我國北方農牧交錯帶干旱化形式嚴峻,生態環境不斷惡化,不合理的人類活動加劇了生態環境的破壞。黃旗海流域位于內蒙古自治區烏蘭察布市境內,處于我國北方農牧交錯帶,降雨量年際變化波動顯著,屬于氣候上的過渡帶和生態系統上的脆弱地區。流域內的黃旗海是內蒙古八大湖泊之一,歷史上曾因盛產"官村鯽魚"而聞名區內外。進入 20 世紀 70 年代,由于氣候干旱,農業擴張導致水土流失加重,水利工程的興建截留了湖泊補給,加速黃旗海湖泊面積縮減,流域生態環境惡化。1994 年后察右前旗政府開展了一系列生態環境綜合治理工作,針對黃旗海湖泊濕地也設計了保護措施,但保護效果有待評估。水文模型是一種研究水土流失的有效工具,模型經過校準、驗證就可用于評價不同農業管理措施對水文過程和水土流失的影響。目前,國內許多研究者將 SWAT\\(Soil Water Assessment Tool\\) 模型運用到不同流域的徑流和產沙量模擬中,也用 SWAT 模型研究了不同生態恢復措施下的水文響應和流域不同氣候變化下的水文響應。但是,SWAT 對于農牧業密集的小流域水質與環境問題的評價效果不佳。
農業政策與環境拓展模型 APEX\\(Agricultural Policy Environmental eXtender\\)是美國德克薩斯黑土地研究與推廣中心\\(Blackland Research and Extension Center in Temple,Texas\\) 開發的適用于田間和小流域尺度的水文/水質模型。模型模擬以日為步長,最小模擬單元為水文單元\\(Subarea\\) ,根據主要的土地利用類型、土壤類型和坡度條件按照水文路徑對水文單元進行區分。該模型能模擬不同土地管理方式、水土保持措施、耕作方式、污染物排放等對田間和流域徑流、產沙量、水質、土壤、養分循環的影響。APEX 模型適應性強,在美國已有廣泛的應用。但在我國的應用較少,以前有學者將 APEX 模型運用到黃土高原紙坊溝流域的土壤侵蝕情況,也有學者將 APEX 模型用于淮河中上游地區。由于這兩個地區與黃旗海流域自然條件相差都很大,因此有必要評價 APEX 模型在黃旗海流域的適用性。文中研究選擇黃旗海流域內霸王河上游為研究區,將流域出口選在集寧水文站的位置,通過對比集寧水文站徑流和產沙量的模擬值與實測值,評價模型在該流域的適用性,以便將該模型推廣到我國北方農牧交錯帶,用于模擬不同環境保護措施下流域徑流、產沙量和其他生態效應的變化。
1、 材料與方法
1. 1 研究區概況
研究區\\(圖 1\\) 位于內蒙古自治區黃旗海流域內霸王河上游\\(40. 83° -41. 18°N,112. 60° -113. 18°E\\) ,屬于中溫帶大陸性季風氣候區,處于我國北方農牧交錯帶,研究區面積 768km2,平均海拔 1611m。研究區平均氣溫 4. 6℃,多年日平均最高溫 11. 3℃,多年日平均最低溫 -1. 22℃,冰封期 150 天,降雨量年際變化大,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總量的 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 研究數據與處理方法
模型的輸入數據包括研究區的 DEM 數字高程、土壤、土地利用、氣象、土地管理措施等\\(圖 2\\) 。DEM 數據來自中國科學院國際科學數據服務平臺和數據組提供的 90m× 90m 分辨率高程圖,土壤數據來自和諧世界土壤數據庫的 1:100 萬土壤數據,土地利用數據為利用 1993 年 TM 遙感影像經人機交互解譯得到的研究區土地利用數據,氣象數據包括 1981 - 2011 年集寧、五福堂、大灣子、東南河、八蘇木五個雨量站的日降雨量數據以及集寧氣象站的日最高溫、最低溫、相對濕度、風速的實測數據。土地管理數據通過查看內蒙古自治區察哈爾右翼前旗統計年鑒獲得。
選擇集寧水文站所在的位置為流域出口,模型校準與驗證數據為集寧水文站 1983 -2011 年的徑流和產沙量實測數據,其中,模 型 校 準 期 為1983 - 1996 年,驗 證 期 為1997 - 2011 年。
運用基于 ArcGIS10. 0 平臺的 APEX 模型 - ArcAPEX準備模型輸入文件。首先,根據 DEM 數據 ArcAPEX 將研究區自動劃分為 101 個不同的水文單元\\(圖 2\\) ,GIS 通過數字高程圖自動獲取各水文單元的大小、位置及水文特征,并描述各水文單元地形特征和它們到流域出口的水文路徑。然后 ArcAPEX 根據各水文單元主要的土地利用類型、土壤類型、地形特點定義各水文單元。接著輸入按照模型手冊準備的研究區氣象和土地管理文件以及模型需要的其他輸入文件運行模型。
2、 模型校準與驗證
根據相關文獻,選擇表 1 中參數進行模型校準,采用手工方法校正模型參數。首先檢查輸出文件中的作物產量,將模擬作物產量與當地實際作物產量對比,根據當地氣溫情況調整 TBS 的值,使作物產量的模擬值與實測值相符。然后調整影響徑流、產沙量模擬值的各項參數,運用 Nash - Suttcliffe 系數\\(Ens\\) 、決定系數\\(R2\\) 和平均百分誤差的絕對值\\(APE\\) 評價模型的適用性。
式中: Ens 為 Nash - Suttcliffe 系數,Qoi為實測值,Qpi為模擬值,Qoavg為實測值的平均值,n 為數據個數。Ens 值在 - ∞ 至 1 之間,越接近 1 表明模型模擬結果越好,若 Ens 值小于 0,表示模型模擬的平均值比直接使用實測評價值的可信度低。
式中: R2為相關系數,Qpavg為模擬值的平均值,R2為可評價實測值與模擬值的吻合程度,R2值在 0 ~1之間,R2= 1 表示模型吻合程度好,R2值越小表示數據吻合程度越低。
當 Qoavg= Qpavg時 APE= 0,APE值越接近于 0 說明模型模擬結果越好。文中選用 Ens >0. 3,R2> 0. 5,APE≤25%的標準評價模型模擬結果。運用 1983 -1996 年的徑流和產沙量實測數據與模型模擬數據進行對比校準模型,將 1997 -2011 年的徑流和產沙量實測數據與模型模擬數據對比驗證模型的適用性。
3、 結果與分析
3. 1 校準期模型模擬結果評價
1983 - 1996 年模型校準期年徑流、產沙量模擬與實測結果對比情況\\(表 2\\) ?？梢钥闯瞿Ｐ蛯S旗海地區年徑流的模擬情況較好,其中 Ens >0. 7,R2> 0. 8,APE< 15% 。模型對于產沙量的模擬結果略次于徑流模擬結果,評價指標數值也在評價標準之內。校準期模型月徑流和產沙量模擬與實測結果\\(表 2 和圖3\\) 。從模型模擬的月輸出結果可以看出 APEX 模型在模擬黃旗海地區月徑流、產沙量時模擬值與實測值吻合較好,Ens >0. 4,R2> 0. 5,APE< 20% 。APEX 模型對于北方冰封期 10 月 - 3 月徑流與產沙量的預測效果較差,模型模擬低溫季節徑流、產沙量的模塊還需要改進。
3. 2 驗證期模型模擬結果評價
用 1997 -2011 年的數據驗證模型的適用性,驗證期年徑流和產沙量模擬與實測結果見表 3。從驗證結果可以看出模型模擬結果較好,除年產沙量的 R2< 0. 5,其他評價指標 Ens > 0. 5,R2> 0. 6,APE< 20% 。驗證期模型模擬的月徑流和產沙量結果較好\\(表 3 和圖 4\\) ,各項評價指標都符合評價標準,其中 Ens >0. 4,R2> 0. 5,APE< 20% ,說明校準后的模型在該地區適用性較好,可以通過模型模擬對該地區不同氣候和土地管理條件下的徑流和產沙量進行預測。但模型對于該流域汛期 6 - 9 月徑流、產沙量峰值的模擬存在較大偏差,輸入更詳細的土壤數據和管理信息有助于提高模擬效果。
4、 討論
文中應用 APEX 模型初步模擬了黃旗海流域的徑流和產沙量,模擬效果較好,表明 APEX 模型在黃旗海流域具有一定的適用性。APEX 模型同時具有較強的資源管理決策支持功能,可以幫助評估生態退化地區環境保護策略的實施效果。APEX 模型能夠考慮土壤侵蝕、水量、水質、土壤質量、植被間相互競爭、氣候條件以及病蟲害等多方面的情況,可以通過設置不同情景方案\\(如減少牲畜數量、建造植被過濾帶、構建沉沙池、修復濕地、退耕還林等\\) ,分析流域在不同環保政策和生態修復措施下的環境響應和水文過程變化。這對于分析我國北方農牧交錯帶的農牧業生態影響、土地沙漠化、草原生態退化等問題具有潛在的應用價值。因此有必要對APEX 模型在北方農牧交錯帶的適用性以及資源管理決策支持方面開展進一步深入研究。
APEX 模型在模擬汛期和冰封期徑流和產沙量時結果存在一定偏差。有多方面原因,一方面,研究所獲得的土壤數據分辨率較低,同時現有數據中部分土壤層的屬性值缺失影響模擬結果。另一方面,APEX 模型在模擬時需要輸入詳細的土地耕作數據,但統計調查的資料有限,這部分數據并不詳細也影響模型模擬。對 APEX 模型本身而言,由于 APEX 模型最初的研究區氣候較溫暖,模型對于凍土產流和產沙量的模擬有待進一步改進。
5、 結 論
\\(1\\) APEX 模型在黃旗海地區總體模擬效果較好,校準期和驗證期的徑流和產沙量各項評價指標基本滿足 Ens >0. 3,R2> 0. 5,APE≤25%\\(僅驗證期年產沙量 R2< 0. 5\\) 。說明 APEX 模型在黃旗海流域適用性較好,同時在我國北方農牧交錯帶有潛在應用價值?？梢员挥脕砟M不同氣候和土地利用類型下水文和水土流失過程。
\\(2\\) 我國北方地區冬季寒冷,應用 APEX 模型模擬冬季凍土產流和產沙量時模塊需要進一步改進。
\\(3\\) APEX 模型對于土壤和土地管理等方面數據要求較多,在運用模型進行小流域與田間尺度的模擬時提供更詳細的土壤分類、土壤理化性質的數據和土地管理信息將有助于提高模型模擬的精度。
參考文獻:
[1]符淙斌,溫剛. 中國北方干旱化的幾個問題[J]. 氣候與環境研究,2002,7\\(1\\) : 22 -29.
[2]史培軍. 中國北方農牧交錯地帶的降水變化與"波動農牧業"[J]. 干旱區資源與環境,1989,3\\(3\\) : 3 -9.
[3]趙雙吉,高文海,李建平,等. 黃旗海歷史演變的分析及發展方向[J]. 內蒙古農業科技,2002\\(1\\) : 27 -29.
[4]馬小軍,辛文淵,彭月琴,等. 察右前旗生態環境問題與綜合治理對策[J]. 內蒙古林業調查設計,2002,25\\(S1\\) : 6 -8.
[5]李東,胡平,吳冰,等. 黃旗海濕地恢復與保護措施[J]. 內蒙古林業調查設計,2013,36\\(3\\) : 23 -25.
[6]Yin L,Wang X,Pan J,et al. Evaluation of APEX for daily runoff and sediment yield from three plots in the middle Huaihe river watershed,China[J]. American Society of Agricultural Engineers,2009,52\\(6\\) : 1833 -1845.
[7]王中根,劉昌明,黃友波. SWAT 模型的原理、結構及應用研究[J]. 地理科學進展,2003,22\\(1\\) : 79 -86.
[8]張雪松,郝芳華,楊志峰,程紅光,李道峰. 基于 SWAT 模型的中尺度流域產流產沙模擬研究[J]. 水土保持研究,2003\\(4\\) : 38 -42.
[9]白淑英,王莉,史建橋,等. 基于 SWAT 模型的開都河流域徑流模擬[J]. 干旱區資源與環境,2013,27\\(9\\) : 79 -84.
[10]楊桂蓮,郝芳華,劉昌明,張雪松. 基于 SWAT 模型的基流估算及評價 - 以洛河流域為例[J]. 地理科學進展,2003,22\\(5\\) : 463 -471.
[11]宋艷華,馬金輝. SWAT 模型輔助下的生態恢復水文響應 - 以隴西黃土高原華家嶺南河流域為例[J]. 生態學報,2008,28\\(2\\) : 636 -644.
