一種基于SWAT模型的干旱牧區生態脆弱性評價方法
——以艾布蓋河流域為例

宋一凡,郭中小,盧亞靜,廖梓龍,,徐曉民

1 水利部牧區水利科學研究所, 呼和浩特 010020 2 中國水利水電科學研究院水資源研究所, 北京 100038

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一種基于SWAT模型的干旱牧區生態脆弱性評價方法
——以艾布蓋河流域為例

宋一凡1,2,*,郭中小1,盧亞靜2,廖梓龍1,2,徐曉民1

1 水利部牧區水利科學研究所, 呼和浩特 010020 2 中國水利水電科學研究院水資源研究所, 北京 100038

針對干旱牧區生態脆弱性特點,以GIS為平臺,利用氣象、土壤、土地利用、水資源開發利用等數據,結合SWAT模型模擬結果,建立了一種基于SWAT模型子流域劃分的干旱牧區生態脆弱性評價體系,對西北干旱牧區艾布蓋河流域1990年、2010年生態脆弱性進行了評價。從評價結果可以看出,研究區北部及西部生態穩定性保持較好,生態脆弱等級下降主要發生在研究區的東南部,20年間耕地擴張造成的草地被侵占及水資源過度開發利用是造成生態退化的主要原因。評價體系緊緊圍繞干旱牧區“水-草-畜”關系設置評價指標,將觀測數據與水文模型模擬相結合,統計數據與空間地類相聯系,點面結合,能夠較好的反映出研究區20年間生態脆弱程度變化趨勢及主要問題。

干旱牧區；SWAT模型；生態脆弱性；評價方法

生態脆弱性評價是了解區域或流域生態脆弱問題與合理開展生態修復的前提[1- 3]。我國脆弱性研究開始于20世紀90年代[4],研究區域由最早的西南喀斯特典型脆弱區[5]逐漸擴展到北方農牧交錯帶[6]、南方丘陵區[7]、青藏高原區[8],近些年,西北干旱、半干旱牧區的生態脆弱性問題逐漸為人們所關注[9-10]。然而,目前常用的脆弱性研究方法在我國西北干旱牧區仍舊存在著一些適用性問題,我國西北干旱牧區植被類型單一,主要為草地,社會經濟結構相對簡單,以草地農牧業為主,工業化程度較低,這種情況下,過于龐雜的指標體系增加了數據獲取與指標計算難度的同時,也在一定程度上降低了評價體系的針對性,此外,西北干旱牧區地廣人稀,各類測站和統計資料支持能力較為有限,較常用的行政區域評價單元往往范圍過大而缺乏局部指導意義。

綜上所述,本文以西北干旱牧區艾布蓋河流域為例,以GIS為平臺,利用氣象、土壤、土地利用、水資源開發利用等數據資料,結合SWAT分布式水文模型,建立了一種基于SWAT模型子流域劃分的干旱牧區生態脆弱性評價體系。

1 評價體系構建方法

本文將干旱牧區生態脆弱性劃分為自然生態系統脆弱性及人類-自然耦合系統脆弱性,其中自然生態系統反映了自然生態本底或基底；人類-自然耦合系統脆弱性反映了人類社會系統與自然系統間的相互作用,是人類活動對自然生態系統產生影響的體現。

1.1 基于SWAT模型的評價單元劃分

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)是一款具有很強物理機制的分布式水文模型,能夠模擬多種土壤、土地利用和管理條件下的水文過程[11-12]。SWAT模型由SWRRB模型演化而來,吸收了SWRRB模型劃分子流域的功能,能夠基于DEM數據進行子流域劃分,本文采用SWAT模型對干旱牧區艾布蓋河流域進行水文模擬,并在水文模擬的基礎上以子流域為評價單元建立了干旱牧區生態脆弱性評價體系。這種基于分布式水文模型子流域劃分的評價方法在我國西北地區更具靈活性與適用性,主要優點如下：(1)每個子流域作為獨立的產匯流單元具有近似的水文特征,在水文計算中更具合理性,便于進行流域綜合規劃管理；(2)子流域基于DEM數據生成,可根據需要在SWAT模型中通過設置子流域臨界集水面積CSA(Critical Source Area)調整其大小,更具靈活性；(3)在分布式的SWAT模型中,每個子流域單獨進行水文過程計算,模擬結果可用于評價指標計算,以彌補西北干旱地區數據、資料匱乏的問題。

1.2 評價指標選取與計算方法

選取恰當的評價指標對“水-草-畜”關系進行合理刻畫是干旱牧區生態脆弱性評價的關鍵,本評價體系選取能夠反映氣候特征的干旱指數,能夠反映植被條件的植被蓋度,能夠反映土壤屬性的土壤容重,以及能夠反映天然植被生態需水情況的土壤水蒸散能力這4個指標對研究區自然生態系統脆弱性進行刻畫。

人類活動通過改變下墊面對生態系統施以影響,土地利用變化是人類活動與自然生態系統相互作用最直觀的體現,土地利用變化可以通過景觀格局加以反映。此外,每種土地利用類型都承載了一定的生態功能價值和水量需求,使其在一個地區長久以來形成的自然環境中具有特定的適宜性和水資源脆弱性。本文選取能夠反映景觀格局變化的均勻度、蔓延度,能夠反映土地利用類型生態價值功能和穩定性的生態適宜指數,以及反映水資源開發利用水平的水資源利用模數4個指標對人類-自然耦合系統脆弱性進行刻畫(圖1)。

圖1 干旱牧區生態脆弱性評價體系Fig.1 The evaluation system on ecological vulnerability of arid pasturing areas

1.2.1 自然生態系統脆弱性指標

干旱少雨的氣候條件是導致我國西北干旱牧區生態脆弱的首要原因,干旱牧區降水具有極強的時空變異性,在強烈的蒸發作用下,降水的分布很大程度上決定了生態系統的脆弱性程度,因此,本評價體系采用干旱指數DIi反映各子流域當年的干旱程度：

DIi=PETi÷PRECIPi

(1)

式中,每個子流域的潛在蒸散量PETi和降水量PRECIPi可在SWAT模型計算結果中直接讀出。

我國西北干旱牧區地帶性植被多為旱生叢生草本植物,植被蓋度常被用來進行草地退化程度判別,是干旱地區植被生長及分布情況的直觀體現。本評價體系植被蓋度指標計算先由遙感數據反演得到高中低蓋度草地類型,再對每個子流域進行面積加權得到。

土壤尤其是根系層土壤作為“水-草”相互作用的重要介質,是生物、非生物間物質、能量交換最為活躍的場所,其屬性優劣也是生態環境的綜合反映[13]。土壤容重與土壤質地、級配、土壤顆粒密度、土壤有機質含量、孔隙度等因素有關,是土壤重要的物理參數之一。一般來講,容重較小的土壤,結構疏松,級配良好,有機質含量高,有利于土壤通水通氣。由于干旱牧區草本植被根系埋深較淺,多分布在30cm以內,本評價體系中土壤容重指標采用FAO土壤數據中0—30cm土壤層屬性數據在每個子流域面積加權得到。

根系層土壤水是天然植被生態需水的直接來源,同時也為其返青階段提供了必要的水源儲備,在天然植被生長發育的各個過程中起著至關重要的作用[14]。在干旱牧區,大部分降水以土壤蒸發和植被蒸騰的形式消耗(實際蒸散量ET),用以維系地帶性植被生長[15],本評價體系采用土壤水蒸散發能力指標SETCi反映各子流域土壤水分可維系天然植被蒸散發的能力：

SETCi=SWi÷ETi

(2)

式中,各子流域土壤水量SWi和實際蒸散量ETi可從SWAT模型計算結果中直接讀出。

1.2.2 人類-自然耦合系統脆弱性指標

均勻度(SWEi)是反映各種景觀類型相對面積比重的指標[16],取值范圍為0—1,若各種景觀類型面積比例差異越大,其值越趨近于0；各類型面積比例越接近,越趨近于1。其計算公式為：

(3)

式中,pj為第j種類型的景觀在整個景觀中所占的面積比例；m為景觀類型總數。鑒于我國西北干旱牧區景觀類型以草地為主,其他景觀類型面積遠小于草地面積,則可認為均勻度越小,草地受人類活動影響越小,反之越大。該指標由每個子流域土地利用數據計算得出。

蔓延度(CONTAG)是反映景觀斑塊聯通程度和延展趨勢的一個指標,取值為0—100,蔓延度越高,說明景觀中的某一種優勢斑塊類型具有較好的連通性；反之,說明景觀破碎化程度較高,景觀格局繼續變化的風險大。這一指標通過柵格分析計算,利用各子流域的土地利用柵格圖在FRAGSTATS軟件中計算得出。

地帶性景觀是一個地區漫長演變過程中逐漸形成的最適狀態,生態適宜指數表征了不同景觀類型在當地生態系統中的適宜程度,該指數基于不同土地利用類型生態功能及適宜程度,通過打分給出。該指數取值0—100,值越高說明該種景觀類型在當地的生態系統中的適宜性越強,需要說明的是我國西北干旱牧區耕地中包含大量灌溉飼草料地,能夠為牲畜提供飼料來源,在一定程度上有利于草地的涵養,因此生態適宜性較高于居工地；林地多為非地帶性植被,因而略低于草地,具體打分見表1。指標值計算根據不同土地利用類型生態適宜性指數在每個子流域面積加權得到。

表1 不同土地利用類型生態適宜性指數表

社會經濟發展水平超過當地水資源承載能力造成的“水-草-畜”失衡是導致干旱牧區生態脆弱的重要原因,因此可將水資源開發利用情況作為干旱牧區生態脆弱性程度的表征之一,本文采用水資源利用模數(MWRUi)來反映每個子流域水資源開發利用水平。計算時先算出每種土地利用類型的水資源利用模數,即用當年灌溉水量除以耕地面積得到耕地類型的水資源利用模數、用當年二三產以及生活用水量之和除以居工地面積得到居工地類型的水資源利用模數,并規定天然狀態下的土地利用類型水資源利用模數為0,最終由每種土地利用類型水資源利用模數在子流域面積加權得到各個子流域當年的水資源利用模數。

至此,本評價體系中所有指標均建立完畢,見表2。

1.3 評價指標生態脆弱性指數計算方法

為了使每個取不同單位、量級的指標值都能介于[0,1]區間,定義生態脆弱性指數(IEVi),且規定生態脆弱指數越接近于0,則該項評價指標所代表的內容生態脆弱性越差,越接近于1則越好。評價指標生態脆弱性指數的計算采用線性分段隸屬度函數法[17],該方法將指標分為正向指標及逆向指標,正向指標的IEVi隨指標值的變大而變大(圖2a、式(4)),逆向指標的IEVi隨指標值的減小而變大(圖2b、式(5)),指標節點值ai、bi、ci、di、ei分別對應IEVi數值的0.2、0.4、0.6、0.8、1.0。

表2 評價指標與數據來源表

(4)

(5)

1.4 權重的確定及生態脆弱性等級的劃分

準則層和指標層權重的確定采用層次分析法(AHP),各指標生態脆弱性指數IEVk乘以權重得到各子流域生態脆弱性綜合指數(CIEVi,ComprehensiveIndexofEcologicalVulnerability)：

(6)

式中,wk、wj分別為指標層和準則層權重,IEVk為第k個指標生態脆弱性指數。

本評價體系將研究區生態脆弱性劃分為不脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、重度脆弱、極端脆弱5個等級,脆弱性程度依次增強,不同脆弱等級描述見表3。

表3 研究區生態脆弱性等級劃分表

CIEVi: 生態脆弱性綜合指數 Comprehensive index of ecological vulnerability

2 實例應用

2.1 研究區概況

艾布蓋河流域(百靈廟水文站上游)主要位于內蒙古自治區包頭市達爾罕茂明安聯合旗境內,流域面積5192 km2(圖3)。達爾罕茂明安聯合旗北接蒙古國,南鄰呼和浩特市的武川縣、包頭市的固陽縣,西與巴彥淖爾市的烏拉特中旗相鄰,東與烏蘭察布市的四子王旗交界,是典型的西北干旱牧區畜牧業旗縣。研究區冬季寒冷干燥,春季干旱少雨,多年平均降水量253.45 mm,多年平均水面蒸發量為2480.57 mm。20世紀90年代以來,隨著經濟社會的不斷發展,研究區南部農牧交錯帶農田面積不斷擴張,景觀破碎化程度進一步加劇,草原牧區生態環境脆弱問題日益凸顯(圖4)。

圖3 研究區地理位置Fig.3 Geographic location of the research area

圖4 景觀變化情況圖Fig.4 Variation of landscape in the research area

2.2 SWAT模型水文模擬

使用基于ArcGIS 9.3的SWAT 2009版本進行模型的構建。SWAT模型輸入數據見表4,氣象水文站分布情況見圖5,空間數據統一使用北京54坐標系。通過設定子流域臨界集水面積CSA對子流域進行劃分[18],本例結合需要將CSA設定為20000 hm2,所得17個子流域如圖6所示。

表4 SWAT模型所需的數據

圖5 艾不蓋河流氣象水文站點分布圖Fig.5 Distribution of weather stations and hydrologic stations in the Aibugai Basin

圖6 研究區子流域劃分圖Fig.6 Division of the sub-basins in research area

采用SWAT-CUP軟件對模型參數的敏感性進行分析,選取CN2、SOL_AWC、ESCO等10個參數進行調參,采用百靈廟水文測站1986年—1997年實測月徑流數據進行模型的率定和驗證,將1986、1987兩年作為模型的預熱期；1988年—1992年為模型的參數率定期；1993年—1997年為模型的驗證期。采用相對誤差(RE)、相關系數(R2)和納什效率系數(ENS)判別模型模擬效果,模擬結果見表5、圖7。

從模擬結果來看,使用SWAT模型對干旱地區內陸型流域進行水文模擬,模擬效果能夠滿足要求,且較好地模擬了徑流變化趨勢,可被用來進行水文過程模擬及計算。利用率定好的模型對研究區2010年土地利用條件下的水文過程進行模擬,以評價土地利用變化對生態系統脆弱性的影響。

表5 SWAT模型徑流模擬結果

RE: 相對誤差 Relative error;R2: 相關系數 Correlation coefficient;ENS: 納什效率系數 Nash coefficient

圖7 SWAT模型模擬值與實測值對比Fig.7 Contrast of the simulation in SWAT and the measured data

2.3 艾布蓋河流域生態脆弱性評價

采用本文構建的干旱牧區生態脆弱性評價體系對艾布蓋河流域1990年、2010年生態脆弱性進行評價。

參考類比全國、各省區(市、縣)尤其是西北干旱、半干旱地區同類情況并結合當地實際設置各指標節點值見表6。

表6 評價指標節點值

由層次分析法(AHP)計算各層權重,突出人類活動對生態環境的影響,采用隨機一致性比率CR進行一致性檢驗,各權重矩陣CR均等于0,指標權重具有可接受的不一致性,表7。

表7 評價指標最終權重表

2.4 評價結果

研究區20年間生態脆弱程度下降明顯,各子流域生態脆弱性綜合指數均出現不同程度下降,其中9、10、11、12、15子流域由1990年的不脆弱、輕度脆弱發展為2010年的中度脆弱,16、17子流域由1990年的中度脆弱發展為2010年的重度脆弱(圖8)。20年間,研究區整體生態脆弱綜合指數由1990年的0.70下降到2010年的0.59(圖9),生態脆弱等級由輕度脆弱變為中度脆弱。

圖8 各子流域生態脆弱等級圖Fig.8 Ecological vulnerability level of each sub-basin

圖9 研究區各指標生態脆弱性指數Fig.9 Variation of ecological vulnerability index

3 分析與討論

3.1 研究區生態脆弱性分析

從各子流域生態脆弱等級的變化趨勢來看,研究區北部及西部生態穩定性保持較好,而生態脆弱等級下降主要發生在研究區東南部。究其原因,20世紀90年代初,研究區內的農田主要分布在南部,隨著糧食需求的不斷加大,農業區逐漸向北擴張,2000開始,研究區逐步實施禁牧、輪牧政策,研究區北部的草地得到了有效保護的同時,為了支撐不斷增大的牲畜需求,包括灌溉飼草料地在內的耕地面積進一步向北擴張,草地被侵占及農田灌溉造成的地下水過度開發利用是研究區南部生態脆弱性加劇的主要原因。從研究區各評價指標的變化情況可以看出,干旱牧區草地資源的退化及減少造成的生態適宜性下降,以及耕地面積擴大帶來的水資源過度開發同時利用效率低下是造成研究區整體脆弱等級下降的重要原因。此外,從景觀格局來看,研究區景觀連通性有所下降,破碎化程度進一步加劇,反映出人類活動對自然景觀的不斷割裂。

3.2 評價體系適用性分析

本文針對干旱牧區生態脆弱特點,從氣候、土壤、植被、景觀格局、生態穩定性、水源開發利用等方面入手,以GIS為平臺,建立了一種基于SWAT模型子流域劃分的干旱牧區生態脆弱性評價體系,對艾布蓋河流域1990年、2010年生態脆弱性進行了評價。我國西北干旱牧區地廣人稀,生態結構相對簡單,各類測站與統計資料支撐有限,本評價體系緊緊圍繞干旱牧區“水-草-畜”關系設置評價指標,將觀測數據與水文模型模擬相結合,統計數據與空間地類相聯系,點面結合,能夠較好的反映出研究區20年間生態脆弱程度變化趨勢及主要問題。

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An ecological vulnerability evaluation method for arid pasturing areas based on the SWAT model: a case study in the Aibugai Basin

SONG Yifan1,2,*, GUO Zhongxiao1, LU Yajing2, LIAO Zilong1,2, XU Xiaomin1

1InstituteofWaterResourcesScienceofPasturingAreaoftheMinistryofWaterResources,Huhhot010020,China2WaterResourcesDepartment,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China

Ecological vulnerability evaluation is a prerequisite to conducting ecological restoration. The common ecological vulnerability evaluation methods have some applicability problems in arid pasturing areas: 1) the evaluation indicators are numerous, and the data are usually difficult to obtain; 2) an administrative region, such as a city or a country, is often used as the evaluation unit, which is too large and lacks specific significance. Commonly used data, such as meteorological data, soil data, land-use data, and water resource development and utilization data, as well as the simulation results in the SWAT model, are used in this research to build an ecological vulnerability evaluation of arid pasturing areas based on the SWAT model. Ecological vulnerability of arid pasturing areas has been divided into ecological vulnerability of the natural ecosystem and ecological vulnerability of the human-nature coupling system. Drought index, vegetation coverage, soil bulk density, and evapotranspiration capacity of soil water are used to depict ecological vulnerability of natural ecosystem; evenness index, contagion index, ecological suitability index, and water utilization modulus are used to depict the human-nature coupling system. Firstly, the SWAT model has been used to divide sub-basins and hydrological simulations by the combination of observed data and simulated data, and the association of the statistic data with spatial land type. All indicators have been set based on GIS, linear piecewise membership functions have been adopted to calculate index values, and analytic hierarchy process (AHP) is adopted to determine the weighs of criteria layers and index layer. The ecological vulnerabilities of the research area are divided into five levels. This evaluation model was used in the Aibugai Basin (which is located in arid pasturing areas in Northwest China) to evaluate the change in ecological vulnerability caused by land-use variation between 1990 and 2010, and 17 sub-basins were divided according to demand. The results showed that, during a period of 20 years, both the entire research area and each sub-basin went through a CIEV (comprehensive index of ecological vulnerability) decrease to some degree. Sub-basin 9, 10, 11, 12, and 15 developed a moderate vulnerability level from a slight vulnerability level in 1990, and sub-basin 16 and17 have changed to a sever vulnerability level from a moderate vulnerability level in 1990. The CIEV of the entire research area decreased to 0.59 in 2010 from 0.70 in 1990. The northwestern part of the research area had better ecological stability, and the degradation in ecological vulnerability levels took place mainly in the agro-pastoral ecotone located in the southeast of the research area. With the expanding demands of grain and cattle, agricultural areas have gradually expanded northward in the past 20 years. Declines in grassland areas and overdeveloped water resources caused by farmland expansion were the main reasons that caused the ecological degradation in the research area. Closely tied to the relationship with water, grass and cattle in arid pasturing areas to establish indicators, this evaluation model effectively reflected the aggravation of ecological vulnerability caused by cropland expansion in the research area from 1990 to 2010.

arid pasturing areas; SWAT; ecological vulnerability; evaluation method

國家自然科學基金項目(51579157)；中央分成水資源費項目(1261430122054)；中國水利水電科學院科研專項項目(MK2016J16)

2016- 04- 19; 網絡出版日期:2017- 02- 22

10.5846/stxb201604190737

*通訊作者Corresponding author.E-mail: songyf_90@163.com

宋一凡,郭中小,盧亞靜,廖梓龍,徐曉民.一種基于SWAT模型的干旱牧區生態脆弱性評價方法——以艾布蓋河流域為例.生態學報,2017,37(11):3805- 3815.

Song Y F, Guo Z X, Lu Y J, Liao Z L, Xu X M.An ecological vulnerability evaluation method for arid pasturing areas based on the SWAT model: a case study in the Aibugai Basin.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3805- 3815.