我国北方农牧交错带干旱化形式严峻,生态环境不断恶化,不合理的人类活动加剧了生态环境的破坏。黄旗海流域位于内蒙古自治区乌兰察布市境内,处于我国北方农牧交错带,降雨量年际变化波动显著,属于气候上的过渡带和生态系统上的脆弱地区。流域内的黄旗海是内蒙古八大湖泊之一,历史上曾因盛产"官村鲫鱼"而闻名区内外。进入 20 世纪 70 年代,由于气候干旱,农业扩张导致水土流失加重,水利工程的兴建截留了湖泊补给,加速黄旗海湖泊面积缩减,流域生态环境恶化。1994 年后察右前旗政府开展了一系列生态环境综合治理工作,针对黄旗海湖泊湿地也设计了保护措施,但保护效果有待评估。水文模型是一种研究水土流失的有效工具,模型经过校准、验证就可用于评价不同农业管理措施对水文过程和水土流失的影响。目前,国内许多研究者将 SWAT(Soil Water Assessment Tool) 模型运用到不同流域的径流和产沙量模拟中,也用 SWAT 模型研究了不同生态恢复措施下的水文响应和流域不同气候变化下的水文响应。但是,SWAT 对于农牧业密集的小流域水质与环境问题的评价效果不佳。
农业政策与环境拓展模型 APEX(Agricultural Policy Environmental eXtender)是美国德克萨斯黑土地研究与推广中心(Blackland Research and Extension Center in Temple,Texas) 开发的适用于田间和小流域尺度的水文/水质模型。模型模拟以日为步长,最小模拟单元为水文单元(Subarea) ,根据主要的土地利用类型、土壤类型和坡度条件按照水文路径对水文单元进行区分。该模型能模拟不同土地管理方式、水土保持措施、耕作方式、污染物排放等对田间和流域径流、产沙量、水质、土壤、养分循环的影响。APEX 模型适应性强,在美国已有广泛的应用。但在我国的应用较少,以前有学者将 APEX 模型运用到黄土高原纸坊沟流域的土壤侵蚀情况,也有学者将 APEX 模型用于淮河中上游地区。由于这两个地区与黄旗海流域自然条件相差都很大,因此有必要评价 APEX 模型在黄旗海流域的适用性。文中研究选择黄旗海流域内霸王河上游为研究区,将流域出口选在集宁水文站的位置,通过对比集宁水文站径流和产沙量的模拟值与实测值,评价模型在该流域的适用性,以便将该模型推广到我国北方农牧交错带,用于模拟不同环境保护措施下流域径流、产沙量和其他生态效应的变化。
1、 材料与方法
1. 1 研究区概况
研究区(图 1) 位于内蒙古自治区黄旗海流域内霸王河上游(40. 83° -41. 18°N,112. 60° -113. 18°E) ,属于中温带大陆性季风气候区,处于我国北方农牧交错带,研究区面积 768km2,平均海拔 1611m。研究区平均气温 4. 6℃,多年日平均最高温 11. 3℃,多年日平均最低温 -1. 22℃,冰封期 150 天,降雨量年际变化大,年平均降雨量 320mm 多集中于汛期 6 -9 月,6 -9 月的降雨量占年降雨总量的 74%,冬季降雨量少,11 - 2 月降雨量只占全年降雨量的 2. 8% 。
1. 2 研究数据与处理方法
模型的输入数据包括研究区的 DEM 数字高程、土壤、土地利用、气象、土地管理措施等(图 2) 。DEM 数据来自中国科学院国际科学数据服务平台和数据组提供的 90m× 90m 分辨率高程图,土壤数据来自和谐世界土壤数据库的 1:100 万土壤数据,土地利用数据为利用 1993 年 TM 遥感影像经人机交互解译得到的研究区土地利用数据,气象数据包括 1981 - 2011 年集宁、五福堂、大湾子、东南河、八苏木五个雨量站的日降雨量数据以及集宁气象站的日最高温、最低温、相对湿度、风速的实测数据。土地管理数据通过查看内蒙古自治区察哈尔右翼前旗统计年鉴获得。
选择集宁水文站所在的位置为流域出口,模型校准与验证数据为集宁水文站 1983 -2011 年的径流和产沙量实测数据,其中,模 型 校 准 期 为1983 - 1996 年,验 证 期 为1997 - 2011 年。
运用基于 ArcGIS10. 0 平台的 APEX 模型 - ArcAPEX准备模型输入文件。首先,根据 DEM 数据 ArcAPEX 将研究区自动划分为 101 个不同的水文单元(图 2) ,GIS 通过数字高程图自动获取各水文单元的大小、位置及水文特征,并描述各水文单元地形特征和它们到流域出口的水文路径。然后 ArcAPEX 根据各水文单元主要的土地利用类型、土壤类型、地形特点定义各水文单元。接着输入按照模型手册准备的研究区气象和土地管理文件以及模型需要的其他输入文件运行模型。
2、 模型校准与验证
根据相关文献,选择表 1 中参数进行模型校准,采用手工方法校正模型参数。首先检查输出文件中的作物产量,将模拟作物产量与当地实际作物产量对比,根据当地气温情况调整 TBS 的值,使作物产量的模拟值与实测值相符。然后调整影响径流、产沙量模拟值的各项参数,运用 Nash - Suttcliffe 系数(Ens) 、决定系数(R2) 和平均百分误差的绝对值(APE) 评价模型的适用性。
式中: Ens 为 Nash - Suttcliffe 系数,Qoi为实测值,Qpi为模拟值,Qoavg为实测值的平均值,n 为数据个数。Ens 值在 - ∞ 至 1 之间,越接近 1 表明模型模拟结果越好,若 Ens 值小于 0,表示模型模拟的平均值比直接使用实测评价值的可信度低。
式中: R2为相关系数,Qpavg为模拟值的平均值,R2为可评价实测值与模拟值的吻合程度,R2值在 0 ~1之间,R2= 1 表示模型吻合程度好,R2值越小表示数据吻合程度越低。
当 Qoavg= Qpavg时 APE= 0,APE值越接近于 0 说明模型模拟结果越好。文中选用 Ens >0. 3,R2> 0. 5,APE≤25%的标准评价模型模拟结果。运用 1983 -1996 年的径流和产沙量实测数据与模型模拟数据进行对比校准模型,将 1997 -2011 年的径流和产沙量实测数据与模型模拟数据对比验证模型的适用性。
3、 结果与分析
3. 1 校准期模型模拟结果评价
1983 - 1996 年模型校准期年径流、产沙量模拟与实测结果对比情况(表 2) 。可以看出模型对黄旗海地区年径流的模拟情况较好,其中 Ens >0. 7,R2> 0. 8,APE< 15% 。模型对于产沙量的模拟结果略次于径流模拟结果,评价指标数值也在评价标准之内。校准期模型月径流和产沙量模拟与实测结果(表 2 和图3) 。从模型模拟的月输出结果可以看出 APEX 模型在模拟黄旗海地区月径流、产沙量时模拟值与实测值吻合较好,Ens >0. 4,R2> 0. 5,APE< 20% 。APEX 模型对于北方冰封期 10 月 - 3 月径流与产沙量的预测效果较差,模型模拟低温季节径流、产沙量的模块还需要改进。
3. 2 验证期模型模拟结果评价
用 1997 -2011 年的数据验证模型的适用性,验证期年径流和产沙量模拟与实测结果见表 3。从验证结果可以看出模型模拟结果较好,除年产沙量的 R2< 0. 5,其他评价指标 Ens > 0. 5,R2> 0. 6,APE< 20% 。验证期模型模拟的月径流和产沙量结果较好(表 3 和图 4) ,各项评价指标都符合评价标准,其中 Ens >0. 4,R2> 0. 5,APE< 20% ,说明校准后的模型在该地区适用性较好,可以通过模型模拟对该地区不同气候和土地管理条件下的径流和产沙量进行预测。但模型对于该流域汛期 6 - 9 月径流、产沙量峰值的模拟存在较大偏差,输入更详细的土壤数据和管理信息有助于提高模拟效果。
4、 讨论
文中应用 APEX 模型初步模拟了黄旗海流域的径流和产沙量,模拟效果较好,表明 APEX 模型在黄旗海流域具有一定的适用性。APEX 模型同时具有较强的资源管理决策支持功能,可以帮助评估生态退化地区环境保护策略的实施效果。APEX 模型能够考虑土壤侵蚀、水量、水质、土壤质量、植被间相互竞争、气候条件以及病虫害等多方面的情况,可以通过设置不同情景方案(如减少牲畜数量、建造植被过滤带、构建沉沙池、修复湿地、退耕还林等) ,分析流域在不同环保政策和生态修复措施下的环境响应和水文过程变化。这对于分析我国北方农牧交错带的农牧业生态影响、土地沙漠化、草原生态退化等问题具有潜在的应用价值。因此有必要对APEX 模型在北方农牧交错带的适用性以及资源管理决策支持方面开展进一步深入研究。
APEX 模型在模拟汛期和冰封期径流和产沙量时结果存在一定偏差。有多方面原因,一方面,研究所获得的土壤数据分辨率较低,同时现有数据中部分土壤层的属性值缺失影响模拟结果。另一方面,APEX 模型在模拟时需要输入详细的土地耕作数据,但统计调查的资料有限,这部分数据并不详细也影响模型模拟。对 APEX 模型本身而言,由于 APEX 模型最初的研究区气候较温暖,模型对于冻土产流和产沙量的模拟有待进一步改进。
5、 结 论
(1) APEX 模型在黄旗海地区总体模拟效果较好,校准期和验证期的径流和产沙量各项评价指标基本满足 Ens >0. 3,R2> 0. 5,APE≤25%(仅验证期年产沙量 R2< 0. 5) 。说明 APEX 模型在黄旗海流域适用性较好,同时在我国北方农牧交错带有潜在应用价值。可以被用来模拟不同气候和土地利用类型下水文和水土流失过程。
(2) 我国北方地区冬季寒冷,应用 APEX 模型模拟冬季冻土产流和产沙量时模块需要进一步改进。
(3) APEX 模型对于土壤和土地管理等方面数据要求较多,在运用模型进行小流域与田间尺度的模拟时提供更详细的土壤分类、土壤理化性质的数据和土地管理信息将有助于提高模型模拟的精度。
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