氣候變化對開都河流域徑流的影響研究

顧海敏，史建橋，，鄒長新，白淑英，，鄭雪峰

（1．南京信息工程大學 遙感學院，南京210044；2．94783部隊61分隊，浙江 長興313111；3．環境保護部 南京環境科學研究所，南京210042）

氣候變化對水資源的影響及其適應性是國際社會普遍關注的全球性問題。氣候變化對我國各地區水資源時空格局變化的影響，尤其是對水資源工程和規劃的影響，將是氣候變化影響評估的重要內容［1］。在全球氣候變暖背景下，西北干旱區以山區降水和冰雪融水補給為基礎的水資源系統將更為脆弱，主要表現在極端水文事件增加、水資源不確定性加大、水循環過程和生態需水規律改變等方面［2］。氣候變化對水量平衡的影響顯著，氣候變化時，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氣候因子為氣溫。氣候變化對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系［3］。

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是在SWRRB模型基礎上發展起來的一個大、中尺度的長時段分布式流域水文模型［4］，該模型具有很強的水文物理機制，可以在不同的土壤、土地利用類型、氣候狀況和人類活動干擾條件下做出有效的徑流模擬預測［5］，在氣候變化的水文效應方面，得到了廣泛的應用。Cruise等［6］應用SWAT模型研究了不同氣候變化條件下，美國東南部現在和未來水資源的變化情況，結果表明，在未來的30～50a，研究區的徑流將會持續減少，水質惡化加??；賀國平等［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，結果表明，盡管土地利用方式的變化使北運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，針對河南中部農業區的特點，構建了該區域氣候變化對水資源（徑流）影響的評估模型，結果表明，地表徑流、基流年內變化趨勢與降水量的變化趨勢一致，蒸散發是該地區水量的主要輸出項，地表徑流是基流的2倍左右，地表徑流相對于降水有滯后性，基流滯后于降水3個月；張利平等［9］探討研究了SWAT模型在南水北調中線工程水源區的適用性，根據聯合國政府間氣候變化專業委員會第四次評估報告中大氣環流模型多模式輸出結果，分析了特別排放情景下21世紀降水、氣溫、徑流、蒸發的響應過程。結果表明，與基準期相比，南水北調中線工程水源區21世紀氣溫將持續增高，年降水量將增加，徑流量較基準期將會先減少后增大。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，結果表明，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生。

近年來，氣候變暖趨勢愈加嚴重，我國多處省市發生嚴重旱情，對人民生活和經濟發展造成了重創。由于地理環境因素，西北地區歷來水量就相對偏少，是典型的干旱區域。因此，研究氣候變化對當地徑流的影響，對合理制定和調度水資源，保證當地用水安全具有重要意義。開都河流域是塔里木河流域的一個子流域，流域面積2．2×104km2，是巴州境內最大的一條內陸河，是我國最大的內陸淡水湖博斯騰湖最主要的補給源，是伊犁、巴州等地州經濟發展和人類生活的重要水源保障，對塔里木河下游生態系統和環境有著重要作用。鑒于此，本研究以大山口水文站以上區域（面積約18 311km2）為研究區，擬采用衛星遙感數據、氣象水文資料，借助遙感和GIS技術，基于SWAT水文模型，設定氣候變化情景，模擬探討不同氣候條件下徑流的響應特征，以為本地區水資源管理、可持續利用與發展和防旱防澇工作提供科學依據。

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匯流，前者指凈雨從坡地表面匯入河網的過程，后者指進入河網的坡地徑流向流域出口匯集的過程［11］。根據水文循環原理，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含水量（mm）；t——時間（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 （mm）；Pei——第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和測流量（mm）；QRi——第i天的地下水回流量（mm）。

2 數據來源

本研究選擇 Albers Conical Equal Area投影，地理坐標選擇 WGS－1984。SWAT模型運行所需數據類型及來源詳見表1。

表1 基礎數據及來源

3 SWAT模型的建立

3．1 模型構建

研究區域出水口以上的流域面積為18 311km2，共提取45個子流域，344個水文響應單元（HRUs）。輸入研究區域氣象水文資料、DEM數據、土地利用和土壤數據，確定積雪／融雪參數［12－14］，以驅動 SWAT模型運行。采用SCS徑流曲線方法計算地表徑流，Penman－monteith方法計算潛在蒸發，模擬1988—2009年開都河流域逐月徑流，其中1988—1989年為模型預熱期，1990—1999年為模型校準期，2000—2009年為模型驗證期。

3．2 參數率定

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

首先采用SWAT模型提供的自動參數率定模塊對7個敏感參數進行自動率定，然后再根據自動率定結果，通過手動率定模塊對率定結果進行有針對性的微調，以提高模型的模擬精度，參數率定結果如表3所示。

3．3 模擬結果評價

校準期模擬月徑流與實測月徑流過程比較曲線如圖1所示，校準期月徑流模擬效果較好，模擬徑流趨勢與實測趨勢大致吻合，但是存在一個異常的模擬高值點（1994年），使得整個時期的模擬精度降低。分析表4發現，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。有學者對此類現象進行了研究，如 Tzyy－Woei［15］的研究表明，SWAT 模型對降水異常高值年的模擬精度較差，宋艷華［16］發現對于降水量出現驟增的年份，SWAT模擬值會出現異常增高的現象，同時這種異常高值年會有延續性，且其后一年受其影響最大。

表2 參數敏感性分析結果

表3 研究區SWAT模型參數率定最終值

圖1 校準期月徑流模擬值和實測值

表4 1990－1999年年降雨及年徑流

圖2 驗證期月徑流模擬值與實測值

驗證期模擬月徑流與實測月徑流比較曲線如圖2所示，模擬徑流與實測徑流趨勢吻合度較高。分析效率系數Ens、相對誤差RE和線性擬合系數R23個評價指標，結果如表5所示。驗證期（2000—2009年）的效率系數Ens、相對誤差RE及線性擬合系數略好于校準期（剔除降水異常年1994年和1995年），分別為0．67、－9．6%和0．81，均達到了模型評價標準，說明SWAT模型在開都河流域的適用性較好。

4 氣候變化情景設計

4．1 情景設定

秦大河等［17］在《中國西部環境演變評估綜合報告》中指出：2020—2030年間，我國平均氣溫將增加1．7℃，西北更高，將可能增加1．9℃～2．3℃，到了2050年，全國均溫將可能達到2．2℃的增幅，同時不少地區的降雨也將出現不同程度的增加。

表5 模型評價指標

根據我國的氣候變化趨勢，基于2000—2009年氣象資料，采用任意情景設置方法，分析氣候變化對開都河流域徑流的影響。具體建立的未來氣候變化情景為：氣溫在原來的基礎上分別變化＋2℃，＋1℃，0℃，－1℃和－2℃，降水在原來的基礎上分別變化＋20%，＋10%，0%，－10%和－20%，包括原始情況在內，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／覆被數據采用1990年的數據。

表6 開都河流域未來氣候變化情景設置

4．2 模擬結果與分析

利用SWAT模型，對上述25個組合情況進行模擬，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測

由表7可知，開都河流域氣候變化對徑流的影響比較顯著，分析結果如下：

（1）開都河流域徑流與降水呈正相關，與氣溫呈負相關。當降水P不變，溫度T增加1℃時，徑流量減少5．8m3／s，溫度T增加2℃時，徑流量減少11．9 m3／s，說明溫度越高，徑流量越小；當溫度T保持不變，降水P增加10%時，徑流量增加17．2m3／s，降水P增加20%時，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，地表產流增加，徑流也增加，而溫度升高時，會促使研究區的蒸發量增加，導致徑流減少。

（2）開都河流域的徑流變化同時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，本研究采用的25種情景組合方式中，能最大程度使研究區徑流增大的是情景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%。而使當地徑流減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）降雨對年徑流的影響大于氣溫，當溫度T保持不變，降水P增加10%時，徑流量增加17．2m3／s，增加了14．9%。當降水P不變，溫度T減少2℃時，徑流量增加10．1m3／s，增加了8．8%，這表明未來研究區降水是影響年徑流量變化的主要因素，氣溫對年徑流的影響較弱，且氣溫對徑流量的影響隨降水的增加變化幅度也較小。

降水、氣溫的變化不僅導致了年均徑流量的變化，其年內分布也導致了徑流量的年內變化，這對研究區合理制定防旱防澇計劃意義重大，因此有必要了解氣溫、降水對徑流年內變化的影響。

由圖3可知，當溫度不變時，隨著降水的增大，年內各月徑流量呈現與降水相同的變化趨勢，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變化曲線

圖4表示降水不變溫度變化條件下的徑流年內變化曲線。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。造成這種現象的原因很復雜，可能是由于在降水不變的情況下，氣溫上升導致當地冰川總面積逐年減少，且蒸發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變化曲線

5 結論與討論

利用SWAT模型，結合RS和GIS技術，以新疆典型的高寒山區開都河流域為例，研究了當地氣候變化對流域徑流的影響，得到的結論主要有：

（1）開都河流域的SWAT月徑流模擬結果與實測徑流較吻合，剔除降水異常年1994年和1995年后，校準期（1990—2000年）效率系數為0．58，平均相對誤差為－5．7%，線性擬合度為0．8，驗證期（2000—2009年）的結果與校準期接近，均達到了模型的評價標準，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氣候變化的響應，結果表明，開都河流域年均徑流與降水呈正相關，與氣溫呈負相關。降水對年徑流的影響大于氣溫，當溫度T保持不變，降水P增加10%時，徑流量增加 17．2m3／s，增加了14．9%。當降水P不變，溫度T減少2℃時，徑流量增加10．1m3／s，增加了8．8%，這表明未來研究區降水將是影響年徑流量變化的主要因素，氣溫對年徑流的影響較弱，且氣溫對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%。而使當地徑流減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%。

由于人類對復雜氣候系統認識的局限性，預測未來氣候變化對流域水文循環過程的影響是一個復雜的過程，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徑流的影響以及氣候變化對流域下墊面條件的影響，但從總體上不會改變未來水文循環要素的變化趨勢［1，18－19］。本文探討了開都河流域徑流過程對未來氣候變化的響應，但氣候變化背景下極端水文事件的變化、預測結果的不確定性、下墊面影響、模型參數不確定性分析［20］等問題，還需進一步深入研究和探討。

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