SWAT模型在土地利用變化對水資源的影響研究

趙錦程

（新疆水利水電勘測設計研究院 新疆 烏魯木齊 830000）

近年來變化環(huán)境下水科學研究的重點是水文循環(huán)研究，大量的研究文獻表明：長時間尺度下氣候變化對水資源的影響非常明顯，但是在短時間尺度下影響流域產流變化的主要因素是土地利用/覆被的變化，土地利用變化能夠改變流域的土壤水文狀況、蒸發(fā)量、地表徑流以及地表覆蓋的截留量[1]。土地利用/覆被的變化直接體現和反映了人類活動的影響程度，它對水循環(huán)過程的影響結果將直接導致水資源供需關系發(fā)生變化，對流域的生態(tài)環(huán)境、社會經濟可持續(xù)發(fā)展等方面產生重大影響[2]。目前隨著全球人口增加，資源與環(huán)境問題日益突出，人類活動導致土地利用/覆被發(fā)生變化，進而使得研究區(qū)的氣候、水文、產匯流等產生了很大的影響[3]，所以研究土地利用變化的水文響應過程對流域水資源管理非常重要。

本文選取西北內陸干旱區(qū)烏倫古河流域作為研究區(qū)，運用SWAT模型來研究土地利用/覆被變化對徑流的影響，其研究結果可以為流域水資源規(guī)劃管理提供理論依據，為流域非點源污染的研究提供幫助。

1 研究區(qū)概況

烏倫古河位于新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)，東和東北部與蒙古人民共和國接壤，北同額爾齊斯河流域毗鄰，西與吉木乃縣相接，南和古爾班通古特沙漠毗鄰。烏倫古河是流向準噶爾盆地最大的一條內陸河流，發(fā)源于阿爾泰山東段南麓，地理位置坐標為東經87°05′～90°45′，北緯46°10′～47°28′，流域總面積4.3萬km2，其中國內部分 27527km2，流經阿勒泰地區(qū)的青河、富蘊、福海三縣，最后流入烏倫古湖。

表1 模型參數率定結果

圖1 1986、2000、2010年流域土地利用圖

表2 1986、2000、2010年流域三期土地利用變化

2 SWAT模型的應用

2.1 基礎數據收集

運行SWAT模型前需要收集基礎數據，分別是DEM、土壤類型、土地利用、水文數據和氣象數據，數據的格式要求高，按照模型需要整理基礎數據。DEM數據精度為90m，來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數據中心，主要用于提取流域坡度、坡向和河網等信息。土壤類型數據精度為1:100萬，主要是用于提取該流域的土壤空間分布情況。土地利用數據精度為1:10萬，用于了解該流域的土地利用空間分布情況。氣象數據有降水、氣溫、風速和相對濕度等，水文資料主要是流域的長系列徑流數據。

2.2 流域水文模型構建

研究區(qū)域基于DEM提取河網與實際流域完全吻合，將整個研究區(qū)劃分為44個子流域，249個水文響應單元，本研究基于DEM數據提取的烏倫古河流面積為10017.10km2，加載土壤、土地利用數據和氣象數據，模型運行模擬流域徑流量。

2.3 參數率定及模型驗證

參數率定可以進一步了解影響研究區(qū)水文過程的關鍵因子，并能使模型的模擬值與實測值誤差最小。SWAT模型的參數很多，其模型的空間特性變化很大，要確定每一個參數的準確值非常困難，所以盡可能使重要的參數準確，因此通過敏感性分析可以去掉對模擬結果影響較小的參數，以提高模型參數率定效率、減小模型不確定性[4-5]，使模型的模擬結果更精確。

SWAT模型選擇Nash-Suttcliffe效率系數、相關系數R2和相對誤差RE作為模型模擬效果的評價參數[6]，其中模擬值與實測值的相對誤差RE小于實測值的20%，Nash-Suttcliffe效率系數大于0.5以及決定性系數R2大于0.6，表明模擬結果的精度達到要求[7]。校準期和驗證期效率系數 Nash-suteliffe分別為0.67、0.80，月徑流相對誤差RE分別為-6.56%、-11.58%，模擬值比實測值略偏大，但各項評價指標均達到要求，表明SWAT模型能準確的描述烏倫古河流域集水區(qū)的水文過程。

圖2 不同情景下流域年徑流模擬

3 土地利用變化對徑流的影響

3.1 土地利用情景建立

運用情景設計法分析烏倫古河流域土地利用變化對水資源影響，情景設計需要考慮研究區(qū)自然狀況、空間尺度以及社會經濟發(fā)展的特點等因素。情景分析方法主要有歷史反演法、參照流域對比法、土地利用/覆被情景預測模型法、土地利用空間配置法、極端土地利用法。基礎資料收集了三期土地利用圖，因此本研究運用歷史反演法模擬研究烏倫古河流域現時段水文過程變化。

在氣候因素不變的條件下，根據流域1986年、2000年和2010年三期不同土地利用類型圖，建立3種土地利用/覆被變化情景，分別是 S1、S2、S3，情景 1：1986年土地利用/覆被，情景2：2000年土地利用/覆被，情景3：2010年土地利用/覆被，三種土地利用情景面積變化見表2和圖1。

由表 2和圖 1對 1986年、2000年和2010年三期土地利用類型變化特征分析可知，烏倫古河流域土地利用方式為耕地、林地、草地、水域、居民點與工業(yè)用地和未利用土地，面積均有變化。情景2較情景1土地利用面積變化：草地增加12.11%，面積增加了1213.07km2；水域增加 0.05%，面積增加了5km2；居民點增加0.05%，面積增加了5.01km2；林地減少 11.88%，面積減少了1190.03km2；未利用的土地減少0.34%，面積減少了34.06km2；情景3較情景2土地利用面積變化：耕地增加0.19%，面積增加了18.85km2，林地增加0.64%，面積增加了64.04km2，水域增加0.09%，面積增加了9.26km2，居民點增加 0.12%，面積增加11.62km2，草地減少1.15%，面積減少了114.9km2。

3.2 結果分析

使用校正好的SWAT模型，保持氣象資料不變，運用1986、2000、2010年三期土地利用分布圖，來模擬烏倫古河流域徑流量，模擬結果見圖2。

由圖2可知，情景2模擬結果得出烏倫古河流域多年平均徑流量為25.77m3/s，較情景1徑流量減少1.31m3/s，變化率為5.1%，可能是因為草地增加比林地減少多，其需水量增加，居民點增加，居民飲用水量增加，因此導致地表水減少，進而多年平均流量減少；情景3的多年平均徑流量為24.90m3/s，較情景2徑流量減少0.87m3/s，變化率為3.38%，情景3較情景2耕地、林地、居民點都有所增加，其用水量也增加，引起地表徑流量減少；情景3較情景1徑流量減少3.98m3/s，變化率為16.24%。由3種情景模擬結果可知，土地利用變化對徑流的影響較大，主要原因在于流域土地利用開發(fā)導致下墊面產流特征的變化。

4 結論

本文在考慮烏倫古河流域水文特征的基礎上，基于SWAT模型對烏倫古河流域進行徑流模擬，校準期和驗證期效率系數Nash-suteliffe分別為0.67、0.80，月徑流相對誤差RE分別為-6.56%、-11.58%，模擬值比實測值略偏大但各項評價參數均達到要求。利用三種氣候情景定性的分析流域土地利用變化對徑流影響，由于導致土地利用改變的影響因素較多，不能定量分析土地利用變化因子對徑流的影響，這方面還有待進一步研究。陜西水利

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