氣候變化對(duì)開都河流域徑流的影響研究

顧海敏，史建橋，，鄒長(zhǎng)新，白淑英，，鄭雪峰

（1．南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院，南京210044；2．94783部隊(duì)61分隊(duì)，浙江 長(zhǎng)興313111；3．環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京210042）

氣候變化對(duì)水資源的影響及其適應(yīng)性是國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的全球性問題。氣候變化對(duì)我國(guó)各地區(qū)水資源時(shí)空格局變化的影響，尤其是對(duì)水資源工程和規(guī)劃的影響，將是氣候變化影響評(píng)估的重要內(nèi)容［1］。在全球氣候變暖背景下，西北干旱區(qū)以山區(qū)降水和冰雪融水補(bǔ)給為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)將更為脆弱，主要表現(xiàn)在極端水文事件增加、水資源不確定性加大、水循環(huán)過程和生態(tài)需水規(guī)律改變等方面［2］。氣候變化對(duì)水量平衡的影響顯著，氣候變化時(shí)，徑流的主要影響因素為降水，其次為氣溫；而影響陸面蒸散的主要?dú)夂蛞蜃訛闅鉁亍夂蜃兓瘜?duì)水量平衡的影響程度取決于降水和氣溫的變化幅度及其組合關(guān)系［3］。

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是在SWRRB模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個(gè)大、中尺度的長(zhǎng)時(shí)段分布式流域水文模型［4］，該模型具有很強(qiáng)的水文物理機(jī)制，可以在不同的土壤、土地利用類型、氣候狀況和人類活動(dòng)干擾條件下做出有效的徑流模擬預(yù)測(cè)［5］，在氣候變化的水文效應(yīng)方面，得到了廣泛的應(yīng)用。Cruise等［6］應(yīng)用SWAT模型研究了不同氣候變化條件下，美國(guó)東南部現(xiàn)在和未來水資源的變化情況，結(jié)果表明，在未來的30～50a，研究區(qū)的徑流將會(huì)持續(xù)減少，水質(zhì)惡化加劇；賀國(guó)平等［7］利用SWAT模型分析了北京過去10a徑流量劇烈減少的主要原因，結(jié)果表明，盡管土地利用方式的變化使北運(yùn)河年均徑流量增加了10%～20%，但是氣候變化卻使徑流減少了2／3。顧萬龍等［8］利用SWAT模型，針對(duì)河南中部農(nóng)業(yè)區(qū)的特點(diǎn)，構(gòu)建了該區(qū)域氣候變化對(duì)水資源（徑流）影響的評(píng)估模型，結(jié)果表明，地表徑流、基流年內(nèi)變化趨勢(shì)與降水量的變化趨勢(shì)一致，蒸散發(fā)是該地區(qū)水量的主要輸出項(xiàng)，地表徑流是基流的2倍左右，地表徑流相對(duì)于降水有滯后性，基流滯后于降水3個(gè)月；張利平等［9］探討研究了SWAT模型在南水北調(diào)中線工程水源區(qū)的適用性，根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)第四次評(píng)估報(bào)告中大氣環(huán)流模型多模式輸出結(jié)果，分析了特別排放情景下21世紀(jì)降水、氣溫、徑流、蒸發(fā)的響應(yīng)過程。結(jié)果表明，與基準(zhǔn)期相比，南水北調(diào)中線工程水源區(qū)21世紀(jì)氣溫將持續(xù)增高，年降水量將增加，徑流量較基準(zhǔn)期將會(huì)先減少后增大。梁小軍等［10］以SWAT模型為工具，建立了不同的土地利用和氣候變化情景，模擬岷江上游流域不同情景的徑流響應(yīng)，結(jié)果表明，模擬徑流量隨著降水量的增加而增大，且增加量主要由雨季產(chǎn)生。

近年來，氣候變暖趨勢(shì)愈加嚴(yán)重，我國(guó)多處省市發(fā)生嚴(yán)重旱情，對(duì)人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了重創(chuàng)。由于地理環(huán)境因素，西北地區(qū)歷來水量就相對(duì)偏少，是典型的干旱區(qū)域。因此，研究氣候變化對(duì)當(dāng)?shù)貜搅鞯挠绊懀瑢?duì)合理制定和調(diào)度水資源，保證當(dāng)?shù)赜盟踩哂兄匾饬x。開都河流域是塔里木河流域的一個(gè)子流域，流域面積2．2×104km2，是巴州境內(nèi)最大的一條內(nèi)陸河，是我國(guó)最大的內(nèi)陸淡水湖博斯騰湖最主要的補(bǔ)給源，是伊犁、巴州等地州經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生活的重要水源保障，對(duì)塔里木河下游生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境有著重要作用。鑒于此，本研究以大山口水文站以上區(qū)域（面積約18 311km2）為研究區(qū)，擬采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象水文資料，借助遙感和GIS技術(shù)，基于SWAT水文模型，設(shè)定氣候變化情景，模擬探討不同氣候條件下徑流的響應(yīng)特征，以為本地區(qū)水資源管理、可持續(xù)利用與發(fā)展和防旱防澇工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 SWAT模型模擬原理

SWAT的地表徑流模擬過程包括坡地匯流與河網(wǎng)匯流，前者指凈雨從坡地表面匯入河網(wǎng)的過程，后者指進(jìn)入河網(wǎng)的坡地徑流向流域出口匯集的過程［11］。根據(jù)水文循環(huán)原理，SWAT的水文模型基于以下水量平衡方程：

式中：SWt——土壤的最終含水量（mm）；SW0——第i天可被植被吸收的土壤原始含水量，定義為原始土壤含水量減去凋萎點(diǎn)含水量（mm）；t——時(shí)間（d）；Ri——第i天的降水量（mm）；Qi——第i天的地表徑流 量 （mm）；ETi——第i天 的 蒸 散 發(fā) （mm）；Pei——第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和測(cè)流量（mm）；QRi——第i天的地下水回流量（mm）。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究選擇 Albers Conical Equal Area投影，地理坐標(biāo)選擇 WGS－1984。SWAT模型運(yùn)行所需數(shù)據(jù)類型及來源詳見表1。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及來源

3 SWAT模型的建立

3．1 模型構(gòu)建

研究區(qū)域出水口以上的流域面積為18 311km2，共提取45個(gè)子流域，344個(gè)水文響應(yīng)單元（HRUs）。輸入研究區(qū)域氣象水文資料、DEM數(shù)據(jù)、土地利用和土壤數(shù)據(jù)，確定積雪／融雪參數(shù)［12－14］，以驅(qū)動(dòng) SWAT模型運(yùn)行。采用SCS徑流曲線方法計(jì)算地表徑流，Penman－monteith方法計(jì)算潛在蒸發(fā)，模擬1988—2009年開都河流域逐月徑流，其中1988—1989年為模型預(yù)熱期，1990—1999年為模型校準(zhǔn)期，2000—2009年為模型驗(yàn)證期。

3．2 參數(shù)率定

經(jīng)過敏感性分析得出最敏感的7個(gè)參數(shù)依次為Timp、Alpha＿Bf、Gwqmn（mm）、Esco、Cn2、Gw＿Delay和Ch＿K2（mm／h），參數(shù)含義及具體數(shù)值見表2。

首先采用SWAT模型提供的自動(dòng)參數(shù)率定模塊對(duì)7個(gè)敏感參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)率定，然后再根據(jù)自動(dòng)率定結(jié)果，通過手動(dòng)率定模塊對(duì)率定結(jié)果進(jìn)行有針對(duì)性的微調(diào)，以提高模型的模擬精度，參數(shù)率定結(jié)果如表3所示。

3．3 模擬結(jié)果評(píng)價(jià)

校準(zhǔn)期模擬月徑流與實(shí)測(cè)月徑流過程比較曲線如圖1所示，校準(zhǔn)期月徑流模擬效果較好，模擬徑流趨勢(shì)與實(shí)測(cè)趨勢(shì)大致吻合，但是存在一個(gè)異常的模擬高值點(diǎn)（1994年），使得整個(gè)時(shí)期的模擬精度降低。分析表4發(fā)現(xiàn)，1994年的年降雨量明顯高于其相鄰的年份，年徑流量也呈相同的特征，說明該年降雨驟增，是降雨異常高值年。有學(xué)者對(duì)此類現(xiàn)象進(jìn)行了研究，如 Tzyy－Woei［15］的研究表明，SWAT 模型對(duì)降水異常高值年的模擬精度較差，宋艷華［16］發(fā)現(xiàn)對(duì)于降水量出現(xiàn)驟增的年份，SWAT模擬值會(huì)出現(xiàn)異常增高的現(xiàn)象，同時(shí)這種異常高值年會(huì)有延續(xù)性，且其后一年受其影響最大。

表2 參數(shù)敏感性分析結(jié)果

表3 研究區(qū)SWAT模型參數(shù)率定最終值

圖1 校準(zhǔn)期月徑流模擬值和實(shí)測(cè)值

表4 1990－1999年年降雨及年徑流

圖2 驗(yàn)證期月徑流模擬值與實(shí)測(cè)值

驗(yàn)證期模擬月徑流與實(shí)測(cè)月徑流比較曲線如圖2所示，模擬徑流與實(shí)測(cè)徑流趨勢(shì)吻合度較高。分析效率系數(shù)Ens、相對(duì)誤差RE和線性擬合系數(shù)R23個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如表5所示。驗(yàn)證期（2000—2009年）的效率系數(shù)Ens、相對(duì)誤差RE及線性擬合系數(shù)略好于校準(zhǔn)期（剔除降水異常年1994年和1995年），分別為0．67、－9．6%和0．81，均達(dá)到了模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，說明SWAT模型在開都河流域的適用性較好。

4 氣候變化情景設(shè)計(jì)

4．1 情景設(shè)定

秦大河等［17］在《中國(guó)西部環(huán)境演變?cè)u(píng)估綜合報(bào)告》中指出：2020—2030年間，我國(guó)平均氣溫將增加1．7℃，西北更高，將可能增加1．9℃～2．3℃，到了2050年，全國(guó)均溫將可能達(dá)到2．2℃的增幅，同時(shí)不少地區(qū)的降雨也將出現(xiàn)不同程度的增加。

表5 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)我國(guó)的氣候變化趨勢(shì)，基于2000—2009年氣象資料，采用任意情景設(shè)置方法，分析氣候變化對(duì)開都河流域徑流的影響。具體建立的未來氣候變化情景為：氣溫在原來的基礎(chǔ)上分別變化＋2℃，＋1℃，0℃，－1℃和－2℃，降水在原來的基礎(chǔ)上分別變化＋20%，＋10%，0%，－10%和－20%，包括原始情況在內(nèi)，共有25種交叉組合方式，具體的組合方式如表6所示，土地利用／覆被數(shù)據(jù)采用1990年的數(shù)據(jù)。

表6 開都河流域未來氣候變化情景設(shè)置

4．2 模擬結(jié)果與分析

利用SWAT模型，對(duì)上述25個(gè)組合情況進(jìn)行模擬，得到不同組合條件下的年均徑流量、年均徑流變化量，結(jié)果如表7所示。

表7 開都河流域不同氣溫和降水情景組合下的徑流模擬預(yù)測(cè)

由表7可知，開都河流域氣候變化對(duì)徑流的影響比較顯著，分析結(jié)果如下：

（1）開都河流域徑流與降水呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)降水P不變，溫度T增加1℃時(shí)，徑流量減少5．8m3／s，溫度T增加2℃時(shí)，徑流量減少11．9 m3／s，說明溫度越高，徑流量越小；當(dāng)溫度T保持不變，降水P增加10%時(shí)，徑流量增加17．2m3／s，降水P增加20%時(shí)，徑流量增加34．9m3／s，說明降水越高，徑流量越大。這可能是由于降水是徑流主要的直接來源之一，降水增加，地表產(chǎn)流增加，徑流也增加，而溫度升高時(shí)，會(huì)促使研究區(qū)的蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致徑流減少。

（2）開都河流域的徑流變化同時(shí)受到氣溫和降水的影響，在降水和氣溫的不同情景組合下，流域徑流變化顯著。包括初始情況在內(nèi)，本研究采用的25種情景組合方式中，能最大程度使研究區(qū)徑流增大的是情景S51，在此情景中，溫度T下降2℃，降水變化20%，模擬所得的徑流量為160．5m3／s，較初始情況S33的徑流量增加了45．1m3／s，增幅為39．1%。而使當(dāng)?shù)貜搅鳒p少最多的組合是情景S15，在此情景中，溫度T增加2℃，降水P變化－20%，模擬所得徑流量為71．5m3／s，比初始情況減少了43．9m3／s，降幅為38%。

（3）降雨對(duì)年徑流的影響大于氣溫，當(dāng)溫度T保持不變，降水P增加10%時(shí)，徑流量增加17．2m3／s，增加了14．9%。當(dāng)降水P不變，溫度T減少2℃時(shí)，徑流量增加10．1m3／s，增加了8．8%，這表明未來研究區(qū)降水是影響年徑流量變化的主要因素，氣溫對(duì)年徑流的影響較弱，且氣溫對(duì)徑流量的影響隨降水的增加變化幅度也較小。

降水、氣溫的變化不僅導(dǎo)致了年均徑流量的變化，其年內(nèi)分布也導(dǎo)致了徑流量的年內(nèi)變化，這對(duì)研究區(qū)合理制定防旱防澇計(jì)劃意義重大，因此有必要了解氣溫、降水對(duì)徑流年內(nèi)變化的影響。

由圖3可知，當(dāng)溫度不變時(shí)，隨著降水的增大，年內(nèi)各月徑流量呈現(xiàn)與降水相同的變化趨勢(shì)，但各月的增幅不同，其中，冬季（12月至次年2月）增幅最小，從春季（3—5月）開始增幅變大，到了夏季（6—8月）增幅達(dá)到最大，隨后從秋季（9—11月）開始增幅又開始下降。這可能是由于冬季溫度較低，降水多為固態(tài)降水，不易形成徑流，春季冰雪融化，徑流增大。

圖3 溫度不變降水變化條件下徑流年內(nèi)變化曲線

圖4表示降水不變溫度變化條件下的徑流年內(nèi)變化曲線。在降水不變，溫度上升的情況下，除了春季徑流略有上升外，其他各月徑流都呈減小趨勢(shì)。造成這種現(xiàn)象的原因很復(fù)雜，可能是由于在降水不變的情況下，氣溫上升導(dǎo)致當(dāng)?shù)乇偯娣e逐年減少，且蒸發(fā)也隨著溫度升高而增加，最終造成徑流減少。

圖4 降水不變溫度變化條件下徑流年內(nèi)變化曲線

5 結(jié)論與討論

利用SWAT模型，結(jié)合RS和GIS技術(shù)，以新疆典型的高寒山區(qū)開都河流域?yàn)槔芯苛水?dāng)?shù)貧夂蜃兓瘜?duì)流域徑流的影響，得到的結(jié)論主要有：

（1）開都河流域的SWAT月徑流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)徑流較吻合，剔除降水異常年1994年和1995年后，校準(zhǔn)期（1990—2000年）效率系數(shù)為0．58，平均相對(duì)誤差為－5．7%，線性擬合度為0．8，驗(yàn)證期（2000—2009年）的結(jié)果與校準(zhǔn)期接近，均達(dá)到了模型的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，說明SWAT模型在開都河流域的適用性較好。

（2）通過假定未來的氣候變化情景，探討了開都河流域徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)，結(jié)果表明，開都河流域年均徑流與降水呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)。降水對(duì)年徑流的影響大于氣溫，當(dāng)溫度T保持不變，降水P增加10%時(shí)，徑流量增加 17．2m3／s，增加了14．9%。當(dāng)降水P不變，溫度T減少2℃時(shí)，徑流量增加10．1m3／s，增加了8．8%，這表明未來研究區(qū)降水將是影響年徑流量變化的主要因素，氣溫對(duì)年徑流的影響較弱，且氣溫對(duì)徑流量的影響隨降水的增加變化幅度也較小。

（3）在不同的降水和氣溫變化情景組合下，流域年均徑流變化顯著。其中，能最大程度使研究區(qū)徑流增大的是情景S51，在此情景中，溫度T下降2℃，降水變化20%，模擬所得的徑流量為160．5m3／s，相較初始情況S33的徑流量增加了45．1m3／s，增幅為39．1%。而使當(dāng)?shù)貜搅鳒p少最多的組合是情景S15，在此情景中，溫度T增加2℃，降水P變化－20%，模擬所得徑流量為71．5m3／s，比初始情況減少了43．9 m3／s，降幅為38%。

由于人類對(duì)復(fù)雜氣候系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的局限性，預(yù)測(cè)未來氣候變化對(duì)流域水文循環(huán)過程的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，研究存在著很多的不確定性。SWAT模型沒有考慮未來下墊面變化對(duì)徑流的影響以及氣候變化對(duì)流域下墊面條件的影響，但從總體上不會(huì)改變未來水文循環(huán)要素的變化趨勢(shì)［1，18－19］。本文探討了開都河流域徑流過程對(duì)未來氣候變化的響應(yīng)，但氣候變化背景下極端水文事件的變化、預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性、下墊面影響、模型參數(shù)不確定性分析［20］等問題，還需進(jìn)一步深入研究和探討。

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