基于流域水循环视角的黄河水源涵养区水源涵养量评价方法

摘 要：

【目的】水资源是黄河流域经济社会发展的刚性约束，科学评估水源涵养区的水源涵养量，对流域生态环境保护与高质量发展具有重要意义。【方法】针对当前水源涵养量评价存在的不足，从流域水循环角度出发，辨识了多要素对水源涵养功能的影响机制，提出了契合黄河流域特点的水源涵养量评价目标、原则与方法。在此基础上，构建了以分布式水文模型为核心的评价工具，对黄河水源涵养区的水源涵养量进行了评价。【结果】主要研究结论如下：(1)植被的水源涵养功能体现在汛期调蓄洪水、坦化洪水过程，在枯水期增加基流和水资源供给量；土壤的蓄水能力/调节库容即其水源涵养能力，与土壤层厚度、有效蓄水量成正比，并且在一定时期内存在多个“蓄满—释放—再蓄满”过程；含水层的调蓄能力即其水源涵养能力，与含水层厚度、储水/释水能力成正比；不同资源开发利用方式对水循环过程施加影响，进而将这种影响传递到水源上。(2)黄河水源涵养区水源评价，应以提升全流域水安全综合保障能力为目标，统筹全流域生态安全、防洪安全以及供水与能源安全需求；应同时考虑平水时段的“滞留”、汛期时段的“调峰”、枯水时段的“产水”三项功能。(3)黄河水源涵养区1960—2018年多年平均年度水源涵养量为205.04亿m3,其中汛期时段涵养量153.27亿m3、平水时段涵养量38.64亿m3、枯水时段涵养量13.13亿m3;从空间分布看，兰州以上片区、渭河南山支流片区和伊洛河片区水源涵养量分别占全区的55.7%、34.1%和10.2%。【结论】研究成果可谓黄河水源涵养区水源涵养量评价提供参考。

关键词：

水循环;水源涵养量评价;水源涵养区;水安全;黄河流域;

作者简介：

杜军凯(1987—),男，高级工程师，博士，研究方向为流域水循环及其伴生过程模拟。

*贾仰文(1965—),男，正高级工程师，博士研究生导师，博士，研究方向为水文水资源。

基金：

国家重点研发计划项目(2021YFC3201101,2021YFC3201105);

引用：

杜军凯, 贾仰文, 李晓星, 等. 基于流域水循环视角的黄河水源涵养区水源涵养量评价方法[J]. 水利水电技术(中英文), 2023, 54(10): 71- 82.

DU Junkai, JIA Yangwen, LI Xiaoxing, et al. Evaluation method of water conservation capacity based the perspective of the water cycle in the conserving region of the Yellow River Basin[J]. Water Resources and Hydropower Engineering, 2023, 54(10): 71- 82.

黄河流域横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原、华北平原等四大地貌单元和地势三大台阶，干流流经9个省(区),是我国最重要的生态屏障之一，也是人口活动和经济发展的重要区域，水资源是黄河流域生态保护和高质量发展的基础和刚性约束。黄河流域水资源时空分布不均，大部分可用水资源量产自河源区，如干流兰州水文站以上集水面积约占全流域28%,产流量占比约60%,科学评估与调控水源涵养区水源涵养量，可为生态环境保护与高质量发展提供重要支撑。

水源涵养概念具有很强的复杂性和动态性。水源涵养相关工作起源很早，初期主要关注森林对水的作用过程，针对森林与蒸发、截留和径流之间的关系，众多学者(如ENGLER等、BOYLE等、KITTREDGE等)开展了大量观测试验 ,研究了森林对各项水通量的作用机制，提出了相应的评估方法，如水量平衡法、蓄水能力法和林冠截留法(RUTTER等,GASH等,VANDIJK等)等。随着理论发展与认识不断深入，水源涵养相关概念、内涵、方法等方面得以动态地丰富和拓展。如COSTANZA等提出将水源涵养、供水价值与生态系统服务功能相结合，AMIRNEJAD等用条件价值法估算伊朗北部森林的生态价值。总得来说，相关研究的发展趋势为：(1)不但关注森林系统对水的作用，更增加对湿地、湖泊、草地等多种生态系统的综合考虑；(2)在水量基础上，将森林对水质净化、水土保持、气候调节等方面的作用纳入到水源涵养体系中，不但评价静态的水源涵养量，也关注其对变化环境的响应；(3)相关评价方法不断更新升级，从早期的观测实验、经验公式、水热平衡方程发展到集总式/分布式的森林/流域水文/陆面过程模型等，如SCS-CN模型、TVDI模型、InVEST模型、SWAT模型和TerrainLab模型等。

尽管已有研究取得了丰硕成果，但仍有一些问题有待解决：(1)现有成果各有侧重点，对水源涵养概念和内涵尚缺少共识；(2)水源涵养涉及多个维度，目前尚缺少多维度的综合考虑，如植树造林可在水土流失防治和洪水调节方面发挥重要作用，但同时带来垂向水循环过程强化、耗水量增加与产水量减少的效应，多个维度如何取舍、如何平衡?针对上述问题，本文从流域水循环角度探讨水源涵养的内涵，以期为黄河水源涵养区水源涵养量的科学评价提供科技支撑，为其他流域相关工作提供参考和借鉴。

1.1 水源涵养量评价的目标

从全流域统筹的角度出发，统筹上下游，左右岸，利益相关方的关系，从生态安全、防洪安全、供水安全、河湖复苏、航运安全、能源安全等多个维度科学评估，促进山、水、林、田、湖、草以及与人类经济社会的和谐。水源涵养量评价与调控落脚点在水源涵养区，但研究范围应覆盖全流域。

图1 流域水源涵养量评价的目标

1.2 水源涵养与流域水循环

从流域水循环角度，针对性地分析了植被、土壤、含水层和资源开发利用等关键因素参与的水循环环节，发挥的调节功能以及产生的水资源效应，进而辨识各要素对水源涵养量的影响机制。

1.2.1 植被与水源涵养

植被参与了截留、蒸散发、入渗、产流、汇流的所有环节。截留伴生降水事件的全过程。一场降水发生后，降水首先为植物枝叶所截留，当截留量超过截留容量(截留能力)后，水滴降落地面，而截留的水分最终以蒸发形式耗散。截留能力既受植物特性影响，如植被类型、植被覆盖度、林冠厚度等，同时受气象事件特性影响，如降水强度、降水量、风速和前期叶片湿度等。一般而言，植被覆盖度大、林冠厚、降水量大而均匀、前期叶片湿度较小时，植被的截留能力和截留量较大。

在半湿润、半干旱流域的水量平衡方程中，蒸散发量是仅次于降水量的第二大平衡项。除枝叶截留蒸发外，植被同样以散发形式参与水循环过程。植物根系从土壤中汲取水分并输送到叶面，只有极少部分通过光合作用合成干物质，绝大部分通过气孔逸散到大气中。植物散发量与植被类型、根系深度、植被盖度、叶面积指数等紧密相关，且受水分(降水、土壤水)与能量供给(日照长度、辐射量、气溶胶含量等)影响。植被生长茂盛、水分供给充分、温度较高、日照充足时，植被散发率最大。

植被对下渗、产流和汇流过程有着重要影响。首先，植被可调节地表覆盖、土壤孔隙结构与土层厚度。林地大多存在枯枝落叶层，加大了地表储留深和持水能力，导致下垫面饱和垂向入渗速率远高于非林地。其次，受枯落物影响，林地土壤易形成团粒结构，土壤孔隙尤其是大孔隙数量增加，沿着这些大孔隙发育成的优先流是河川径流的重要组成部分。第三，植被使下垫面糙率变大，导致坡面汇流时间变长、汇流损失增加，植被对土壤孔隙的改善又可加大壤中流的汇流速度。总地来说，植被的水源涵养能力体现在：汛期调蓄洪水、坦化洪水过程，在枯水期起到增加基流的效果，提升水资源供给能力。

1.2.2 土壤与水源涵养

土壤是三相共存的综合体,包括固相的土壤固态颗粒，液相的水以及气相的空气，参与了入渗、蒸发、产流和调蓄的过程。不同土壤质地的水分传导速率差异很大，从砂质土到粉质土、黏质土，土壤颗粒的粒径逐渐变小，对土壤水分运动过程有着不同的影响。砂质土粒径大，土体大孔隙较多，较粗的孔隙是土壤水分良好的渗流通道，孔隙越粗则透水性能强；但由于毛管较粗，砂质土的毛管上升高度较小，土体容易丧失水分，持水能力差。粘质土刚好相反，由于粒径较小，单位体积内土粒数量更多、比表面积大，能够吸附更多的水分；同时其大孔隙少、细孔隙多，毛管较细，毛管上升高度较大。从土壤结构看，砂质土的固相骨架常常较松散，黏质土的固相骨架较为紧实，粉质土介于二者之间。与粉质和粘质土壤相比，砂质土壤团粒结构稳定，大孔隙通道不容易被阻塞，导致水分传导速度更快。因此，地表界面的垂向下渗速率、表面蒸发速率、分层土壤的侧向产流(壤中流)速率，土壤底层对地下水含水层的垂向补给速率随着土壤质地的变化而变化，同时受地形坡度影响，进而控制地表水—土壤水—地下水的转化过程。

其次，由于气相孔隙的存在，土壤具备水量调蓄功能，但并非所有土壤孔隙都是有效的。土壤孔隙按照孔径大小可分为毛管孔隙与非毛管孔隙，在孔径较小的毛管孔隙中，土壤水分受毛管力控制而无法自由运动，可为植物根系吸收后散发；在较大的非毛管孔隙中，水分可在重力影响下自由排出，亦可在降水和径流补充下蓄满直至饱和状态。通常来说，饱和含水率与田间持水率的差值可近似作为土壤的有效蓄水量，亦即“土壤水库”的调节库容。土壤的蓄水能力与气候条件密切相关。在比较湿润的区域，土壤含水率通常较高，其难以降低到凋萎含水率，可沿用上述定义。反之，在干旱区域，由于蒸发比降水强烈，土壤水分难以长期保持在田间持水率水平，故土壤调蓄能力比湿润地区更大，可将饱和含水率与凋萎含水率之间的差值近似作为土壤有效蓄水量。土壤的蓄水能力/调节库容即其水源涵养能力，与土壤层厚度、有效蓄水量成正比。需要指出的是，土壤水循环具有“通量大、储量小”的特点，一定时期内可重复多个“蓄满—释放—再蓄满”过程。

1.2.3 地下含水层与水源涵养

由于承压含水层与水循环关系较弱，本文重点讨论非承压含水层对水源涵养能力的影响。非承压含水层中的土壤水分处于饱和状态，在重力作用下形成潜水自由水面，自由水面承受大气压力，水面线的形状与地形、含水层的透水性、厚度、隔水层起伏等有关。含水层地下水通常与地表水联系非常密切，越靠近河流、湖泊、水库这种效应越强。如汛期河道水位高于潜水位时,地表水在重力作用下向含水层补给，转化为地下水后存蓄在其中；枯水期的潜水位往往高于河道水位，储存在含水层中的地下水将以基流的形式返回河道中，地下水转化为地表水，补充/释放的水量不超过给水度。此外，地下水也可通过包气带与地表水(如田间灌溉、渠系渗漏)和降水(入渗补给量)发生水分交换。含水层的调蓄能力即其水源涵养能力，与含水层厚度、储水/释水能力成正比。

1.2.4 资源开发利用与水源涵养

随着经济社会快速发展，人类对各类资源的需求不断增长。水、土、矿产等资源开发利用改变了流域下垫面条件，涵盖了土地利用、植被覆盖、土壤与含水层等各方面。如城镇化进程导致居民建筑、工矿用地增加，水域岸线侵占造成湿地面积萎缩；退耕还林、还草等生态保护措施对植被的改善与修复；水库、堤防、引水、提水等水利工程修建增强了对流域水循环的调节能力；畜牧业规模扩大带来的天然草场退化和原生生态系破坏；作物耕作、灌溉方式改变了土壤理化性质；梯田、塘坝、窖池、淤地坝、截流沟等水土保持措施发挥了减水减沙作用；矿产资源过度开采对地下水含水层的破坏等。上述各因素变化必然对流域水循环的各环节产生相应影响，进而对水源涵养(地表、土壤和地下)起到或正或负的效应。

黄河水源涵养区包括黄河兰州站以上、渭河华县站以上(不含泾河)和伊洛河流域，地处东经95.5°—119.5°与北纬31.5°—41.3°之间，面积约28.7万km2,分布有黄河、湟水河、渭河、伊洛河等河流，其位置如图2所示。以水安全综合保障和经济社会可持续发展为目标，在辨识各水循环要素对水源涵养功能影响机制的基础上，提出黄河水源涵养区水源涵养量的评价原则与方法。

图2 黄河水源涵养区位置

2.1 水源涵养量的评价原则

2.1.1 充分考虑流域生态安全

水资源是黄河流域生态环境保护的核心要素。自上游到下游，黄河流域面临不同的生态形势：河源区高山草甸生态系统比较脆弱，依赖高山冰川融雪径流的补给。上游宁蒙灌区属典型的灌溉绿洲，因引黄水的灌溉、地表—地下水循环与转换，才支撑起区域天然生态和人工生态系统。上中游降水少、蒸发强烈，集中分布有腾格里、毛乌素、乌兰布和、库布齐等沙漠,土地荒漠化压力始终存在。中游黄土高原地形破碎、降水少，土壤易侵蚀；汾渭平原坐落有西安、咸阳、渭南、太原、晋中、运城等城市，是陕、晋两省的经济核心，水土资源开发利用强度最高，也是经济社会与生态环境用水竞争最强的区域。由于上、中游高强度的水资源开发利用，黄河下游存在生态流量难以有效保障，且利津断面实测径流量下降趋势更甚于天然径流量，干流入海流量呈下降趋势，黄河三角洲河流生态系统面临严峻形势。科学评价与调控与水源涵养区的水源涵养量，对保障流域生态安全具有重要作用。

2.1.2 充分考虑流域防洪安全

黄河洪水按其成因可分为暴雨洪水和冰凌洪水2种类型。暴雨洪水多来自上游兰州以上和中游地区，兰州以上地区雨区广，是黄河上游宁蒙河段的主要成灾洪水；黄河中游地区暴雨频繁、强度大、历时短，形成的洪水具有洪峰高、历时短、含沙量大、陡涨陡落的特点，是黄河下游的主要成灾洪水。冰凌洪水具有峰低量小、历时短、来势猛、水位高，防守难度大等特点，主要发生在上游宁蒙河段及黄河下游。

黄河兰州以上流域面积约占全流域的28%,产流量约占60 %;渭河南山支流、伊洛河流域分别是禹门口至潼关河段(禹潼河段)、三门峡至花园口河段(三花区间)洪水的重要来源。因此，对水源涵养区水源涵养量的科学评价与调控，应统筹考虑这些区域对防洪安全的影响，包括对流域洪水总量和洪水过程调蓄。黄河干流部分关键断面径流年内过程如图3所示。

图3 黄河干流4个关键断面月平均径流量

2.1.3 充分考虑流域供水与能源安全

全国水资源调查评价成果显示，黄河流域1956—2000年水资源总量为719.0亿m3,其中地表水资源量607.0亿m3,地下水资源量376.0亿m3,重复计算量263亿m3。黄河流域水资源总量仅占全国的2.5%,承担了向全国15%的耕地面积和12%人口供水的任务，同时还有向流域外部分地区远距离调水的任务。据《2020年度中国水资源公报》,黄河流域年度用水总量392.7亿m3,其中生活用水53.5亿m3,工业用水46.3亿m3,农业用水262.6亿m3,生态环境补水30.4亿m3;按水源划分，地表水供水量263.7亿m3,地下水110.5亿m3,其他水源供水18.5亿m3;折算流域水资源开发利用程度高达54.6%。

黄河流域煤炭等矿产资源丰富，是我国重要的能源、重化工基地，包括宁夏的宁东能源基地，内蒙古的呼、包、鄂“金三角”经济圈、乌海市及乌斯太工业能源基地，陕西的陕北榆林能源工业基地，山西的离柳孝汾煤电能源基地以及甘肃陇东能源基地等。全国已探明储量超过100亿t的26个煤田中，黄河流域就分布有11个，在我国的能源安全格局中举足轻重。能源相关的工业用水主要包括冷却用水、热力和工艺用水、洗涤用水等类型，其中冷却用水用量占有相当比例。黄河兰州以上产水量约占全流域的一半，而能源基地集中在中游和内流区，能源资源与水资源的空间分布不匹配。因此，对水源涵养区水源涵养量的科学评价与调控，应充分考虑流域能源安全保障的需求。

变化环境下黄河流域水资源情势发生了一系列改变。以黄河下游利津断面为例，1956—2000年多年平均河川径流量534.8亿m3,而2001—2016年的平均值仅为459.2亿m3,相对偏少了14.1%。黄河流域水资源禀赋条件较差，加之水资源衰减现象明显，供水安全既是流域高质量发展的题中之义，也应是流域水源涵养评价与调控中需加以重点考虑的内容。

2.2 水源涵养量评价方法

本文从生态、防汛、供水和能源安全等维度，在现有评价方法的基础上增加对流域水文节律相关考虑，据水源涵养区发挥的功能将全年划分为汛期、枯水、平水3个时段，组成结构示意如图3所示，进而提出黄河水源涵养区水源涵养量的评价方法，即水源涵养量应为蓄滞量、调洪量与产水量三个部分之和，计算方法为

式中，Wj涵涵j为第j年的流域水源涵养量(m3);Wj汛汛j为第j年汛期时段的水源涵养量(m3);Wj平平j为第j年平水时段的水源涵养量(m3);Wj枯枯j为第j年枯水时段的水源涵养量(m3);N汛、N平和N枯分别表示汛期时段、平水时段和枯水时段的月数。

图4 不同时段水源涵养量组成

2.2.1 汛期时段的水源涵养量

汛期时段关注“调峰”,主要考虑水源涵养区植被冠层截留、地表截留、土壤层和地下含水层拦蓄以及汇流等过程对洪水过程的调节作用。为定量评估下垫面对汛期时段水源涵养量的影响，本文将参考下垫面定义为覆盖率为100%的裸地，其为真实下垫面(裸地、林地、草地、居工地、水域及其他土地利用类型的组合)的一种特殊情况。现状下垫面条件下的流域水平衡方程为

式中，P汛为汛期时段降水量(m3);ET现汛汛现为现状下垫面条件对应的汛期时段蒸散发量(m3);R现汛汛现为现状下垫面条件对应的汛期时段径流量(m3);ΔV现汛汛现为现状下垫面条件对应的汛期时段蓄变量(m3)。

参照下垫面条件下的流域水平衡方程为

式中，ET参汛汛参为参照下垫面条件对应的汛期时段蒸散发量(m3);R参汛汛参为参照下垫面条件对应的汛期时段径流量(m3);ΔV参汛汛参为参照下垫面条件对应的汛期时段蓄变量(m3);其他符号意义同前。

汛期时段水源涵养量的评价方法为

式中，W汛为汛期时段水源涵养量(m3);其他符号意义同前。

2.2.2 平水时段的水源涵养量

平水时段重点关注“滞留”。植被、土壤、地下含水层参与并在流域产、汇流过程发挥了重要作用，如加大降水初损、延长汇流时间、增大表面储留等，这部分滞留量在滋养生态系统方面发挥了重要作用。借鉴InVEST模型相关方法，在产水量基础上考虑土壤厚度、渗透性、地形等因素影响，合理核定涵养系数，以产流量与涵养系数的乘积作为该时段的水源涵养量。平水时段的水量平衡关系和涵养量评价方法为

式中，W平为平水时段水源涵养量(m3);P平为平水时段降水量(m3);ET平为平水时段蒸散发量(m3);R平为平水时段径流量(m3);ΔV平为平水时段蓄变量(m3);λ为平水时段涵养系数，无量纲；V为流速系数，无量纲；K为涵养层饱和水力传导系数(mm/d);TI为地形指数，无量纲。

2.2.3 枯水时段的水源涵养量

枯水时段关注“产水”。在水资源紧缺的黄河流域，应将涵养区全部产流量均纳入水源涵养量，包括地表径流量、壤中流量和地下径流量等组成部分。枯水时段的水量平衡关系和涵养量评价方法为

式中，W枯为枯水时段水源涵养量(m3);P枯为枯水时段降水量(m3);ET枯为枯水时段蒸散发量(m3);R枯为枯水时段径流量(m3);ΔV枯为枯水时段蓄变量(m3)。

需要指出的是，水源涵养各分项功能之间并不同步，存在一种相互制约、博弈均衡的机制：裸地和居工地产流能力强，其调蓄洪水能力有限；林地面积增加可提升对洪水调节能力，但森林耗水量远大于草地。大面积植树造林可导致流域垂向水循环过程强化，流域总产水量反而降低，这一现象在相关成果中已得到验证。

2.3 实例应用

根据前文提出的评价方法，建立了黄河水源涵养区的分布式水文模型WEP-L(Water and Energy Transfer Process in Large Basins),将研究区划分为3 322个子流域(空间分布如图5所示),模拟了1960—2018年长系列水循环过程。以1960—1980年为率定期，1981—2010年为验证期，兰州站(位于黄河干流)、黑石关站(位于伊洛河干流)的模拟月径流量与还原月径流量系列的对比如图6所示。模拟结果表明：(1)在率定期，兰州站的模拟径流系列与还原系列的决定系数R2为0.87,纳什效率系数NSE为0.78,平均误差RE为-1.9%;黑石关站模拟径流系列与还原系列的R2为0.86、NSE为0.84、RE为-4.3%。(2)在验证期，兰州站逐月模拟与还原径流系列R2为0.81、NSE为0.67、RE为-2.2%;黑石关站模拟径流系列与还原系列的R2为0.82、NSE为0.63、RE为9.6%;(3)总体而言，构建的模型精度较高，可用于流域水循环模拟与水源涵养量评价。

图5 研究区子流域划分

图6 水文站模拟月径流与还原径流过程对比

基于构建的WEP-L模型和2.2节提出方法，研究区1960—2018年多年平均年度水源涵养评价结果如表1所列。研究区多年平均年度水源涵养量为205.04亿m3,从时程变化看，汛期时段涵养量153.27亿m3、平水时段涵养量38.64亿m3、枯水时段涵养量13.13亿m3。从空间分布看，兰州以上片区多年平均年度水源涵养量为114.23亿m3,占全区总量的55.7%;渭河南山支流片区为69.94亿m3,占全区的34.1%;伊洛河片区为20.87亿m3,占全区的10.2%。三大片区和全区1960—2018年逐年汛期时段、平水时段和水源涵养量的评价结果如图7所示。

图7 研究区和三大分区1960—2018年逐年水源涵养量变化

如前所述，近年来水源涵养相关内涵不断拓展，除水资源量外，越来越多的功能被纳入到涵养评价体系中，如对局地气候调节，水质净化、水土保持、物种保育以及生态产品供给等。这些不同维度上的功能如何统一度量，也是研究热点之一，相应有市场价值法、替代成本法和影子工程法等的价值评价方法，可将多种功能统一转换成经济价值。黄河流域总体属资源型缺水，水资源是流域高质量发展和生态安全的最大刚性约束,因此本文仍将水源涵养限定在水量范畴。

(1)本文评价方法与已有评价方法的异同。在水源涵养量评价内容上，诸多研究的侧重点不同：如邓坤枚等关注土壤层的水源涵养功能，将森林土壤年度拦截、渗透与储藏雨水的数量定义为长江上游森林生态系统的水源涵养量；张文广等将森林冠层对雨水的截留量与年径流量之和作为岷江上游地区的水源涵养量。陈书林基于TVDI模型反演土壤含水量，将土壤蓄水量作为森林年度水源涵养量；秦嘉励等认为岷江上游生态系统年度水源涵养量应包括冠层截留量、枯落物持水量和土壤层蓄水量等3个部分。傅斌等等基于InVEST模型和土地利用信息，将年度产水量与涵养系数之积作为都江堰市的水源涵养量；赵文廷等将地表水的蓄存量(水库、河道、蓄滞洪区等)与含水层的地下水蓄存量之和作为大清河流域水源涵养量；潘韬等认为三江源区生态系统的水源涵养量系降水量与蒸发量之差；谢亚军等认为湿地水源涵养量有广义和狭义之分，广义的水源涵养量为土壤层多水文过程与水文效应的综合值，狭义的涵养量即为土壤蓄水量。与已有成果相比，本文评价方法一方面继承了已有评价方法优点，兼顾了多项评价内容，如汛期时段的水源涵养量评价中不但包括了森林冠层截留、土壤层蓄水，同时考虑了其他下垫面(草地、裸地、耕地等)和含水层的综合蓄水/调节功能。另一方面，本文以全流域水安全综合保障为目标，基于流域水循环过程对现有方法进行针对性地改造与拓展：如根据流域水文节律和水源涵养功能，将年尺度评价细化到月，平水时段的评价方法借鉴了InVEST模型相关算法，将时段水源涵养量定义为产水量与涵养系数之积，关注了水分的“滞留”过程；枯水时段的评价中充分考虑了流域水资源禀赋条件，以及经济社会发展对水资源刚性需求，将全部产水量纳入水源涵养量评价中。

(2)水源涵养量评价的尺度效应。由于水循环存在高维非线性特征，不同时空尺度的评价成果存在差异：如分别针对场次、日、旬、月降水计算产水量并汇总到年尺度，计算时段越短产水量越大；这与表面截留、蒸散发、地表与地下调蓄、汇流损失等过程的复杂耦合影响有关。类似地，自坡顶到坡脚，地形坡度(产水能力)普遍递减、土壤厚度(蓄水能力)递增，单位面积上产水、蓄水能力空间异质性很强。选定适宜的评价工具和时空尺度是科学评价水源涵养量的前提。已有研究指出，气候变化和土地利用变化是影响流域水源涵养功能的重要因素。分布式水文模型具有可定量化评价、鲁棒性好、可变时空尺度分析与动态模拟以及可移植性强等优势，且便于同气候模式与土地利用预测模型集成，进而实现未来多情景下的分析评价，是流域/区域水源涵养量评价的高效工具。分布式水文模型通常基于DEM进行建模，对研究区的空间离散方式大体可分为网格和子流域2种类型。分布式水文模型模拟的时空步长可变，在空间尺度上取决于DEM原始分辨率和设定的汇流面积阈值，时间尺度上取决于输入资料(如气象、水文等信息)的更新频次。黄河水源涵养区在东西方向上跨17个经度、南北方向跨6个纬度(如图2所示),流域面积超过28万km2。尽管分布式水文模型具备“逐栅格—逐日”尺度的模拟能力，综合考虑评价精度、计算负荷以及同现有成果的综合对比分析等因素，建议水源涵养量评价参考水资源综合评价的时空尺度，即空间上以“水资源三级分区嵌套地市行政区”为单元，时间尺度为月。

需要指出的是，当研究区面积较大时，不同分区的气候与水文情势往往具有较强的空间异质性，如上、中、下游存在丰、枯水时段不一致的现象。针对这一问题，应从三个方面进行优化：一是分布式水文模拟应加以充分考虑，包括建模过程中的气象信息展布、参数分区等关键环节；二是对模型进行充分的率定和验证，包括多水文断面(干、支流)径流过程，以及多要素(径流量、地下水位、土壤水分等)变化过程的验证，提升对流域水循环过程的模拟精度；三是根据流域上、中、下游实际情况，设置差异化的时段划分方案，最大程度提升水源涵养量评价成果的科学性与合理性。

(3)多径流组分发挥的水资源效用不同，水源涵养效率存在差异，且受时段变化和下垫面变化的影响。地表径流、地下径流和壤中流是河川径流的三大组成部分，通常可将快速壤中流归入地表径流，将慢速壤中流归入地下径流。一般而言，地表径流量大、时空变化剧烈；壤中流时空变化强度次之，但其水量占总径流量比重较小；地下径流变化过程平稳，是枯水期绝大部分水量的来源。从水源涵养效率分析，地下径流>壤中流>地表径流，本文评价方法中以全径流组分作为评价对象，未区分各分项组分涵养功能的差异。

事实上，流域水循环过程相当复杂，水源涵养不但受时段变化和下垫面变化影响，且存在自平衡机制。在汛期，当同一场暴雨发生在居工地或其他下垫面(林地、草地、农田)上，从不透水建筑物、硬化路面—草地—农田—林地，下垫面的截留、蓄水、滞水能力不断加强，在洪水调节维度上水源涵养量随之增加。此时在城市区域产生的暴雨径流非但不能利用，反而增加了内涝风险。反之，平水期和枯水期的降水少、难以形成洪水，尽管城市区域能够直接利用的降水较少，但其转化的径流可为下游经济社会和生态系统供给更丰富的水资源量，这也是水源涵养功能的一种体现。分布式水文模型可模拟不同下垫面条件下的水循环过程，结合本文提出的分段(汛期时段、平水时段和枯水时段)水源涵养量评价法，在处理上述复杂问题上具有一定优势。

(4)变化环境下水循环的一致性假设受到挑战，增加了水源涵养评价难度。随着全球气温升高，黄河源区存在冰川退缩和冻土消融(深度减小、永久性冻土转为季节性，分布破碎化)的现象。永久性冰川融化短时间内可增加水源区产水量，但长期来看，河源区地表水调节能力将被不断削弱。冻土消融可导致冻土深度减小、包气带增厚、冻融区贯通等一系列问题；过度放牧导致源区存在高覆盖、中覆盖高寒草地向低覆盖草地转变，部分天然草地向人工草地转变的现象。这些因素的变化对河源区下垫面条件已经/正在产生较大影响，导致不同时期流域产、汇流本底条件并不一致。在进行长时间序列的水循环模拟与水源涵养量评价时，尤其需要关注上述问题。

从流域水循环的角度，本文分析了植被、土壤、含水层和资源开发利用等关键因素参与的水循环环节、发挥的调节功能以及产生的水资源效应，辨识了各要素对水源涵养能力的影响机制。进一步地，本文结合黄河流域特点，探讨了水源涵养量的评价原则、方法并进行了实例应用，主要结论如下：

(1)植被的水源涵养功能体现在汛期调蓄洪水、坦化洪水过程，在枯水期起到增加基流效果，增加水资源供给；土壤的蓄水能力/调节库容即其水源涵养能力，与土壤层厚度、有效蓄水量成正比，一定时期内存在多个“蓄满—释放—再蓄满”过程；含水层的调蓄能力即其水源涵养能力，与含水层厚度、储水/释水能力成正比；不同资源开发利用方式对水循环过程施加影响，进而将影响传递到水源涵养上。

(2)黄河水源涵养区水源涵养量评价与调控，应以提升全流域水安全综合保障能力为目标，统筹全流域生态安全、防洪安全以及供水与能源安全需求；水源涵养量的评价应同时考虑平水时段的“滞留”、汛期时段的“调峰”以及枯水时段的“产水”等三项功能。

(3)黄河水源涵养区1960—2018年多年平均年度水源涵养量为205.04亿m3,其中汛期时段涵养量153.27亿m3、平水时段涵养量38.64亿m3、枯水时段涵养量13.13亿m3;从空间分布看，兰州以上片区、渭河南山支流片区和伊洛河片区水源涵养量分别占全区的55.7%、34.1%和10.2%。

由于分布式水文模型在变化环境下的水循环模拟方面具有优势，下一步将重点改造模型工具，选定适宜尺度问题、细化评价方法，在此基础上实现流域水源涵养量的时空连续评价。

水利水电技术（中英文）

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