抚河流域农业干旱的影响机制研究_郑金丽.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2022 12 04基金项目:江西省水利科技项目(202023ZDKT03，KT201501);国家重点研发计划项目(2021YFC3000205)作者简介:郑金丽，女，硕士研究生，主要从事水文及水资源领域研究。E mail:zhengjl_22126 com通信作者:周祖昊，男，正高级工程师，博士，主要从事流域水循环过程模拟与调控研究。E mail:zhzh iwhr com文章编号:1001 4179(2023)02 0070 07引用本文:郑金丽，周祖昊，刘佳嘉，等 抚河流域农业干旱的影响机制研究 J 人民长江，2023，54(2):70 76，105抚河流域农业干旱的影响机制研究郑 金 丽1，周 祖 昊1，刘 佳 嘉1，严 子 奇1，李 国 文2，王 钦 钊3(1 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控重点实验室，北京 100038;2 江西省水文监测中心(江西省水资源监测中心)，江西 南昌 330002;3 江西省水文局，江西 南昌 330000)摘要:农业干旱是制约农业生产的主要自然因素，研究其影响机制是科学应对农业干旱的前提。以长江流域的抚河流域作为研究对象，基于二元水循环模型评估了农业干旱的演变规律，并采用多因素归因分析方法研究了气候变化和人类活动对农业干旱演变的贡献。结果表明:抚河流域农业干旱呈现减少趋势，在 1980 年出现突变现象。相对于 1956 1980 年，1981 2019 年抚河流域农业干旱的月平均干旱历时和月平均干旱强度均减少，其中气候变化和人类活动均起到减缓的作用。具体地，气候变化和人类活动对灌区单元农业干旱历时变化的贡献率分别为 31 0%和 69 0%，对干旱强度变化的贡献率分别为 33 5%和 66 5%;气候变化和人类活动对其他单元农业干旱历时变化的贡献率分别为 74 3%和 25 7%，对干旱强度变化的贡献率分别为 60 1%和 39 9%。降水作为导致干旱发生的关键因素，其变化期年均值高于基准期年均值，因此使得气候变化在农业干旱演变过程中起到减缓的作用。相应地，在表征人类活动的各项指标中，水库库容增加能一定程度保证干旱发生时的农业用水量，同时社会经济取用水量和灌溉面积的增加能弥补作物关键生育期土壤水分的不足，保证作物的正常发育，这在一定程度上能达到缓解农业干旱的目的。关键词:农业干旱;气候变化;人类活动;多因素归因分析方法;抚河流域中图法分类号:S311文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0110引 言干旱是一种缓慢发生、影响范围大、持续时间长的自然灾害1，在全球范围内均可发生，严重影响了全球粮食作物生产2。据中国水旱灾害公报 2020 统计，1950 2020 年我国年均粮食损失高达 163 亿 kg，年均受灾面积高达 200 万 hm23。因此，开展干旱研究对于减少农业干旱造成的损失至关重要。农业干旱作为干旱灾害的主要类型之一，常通过建立干旱指数的方法进行评估 4 5。已有农业干旱指数通常分为3 种，即土壤水分指数类、作物生理生态指数类和卫星遥感干旱指数类 6，其中由于土壤水分是影响作物生长发育的主要因子，因此基于土壤水分的干旱指数被广泛应用 7。周洪奎等 8 采用标准化土壤湿度指数反映黄淮海平原的农业干旱状况，发现干旱指数对农业干旱引起的冬小麦减产起到指示作用。Souza 等 9 采用土壤水分农业干旱指数分析农业干旱与玉米和高粱作物的生产力和收获面积的相关性，发现农业干旱与高粱作物的相关性更加显著。Yao 等 10 采用土壤水分亏缺指数分析农业干旱对小麦/玉米产量的影响，发现产量和干旱指数的相关性在 6、7 月最高。由于大面积土壤水分的监测比较困难，因此基于水文模型的农业干旱评估方法被广泛应用。如王富强等 11 构建基于 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)的区域农业干旱模拟第 2 期郑金丽，等:抚河流域农业干旱的影响机制研究模型;李军等 12 通过 VIC(Variable Infiltration Capacity)模型模拟蒸散发、径流和土壤水分等水文气象要素构建农业干旱指数。但是土壤含水量受作物类型、灌溉条件等人类活动影响，而考虑灌溉等人类活动对农业水循环过程影响机制的模型不多，因此需要构建反映人类影响机制的水文模型对农业水循环过程进行模拟，在此基础上对农业干旱进行评价。农业干旱受到很多因素的影响，其中气候变化和人类活动是主要的影响因素13。已有研究表明农业干旱受气候变化影响较大，但是诸如土地利用变化、水资源开发利用等人类活动的影响也不可忽略。如蒋桂芹14 分析海河水系 1956 1975 年和 1990 2009 年气候变化、土地利用和水资源开发利用对农业干旱的驱动作用，结果分别为40%、4%和 56%。杨志远15 分析乌裕尔河流域 1961 1985 年和 1986 2011 年气候变化和土地利用对农业干旱的影响，发现气候变化的贡献率为 15%62%，土地利用变化的贡献率为38%85%。黎云云等16 对比分析黄河流域 1968 1990 年、1991 2000 年和 2001 2010 年气候变化和土地利用对黄河流域农业干旱的影响贡献率，发现气候变化的贡献率约为 50%90%，土地利用变化的贡献率约为 10%50%。以上贡献率的研究方法中均将单个因素的影响贡献简单相加作为多因素的综合贡献，但对于不同影响因素之间的相互作用考虑不足。对此，刘佳嘉等17 提出的多因素综合影响贡献量分解方法能改进上述方法的不足。本文深入研究农业干旱的影响机制，以位于长江中下游地区的抚河流域为例，采用抚河流域二元水循环模型、农业干旱评估法及多因素归因分析法，在动态评价抚河流域长系列农业干旱演变规律的基础上，定量分析气候变化和人类活动对抚河流域农业干旱演变造成的影响。1研究区概况及数据来源1 1抚河流域概况抚河流域位于长江中下游地区，隶属于鄱阳湖水系，流域面积为 15 767 km2。多年平均降水量为1 755 7 mm，多年平均蒸发量约为 1 100 mm，流域内抚州市多年平均水资源总量为 160 97 亿 m3。抚河流域历史旱情是由于降水年内分布极不均匀，且与农田生长需水要求不相协调造成的，以致每年均发生不同程度的旱灾。一般年受旱面积约 4 7 万 hm2(70 万亩)，以 1963 年和 1978 年灾情最为严重。本文以抚河流域大中型灌区作为灌区单元，大中型灌区以外单元作为其他单元，如图 1 所示。图 1抚河流域研究区概况Fig 1Overview of the study area in the Fuhe iver Basin1 2数据来源本文研究数据包含 2 类数据:第一类是模型计算需要的数据，主要涉及 DEM 和河道信息、土地利用类型、土壤类型以及人工取用水数据等数据;第二类是用于模型结果验证的数据，包括李家渡、廖家湾、娄家村等 3 个水文站逐日流量数据，以及 2010 2019 年土壤墒情站点数据。以上各项数据中，1956 2019 年3 个水文站逐日流量数据来自江西省水文局;1956 2019 年 2 个土壤墒情站点数据来自江西省水文局;11 个国家气象站 1956 2019 年的每日气象数据，包括降水、气温、相对湿度、日照时数和风速，由国家气象信息中心提供;1956 2019年10 个雨量站逐日降雨数据来着江西省水文局;DEM数据采用 STM90，栅格边长为 90 m(http:srtm dat-amirror csdb cn/);土地利用数据采用 1985 年和 2015年的 LANDSAT TM 数据;抚河流域遥感蒸散数据来自MODIS 蒸散数据集;土壤数据均采用中国土种志 上的“统计剖面”资料，采用第二次全国土壤普查结果1 100 000分辨率的土壤类型图;抚河流域灌区以及大中型水库资料来源于抚州市水资源公报;经济社会用水数据来自抚州市水资源公报和江西省统计年鉴。2研究方法2 1分布式二元水循环模型WEP L 分布式二元水循环模型(简称 WEP L 模型)是耦合“自然和社会”二元水循环过程的分布式水循环模型 18，目前已在黄河、海河、松花江、汉江、柳江、红河等南北方多个流域进行了应用，本次研究采用17人民长江2023 年WEP L 模型模拟抚河流域农业干旱相关水文要素。2 1 1模型原理WEP L 模型18 的空间计算单元为子流域套等高带，自然水循环过程主要是对各计算单元的降水、入渗、产流、汇流等过程进行模拟，通过下垫面划分和垂向结构对产流过程进行计算，采用“马赛克”法划分土地利用类型，具体为裸地 植被域、灌溉农田、非灌溉农田、水域和不透水域五大类。在垂直方向上，可划分截留层、根系土壤层、过渡层和含水层等。水平方向上，采用一维运动波模型进行汇流过程演算，从上游到下游子流域之间进行河道汇流演算。WEP L 自然水循环过程模拟如图 2 所示。图 2自然水循环模拟Fig 2Natural water cycle simulation人工侧支水循环过程19 集中于取水、输水、储水、用水、排水和耗水 6 个方面。在大多数情况下，取水和排水是与自然水循环有关的两个关键过程，如图 3 所示，耦合机制主要发生在这两个过程中。河流、水库和地下水可以被认为是取水来源。取水过程使河流和地下水中的水量减少，排水过程使河流和地下的水量增加。此外，该模型还考虑了废水回用。图 4 为 WEP L 模型耦合的原理。图 3社会水循环模拟Fig 3Generalizations of social water cycle systems2 1 2模型率定验证方法根据研究对象的突变情况，将研究时间序列划分图 4自然、社会水循环耦合原理Fig 4The coupling principle of natural and social water cycle为基准期和变化期，分别采用水文站月平均流量、土壤墒情站点的月均土壤含水量对抚河流域二元水循环模型进行率定验证，具体计算公式如下:E=Ni=1(Qsim，i Qobs，i)Ni=1Qobs，i 100%(1)NSE=1 Ni=1(Qsim，i Qobs，i)2Ni=1(Qobs，i Qobs)2(2)=ni=1(Xi X)Yi()Yni=1(Xi X)2ni=1(Yi Y)2(3)式中:E 表示模拟径流总量的相对误差，%;NSE 表示Nash Sutcliffe 效率系数;Qsim表示模拟月均流量，m3/s;Qobs表示实测月均流量，m3/s;N 表示模拟系列月份数;Qobs表示模拟系列实际月均流量多年平均值，m3/s;为模拟值与实测值的相关系数。2 2干旱演变分析方法2 2 1农业干旱评价指标农业干旱通常用土壤含水量来表征，考虑标准化土壤湿度指数计算方法较为常用，所需的长系列土壤含水量数据可通过模拟获得，因此农业干旱选用标准化土壤湿度指数作为评价指标。标准化土壤湿度指数(Standard soil moisture index，SSMI)是一个无量纲的农业干旱指标，通过对土壤湿度指数(Soil moisture in-dex，SMI)标准化得到，SMI 的计算公式如下:SMI=wsim wwiltwfc wwilt(4)式中:wsim、wwilt和wfc分别为土壤含水量、凋萎系数和田间持水量，其中土壤含水量可通过模型模拟获得。其次，对土壤湿度指数序列依次进行分布拟合、正态标准化等处理，得到标准化土壤湿度指数(SSMI)。27第 2 期郑金丽，等:抚河流域农业干旱的影响机制研究获得某时段的 SSMI 值的计算公式如下:SSMI=St c0+c1t+c2t21+d1t+d2t2+d3t3，t=2lnF(5)式中:当 F0 5 时，S=1;当 F 0 5 时，F=1 F，S=1。其它常数项分别为c0=2 515 517，c1