利用综合的地表-地下建模方法量化草原带减少峰值流量的潜力

《Journal of Sustainable Agriculture and Environment》：Quantifying the Peak Flow Reduction Potential of Prairie Strips Using Integrated Surface-Subsurface Modelling

　　**摘要**

草原带是嵌入在行作物田地中的狭窄带状原生植被区域。它们是一种基于自然的措施，有望减少田地规模的洪水峰值。我们使用一个集成的地表-地下模型，评估了美国中西部两个可比子流域内草原带的水文性能和布置敏感性：一个处理流域（TRT，48,900平方米）和一个仅种植玉米的对照流域（CTRL，42,800平方米）。使用观测到的径流数据进行校准/验证，得到的NSE值为0.87，KGE值为0.65。与仅种植玉米的基线模拟相比，在中等降雨条件下引入草原带后，10%面积内的总径流量减少了84%，峰值流量减少了64%，并且峰值出现的时间也一致推迟了。草原带的布置位置很重要：单坡度的草原带减少了约41.4%的峰值流量，上坡和中坡位置的草原带减少了约32%-33%，中坡和坡底位置组合的草原带减少了约54.3%，而均匀分布的10%面积布局实现了最大的减缓效果（约63.8%）。我们测试了这些草原带在10年、25年、50年和100年回归期的设计风暴中的峰值流量减缓潜力。在整个设计风暴中，10年回归期的总径流量减少幅度最大（36.3%），随着回归期的增加，由于渗透和储存能力的限制，减缓效果逐渐减小。总体而言，草原带提供了一种实用、适合农场操作且成本效益高的方法来管理频繁发生的风暴，即使只分配了田地面积的10%以下，也能带来显著的好处，特别是当草原带被设置在坡底区域或堆叠在多个坡度位置时。

**1 引言**

近年来，科学界越来越关注基于自然的解决方案（NbS）作为减少洪水风险的可持续替代方案。这些解决方案采用可持续的方法来管理洪水风险，同时丰富生物多样性，提高水质，并带来许多其他生态优势。NbS的一些例子包括湿地恢复、城市绿色基础设施（如绿色屋顶和透水铺装）、河流洪泛区恢复以及草原带（Reeves等人，2016年；Cheshmehzangi等人，2021年；Kousky和Walls，2014年）。安装这些NbS的主要目的是吸收和减缓水流速度，同时减少营养物质和沉积物的输送（Schulte等人，2017年）。草原带的使用与传统的以工程为主的防洪措施（如水坝和堤坝）形成鲜明对比，后者通常会造成显著的生态干扰并产生高昂的持续成本（欧洲环境署EEA，2020年；Hirsh等人，2013年）。更重要的是，现在美国农业部保护储备计划（CP-43）认可将草原带纳入农业实践的做法，因为它与农业作业兼容，农民可以在草原带周围操作机械并保持田地的生产状态，同时还能获得对草原带区域的成本分摊支持（美国农业部FSA，无日期；爱荷华州立大学STRIPS团队，2020年；高草草原中心，2019年）。在主要种植行作物的农田中，草原带由本地草原草、杂草和豆科植物组成，旨在提高土壤质量、保持水分和增加生物多样性（Schulte等人，2017年）。通常，草原带宽度为10-40米，设计上它们通常只占农田面积的一小部分，大约10%（Dutter等人，2024年）。草原带以等高线形式种植，垂直于水流方向或位于集水区的坡底，它们在农田中起到过滤或缓冲的作用（Helmers等人，2012年；Zhou等人，2014年）。这种战略性布置确保了水流下坡时遇到草原植被，从而可以减缓和过滤径流。在实际应用中，常见的布局包括在田地底部设置宽度可变的草原带以捕获径流，并在易侵蚀区域或靠近水道的地方沿坡度线增设额外的草原带。尽管有这些设计原则，Kemmerling等人（2022年）强调需要进一步研究，以确定如何通过战略性布置草原带来最大的效益。他们指出了针对效益较低的农田、易侵蚀的坡度以及可以增强生物多样性的草原生境区域的潜在优势。为了填补这一知识空白，我们的研究将采用建模方法来评估不同草原带布置在农田内的水文影响。通过量化单个布置对峰值流量减少的贡献，这项研究将提供见解，以确定即使转换少量农田或在特定高影响区域进行布置是否也能带来显著效益。自2007年以来，一项名为“基于科学的行作物与草原带整合试验（STRIPS）”的合作项目一直在爱荷华州进行，旨在重新引入这种本地植被。STRIPS项目分为两个阶段。第一阶段（STRIP1）于2007-2014年在尼尔·史密斯国家野生动物保护区进行，科学家们研究了草原带如何影响几个小流域内的土壤运动、养分保持和生物多样性。该项目揭示，在使用大豆-玉米轮作和免耕土壤管理措施的情况下，引入草原带显著增加了径流中的沉积物保持量。第二阶段（STRIPS2）项目正在整个爱荷华州范围内进行，帮助土地所有者将草原带整合到商业农田中（Schulte等人，2017年；Youngquist，2017年）。STRIPS研究证明了草原带是一种成本效益高且非常实用的农业保护措施（Hernández-Santana等人，2013年；Schulte等人，2017年）。尽管已经进行了大量关于草原带在改善水质和生物多样性方面的益处的研究，但关于其控制峰值流量和作为洪水缓解措施的能力的研究仍然不足。Henning（2022年）报告称，在生长季节早期，草原带的渗透率比传统农田高出26%-38%。这些差异与特定地点的因素密切相关，如土壤质地、耕作方式和土壤有机质，特别是在草原带建立初期。此外，Henning（2022年）还指出，根据降雨事件的程度，在生长季节开始和结束时，包含草原带的田地产生的地表径流将少于完全种植行作物的田地。基于这一见解，本研究旨在通过基于情景的水文建模来评估草原带的洪水缓解潜力，使用历史和合成降水数据来量化其在管理雨水径流方面的有效性。

**2 目标**

本研究采用集成的地表-地下建模来评估草原带在减少田地规模峰值流量方面的有效性。具体目标包括：

1. 利用集成地表-地下建模来模拟农田的观测径流以及基于卫星的蒸散量估算。
2. 通过比较有和没有草原带的情景在历史和合成风暴事件中的模拟结果，量化10%草原带覆盖面积对减少峰值流量的有效性，这些风暴事件的回归期为10年、25年、50年和100年。
3. 评估草原带在田地内的布置位置对减少峰值流量的影响。

**3 方法论**

3.1 研究区域

研究区域包括两个位于同一农场的可比农田，相距4公里，并配备了相似的监测设备。这些农田装有传感器，可以每5分钟记录一次降水、养分和地表径流数据（English等人，2022年）。处理流域（TRT；48,900平方米）包含草原带，而对照流域（CTRL；42,800平方米）仅种植玉米，没有草原带。其他方面，如土壤、坡度和管理措施相似，支持对比两个流域。研究地块位于爱荷华州西南部（见图1）。在TRT地点，草原带以等高线形式垂直于水流方向种植。作物覆盖的区域约占90%，而草原覆盖了剩余的10%。研究区域的地面海拔高度在355至403米之间（Tomer等人，2015年）。这些农田由排水良好的马歇尔土壤构成，坡度范围在2%到14%之间（土壤调查人员，无日期）。该地区的年降水量在30到36英寸之间（PRISM气候集团，无日期）。模型首先使用TRT地点的数据进行校准。为了验证其基线性能，对TRT田地进行了单独的“无草原带”模拟。然后将这些预测结果与CTRL地点的观测数据进行了比较。这一步确认了模型的准确性，之后将其用于评估草原带的效果。

3.2 草原建立

研究区域的草原带是在2014年11月建立的，使用了包含40种本地植物的种子混合物，这种混合物反映了中西部常见的STRIPS组合，以暖季草和关键杂草为主。初步实验比较了100%行作物对照区和在坡底有10%草原带、在等高线带中有10%草原带以及在整个等高线带中有20%草原带的处理方式，以测试草原带的密度和布置如何影响田地的水文状况和水质（Schulte等人，2017年；Youngquist，2017年）。总体而言，添加10%的草原带使总氮含量减少了约84%，沉积物损失减少了超过90%，磷损失减少了约89%到地表水中（Schulte等人，2017年）。通常建议草原带占田地面积的较小比例（一般不超过25%），最小宽度约为30英尺，除非条件允许更宽的草原带（美国农业部自然资源保护局USDA NRCS，2021年）。对于坡度更陡、黏土含量高或径流较大的情况，或者需要额外缓冲的区域（例如农药漂移或附近有水体），建议使用更宽的草原带。长期效果取决于管理措施，通常会通过规定的燃烧来控制木质植被的侵入并维持草原结构（爱荷华州交通部，2004年）。

3.3 土壤类型

根据SSURGO的数据，研究区域包含两种主要土壤类型：马歇尔土壤和Ackmore Colo Judson土壤。马歇尔土壤由粉粘土和壤土混合而成。根据坡度范围，这些土壤进一步细分为五个土壤类别：马歇尔粉粘土壤土（0%–2%坡度）、2%–5%坡度、5%–9%坡度，以及Ackmore Colo Judson土壤（0%–5%坡度）。这些土壤类型的划分来自SSURGO数据库。对于每个土壤类型，关键属性（如水力传导性、Van Genuchten持水曲线参数和饱和含水量）是通过Google Earth Engine从Polaris数据库获取的（Chaney等人，2019年；Downer，2007年）。由于研究区域内的异质性有限，我们采用了Polaris数据库提供的参数平均值用于建模。

3.4 建模平台

对于建模过程，我们使用了HydroGeoSphere（HGS）建模平台来定量理解草原带的洪水减少效益。HGS是一种全面的水文建模软件，可以模拟各种水文循环组成部分，并提供对集水区内水分运动、储存和分布的详细理解（Brunner & Simmons，2012年）。HGS能够以集成方式模拟地表和地下过程，允许降水分配到所有陆地水文循环组成部分。HGS能够模拟模型域内的各种土地覆盖类型和土地利用方式，使我们能够定义种植作物的区域和种植草原带的区域及其相应的土壤属性。

3.5 三角网格

为了在模型中表示研究区域，我们开发了一个包含约4300个三角形元素和2200个节点的计算网格。网格的分辨率和密度是通过网格敏感性分析确定的，在此分析中测试了多种网格配置对渗透率的影响。分析表明，超过某个阈值的三角形元素数量增加时，模拟的年渗透量变化相对较小，表明选定的网格大小在计算效率和模型结果之间达到了平衡。网格的构建与关键景观特征相匹配，包括土壤类型边界、草原带位置、梯田和草地水道。在以作物为主的区域，使用了6米的水平分辨率，而在草原带区域，分辨率细化到3米，以捕捉草原带的局部水文影响。在垂直方向上，模型域延伸到30米的深度，分为三层和21个计算节点，分别代表上层土壤、中间土壤和更深的地质层。这一深度的选择是基于观测到的地下水位数据，以确保模型能够反映整个研究区域的地下水流动和储存状况。

3.6 强迫数据和模型设置

该模型包含了在生长季节期间使用安装在该研究区域的传感器记录的5分钟降水数据，以及涵盖了剩余时间的爱荷华州Mesonet（Herzmann等人2004年）提供的15分钟降水数据。每日参考蒸散量（PET）数据来源于Idaho Gridmet数据库（Abatzoglou 2013年）。通过应用来自OpenET（Melton等人2022年）的作物系数数据作为转换因子，对PET数据进行了特定作物的调整（Subedi和Chávez 2015年）。此外，模型还使用了来自MODIS的具有5天时间分辨率的叶面积指数（LAI）数据（Justice等人2002年）。

3.7 边界和初始条件

对于模型中的地表域边界，实施了无流边界条件；在下游端采用了临界深度边界条件来控制离开该区域的地表水流量。对于地下域，底部设置了简单的排水边界条件，以模拟更深的地下水补给。为了建立地下水位深度的初始条件，模型运行了5年，直到达到稳定状态。这些初始模拟结果被用作初始条件，以确保模型能够真实反映水文状况。处理区域的模型结果使用了两组数据集进行评估：观测到的地表径流和基于卫星的蒸散量估算。通过调整Manning粗糙度系数和洼地储存量参数（例如，引发地表径流所需的积水深度）进一步细化了校准过程，这些参数是专门为计算区域的作物和草原部分制定的。校准后的地表参数表明，农田的Manning粗糙度系数（n）为0.10，洼地储存量为0.005米；草原带的n为0.50，洼地储存量为0.020米。这些参数的校准范围与Arcement和Schneider 1989年以及Woolhiser等人1990年报告的作物和草原区域的数值一致。草原带上较高的数值考虑了由于植被密集导致的水流阻力增加，以及草原景观在贡献到地表径流之前暂时储存水量的能力增强。

3.8 峰值流量减少量的计算

为了量化不同草原区域在不同情景下的效果，使用了以下公式计算峰值径流减少比率（PRRR）：

较高的PRRR值对应于更大的峰值流量减少量，100的值表示径流完全消除，0的值表示与基线相比没有改善。

4 结果

4.1 模型校准

4.1.1 处理区域的径流

通过将模拟径流与在下游水槽处收集的观测数据进行比较，评估了水文模型的性能（参见引言中的图1）。图2展示了2016-2019年模拟窗口期间的水文图。模型与观测数据吻合得很好，特别是在2016年、2017年和2019年的主要径流事件期间。年度峰值略有预测过高（2017年6月）和预测过低（2019年5月）。峰值流量的时间也显示出平均±5分钟的差异。Nash-Sutcliffe效率（NSE）系数为0.87，Kling-Gupta效率（KGE）为0.65，表明模型结果是令人满意的（Moriasi等人2015年）。图2展示了2016-2019年处理流域（约90%为玉米，约10%为草原带）的观测与模拟出水口径流水文图，时间序列比较了测量值和模型模拟值，突出了事件峰值和整体时间的一致性。由于本研究旨在研究草原带在减少峰值流量方面的效果，我们通过比较模拟窗口期间的观测和模拟年度峰值来检查其性能。如图3所示，散点图显示观测值和模拟峰值之间存在密切的对齐，回归线斜率接近1。决定系数（R2）计算为0.96，根据Moriasi等人（2015年）的说法，这一结果超过了0.77的阈值，因此被认为是令人满意的。

4.1.2 处理区域的实际蒸散量（AET）

通过比较模拟和观测的月度AET（水文循环中第二重要的组成部分），进一步评估了模型的准确性。图4的面板展示了OpenET（Melton等人2022年）提供的模拟AET与观测数据之间的对比。总体而言，模型很好地捕捉了AET的季节性趋势和峰值时间，NSE为0.87，KGE为0.93，R2为0.98。然而，在生长季节的峰值期间，尤其是2016年和2017年的7月和8月，模型略微低估了AET。尽管有这种低估，时间上的对齐和总体一致性表明模型能够很好地表示整个模拟期间的平均蒸散动态。

4.1.3 对照流域和处理流域之间的基线可比性

为了评估外部一致性，我们将CTRL站点的面积标准化5分钟流量与TRT站点进行了比较。简单的线性拟合得出y = 0.95x ? 0.02，R2 = 0.80（n = 4个事件），表明TRT解释了CTRL流量方差的约80%（见图5）。接近于1的斜率表明两个站点之间的流量大小相似，而较小的负截距意味着有轻微的低流量偏移（例如，初始抽取或传感器阈值设置）。总体而言，这种关系支持使用CTRL记录作为无草原带TRT基线的独立基准，这样在草原带情景下观察到的后续减少量可以解释为处理效果，而非站点偏差。

4.1.4 实施10%草原带对峰值流量减少的影响

为了评估将草原带整合到农业景观中对峰值流量减少的好处，我们比较了两种模拟情景：一种代表仅种植作物的情况，另一种包含10%的草原带覆盖。模拟结果显示，当存在草原带时，总径流量和峰值流量都有显著减少。具体来说，2017年6月的事件中，包含10%的草原带导致总体流量减少了84%，峰值流量减少了63.8%，这突显了草原带在减少地表径流方面的有效性。

4.1.5 极端风暴情景下的径流减少

使用校准后的模型，通过合成生成的风暴事件评估了草原带在缓解峰值流量方面的有效性。模拟了四种设计风暴情景：24小时的II型风暴，重现周期分别为10年、25年、50年和100年，使用的是从NOAA Atlas 14（Perica等人2013年）获得的降水强度。结果显示，存在草原带时峰值流量明显减少。具体来说，10年、25年、50年和100年重现周期的峰值分别减少了36.3%、31.5%、25%和22%。这些发现表明，草原带在较小的风暴事件中更有效地调节峰值流量，而在更强烈的降雨条件下，其影响减弱。

4.1.6 峰值流量的时间延迟

除了减少峰值流量外，草原带还显著延迟了峰值流量的出现时间。模拟结果显示，在常规条件下，实施10%的草原覆盖使峰值流量的出现时间推迟了大约5分钟。这相当于处理场集中时间的大约6%。在模拟的风暴事件期间，这种延迟更加明显，峰值流量比无草原情景晚出现了10-12分钟。这种延迟为水渗入土壤提供了更多时间，增强了地下补给。

4.1.7 草原带布局对径流减少的影响

为了研究草原带的空间配置对峰值流量减少的影响，对草原带位于农田内的不同位置进行了模拟。情景包括位于上部条带、中部条带和坡脚条带，以及中部和坡脚条带的组合配置。使用没有草原带的基准情景进行对比评估。结果表明，草原带的布局显著影响了峰值流量的减少。在各个布局中，坡脚条带带来的峰值流量减少最多，约为41.4%，其次是中部条带，减少了33.1%，上部条带减少了32.4%。值得注意的是，结合中部和坡脚条带的效果更强，减少了54.3%，这个减少量接近10%草原带情景的效果（图7）。

5 讨论

我们的研究表明，对于中等强度的降水事件，引入10%的草原带可以使总径流量减少85%，峰值流量降低63.8%，并且与仅种植玉米的配置相比，峰值出现时间推迟了5分钟（图6）。这些数值在已发表的植被/草原过滤带范围内：美国环保署的综合报告称通过渗透作用可以减少20%-85%的雨水量（平均约51%），而实地评估的水平扩散器-植被过滤带系统记录了≥70%的峰值流量减少以及≥50%的体积减少（美国环保署2021年）。这些变化与早期渗透增加、植被带内的近地表储存量增加以及较高的地表粗糙度有关，后者减缓了地表流动，从而产生了更平缓的水文图。在土壤未饱和的情况下，这种效果对于小型到中等强度的风暴最为显著。当储存量充满且饱和度过剩占主导时，峰值减少的效果会减弱（Hernández-Santana等人2013年）。草原带在景观中的布局显然很重要。从2017年6月的事件来看（图7），所有草原带配置都产生了比无条带基线更低的水文图峰值，但减少的幅度有所不同：上部条带减少了32.4%，中部条带减少了33.1%，坡脚条带减少了41.4%，而中部和坡脚条带的组合减少了54.3%。将草原带与诸如草本水道、人工或恢复的湿地以及河岸缓冲区等互补措施相结合，可以增加多层次的蓄水和地形粗糙度，从而提高对强风暴的抵御能力（Srivastava等人，2023年；环境署，2017年）。在进行规划时，情景分析应优先考虑：（i）具有高径流连通性的源头坡地；（ii）能够控制径流峰值的交汇处；（iii）缺乏现有滞留能力的田地（Dadson等人，2017年；Lewandowski等人，2020年）。尽管进行了仔细的校准，但这项建模研究仍存在不确定性。如果未能明确模拟大孔隙和优先流动路径，可能会导致结果偏差。此外，模型的多个参数可能使得不同的参数组合产生相似的水文图（Beven和Binley，1992年；Beven和Germann，1982年；Beven，2006年；Jarvis，2007年）。地形和网格大小也很重要：网格和数字高程模型的空间分辨率会影响流动路径以及在大孔隙和微洼地中储存的水量（Kienzle，2004年；Passalacqua等人，2015年）。在观测方面，测量站的传感器误差可能导致径流估计不准确，尤其是在流量较大或超出测量范围的情况下（Di Baldassarre和Montanari，2009年；McMillan和Westerberg，2015年）。最后，关于土地覆盖和土壤水力特性的假设会随着季节变化、湿润-干燥过程以及管理措施而变化，因此参数可能不是恒定的（Blanco-Canqui和Lal，2007年；Vereecken等人，2010年）。未来的工作可以扩展这种分析，包括沉积物、营养物质以及栖息地/生物多样性的影响。这些结果可以通过多目标指标进行综合评估，例如洪水缓解和水质改善的成本效益分析，以支持空间规划并确定具有高回报价值的田地。此外，应使用更全面的极端降水事件集进行鲁棒性测试。

6 结论

本研究表明，将约10%的田地面积用于建设草原带可以显著减少径流量并减弱径流峰值，这与更深根系、增加的表面粗糙度以及近地表蓄水作用机制一致，这些因素有助于促进水分渗透、减缓地表径流并延长流动路径。即使无法实现10%的分配比例，战略性布局仍然有效：上坡面、中坡面和下坡面的布置都能降低径流峰值，其中下坡面布局的效果最为显著（在我们的事件分析中，峰值减少了约41.4%）。效果与风暴的强度有关：在10年、25年、50年和100年设计标准的风暴中，10年设计标准的风暴带来的总径流减少量最大（36.3%），并且随着回归期和事件规模的增加，效益会相应减小。这些发现主要适用于马歇尔粉粘壤土上的小型中西部谷地系统，并适用于观察或设计范围内的风暴事件。对于具有不同土壤类型、分层系统或罕见极端天气情况的推广需谨慎进行。尽管如此，径流减少的幅度和一致性表明，草原带是一种实用、灵活且成本效益高的基于自然的措施，可用于管理和应对频繁发生的风暴，同时也是大型灾害结构化防洪措施的强大补充。

作者贡献：
Betret Eustace：概念化、方法论设计、数据收集与分析、验证、初稿撰写。
Antonio Arenas：监督、概念化、方法论设计、审核与编辑。

致谢：
作者衷心感谢爱荷华STRIPS项目提供的观测数据。

资金情况：
作者未获得这项工作的专项资助。

利益冲突声明：
作者声明没有利益冲突。

数据可用性：
本研究分析的数据可根据合理请求从爱荷华STRIPS项目团队处获取。