氣候變化對山西省水文過程影響研究

陳彥平

(山西省水文水資源勘測局，山西 太原 030001)

1 研究背景

由于環(huán)境污染的日益加劇，工業(yè)污染物的排放量逐漸提高，導(dǎo)致我國氣候條件出現(xiàn)了溫度升高、降雨減少等現(xiàn)象[1- 2]。據(jù)有關(guān)研究表明，1980—2016年，全球地表平均溫度升高了0.85℃，21世紀(jì)末全球平均氣溫將上升1.5℃左右[3]，這將對人類居住環(huán)境造成很大的影響。由于氣候變化，造成全球水文過程發(fā)生變化，冰川融化、海平面上升均會改變生物的生存環(huán)境。因此，研究氣候變化對水文過程的影響已成為世界水文水資源方向的研究重點[4]。

針對氣候變化對水文過程的影響，國內(nèi)已有了部分研究。林嫻[5]研究了氣候變化和人類活動對武江流域水文過程的影響，指出氣候變化對水文過程變化的貢獻率高達94%；謝天明[6]分析了在氣候變化條件下塔河流域的徑流變化特征，指出溫度的變化是影響當(dāng)?shù)貜搅髯兓铌P(guān)鍵的因素；陳亞寧等[7]對塔里木河三源流區(qū)的氣象因子與徑流量的相關(guān)分析，認為徑流不同年份間較為穩(wěn)定主要是因為降水和冰雪融水的互補，氣溫升高是影響徑流變化的最關(guān)鍵因素。

本文基于SWAT模型模擬不同氣候條件下對水文過程的影響，深入分析在不同氣候變化的條件下的水文徑流的變化趨勢，得出的結(jié)論可為研究區(qū)域水資源優(yōu)化配置提供理論參考，達到區(qū)域水資源可持續(xù)發(fā)展的目的。

2 研究方法

已有研究表明，在未來我國平均氣溫將上升2.0℃左右，而降雨將增加10%～20%[8- 9]。選擇山西省太原市為研究區(qū)域，以當(dāng)?shù)厮恼緮?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)域所在位置，本文假設(shè)降水量的幾個變化標(biāo)準(zhǔn)為±5%、±10%、±15%和不變的情況，溫度的幾個變化標(biāo)準(zhǔn)為±1℃、±2℃和不變的情況，模擬不同變化條件下水文徑流過程的響應(yīng)規(guī)律。

2.1 SWAT模型徑流模擬計算公式

SWAT模型符合水分循環(huán)系統(tǒng)規(guī)律[10]：

(1)

式中，sωt—土壤最終含水率，%；sω0—土壤初始含水率，%；Rday—總降水量，mm；Qsurf—地表總徑流量，mm；Ea—總蒸發(fā)量，mm；ωseep—土壤測流總量，mm；Qgw—地下徑流總量，mm。

2.2 模擬結(jié)果評價指標(biāo)

本文模型模擬結(jié)果評價指標(biāo)體系采用相對誤差(RE)、模型效率系數(shù)(Ens)和決定系數(shù)(R2)綜合分析精度，具體公式如下：

(2)

(3)

(4)

3 結(jié)果分析

3.1 模型率定與驗證

在基于SWAT模型進行水文模擬時，需調(diào)整模型參數(shù)、初始條件、邊界條件和限制條件，以提高模型模擬的精度，通過反復(fù)調(diào)試，可得出SWAT模型各參數(shù)取值，見表1。其中各參數(shù)的含義見文獻[11]。

SWAT模型調(diào)參后的模擬結(jié)果分析如圖1所示。圖1顯示，SWAT模型的模擬精度較高，模擬值的變化趨勢與實測值的變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)了先增加后減少的周期性變化，同時模擬值與實測值的擬合方程斜率為0.997，與標(biāo)準(zhǔn)值“1”十分接近，表明模擬值表現(xiàn)出了很高的精度，模擬值的決定系數(shù)R2為0.971，相對誤差RE僅為9.78%，而模型效率系數(shù)Ens達到了0.983，且模擬值與實測值的一致性達到了極顯著水平(P<0.01)，通過以上分析可知，模型模擬結(jié)果的誤差較低，且一致性較高，驗證了調(diào)參后的SWAT模型的可靠性。

3.2 氣候變化特征對水文過程的影響

基于SWAT模型模擬未來不同氣候變化條件下，豐水年、平水年和枯水年不同水平年下水文徑流變化的響應(yīng)過程如圖2所示。圖2顯示，降水量和溫度變化對徑流的影響呈反相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)氣溫降低、降雨增加時，徑流呈現(xiàn)增加的趨勢，在不同水平年，當(dāng)降水量不變，溫度升高2℃，徑流變化了2%左右，當(dāng)溫度不變，增加15%的降水量時，徑流變化了10%以上，以上數(shù)據(jù)表明，降雨對徑流的影響要明顯高于氣溫；當(dāng)降水量增加幅度為5%、10%、15%時，年徑流的變化率為14.5%、17.3%、18.7%，而當(dāng)降水量降低幅度為5%、10%、15%時，年徑流的變化率為-10.1%、-10.7%、-11.4%，表明年徑流量隨降水量減小而變化的下降幅度，明顯低于流域年徑流量隨降水量增加而變化的上升幅度，同時，徑流變化在雙重因素綜合影響下的效果更顯著。綜上所述，溫度的變化與降雨的變化均會影響水文過程的變化，而降雨是影響徑流最關(guān)鍵的因素。

圖1 模型模擬結(jié)果分析

圖2 不同水平年不同氣候變化條件徑流量的影響

4 結(jié)語

根據(jù)參數(shù)率定后的SWAT模型進行不同氣候變化條件下的徑流過程模擬，模擬的結(jié)果可知，當(dāng)降水量增加時，徑流量呈現(xiàn)增加的趨勢，而當(dāng)氣溫增加時，徑流量呈現(xiàn)降低的趨勢，同時降水量對徑流量的影響要高于氣溫，而且徑流變化在雙重因素綜合影響下的效果更顯著。本文將降水變化梯度分為了±5%、±10%、±15%和不變的情況，溫度的幾個變化標(biāo)準(zhǔn)為±1℃、±2℃和不變的情況，在今后的研究中，可增加梯度的劃分層次，才能更加精確得出氣候變化對徑流影響的定量分析。