當?shù)刂贫ㄓ行У乃Y源開發(fā)利用調(diào)控策略、改善水量失衡的現(xiàn)狀提供理論支持。

1.2.2 模型簡介

MODCYCLE為耦合了地下水數(shù)值模型的分布式水文模型,已在多種不同特征的區(qū)域取得了成功應用[25,34-37]。在開展流域水文循環(huán)建模時,首先需要按照DEM和實際河網(wǎng)將流域離散為若干子流域,然后再根據(jù)土地利用、土壤、農(nóng)業(yè)管理模式類型的空間疊加,將子流域劃分為若干水文響應單元(HRU)。HRU是水文模擬的最小單元,降水、截留、蒸發(fā)、下滲、產(chǎn)流等首先通過HRU分割,產(chǎn)流隨后通過坡面漫流匯入子流域一一對應的主河道,然后逐級匯流,直至流域出口。

MODCYCLE可以模擬農(nóng)田的灌溉或排水過程。模型綜合降水、蒸發(fā)、下滲、產(chǎn)流等水文過程,模擬農(nóng)田的土壤墑情(水田的積水深度),并對比用戶預設的農(nóng)作物不同生育期土壤墑情閾值(水稻不同生育期積水深度閾值),判斷農(nóng)田的灌溉或排水時機,模擬農(nóng)田的灌溉水量,從而實現(xiàn)農(nóng)田完整水文過程的模擬。因此,模型輸入的農(nóng)田灌溉用水統(tǒng)計數(shù)據(jù)僅作為參考,用于分割不同水源的取水量。更詳細的模型原理可參考文獻[37]。

水文循環(huán)模擬過程中土地利用數(shù)據(jù)的動態(tài)更新是MODCYCLE的重要功能之一[25]。模型以子流域為基本單元,以每年最后時刻作為時間節(jié)點,進行土地利用數(shù)據(jù)的年尺度更新。如果某一年土地利用數(shù)據(jù)缺失,模型會利用該年份前后的土地利用數(shù)據(jù)進行線性插值予以補充。上一年度模擬的HRU蓄水量(如土壤含水量、積雪量、截留量等)將以一致性傳遞的方式繼承給下一年度由新土地利用數(shù)據(jù)劃分的HRU,以保持土地利用更新前后水文循環(huán)模擬的連貫性[25]。

水量平衡是水文模型的核心原理。MODCYCLE模型開發(fā)出一套層次化的水量平衡核查機制。該機制先從水文模擬的各基礎組成部分進行獨立層次的水量平衡核查,包括水文響應單元、濕地、水庫、主河道、子流域或網(wǎng)格單元地下水等,再進行平原區(qū)含水層、子流域中間綜合層次的水量平衡核查,最后進行數(shù)值模擬區(qū)、全流域整體綜合層次的水量平衡核查。各層次的水量收入與支出差值必須等于蓄量變化。一般情況下,若某個獨立層次的水量平衡出現(xiàn)問題,則中間綜合層次的水量平衡也會出問題,進而導致整體綜合層次水量平衡出現(xiàn)問題,由此形成了層層遞進的水量平衡核查機制。模型可以輸出日、月和年尺度水量平衡的各分項結果,供用戶分析使用[37]。

1.3 數(shù)據(jù)及其處理

模型構建所需數(shù)據(jù)繁雜,具體包括基礎地理信息、氣象數(shù)據(jù)、土壤參數(shù)、農(nóng)作物管理信息、水利工程信息、供用水數(shù)據(jù)以及用于模型率定的水文觀測資料等。模型首先利用DEM和數(shù)字河網(wǎng)將研究區(qū)劃分為1 705個子流域和對應的主河道；然后把三江低平原和興凱湖平原分離出來,按照2 km×2 km的間距進行網(wǎng)格剖分,含水層分為深層和淺層,開展地下水數(shù)值模擬。根據(jù)所收集時間序列數(shù)據(jù)的完整性,構建2000—2014年三江平原水文循環(huán)仿真模型,并采用地表徑流、地下水位和水稻灌溉量實測數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證,基本實現(xiàn)了對實際水文過程的模擬[25]。

土地利用數(shù)據(jù)來自中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所,一級分類包括耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用土地6個地類。根據(jù)三江平原特點將收集的4期土地利用數(shù)據(jù)中的水域、沼澤地合并為濕地,各年份不同土地利用類型的面積比例如圖2所示。圖中顯示,三江平原耕地面積占總面積的一半左右,其中,水田面積增加迅速,2014年將近耕地面積的一半。其他土地利用類型面積略有起伏。

圖2 三江平原主要土地利用類型面積比例Fig.2 Proportion of main land use types in the Sanjiang Plain

研究區(qū)不同區(qū)域、不同類型土地利用面積有增有減。為了明確其空間變化,以子流域為單元,取4期土地利用數(shù)據(jù)中某種土地利用類型面積的平均值與2000年的相同類型面積比較,比較后的差值為正表示子流域該土地利用類型面積呈增加趨勢,反之則呈減少趨勢；然后除以子流域面積,用以展示子流域內(nèi)該土地利用類型變化強度,絕對值越大表明子流域內(nèi)該土地利用類型變化強度越大[25]?？傮w上看,水田面積增加最為強烈,平原區(qū)基本上以水田增加為主；平原區(qū)旱地則以減少為主,三江低平原中部和東北部旱地有所增加,山丘區(qū)的山間河谷平原旱地也有增加趨勢；林地在三江平原東北部和南部有所減少；濕地受人類擾動比較強烈,空間變化較為分散,增減各有分布?？傊?水田作為高耗水土地利用類型,其面積急劇增加勢必強烈干擾三江平原的水量平衡。

2 結果分析

為深入挖掘三江平原水量平衡存在的問題,本研究在全區(qū)域、全區(qū)域子系統(tǒng)、平原區(qū)地下水3個層面逐級進行對比分析；然后選取水量平衡中的關鍵分項(蒸散發(fā)和產(chǎn)流),進行時間過程和空間分布的對比,并以動態(tài)LU和2000年靜態(tài)LU情景對比為例,分析不同土地利用類型變化對關鍵分項變化的影響。

2.1 分級水量平衡對比分析

2.1.1 全區(qū)域

2000—2014年期間,三江平原全區(qū)域年均降水量為564.24億m3(降水量為雨量站實測數(shù)據(jù)空間展布后乘以對應控制面積核算而來),三大江年均入境水量為2 351.31億m3(界河計入模型的河網(wǎng)系統(tǒng)),區(qū)域外引水入境供灌溉、工業(yè)、生活等用水量年均14.98億m3,全區(qū)域總體水分收入量達2 930.53億m3(表1)。收入項中,降水量是模型的輸入數(shù)據(jù)；地表水入境水量也是模型輸入的水文站監(jiān)測流量數(shù)據(jù)；區(qū)域外引水供給非農(nóng)業(yè)用水為統(tǒng)計數(shù)據(jù),直接輸入模型數(shù)據(jù)庫；區(qū)域外引水灌溉量則與其他水源灌溉水量一同,由模型模擬獲得。如果三江平原從2000年開始控制土地利用的變化,那么15 a間平均每年可以減少5億m3以上的區(qū)域外引水入境量；如果2014年后再實施土地利用穩(wěn)定政策,那么依然需要平均每年從區(qū)域外多引水近4億m3?？紤]未來降水減少的可能,區(qū)域外引水量可能進一步增加,建議在相關規(guī)劃中考慮擴大未來境外水源調(diào)入工程規(guī)模。

表1 三江平原不同土地利用情景下年均水量平衡 億m3Table 1 Average annual water balances under different land use scenarios in the Sanjiang Plain

區(qū)域水分支出途徑復雜多樣,但主要歸結為兩類:蒸發(fā)蒸騰和地表水出境,均是模型模擬值。仿真模型模擬的年均水分支出量為2 928.08億m3,其中，蒸發(fā)蒸騰包括土壤蒸發(fā)、植被蒸騰、地表水蒸發(fā)、用水消耗等,為區(qū)域的凈耗水量,年均達496.03億m3；地表水出境量為過境水量與區(qū)域產(chǎn)流量的總水量,年均為2 432.05億m3。土地利用連續(xù)變化情景下,三江平原全區(qū)的水分收入量和支出量大體相當,區(qū)域各系統(tǒng)的總蓄水量略有增加。模型在2000年靜態(tài)LU情景下模擬的蒸發(fā)蒸騰量有所減少,出境水量有所增加,但總體上水分支出量是減少的,從而使全區(qū)域的水儲量年均增加11.59億m3；如果保持2014年的土地利用格局,此后的15 a間年均水資源消耗將進一步增加,導致區(qū)域水儲量呈減少趨勢,年均虧空4.25億m3。未來要改變這種水資源虧空的狀況,要么限制高耗水產(chǎn)業(yè)發(fā)展,要么增加區(qū)域外引調(diào)水量。

2.1.2 全區(qū)域子系統(tǒng)

全區(qū)域水量平衡在不同的土地利用情景下呈現(xiàn)較大差異,尤其在蒸發(fā)蒸騰方面,然而在蓄水量上的差異主要來自哪里并不清楚。如果只考慮土地利用變化的直接影響,忽略由此引發(fā)的大規(guī)模水資源開發(fā)利用活動,那么一般會推斷土壤水應是水量平衡變化最大的子系統(tǒng)。然而,模型在土壤植被子系統(tǒng)、地表水子系統(tǒng)、地下水子系統(tǒng)的水量平衡統(tǒng)計結果顯示,地下水系統(tǒng)卻是不同土地利用情景下水量平衡差異最大的(表2—表4)。土壤植被子系統(tǒng)中,3種土地利用情景灌溉水量依次增加,其中地下水灌溉水量差異最大。地下水開采增加導致地下水位下降,從而減少了潛水蒸發(fā)量。支出項中蒸發(fā)蒸騰量依次增加,水稻面積變化應在其中扮演著重要角色。2種靜態(tài)LU情景的土壤水儲量均較動態(tài)LU情景的儲量增加更多,不同于收入項或支出項那樣依次增加或者減少,應是所有通量變化綜合作用的結果?？傊?有意識地控制土地利用的變化將進一步提高土壤的濕潤度(表2)。

表2 土壤植被子系統(tǒng)不同土地利用情景下年均水量平衡 億m3Table 2 Average annual water balances of soil-vegetation sub-system under different land use scenarios

地表水子系統(tǒng)中,降水產(chǎn)流是主要的收入項,人工引水是主要的支出項。2000年開始實施土地利用管控措施顯然比2014年再實施這些措施更有利于徑流的形成,也可以避免農(nóng)業(yè)灌溉引水量的增加,但是不管早實施還是晚實施,都有助于緩解三江平原地表水體萎縮的趨勢(表3)。

表3 地表水子系統(tǒng)不同土地利用情景下年均水量平衡 億m3Table 3 Average annual water balances of surface water sub-system under different land use scenarios

很明顯,土地利用情景的變化對地下水子系統(tǒng)的水量平衡影響最大(表4)。仿真模型在動態(tài)LU情景下模擬的三江平原地下水儲量已經(jīng)出現(xiàn)較為嚴重的減少趨勢,年均虧空3.05億m3,是該地區(qū)水量平衡的最大問題所在,龐大的地下水灌溉開采應是造成這一問題的主因。2000年開始的土地利用管控措施將會有效解決這一問題,不但不會使地下水超采,甚至能改善2000年之前的地下水虧缺。然而,2014年再實施這些措施將繼續(xù)加重地下水超采的狀況,使地下水儲量減少的幅度在2014年的基礎上再增加9億m3以上,水量平衡問題進一步加劇。

表4 地下水子系統(tǒng)不同土地利用情景下年均水量平衡 億m3Table 4 Average annual water balances of groundwater sub-system under different land use scenarios

2.1.3 平原區(qū)地下水

動態(tài)LU情景下仿真模型模擬的全區(qū)域年均水量收支基本保持平衡,甚至蓄水量略有增加(2.45億m3/a)。具體到子系統(tǒng)水量平衡分析才發(fā)現(xiàn)問題主要出現(xiàn)在地下水。區(qū)域內(nèi)部水資源從地下水轉移到土壤水(地下水灌溉)對整個區(qū)域的水量平衡影響較小,但是對地下水而言,可能引起嚴重水量失衡。為進一步明確地下水失衡的地區(qū),對比分析了三江平原平原區(qū)淺層地下水的水量平衡情況(表5)。動態(tài)LU情景下平原區(qū)地下水年均蓄變量為-3.13億m3,比全區(qū)域地下水年均虧空量還略大,這說明三江平原地下水問題聚集在平原區(qū),山丘區(qū)地下水收支為正平衡。如果2000年起控制土地利用變化,那么此后的15a將不會出現(xiàn)地下水超采問題,地下水儲量甚至平均每年增加3.08億m3；如果2014年后再實施土地利用管控,即使保持土地利用不變,仍將會對地下水平衡造成更加嚴重的破壞,地下水儲量年均虧空14.26億m3,按照平原區(qū)0.13的平均給水度核算,整個平原區(qū)地下水位平均下降速率將達到0.21 m/a,除了進一步加強土地利用管控,更加積極的水資源調(diào)配及其相關工程建設勢在必行。

表5 平原區(qū)不同土地利用情景下淺層地下水平衡 億m3Table 5 Average annual water balances of groundwater under different land use scenarios in plain areas

2.2 關鍵平衡分項對比分析

全區(qū)域水量平衡對比分析顯示,在相同的環(huán)境下,土地利用變化直接影響蒸散發(fā)和產(chǎn)流,間接影響人類的水資源開發(fā)利用活動,即區(qū)域外引水入境。盡管區(qū)域外引水入境對區(qū)域水量平衡起著重要作用,但是受人類活動干擾較大,存在很大的不確定性,本文主要對比不同土地利用變化對蒸散發(fā)和產(chǎn)流的影響。

2.2.1 蒸散發(fā)

動態(tài)LU情景下水文循環(huán)模擬更加符合三江平原的實際情況,作為土地利用變化的蒸散發(fā)(ET)響應分析的基準。2種假設情景下的蒸散發(fā)過程與實際相比,差異顯著(圖3)。2000年靜態(tài)LU與動態(tài)LU情景下的ET在2000年時相同,因當年土地利用格局相同,然而此后2種情景土地利用格局差異逐漸擴大,ET差異隨之增大；2014年靜態(tài)LU情景下ET過程均高于其他情景。這說明盡早實施土地利用管控將有助于減少區(qū)域水資源的過度損耗,實施越晚對水資源的消耗越高,即使最終控制了土地利用的無序變化,未來水資源消耗仍會高于2014年之前的狀況。

圖3 三江平原不同土地利用情景的ET過程差異Fig.3 Annual ET processes of different land use scenarios in the Sanjiang Plain

不同土地利用情景引起的ET變化在三江平原的不同空間位置也存在很大差異。以子流域為單元,比較三種情景的年均ET(圖4),其中,圖4(a)顯示的是2000年以來土地利用連續(xù)動態(tài)變化對比土地利用不變引起的年均ET差異(ΔET)空間分布,可見三江平原兩大平原區(qū)蒸散發(fā)顯著增加；圖4(b)為2014年開始控制土地利用變化相較2000年起土地利用連續(xù)變化引起的年均ET差異,可見即使2014年后土地利用不再變化,年均ET仍然在大部分子流域高于歷史平均水平,蒸散發(fā)大幅增加的子流域甚至擴展到了山丘區(qū)。

圖4 2種靜態(tài)LU情景與動態(tài)LU情景下子流域年均ET差值空間分布Fig.4 Spatial distribution of average annual ET differences between two static LU scenarios and the dynamic LU scenario

前述分析顯示,不同土地利用情景下ET的時間過程和空間分布存在很大差異,但是并不能十分明確ET的變化與哪種土地利用變化關系更大。為此,以動態(tài)LU與2000年靜態(tài)LU情景對比為例,分析不同土地利用類型面積相對差異與ΔET之間的相關性,以判斷引起ET變化的主要原因。耕地、林地、濕地是三江平原主要土地利用類型；水田作為耕地的一種,其灌溉排水過程對水文循環(huán)影響較大,專門分出來進行分析。各土地利用類型在子流域中的面積在動態(tài)LU情景中以年均值計算。仍以子流域為單位,展示年均ΔET與不同土地利用類型在不同情景(動態(tài)LU與2000年靜態(tài)LU情景對比)下面積的相對差異之間的關系(圖5)。其中,面積相對差異是指相同LU類型的面積之差與所在子流域面積的比值。圖中顯示,2種土地利用情景下,ΔET與水田面積的差異存在顯著的線性相關性,R2達到了0.8以上；與耕地面積的差異也存在一定相關性,但與水田相比,要弱得多；如果扣除林地面積相對差異為0的子流域(主要是沒有林地的子流域),ΔET與林地有一定負相關性,主要是因為林地絕大部分分布于山丘區(qū),且主要轉變?yōu)楦?導致ET增加；ET變化幾乎與濕地變化不存在顯著相關性?？傊?三江平原ET的增加主要是由水田面積增加引起的,其他土地利用變化對蒸散發(fā)的影響相對較小。

圖5 子流域尺度不同LU類型面積相對差異與ΔET之間的相關性分析Fig.5 Correlation analysis between relative area differences of different LU types and ET differences at sub-watershed scale

2.2.2 產(chǎn)流量

土地利用變化對三江平原年產(chǎn)流過程的影響不夠顯著(圖6),應是產(chǎn)流年度變化較大影響了差異的顯示度,也與對比分析所用的時間尺度有關。一般時間尺度越小,土地利用變化對產(chǎn)流的影響越顯著[38]。以動態(tài)LU與2000年靜態(tài)LU對比為例,年尺度產(chǎn)流量差異為-9.2%～0.2%,月尺度差異增大到-22.9%～14.23%,日尺度差異高達-38.1%～33.0%,可見時間尺度增大會掩蓋土地利用變化的水文效應。盡管如此,不同土地利用情景下的年產(chǎn)流過程仍能顯示出一定的差異性。2000年靜態(tài)LU情景下三江平原產(chǎn)流量比動態(tài)LU情景逐漸增加,而2014年靜態(tài)LU情景產(chǎn)流量最低,這一定程度上說明三江平原土地利用變化的趨勢不利于徑流的形成,這可能對徑流依賴型生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定性造成一定危害,如影響河流和湖泊的水資源更新。另外,產(chǎn)流年過程對比與ET年過程對比有一個差異說明了土地利用變化對產(chǎn)流的影響更復雜,即2014年靜態(tài)LU與動態(tài)LU情景下2014年的產(chǎn)流量出現(xiàn)了明顯的差異,這種差異在ET對比中幾乎沒有(圖3)。2014年2種情景的土地利用格局是相同的,當年的ET對比中無差異,產(chǎn)流對比中卻出現(xiàn)了差異,這說明當年的產(chǎn)流會受到往年土地利用變化的影響。

圖6 三江平原不同土地利用情景的產(chǎn)流量過程差異Fig.6 Annual runoff processes of different land use scenarios in the Sanjiang Plain

在子流域尺度上對比3種情景的產(chǎn)流量差值(ΔR),見圖7。動態(tài)LU情景與2000年靜態(tài)LU情景相比,產(chǎn)流量減少的子流域分布較為廣泛,三江低平原的東北部和山丘區(qū)的南部產(chǎn)流減少較為明顯；徑流增加的子流域主要位于山丘區(qū)。如果2014年后土地利用變化得到有效控制,那么未來一段時間年均產(chǎn)流量仍會低于歷史平均水平,但是以山丘區(qū)徑流減少為主。

以動態(tài)LU與2000年靜態(tài)LU情景對比為例,分析不同土地利用類型面積相對差異與ΔR之間的相關性(圖8)。水田面積的相對差異與產(chǎn)流量的差異幾乎沒有相關性,即水田的增加并未顯著提高或降低三江平原的產(chǎn)流量；耕地變化反而與ΔR有一定的相關性,說明耕地面積增加可能會降低三江平原的產(chǎn)流量；子流域林地向耕地的轉變(林地面積減少)增強了下墊面對降水的保持能力,在一定程度上減少了產(chǎn)流量；濕地變化對三江平原產(chǎn)流量影響有限?？傊?土地利用變化對產(chǎn)流量的影響比對蒸散發(fā)的影響要復雜,區(qū)域產(chǎn)流除了受土地利用變化的影響,還與土壤前期含水量、地下水埋深等有關,較難建立土地利用變化與產(chǎn)流的確切關系。

圖8 子流域尺度不同LU類型面積相對差異與ΔR之間的相關性分析Fig.8 Correlation analysis between relative area differences of different LU types and runoff differences at sub-watershed scale

3 討 論

由于水文過程的各個環(huán)節(jié)并不能完全通過觀測確定,尤其是區(qū)域性、長系列的水分通量和狀態(tài)量；水文循環(huán)所處的下墊面、水文地質條件等也難以完全調(diào)查清楚,因此,僅用觀測數(shù)據(jù)很難完成本文中的研究內(nèi)容,分布式水文模型則可以通過模擬實現(xiàn)。但是，模型的校驗極為重要,需要通過各種可行的方式對模型進行調(diào)試。本研究盡可能收集了能夠用于模型調(diào)試的各種觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)的可用性,模型采用多個水文站、觀測井的實測徑流、地下水位數(shù)據(jù)進行率定和驗證,同時還用水稻灌溉實驗站的多年實測灌溉量調(diào)試水稻田的相關水循環(huán)通量,盡力保證動態(tài)LU情景下仿真模型對實際水文循環(huán)過程的真實模擬[25]。假設LU情景下的水文過程并不一定會在現(xiàn)實中發(fā)生,如未來保持2014年LU不變,如果出現(xiàn)連續(xù)豐水年,地下水虧空的部分可能很快得到恢復；如果出現(xiàn)與2000—2014年期間類似的氣象和供用水情景,則可能會出現(xiàn)與本研究相近的水量平衡結果。

本研究重點面向三江平原的宏觀水量平衡分析,局部空間、時段上的水量平衡規(guī)律可能會被整體、多年平均的水量平衡規(guī)律所掩蓋,但這并不影響本研究得出的最終結論。本文沒有提出詳細具體的土地利用管控措施,但是為水土管理部門提供了大體的管控方向,即控制水稻的大規(guī)模擴張。如果考慮國家糧食安全和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展,積極的水資源調(diào)配及其相關工程建設可能更加合理,其中水資源調(diào)配包含開源與節(jié)流(節(jié)水)的內(nèi)容。本研究所用模型需要大量的統(tǒng)計、觀測數(shù)據(jù),有些數(shù)據(jù)存在統(tǒng)計誤差,如供用水數(shù)據(jù)；有些數(shù)據(jù)并非連續(xù)觀測,如土地利用數(shù)據(jù)；還有些數(shù)據(jù)僅是代表點尺度的觀測值,如氣象水文數(shù)據(jù),這些都為模型的構建帶來了大量不確定性,不但需要有經(jīng)驗的建模者把關,還需要進行細致的模型校準,是一個長期的過程。

4 結 論

三江平原土地利用變化及其相關的水資源開發(fā)利用活動在2000年以來的15 a間逐漸強烈,加劇了對自然景觀的破壞和區(qū)域水文循環(huán)的擾動。本研究在三江平原水文循環(huán)仿真模型的基礎上構建了假設模型和預測模型,對比了3個模型代表的土地利用情景下的水量平衡及其關鍵分項的時空差異性,主要結論如下:

(1)通過分級水量平衡分析發(fā)現(xiàn),三江平原水量平衡的主要問題在地下水,平原區(qū)地下水收支失衡最為嚴重。全區(qū)域水量收支處于平衡且儲量略有盈余的狀態(tài),但卻掩蓋了三江平原地下水嚴重失衡的現(xiàn)實。仿真模型模擬的平原區(qū)地下水年均虧空量達3.13億m3。

(2)不同土地利用情景的水量平衡對比分析顯示,假設2000年起三江平原實施積極的土地利用管控措施,維持土地利用格局的穩(wěn)定,此后的15 a間將有效減少三江平原對外調(diào)水的依賴,在緩解地表水萎縮的同時,改善地下水超采的現(xiàn)實問題,甚至使平原區(qū)地下水儲量扭虧為盈,在2000年儲量的基礎上平均每年增加3.08億m3；如果從2014年后開始實施嚴格的土地利用管控措施,保持2014年的土地利用格局不變,盡管能在一定程度上緩解地表水萎縮的趨勢,但是強烈的水資源開發(fā)利用慣性仍會進一步加劇地下水的超采,使平原區(qū)地下水年均虧空量達到14.26億m3,甚至使全區(qū)域的蓄水量由盈轉虧,年均虧損4.25億m3,此時,更加積極的水資源調(diào)配及其相關工程建設勢在必行。

(3)水量平衡關鍵分項蒸散發(fā)量在2000年靜態(tài)土地利用、動態(tài)土地利用、2014年靜態(tài)土地利用情景下依次增加,空間上以平原區(qū)增加為主,然而,即使2014年后土地利用不再變化,年均蒸散發(fā)量仍然在大部分平原區(qū)高于歷史平均水平,且蒸散發(fā)量增加的范圍有向山丘區(qū)擴展的趨勢,而水田面積增加在這種變化中扮演著關鍵角色；產(chǎn)流量在3種土地利用情景下依次減小,但是空間分布上比蒸散發(fā)量變化更加復雜,與各種土地利用類型面積變化的相關性均不明顯,表明土地利用變化不是產(chǎn)流量時空變異的最突出因素。

本文基于水文循環(huán)模型的模擬結果,分析三江平原土地利用變化與水量平衡的關系,受模型和數(shù)據(jù)可靠性的影響較大,這是本項研究的局限性。盡管如此,分析結果和研究結論仍能在一定程度上反映三江平原水量平衡隨土地利用變化的演變趨勢,為當?shù)赝恋乩霉芸睾退Y源配置工程建設提供依據(jù)，研究方法也可為類似研究提供參考。