草海湿地水量平衡计算修改

1、一、 水资源现状 贵州威宁草海国家级自然保护区位于贵州省威宁彝族苗族回族自治县境内，总面积约为99.15km2。草海国家级自然保护区划分为三大功能区，即核心区、缓冲区、试验区，其中核心区面积约为21.02km2，缓冲区面积约为5.75km2，试验区面积约为72.38km2。草海自然保护区所在地隶属威宁县草海镇，全镇国土总面积370.98km2。草海属长江水系，是金沙江支流横江上洛泽河的上源湖泊，汇集着周围的雨水及几条发源于泉水的短河，水源补给主要来自大气降水，其次是地下水补给。草海湖集雨面积96km2，是贵州高原上最大的天然淡水湖泊。图1-1 贵州草海国家级自然保护区总体规划图从地质构造来说，

2、草海自然保护区位于黔西山字型西翼反射弧，威宁水城大背斜向北弯曲的顶端部位。从地貌上看，草海自然保护区为起伏急剧的高原中山狭谷，且成阶梯状的高原山原地貌。草海盆地的地形趋势，西、南、东三面较高。自盆地中心向北逐渐降低，成为草海湖盆的泄水方向。草海湖盆周围属高原缓丘（溶丘），地形平缓开阔，地面起伏极小。由湖盆向外，地貌为高原丘陵盆地，地面起伏较大。草海自然保护区土壤类型划分为黄棕壤、沼泽土、石灰土和石质土四个土类。其中，耕地土壤有黄灰泡土、黑灰泡土、火石灰泡土、黏质灰泡土、小黄泥灰泡土、大黄泥灰泡土、岩灰泡土、灰泡黏土等15个土种。保护区在地带性气候上属于亚热带季风冬干夏湿气候。在贵州气候分类上，

3、将威宁地区划分为暖温带冬干夏湿季风气候，具有日照丰富、冬暖夏凉、干湿分明等特征。年平均气温10.5，最热月（7月）平均气温17.7，最冷月（1月）平均气温1.9，无霜期208.6d；年均相对湿度80%；年均日照时数1 805.4h，是贵州日照最充足的地方。 草海地区广泛分布的古剥蚀地面上，地形起伏平缓，岩石风化强烈，残坡积物质覆盖较厚，这不仅有利于降雨在地表停积而延长地表径流过程，而县还使降雨的入渗系数显著增大，从而有效提高了单位面积的产水能力。按该区多年平均降雨量950.9mm，年径流深550mm等参数综合考虑，概算每平方公里年产水量60万m3，全区年产水量为5910万m3。草海丰水期水域面

4、积26km2，按平均水深1.5m计算，其蓄水量为3900万m3；枯水期水域面积 19.8km2，水深1.2m，蓄水量2376万m3。草海丰水期的蓄水量几乎占其补给范围内总产水量66%的情况，说明草海水资源的补给量是十分有限，只是由于盆地水文地质结构极有利于地表水及地下水的储存，才基本维持了湖沼水域的自然环境现状。 大气降水是草海地区地表水及地下水的唯一补给来源，但由于年降雨量季节分配不均，枯季降雨量很少，因而干旱季节水资源的补给量十分匮乏。该区12月至次年3月的枯季降雨量不足 50mm，绝大部分都有消耗于蒸发及渗入地下，极少形成地表径流，所以草海在枯水季节全靠地下水补给。根据区域水文地质普查资

5、料，按该区含水岩石每平方公里在每秒钟内流出的水量为 2.5L计算，草海在枯季每天只获得1.62万m3地下水的补给，仅相当于年平均日补给量的10%，如果再考虑到湖沼水面的蒸发损耗，实际上其日补给量已所剩无几，甚至出现负值。问题在于，这种补给量极小的状况要持续长达4个月，如遇干旱年景，枯季的草海水域必然大大缩小。更有甚者，由于湖区汇水范围内生态环境恶化，草海水资源短缺的情况将愈益严重。二、SCS模型介绍计算湿地的水资源量情况需要对降雨径流情况有准确的了解才能结合当地的经济发展情况进行计算。遥感技术（RS）、地理信息系统（GIS）的发展以及分布式水文模型的进步使得降水径流模型的研究成为可能。然而分布

6、式水文模型中需要大量详细的气象、水文、地质、地形及土壤等数据，而这些数据往往较难收集齐全，给分布式水文模型的应用带来一定困难。由于草海自然保护区在成立保护区之前缺乏系统全面的气象、水文观测资料，难以满足分布式水文模型的数据需求。因此本研究未采用分布式模型，而是选用了经典的描述降水径流关系的经验式SCS水文模型。该模型参数少，所需数据容易得到，而且与分布式的土地利用数据的融合易于实现。SCS-CN模型是20世纪50年代初美国农业部水土保持局根据美国地带性气候特征和农业区划所研制的小流域设计洪水模型。据此形成的SCS-CN模型出现在1954年的美国国家工程手册中。SCS-CN模型提出时虽未经过学术

7、界严格的审议，但由于被美国官方发布，随即在世界范围内得到了广泛应用。SCS-CN模型所使用的降雨-径流关系为: (2-1)式中:Q为地表径流量（mm）；P为降雨量（mm）；Ia为产生地表径流之前包括地面填洼、截流和下渗的初损（mm）；F为产生地表径流之后的后损，即实际入渗量（mm）；S为该时刻最大可能滞留量，是后损的上限（mm）。实际入渗量F可以表示为： (2-2)将上述两式合并可求解出径流量： (2-3)不易求得，但通常认为与S之间存在线性关系： (2-4)值多在0-0.3之间变化，其经验值通常取0.2，此时径流量可表示为关于S的函数： (2-5)由于S变化范围很大，实际应用中将S转换成了理

8、论值在0100之间、描述不同土壤-覆被组合（soil-cover complex）地表产流能力的综合指标径流曲线数（CN），从而使具体应用中对CN的插值、平均、加权等操作更接近线性变化。S与CN值的关系表达为： (2-6)其中，CN值为径流曲线数，是反映地表产流能力的综合参数。CN随着S的增大呈非线性递减，由于现实条件下CN取值通常在约30-98之间，而对应的S则在5-600mm之间变化，S的变化幅度远大于CN。在给定降雨（P0.2S）时，CN值较大的地区将产生较高的地表径流量Q。在同等降雨条件下，径流量随着CN的减小也对应变小。同时，CN减小对应S增大，初损（0.2S）也随之增大，出现地表径

9、流的降雨量阈值不断提高，当CN=30时，需要120mm以上的降雨量才能出现径流。常见的土壤-覆被组合的CN一般都在30之上。SCS-CN模型由于参数少，计算过程简单，所需的资料易于通过多种手段获取，且能反映不同土壤类型、不同土地利用方式及前期土壤含水量对降雨径流的影响，对降雨观测的要求较低，因此，被广泛应用于估算各种地表覆被条件下的地表径流，同时被不少水文水质模型作为模拟地表径流的基本模块（如SWAT、CREAMS、ANSWERS、AGNPS、EPIC等模型）。利用SCS-CN模型模拟产流能力的主要工作集中在CN值的确定上，应用流程主要分为确定土壤水文组、查表确定CN、根据土壤湿度调节CN、利

10、用SCS-CN模型计算地表径流等几个步骤。1）土壤水文组的确定：为了描述土壤的水文状况，土壤专家最初基于观测的降水、径流、土壤质地及下渗等数据，对具有相似产流能力的土壤进行归类，称为土壤水文组（Hydrologic Soil Group，HSG），土壤依照产流能力从低到高分为A、B、C、D四类，详细分类标准可参见美国国家工程手册（第七章）。美国已经对14000多种土壤进行了HSG归类。本研究参照美国标准，结合中国土壤数据集，主要根据土壤的水力特性建立了映射表对土壤水文情况进行分类。2）确定土地利用状况：依据遥感影像数据，确定区域内的土地覆盖类型，具体主要依据美国国家工程手册（第九章）。3）查表

11、确定CN：在确定了土壤水文组、地表植被类型要素之后，根据现有的CN检索表，查找该土壤覆被组合对应的CN值。本研究中的CN值检索表编译自美国国家工程手册（第九章）中给出的不同土壤-覆被条件下详细的CN2值检索表。4）根据土壤含水量调节CN：土壤中的水分处于动态平衡状态，其储量和剖面分布随时间和空间不断变化。土壤湿润状况影响着降雨入渗速率和入渗量，因此，对地表产流能力及CN有着明显影响。以上查表仅得到了土壤前期湿润程度为中等时的CN（即CN2）。为考虑土壤湿度对地表产流能力的影响，简化起见，通常将土壤前期湿润状况划分为干旱、中等湿润和湿润三种状态，依次对应三种CN：CN1、CN2和CN3。CN1和

12、CN3一般以第3）步中查表得到的CN2为基础，通过调节函数计算得到。常用的调节函数如下： (2-7)三、 资料来源及处理3.1资料来源本次研究采用的基础数据如下表3-1所示：表3-1 基础数据数据名称数据来源数据精度处理方法降水数据国家气象信息中心0.1mm直接使用气象数据国家气象信息中心0.1直接使用土地利用数据欧洲空间局300m栅格重分类土壤数据中国土壤水文数据集30弧秒重分类流域相关数据中华人民共和国水文年鉴0.1mm重分类3.2数据介绍与数据质量（1）降水、气象数据本次采用国家气象信息中心发布的中国地面气候资料日值数据集中平均本站气压、平均气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数、日最高

13、气温、日最低气温数据资料，数据精度均为0.1（不同数据单位不同，此处略去单位）。数据来源于各省、市、自治区气候资料处理部门逐月上报的地面气象记录月报表的信息化资料，该信息化文件经过严格的质量控制和检查，所以数据质量良好。（2）土地利用数据土地利用数据使用的是GlobCover全球陆地覆盖数据，来源于欧洲空间局（ESA，European Space Agency）官方网站。GlobCover为全球陆地覆盖数据，分辨率300米，数据格式为TIF，拍摄时间为2009年。GlobCover全球陆地覆盖数据的原始数据来自Envisat卫星，由MERIS（Medium Resolution Imaging

14、 Spectrometer）传感器拍摄完成。数据生成过程中，主要选取了MERIS传感器在2009年1月1日至12月31日期间所接收的较高质量的影像数据，来进行图像合成。（3）土壤数据土壤数据来源于北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院戴永久教授团队的面向陆面过程模型的中国土壤水文数据集。该数据集采用土壤转换函数以砂粒、粉粒、粘粒、有机质、容重作为输入估计出土壤水文参数，包括Clapp and Hornberger函数和van Genuchten and Mualem函数的参数、田间持水量和凋萎系数。（4）流域相关数据流域相关数据来源于中华人民共和国水文年鉴中长江流域金沙江水系（第六卷第10册

15、）以及珠江流域西江水系（第8卷第1册第1分册）中毕节地区向阳水文站和小寨水文站的逐日平均流量数据。水文年鉴中的资料是水工程规划、建设、管理、水资源开发利用、科学研究和国民经济建设的基础数据；是国家重要的基础档案资料。各流域机构、汇编单位严格的执行技术规范，保证了水文年鉴汇编资料的成果质量。四、研究方法4.1土壤数据处理根据威宁县1999年森林资源现状调查和采用SPOT5卫星遥感影像图所作的专题调查，草海自然保护区内林业用地面积1929.59hm2，占保护区总面积的20.1%；非林业用地面积7 670.41hm2，占保护区总面积的79.9%。在林业用地中，有林地（乔木林）面积962.9hm2；灌

16、木林地面积538.17hm2；无林地面积428.52hm2。在非林业用地中，农地面积4200hm2，水域及沼泽地面积2 547.41hm2，城镇及农村居民点用地面积923hm2。根据收集到的土壤数据资料，处理得到草海保护区的土地利用图如下：图4-1 贵州草海国家级自然保护区土地利用现状图4.2 水文资料处理为了评价在不同降水条件下草海保护区的水量变化情况，分别采用威宁县P=10%(丰水年)、P=50%(平水年)和P=90%(枯水年)的降雨作为模型输入。图4-2为威宁县面雨量的频率适线成果，图4-3图4-5为采用典型年法的年内分配结果。 图4-2 贵州省威宁县年降水量频率曲线图图4-3 威宁县设

17、计年降雨过程（P=10%）图4-4 威宁县设计年降雨过程（P=50%）图4-5 威宁县设计年降雨过程（P=90%）4.2 参数设定SCS模型的参数CN反映了不同下垫面的潜在产流能力，不仅和土壤属性、覆盖类型以及地表水文特征有关，同时还决定于流域的前期土壤湿度状况。在SCS模型中，根据前5d总雨量将土壤湿润程度划分为3类，分别代表干、平均、湿3种状态(AMCI，AMCII和AMC III)。基于土地利用图，参考草海保护区土壤类型的划分成果，建立了草海保护区的SCS模型CN值差算表，如表4-1。表4-1 草海保护区的SCS模型CN值差算表土地利用类型CN值AMCIAMCIIAMC III高密度城市

18、用地708594低密度城市用地668293耕地557388林地476683草地446381滩地638092水体100100100五、 计算结果5.1 径流系数本文在基于遥感数据得到的土地利用情况的基础上，结合美国农业部水土保持局开发的SCS水文模型，建立了草海保护区的降雨径流模型，并对草海保护区的水量变化进行了模拟分析。图5-1是由SCS模型计算的到的草海保护区1951-2012年的降水径流量过程线；表5-1是依据计算结果统计获得的草海保护区年平均径流系数。图5-1 草海保护区多年降雨-径流过程表5-1 草海保护区降水-径流统计数据50年代60年代70年代80年代90年代00年代10年代多年平

19、均降水量（mm）983963908896867802848901径流深（mm）500479444447427392418447水资源量（万m3）49584749440244324234388741444432径流系数0.5080.4980.4890.4990.4930.4890.4930.496注：10年代仅包括2011和2012两年的数据。径流系数可以很好地说明一个研究区域的降水-径流关系，可以较好的检测流域内水循环随时间的变化，而且可以在一定程度上说明人类活动的影响情况。由图5-1与表5-1可知，草海保护区年平均径流系数为0.49，总体变化不大。但是草海流域的年均径流深呈显著下降趋势，年径

20、流深从上世纪50年代的500mm下降到10年代的418mm，水资源量从上世纪50年代的4958万m3下降到10年代的4144万m3。从中可以看出降水量的下降是草海水资源危机的一个重要因素。5.2 生态流量计算Tennant法在生态径流研究中起着重要作用，是目前河流生态径流研究中属于水文指标的一种常用方法。Tennant法属于非现场测定类型的标准设定法，以预先确定的多年平均流量百分数为基础，将保护水生态和水环境的河流流量推荐值分为不同标准，如表5-2所示。表5-2 保护鱼类、野生动物、娱乐和相关环境资源的河流流量状况流量的叙述性描述推荐的基流标准（多年平均流量百分数）（%）10-3月份4-9月份

21、极限或最大200200最佳范围60-10060-100极好4060很好3050良好2040一般或较差1030差或最小1010极差0-100-10草海属长江流域，是金沙江支流横江的洛泽河的上源湖泊，为了保证下游河流的水量，其出流量要保证河流的生态需求，本次计算以河道的生态流量作为最小出流量，对草海湿地进行水量平衡计算。通过对草海1951-2012年径流量的计算，求得多年平均月径流量，依此计算草海每月需要保证的下游河道生态流量，下游河道流量状况选择为很好，按照表5-2中的标准进行计算，计算结果如表5-3所示。表5-3草海多年平均月径流量计算月份1月2月3月4月5月6月平均径流量(mm)4.814.

22、557.0217.7345.0089.02生态径流量(mm)1.441.372.108.8722.5044.51月份7月8月9月10月11月12月平均径流量(mm)91.4680.3961.1231.7410.513.86生态径流量(mm)45.7340.1930.569.523.151.16由此得草海年均总出流约为211.1mm，总出流量约为2093万m3。由草海的多年平均径流深为447mm可知，流域内约一半的水量作为下游河道的生态流量流出草海。5.3 年蒸发量计算Penman-Monteith法以能量平衡和水气扩散理论为基础，将通量方程和能量方程结合起来，既包含了净辐射和饱和差，又包含了气

23、孔阻力和空气动力学阻力，计算结果比较稳定；同时也不用改变任何参数即可适用于世界各个地区，估值精度高且具有较好的可比性，因此本次蒸发量计算采用Penman-Monteith法。其计算的具体公式为： (5-1)式中，为作物参考蒸散量，mm/d；为作物表面净辐射量，；为土壤热通量，；为湿度计常数，；为地面2m以上处的风速，m/s；为空气平均饱和水气压，；为空气实际水气压，；为饱和水气压与温度关系曲线的斜率。将贵州省威宁县气象站的原始数据带入Penman-Monteith公式进行逐日蒸发量计算。已知草海常年水位2171.7m，水域面积为21km2，结合草海2000-2012年逐日地面气候资料，计算水面

24、蒸发量，计算结果如表5-4所示。表5-4 2000-2012年草海水面蒸发量计算年份2000200120022003200420052006年蒸发量（mm）814.5828.6876.2876.8839.1839.7869.5年份200720082009201020112012平均年蒸发量（mm）813.1817.9924.6940.9901.5825.3859.0计算结果显示，2000-2012年，贵州省威宁县的年水面蒸发量较为稳定，均在8001000mm 的范围内，平均值为859mm，水面蒸发量较大，这与草海地区纬度较低，太阳净辐射较为强烈有关。5.4 水量平衡计算 通过考虑草海保护区的径

25、流量、出流量、蒸发量，对草海保护区进行水量平衡计算。表5-5 2000-2012年草海保护区水量平衡计算时段年降雨量年径流量年蒸发量生态流量剩余水量（年）（mm）(104*m3)(104*m3)(104*m3)(104*m3)2000837.13904.61710.42903.1-708.8 2001926.54501.21740.02903.1-141.9 2002865.64139.31840.02903.1-603.8 2003751.33581.91841.22903.1-1162.4 2004619.33077.51762.22903.1-1587.8 2005732.43323.2

26、1763.42903.1-1343.3 2006664.13084.51825.92903.1-1644.5 2007888.44692.51707.42903.181.9 20081124.15576.01717.72903.1955.2 2009645.53048.61941.62903.1-1796.2 2010801.53856.31975.92903.1-1022.6 20116953619.71893.22903.1-1176.6 20121000.14684.91733.22903.148.6 平均811.63930.01804.02903.1-777.1 由表5-5结果可知，从

27、2000年至2012年，草海的平均降雨量为811.6mm，年平均径流量为3930万m3，年平均蒸发量为1804万m3，年平均出流量为2903.1万m3。在现状水位2171.7m下，流域内降水量与流域的蒸发、出流量在各年内盈缺量不同，但在大部分年份内水分亏缺，平均每年水分亏缺量达到777.1万m3，不能保证流域水量达到动态平衡，若没有外部水量补给，草海水位将不能保持在现状水平下。图5-2为草海湿地2000-2012年各要素水量变化情况。图5-2 草海保护区2000-2012年各要素水量变化情况根据草海水位库容曲线，计算将草海水位保持在不同情况下时流域水量增补情况，计算结果如表5-6所示。图5-3

28、为草海保护区水位库容曲线。 图5-3 草海水位库容曲线表5-6草海保护区水位保持水量增补情况序号水位值（m）水面面积（km2）库容（104m3）库容增量（104m3）蒸发量增量（104m3）年均补水量（104m3）12171.656212268.38777.12217222.53014.02745.6128.85906.032172.526.94244.001975.6506.811283.94217331.35825.993557.6884.771661.9由表5-6可知，草海在不进行外部调水的情况下，已经不能保持在现状水位2171.7m，若要继续保持在该水位，需从外部引水777.1万m3；

29、若要将水位增长到2172m，则需要一次性从外部引水745.6万m3，保持该水位每年还需补水906万m3；在现状水平下，若要将草海水位增长到2172.5m，需要一次性引水1975.6万m3，保持在该水位每年还需1283.9万m3的水量补给；在现状水位下，若要将水位增长至2173m，则需要一次性补水3557.6万m3，且保持该水位每年还需1661.9万m3的水量补给。草海湿地年均径流量为4432万m3，低于水位为2173m时的库容，所以一次性增加库容所需水量较大，保持水位所需的年均补水量也随水库库容的增大而显著增加，如何确定一个合理水位将是一个需要多方论证的问题。六、结论与讨论6.1 可靠性分析

30、为了验证模型结果的可靠性，需对计算结果进行可靠性分析。本次计算数据均来自于较为权威的机构，保证了计算结果的可靠性。且目前在草海对于草海流域水量变化的研究较少，通过仅有的文献可知，考虑因计算时间尺度不同造成的差异，计算获得的草海保护区年径流量与其他研究所得的结果大致相似，所以结果较为可靠。6.2 结果讨论径流系数值变化于01之间，湿润地区值大，干旱地区值小。我国台湾地区河流年平均径流系数0.7，表明径流十分丰富；径流贫乏的海滦河平原，年平均径流系数仅有0.1。而计算得到草海保护区的径流系数为0.49，可见草海保护区径流量属于中等丰富地区。2000年至2012年的年平均蒸发量约为859mm，通过查

31、阅相关文献，发现与资料显示结果一致，确保了计算结果的准确性。由于草海地区纬度较低，太阳净辐射较为强烈，所以潜在蒸散发量较大，大量蒸发对于草海地区的水资源保持十分不利，必须采取积极的措施保证草海湿地的持续发展。参考文献1. 李润奎，朱阿兴，陈腊娇，等SCS-CN模型中土壤参数的作用机制研究J .自然资源学报，2013，28(10)：1778-17862. 刘家福，蒋卫国，占文凤，等SCS模型及其研究进展J水土保持研究，2010，17(2)：120-1233. Hawkins, R. H., A symptotic determinations of runoff curve numbers from dataJ. Journal of the Irrigation and Drainage Engineering, 1993, 119:334-345.4. Ragan, R. M., Jackson T. J., Runoff synthesis using landsat and SCS modelJ, Journal of Hydrologics Division, ASCE, 1980, 106(HY5):667-678.5. Slack, R. B., Welch, R., Soil conservations se