陳 珂，楊勝天，黃詩峰，管亞兵，王兆奪

（1.黃岡師范學(xué)院 地理與旅游學(xué)院，湖北 黃岡 438000；2.北京師范大學(xué) 水科學(xué)研究院，北京 100875；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；4.自然資源部國土整治中心，北京 100035）

1 研究背景

尺度效應(yīng)是指“在某一尺度上觀測到的性質(zhì)、總結(jié)出的原理或規(guī)律，在另一尺度上可能仍然有效，可能需要修正”[1]，尺度效應(yīng)具有時間和空間兩個維度的特征[2]。自20世紀(jì)80年代以來，水文模型尺度效應(yīng)一直備受關(guān)注[3-4]，然而相關(guān)研究主要側(cè)重于水文現(xiàn)象的時間尺度變化[5-7]。隨著定量遙感技術(shù)的發(fā)展，將遙感技術(shù)與水文分析方法相結(jié)合，為水文模型提供不同的空間尺度參數(shù)，已成為水文模型發(fā)展的趨勢[8-9]；而采用依托遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的分布式水文模型，來分析大空間尺度水文過程，是該領(lǐng)域近一段時間以來研究的熱點(diǎn)[10-11]。鑒于目前對遙感空間尺度效應(yīng)的研究，大多集中于尺度轉(zhuǎn)換的方法與理論[12-14]，當(dāng)前亟需展開針對不同空間尺度的遙感水文模型應(yīng)用研究。

SVAT（Soil-Vegetation-Atmosphere-Transfer）模型是專門用于模擬降水在土壤-植被-大氣中傳輸?shù)闹髁魃鷳B(tài)水文模型[15-16]，采用耦合遙感數(shù)據(jù)的SVAT模型，對不同空間尺度水文過程進(jìn)行模擬，有利于揭示遙感水文模型的空間尺度效應(yīng)?？λ固氐貐^(qū)生態(tài)水文過程由于涵蓋了降水-蒸發(fā)-滲漏-徑流的全部環(huán)節(jié)，對于水文模型空間尺度效應(yīng)的研究具有典型意義。為此，本文結(jié)合模型數(shù)據(jù)的易得性，選取我國喀斯特石漠化典型區(qū)貴陽市的非城鎮(zhèn)地區(qū)[17-18]，以年度為單位，展開針對全市區(qū)域-區(qū)縣單元-小流域三個空間尺度水文變化過程的模型模擬。

2 研究區(qū)概況

貴陽市位于貴州中部，在東經(jīng)106°07′—107°17′、北緯26°11′—27°22′之間，是貴州省的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，轄有南明、云巖、白云、烏當(dāng)、花溪和觀山湖等6個城區(qū)，以及清鎮(zhèn)市、息烽縣、修文縣和開陽縣。貴陽市多年平均降水量約為1100 mm，2013年森林覆蓋率約為44.2%，全市約85%的地區(qū)存在不同程度的石漠化[19]，植被生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，是典型的喀斯特石漠化地區(qū)[20]，作為研究區(qū)的非城鎮(zhèn)地區(qū)，總面積約為7495 km2。

3 研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源對生態(tài)水文過程進(jìn)行模擬的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)和氣象水文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)主要通過MODIS遙感產(chǎn)品獲取，包括太陽輻射數(shù)據(jù)、地表溫度數(shù)據(jù)、植被覆蓋度、土地利用、土壤含水率等，空間分辨率為1 km。MODIS數(shù)據(jù)均采用MODIS Reprojection Tool軟件工具（MRT），按標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行預(yù)處理，并將處理好的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為ENVI標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，以便于模型規(guī)范地讀取和計(jì)算。氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站，水文統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自當(dāng)?shù)亍端Y源公報(bào)》。由于2003年之前研究區(qū)的部分MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)缺失，結(jié)合研究對植被覆蓋度一定增長幅度要求的考慮，選取2003年作為研究的初始年，2013年作為現(xiàn)狀年。

3.2 SVAT模型對陸地水循環(huán)過程的計(jì)算傳統(tǒng)SVAT模型對陸地水循環(huán)過程的刻畫，無論是單層模型、雙層模型還是多層模型，較多關(guān)注于蒸散發(fā)量、植被截留量和土壤水分的變化[15]，主要計(jì)算公式如下。

3.2.1 蒸散發(fā)量計(jì)算 包括土壤蒸發(fā)量和植被蒸騰量，土壤實(shí)際蒸發(fā)量可通過潛在蒸散發(fā)量，基于Ritchie公式計(jì)算[21]：

3.2.3 土壤水蓄變量計(jì)算 基于吳擎龍等的研究成果[25]，土壤水蓄變量可采用下式計(jì)算：

式中：ΔWS為土壤水蓄變量，WSi為第i時段的土壤含水量。參考溫志群等和楊勝天的研究成果，以及野外調(diào)研情況，將土壤水模擬垂向深度設(shè)為40 cm[26-27]；并結(jié)合降雨歷時，設(shè)置土壤水運(yùn)移計(jì)算的時間步長為30 min。

3.3 基于藍(lán)水綠水視角的喀斯特地區(qū)水文過程模擬生態(tài)水文學(xué)將陸地降水中供給植物生長代謝用的氣態(tài)水或飽和土壤水劃分為綠水，而將以液態(tài)形式流走的不能支持植物生長的另一部分降水劃分為藍(lán)水[28-29]。對于喀斯特地區(qū)而言，綠水部分剛好包括了對植被恢復(fù)具有重要意義的蒸散發(fā)量、植被截留量和土壤水蓄變量，而作為當(dāng)?shù)氐乇硭Y源流失最大組成的下滲（滲漏）水則構(gòu)成了藍(lán)水徑流的重要成分。因此，結(jié)合當(dāng)前對地下水保護(hù)及生態(tài)環(huán)境的重視[30]，嘗試將模型模擬對象最終歸結(jié)為生態(tài)綠水和滲漏藍(lán)水，不僅便于對模擬結(jié)果的比較分析，對研究區(qū)生態(tài)恢復(fù)和水資源利用的研究也具有參考意義。

對不均勻下墊面的準(zhǔn)確模擬，是SVAT模型有待深入研究的重要課題[15]，考慮到喀斯特地區(qū)土層較為薄瘠以及降水快速滲漏的特點(diǎn)[31]，對于滲漏量的估算，有必要在傳統(tǒng)SVAT模型框架下，探索適宜的方法。

3.3.1 徑流量計(jì)算 根據(jù)水量平衡原理，在已知降水量、蒸散發(fā)量、植被截留量和土壤水蓄變量值的情況下，可采用下式計(jì)算出徑流量：

式中：R為徑流量，mm；Pr為降水量，mm；Sint為植被截留量，mm；EPv為植被蒸騰量，mm；EPs為土壤蒸發(fā)量，mm；ΔWS為土壤水蓄變量，mm；Gw為綠水總量，mm；理論上，可將徑流量視為藍(lán)水總量。

3.3.2 滲漏量計(jì)算 盡管貴陽市降水相對豐沛，鑒于西南喀斯特山區(qū)巖溶性干旱的特點(diǎn)[32]，產(chǎn)流方式可歸為超滲產(chǎn)流，對土壤水含量超過田間持水率的部分，可以近似地視為滲漏量，構(gòu)建公式如下：

式中：Lk為滲漏量，mm；WSi為第i時段的土壤含水量，%；Fw為田間持水率，%；Ts為土壤厚度，mm；sv為土壤容重，g/ml；ρW為水的比重，g/ml。

4 結(jié)果與分析

根據(jù)“土壤-植物-大氣連續(xù)體（Soil-Plant-Atmosphere Continuum）”原理（SPAC），陸地水循環(huán)過程包括土壤、植物和大氣三大環(huán)節(jié)[33-34]，相對于植被覆蓋而言，區(qū)域土壤性狀一般較為穩(wěn)定，而以人類當(dāng)前技術(shù)難以改變大氣運(yùn)動過程。為此，本文假定降水條件不變，通過設(shè)置不同的植被覆蓋度情景，模擬研究區(qū)水文變化過程。

4.1 植被增長對各水文分量變化的作用模擬根據(jù)SPAC原理，在土壤性狀和降水量不變的情況下，植被覆蓋狀況的變化會影響水分的傳輸。鑒于在2003—2013年間，研究區(qū)土壤性狀和土地利用類型基本未發(fā)生改變，在SVAT模型計(jì)算過程中，可以通過設(shè)定降水量不變，對研究區(qū)各水文分量變化進(jìn)行情景模擬；此外，考慮到11月至次年2月貴陽地區(qū)降水相對較少，為便于比較，針對每年3月至10月土壤水蓄變量進(jìn)行估算。根據(jù)下載的MODIS數(shù)據(jù)反演植被蓋度發(fā)現(xiàn)，2003—2013年，研究區(qū)植被蓋度增長幅度約為10%，參見圖1、圖2和表1。

圖1 研究區(qū)2003年植被蓋度圖

圖2 研究區(qū)2013年植被蓋度圖

表1 植被蓋度增長對滲漏量和藍(lán)水綠水各指標(biāo)變化的影響

考慮到作為模型重要輸入數(shù)據(jù)的植被蓋度年際變化并不明顯，為便于比較，在進(jìn)行模型模擬時，按植被蓋度每增長5%作為一個時間間隔，由于2007年研究區(qū)植被蓋度剛好在2003年的基礎(chǔ)上增長約5%，將2007年數(shù)據(jù)納入模型計(jì)算。同時，結(jié)合喀斯特地區(qū)特有的滲漏過程，為分析植被蓋度小幅增長對滲漏量的影響，在2013年基礎(chǔ)上，增加模擬植被蓋度增長1%和2%對滲漏量和藍(lán)水綠水各指標(biāo)變化的影響，結(jié)果如表1所示。

從表1的模擬結(jié)果反映出植被蓋度增長和各水文分量變化之間存在如下關(guān)系：（1）植被蓋度增長與綠水量（即土壤蒸發(fā)量、植被蒸騰量、植被截留量和土壤水蓄變量之和）增加之間呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，且趨于線性相關(guān)（參見圖3），表明增加植被蓋度對綠水增長具有良好的貢獻(xiàn)；（2）植被蓋度增長與藍(lán)水量（即徑流量，包括地表徑流和滲漏量）變化呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且趨于線性相關(guān)（參見圖4），表明部分原本進(jìn)入徑流環(huán)節(jié)的降水被轉(zhuǎn)化為植被蒸散用的生態(tài)綠水；（3）隨著植被蓋度的增長，滲漏量呈不斷下降趨勢，植被蓋度在55.93%～60.93%增長區(qū)間所對應(yīng)的滲漏量減少幅度，顯著小于植被蓋度在49.75%～55.93%增長區(qū)間所對應(yīng)的滲漏量減少幅度（參見圖5）；（4）當(dāng)植被蓋度超過60%以后，植被增長與滲漏量減少之間呈較弱的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（擬合公式為：y=-0.0026x+616.96，R2=0.9963），表明當(dāng)植被覆蓋度增長到一定數(shù)值后，增加植被蓋度對減少滲漏的作用明顯減弱（參見圖5）。

圖3 植被蓋度增長與綠水量增長關(guān)系示意圖

圖4 植被蓋度增長與藍(lán)水量變化關(guān)系示意圖

圖5 植被蓋度增長與滲漏量變化關(guān)系示意圖

4.2 模型計(jì)算結(jié)果分析驗(yàn)證為驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的可靠性，分別基于2003年和2013年的實(shí)際降水和植被蓋度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并通過查閱文獻(xiàn)獲取驗(yàn)證值。其中徑流量驗(yàn)證值來自貴陽市水務(wù)局發(fā)布的《水資源公報(bào)》；蒸騰量、土壤蒸發(fā)量的驗(yàn)證值來源于張志才等[35]在緊臨貴陽市的陳旗小流域研究結(jié)果；降水截留量驗(yàn)證值來源于張喜等[36]在貴陽市開陽縣的觀測數(shù)據(jù)；土壤水蓄變量驗(yàn)證值源于溫志群等[26]在貴陽及周邊地區(qū)計(jì)算的土壤水蓄變率（參見表2）。

表2 模型模擬值與驗(yàn)證值對照 （單位：mm）

通過圖6的相似度分析發(fā)現(xiàn)，模擬值的分布均接近于45°線，顯示由SVAT模型計(jì)算而得的各水文分量值與驗(yàn)證值之間具有良好相似度，盡管難以獲得滲漏量的觀測值，結(jié)合與滲漏量關(guān)系相對緊密的土壤水蓄變量值比較，滲漏量模擬值也應(yīng)具有良好的可信度。

圖6 SVAT模型模擬值與驗(yàn)證值相似度

4.3 增加植被作用的區(qū)縣級空間尺度模擬分析表1中的數(shù)值計(jì)算結(jié)果來源于對研究區(qū)7495 km2范圍遙感數(shù)據(jù)的計(jì)算和模擬，由于遙感數(shù)據(jù)和模型自身具有的尺度效應(yīng)，可能會致使不同尺度的地表過程表現(xiàn)出不同的特征[37]。因此，4.1節(jié)中所反映出來的變化關(guān)系，是否適用于面積稍小的空間尺度（例如區(qū)縣級面積大?。┠酥量臻g尺度更小的小流域，還需要進(jìn)一步的模擬和分析；即只有當(dāng)上述相關(guān)關(guān)系同時適用于研究區(qū)—區(qū)縣單元—小流域三個不同等級面積的空間尺度時，才可推定成立。為便于計(jì)算和分析，首先將研究區(qū)按行政邊界提取區(qū)縣級計(jì)算單元（各計(jì)算單元面積約在1000～2000 km2之間），將城區(qū)所轄的非城鎮(zhèn)區(qū)域，合并為“近郊”單元參與計(jì)算；并提取適宜的典型小流域（面積在100 km2以內(nèi)）作為更小一級空間尺度的計(jì)算單元。所提取的貴陽市各區(qū)縣級計(jì)算單元及典型小流域面積參見表3，各區(qū)縣單元及典型小流域位置參見圖7。

表3 研究區(qū)提取的各區(qū)縣單元和小流域面積

根據(jù)SVAT模型模擬的結(jié)果，匯總各區(qū)縣計(jì)算單元的生態(tài)綠水量值，并制作各區(qū)縣單元的綠水量隨植被蓋度增長變化趨勢圖，如圖8所示。

圖8 各區(qū)縣單元綠水量隨植被蓋度增長變化趨勢圖

圖8反映出，在區(qū)縣級單元的空間尺度，用SVAT模型計(jì)算得出的綠水量隨植被蓋度增長的變化趨勢與以整個研究區(qū)為對象的計(jì)算結(jié)果完全保持一致，即隨著植被蓋度的不斷增長，綠水總量也不斷增長，且兩者之間呈線性正相關(guān)關(guān)系。

為探索植被增長對喀斯特地區(qū)滲漏變化的影響，再根據(jù)SVAT模型模擬的結(jié)果，匯總各區(qū)縣級計(jì)算單元的滲漏量值，如表4所示。由于以mm為量綱計(jì)算的單位面積（對應(yīng)柵格為每平方公里）滲漏量的大部分?jǐn)?shù)值，要到小數(shù)點(diǎn)后3至4位才顯示出差別，為便于比較，在匯總時將統(tǒng)計(jì)對象由每平方公里換算為參與計(jì)算的各區(qū)縣單元，并采用106m3為計(jì)算單位。

表4 各區(qū)縣單元滲漏量隨植被蓋度變化模擬結(jié)果

根據(jù)表4中的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，制作各區(qū)縣單元滲漏量隨植被蓋度增長的變化趨勢圖，如圖9—圖13所示。

圖9 開陽縣滲漏量隨植被蓋度變化圖

圖10 息烽縣滲漏量隨植被蓋度變化圖

圖11 修文縣滲漏量隨植被蓋度變化圖

圖12 清鎮(zhèn)市滲漏量隨植被蓋度變化圖

圖13 貴陽市近郊滲漏量隨植被蓋度變化圖

通過圖9—圖13對比可見，各區(qū)縣單元滲漏量隨植被蓋度變化的趨勢總體上與整個研究區(qū)的模擬結(jié)果保持一致，表4中共出現(xiàn)4個異常值（與變化趨勢不一致，以下劃線標(biāo)出）。考慮到導(dǎo)入模型計(jì)算的MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)的低空間分辨率（1 km），在應(yīng)用到較小空間尺度時所代表的單位像元相對變大，可能會影響計(jì)算結(jié)果的可靠性，從而在一定程度上導(dǎo)致模型計(jì)算的尺度效應(yīng)。但從計(jì)算結(jié)果來看，由于產(chǎn)生的異常值所占比例較?。ú坏?2%），且均為發(fā)生在小數(shù)點(diǎn)后第三位或第四位的微小波動，而且也不能完全排除由蒸散發(fā)等變量誤差傳遞導(dǎo)致計(jì)算誤差的概率；因此可以認(rèn)為在區(qū)縣級空間尺度，綠水量和滲漏量隨植被蓋度的變化趨勢與整個研究區(qū)的計(jì)算結(jié)果保持一致。

4.4 增加植被作用的小流域級空間尺度模擬分析為了支撐對植被蓋度增加與水文分量變化的分析，尤其是對喀斯特地區(qū)滲漏量變化的深入分析，還需要進(jìn)一步論證綠水量和滲漏量隨植被蓋度在更小一級空間尺度，即小流域尺度的的變化趨勢。為此，按所提取包含了幾類滲漏值域區(qū)間的典型小流域（參見圖7），基于SVAT模型模擬計(jì)算。匯總綠水量和滲漏量隨植被蓋度增長的變化值，如表5所示。

表5 小流域單元綠水量和滲漏量隨植被蓋度變化模擬結(jié)果 （單位：106m3）

根據(jù)表5中的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，分別制作小流域計(jì)算單元綠水量和滲漏量隨植被蓋度增長的變化趨勢圖，如圖14和圖15所示。

圖14 小流域單元綠水量隨植被蓋度變化圖

圖15 小流域單元滲漏量隨植被蓋度變化圖

通過圖14可見，在小流域級空間尺度，綠水量隨植被蓋度變化的趨勢與整個研究區(qū)保持一致；表5中小流域的滲漏量變化出現(xiàn)了1個異常值（與變化趨勢不一致，以下劃線標(biāo)出），由于是發(fā)生在小數(shù)點(diǎn)后第5位的微小波動，既可能與模型計(jì)算的尺度效應(yīng)有關(guān)，也不能排除計(jì)算過程中的誤差傳遞。結(jié)合圖15和表5，可以認(rèn)為在小流域級尺度，滲漏量隨植被蓋度變化的趨勢在總體上與整個研究區(qū)保持一致。

綜上所述，無論是在整個研究區(qū)近8000 km2的區(qū)域尺度，還是1000至2000 km2的區(qū)縣級行政單元尺度，以及100 km2以內(nèi)的小流域尺度，綠水量隨著植被蓋度的增長均保持了基本一致的變化趨勢。鑒于藍(lán)水量為降水量與綠水量之差，在降水量保持不變的前提下，可以認(rèn)為藍(lán)水量隨植被蓋度增長的變化趨勢，在研究區(qū)—區(qū)縣—小流域三個空間尺度上也保持了良好的一致性。滲漏量隨植被增長的變化模擬，在區(qū)縣和小流域尺度，出現(xiàn)了少量的異常值，但均為小數(shù)點(diǎn)第三位以后的微小波動?？梢哉J(rèn)為，在三個空間尺度上，SVAT模型模擬的水文變化趨勢總體上表現(xiàn)出良好的一致性。

5 結(jié)論

本文采用耦合遙感數(shù)據(jù)的SVAT模型，分別以全市區(qū)域—區(qū)縣單元—小流域三個不同量級的空間尺度，基于藍(lán)水綠水視角，對喀斯特石漠化典型區(qū)貴陽市的非城鎮(zhèn)地區(qū)水文過程進(jìn)行了模擬和分析，結(jié)論如下：（1）在降水量保持不變的情況下，三個不同空間尺度的水文變化趨勢，總體上表現(xiàn)出良好的一致性；（2）在三個不同空間尺度上，隨著植被覆蓋度的不斷增加，生態(tài)綠水量皆呈線性增長趨勢；（3）植被蓋度在55.93%～60.93%的增長區(qū)間所對應(yīng)的滲漏量減少幅度，顯著小于植被蓋度在49.75%～55.93%的增長區(qū)間所對應(yīng)的滲漏量減少幅度，且當(dāng)植被覆蓋度超過60%以后，增加植被對減少滲漏的作用明顯減弱；（4）對滲漏量隨植被覆蓋度增長的變化模擬，在區(qū)縣和小流域空間尺度，產(chǎn)生了少量與整體變化趨勢不太一致的異常數(shù)值，但均為小數(shù)點(diǎn)第三位之后的微小波動。

以上研究結(jié)果表明，SVAT模型對喀斯特石漠化典型區(qū)—貴陽市非城鎮(zhèn)地區(qū)水文過程的模擬，尺度效應(yīng)影響較為有限。本文的研究，對于水文模型尺度效應(yīng)的實(shí)踐探索，以及喀斯特石漠化地區(qū)生態(tài)恢復(fù)和提高水資源利用研究，具有一定的參考價(jià)值。