沁河飛嶺水文站流域徑流模擬及徑流變化歸因分析

岳廣濤，張華棟，祝雪萍

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

氣候變化與人類活動(dòng)，是影響水循環(huán)的兩大因素。氣候變化對(duì)水循環(huán)的影響，直接導(dǎo)致水循環(huán)的時(shí)空變化。近年來(lái)人類活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響也日益顯著，主要表現(xiàn)為水、土資源的開發(fā)、各類生產(chǎn)生活活動(dòng)引起水循環(huán)要素變化，進(jìn)而間接影響水循環(huán)時(shí)空演變機(jī)制，直觀地表現(xiàn)為人類活動(dòng)頻繁地區(qū)水循環(huán)具有明顯的“自然－人工”二元特性，水循環(huán)受人為取、用、排水影響顯著。

對(duì)于缺水的山西省而言，水資源是極為寶貴的戰(zhàn)略資源，如何科學(xué)合理地利用有限水資源對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大。準(zhǔn)確地描述水資源量及其時(shí)空分布狀況，是水資源規(guī)劃管理及開發(fā)利用的重要內(nèi)容；準(zhǔn)確預(yù)測(cè)變化環(huán)境下的水循環(huán)演變趨勢(shì)，則對(duì)人類取、用、排水活動(dòng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)布局具有重要指導(dǎo)作用。

擬通過(guò)選擇適合研究區(qū)的分布式水文模型，對(duì)沁河飛嶺水文站控制流域徑流過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并基于構(gòu)建好的模型，進(jìn)一步定量研究氣候和土地利用等變化因素對(duì)水循環(huán)過(guò)程的影響。

1 研究區(qū)概況[1]

研究區(qū)位于沁河上游飛嶺水文站控制流域。研究區(qū)內(nèi)沁河主河長(zhǎng)137 km，流域面積2 683km2。流域水文下墊面產(chǎn)流地類，主要有灰?guī)r灌叢山地、灰?guī)r森林山地、砂頁(yè)巖灌叢山地和砂頁(yè)巖森林山地共4種，各地類所占面積比重分別為0.4%、11.6%、41.4%和46.6%。研究區(qū)流域年均降水量580 mm，年均氣溫11℃，年均水面蒸發(fā)量1 047 mm（E 601）。研究區(qū)地理位置及水系見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置及流域水系圖

2 徑流模擬研究方法

本研究采用SWAT模型及其配套的自動(dòng)率定程序SWAT-CUP進(jìn)行飛嶺水文站流域的水循環(huán)模擬研究。

2.1 SWAT模型原理

SWAT模型是目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的適用性較強(qiáng)的分布式水文模型，廣泛應(yīng)用于大尺度流域內(nèi)水循環(huán)、土地利用模式及面源污染研究[2]。該模型最重要、最基礎(chǔ)的應(yīng)用之一是進(jìn)行流域水循環(huán)研究，其主要g環(huán)節(jié)包括地表徑流、蒸散發(fā)、土壤水和地下水4部分，其基本原理參見相關(guān)文獻(xiàn)[3]。

具體應(yīng)用時(shí)，首先利用GIS將研究區(qū)DEM分為若干子流域，其次基于流域地形、下墊面覆被條件以及土壤類型，將每個(gè)子流域細(xì)化為若干水文響應(yīng)單元（HRUs），然后以HRU作為計(jì)算單元進(jìn)行徑流計(jì)算，最后演進(jìn)至出口，得到出流過(guò)程。

2.2 SWAT-CUP介紹

SWAT-CUP是為SWAT模型參數(shù)率定研發(fā)的自動(dòng)率定軟件，該軟件包含5種參數(shù)率定算法，具體為SUFI-2、GLUE、PSO、MCMC和ParaSol[2]。本文采用計(jì)算效率較高的SUFI-2算法進(jìn)行研究區(qū)徑流模擬模型的參數(shù)率定。關(guān)于SWAT-CUP程序原理及應(yīng)用參照相關(guān)參考文獻(xiàn)[4]。

2.3 精度評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文選擇納西效率系數(shù)（Ens）、相關(guān)系數(shù)（R2）和相對(duì)偏差（Re）3個(gè)指標(biāo)[5]用于評(píng)價(jià)模擬精度。

式中：Q0，i——實(shí)測(cè)值；

Qm，i——模擬值；

Q0——實(shí)測(cè)均值；

Qm——模擬均值；

n——樣本數(shù)。

Ens取值范圍為0～1，該參數(shù)值越大表示模擬效果越好；R2取值范圍為0～1，該參數(shù)值越大表示模擬結(jié)果越接近實(shí)際。Re為正值表明模擬結(jié)果偏大，其絕對(duì)值越小表示模擬結(jié)果越接近實(shí)際。

參考相關(guān)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[6]，本文以Ens＞0.60、R2＞0.7和-20%＜Re＜20%作為模擬結(jié)果可以接受的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源及數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所需的數(shù)據(jù)主要包括矢量圖數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，其中矢量圖主要指數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、土地利用分布數(shù)據(jù)和土壤分布數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)則包括反映研究區(qū)土壤物理化學(xué)特性的數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)水文氣象數(shù)據(jù)等。本文所采用的數(shù)據(jù)類型及其來(lái)源詳見表1。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及來(lái)源統(tǒng)計(jì)表

3.2 數(shù)據(jù)處理

空間數(shù)據(jù)處理。利用ArcGIS軟件將研究區(qū)的空間矢量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行投影，得到模型可識(shí)別、坐標(biāo)一致（本文采用WGS-1984-UTM-Zone-49N坐標(biāo)系）的空間矢量數(shù)據(jù)見圖2～4。

圖2 研究區(qū)DEM圖

屬性數(shù)據(jù)處理。包括土壤、土地利用和氣象屬性數(shù)據(jù)3類。土壤屬性數(shù)據(jù)主要依據(jù)《山西土壤》[7]計(jì)算得到，直接輸入SWAT2012.mdb數(shù)據(jù)庫(kù)以備模型調(diào)用；土地利用屬性數(shù)據(jù)則直接通過(guò)土地利用分布圖重分類統(tǒng)計(jì)得到，通過(guò)建立土地利用分類索引表以備模型調(diào)用；氣象屬性數(shù)據(jù)整理自氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立氣象數(shù)據(jù)庫(kù)以備模型調(diào)用。研究區(qū)土壤類型、土地利用類型及其所占面積比例見表2。

表2 研究區(qū)各土地利用、土壤類型分類及面積統(tǒng)計(jì)表

4 SWAT模型徑流分析

4.1 SWAT模型構(gòu)建

模型構(gòu)建的過(guò)程即為將上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入模型運(yùn)算的過(guò)程，其結(jié)果是得到原始模擬成果，作為下部模型參數(shù)自動(dòng)率定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。具體分為3步：首先，輸入DEM數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)算初步將研究區(qū)劃分為27個(gè)子流域；其次輸入土壤、地形、土地利用信息，通過(guò)設(shè)置閾值，在子流域基礎(chǔ)上進(jìn)一步得到299個(gè)HRUs；最后輸入氣象數(shù)據(jù)。至此，SWAT徑流模擬模型構(gòu)建完畢。

圖3 研究區(qū)土地利用分布圖

圖4 研究區(qū)土壤分布圖

4.2 SWAT模型徑流模擬

SWAT模型構(gòu)建完成后，即可運(yùn)行模型進(jìn)行研究區(qū)徑流模擬。徑流模擬主要分為參數(shù)敏感性分析、模型參數(shù)的率定及驗(yàn)證3個(gè)步驟。

參數(shù)敏感性分析。利用SUFI-2算法通過(guò)反復(fù)模擬，最終得到研究區(qū)徑流較為敏感的12個(gè)參數(shù)，其含義即敏感程度詳見表3。

在敏感性分析結(jié)果基礎(chǔ)上，進(jìn)行參數(shù)的率定。本文率定期選為1980—1992年。首先設(shè)定參數(shù)初始范圍，利用SWAT-CUP進(jìn)行3次迭代試算，本次計(jì)算迭代次數(shù)依次為300次、200次、200次[8]，最終確定滿足模擬精度的參數(shù)取值，結(jié)果見表3。

表3 SWAT模型參數(shù)敏感性分析及參數(shù)率定成果表

最后，將滿足模擬精度的參數(shù)值輸入模型，進(jìn)行驗(yàn)證期的徑流模擬，驗(yàn)證期選為1993—2000年。率定期和驗(yàn)證期模擬及實(shí)測(cè)徑流過(guò)程對(duì)比見圖5。

圖5 率定期（1980—1992年）和驗(yàn)證期（1993—2000年）月徑流模擬和實(shí)測(cè)過(guò)程對(duì)比

模擬期精度評(píng)價(jià)指標(biāo)見表4，結(jié)果表明研究區(qū)徑流模擬達(dá)到了前述確定的合格評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該模型在本研究區(qū)是適用的。

表4 徑流模擬精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

5 氣候和土地利用變化的徑流歸因分析

以下基于前述率定號(hào)的模型，以多年平均月徑流量作為衡量指標(biāo)進(jìn)行研究區(qū)土地氣候和土地利用變化的徑流歸因分析。

5.1 氣候變化徑流歸因分析

氣候變化情景設(shè)置：基于歷史基準(zhǔn)情景，氣溫在-4℃～+2℃之間、以1℃的變化率變化；降雨在-10%～+10%之間、以5%的變化率變化，共設(shè)置12種氣候變化情景（見表5，其中T5和P3為歷史基準(zhǔn)情景）。

表5 氣候（氣溫、降水）變化條件下徑流模擬成果及其變化量

不同氣溫和降雨變化條件徑流模擬成果見表5、圖6～7。由表5、圖6～7可知：

（1）溫度與徑流呈顯著的線性負(fù)相關(guān)，即溫度增加，相應(yīng)徑流量減?。黄湎嚓P(guān)關(guān)系式為：Q=-0.151 5(ΔT）+3.80，相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.96，見圖6。

圖6 徑流對(duì)溫度變化響應(yīng)分析圖

（2）降雨與徑流呈顯著的線性正相關(guān)，即降水增加，相應(yīng)徑流量增加；其相關(guān)關(guān)系式為：Q=0.083 6(ΔP)+3.79，相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.99，見圖7。

圖7 徑流對(duì)降雨變化的響應(yīng)分析圖

（3）從相關(guān)關(guān)系線斜率可知：相對(duì)于降雨，徑流對(duì)溫度變化更敏感。

5.2 土地利用變化徑流歸因分析

土地利用變化情景設(shè)置：以1980 s和2018年兩個(gè)時(shí)期的土地利用數(shù)據(jù)作為變量，共設(shè)置2種土地利用變化情景。

1980 s和2018年研究區(qū)土地利用變化情況見表6。

表6 土地利用面積分布情況

由表6可知，與1980 s相比，2018年研究區(qū)土地利用變化情況是：耕地面積明顯減?。?3.9%），水域面積略有減少（-0.07%）；林地、草地、城建用地及農(nóng)村居民點(diǎn)用地均有所增加（2%、0.8%、0.26%及1.05%）。這種土地利用變化特征與近40年來(lái)研究區(qū)內(nèi)日趨頻繁的人類活動(dòng)（建設(shè)用地增加）以及當(dāng)下提倡生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策（退耕、還林、還草等）是相一致的。

由表7的定量模擬分析結(jié)果可知：近40年來(lái)，研究區(qū)林地增加、耕地減少，造成徑流的減少，也表明林地能夠涵養(yǎng)水源，減少地表徑流量。雖然流域內(nèi)城建用地有所增加，但是由于其所占比重較少，不能反映城建用地對(duì)產(chǎn)流的貢獻(xiàn)情況，需進(jìn)一步增加模擬年代，作深入分析。

表7 變化土地利用條件下徑流模擬成果分析

6 結(jié)論

通過(guò)以沁河飛嶺水文站流域?yàn)檠芯繉?duì)象，構(gòu)建SWAT模型進(jìn)行流域水文模擬以及徑流變化歸因分析，得到如下結(jié)論以供下一步探討：

（1）通過(guò)對(duì)SWAT模型的構(gòu)建及應(yīng)用，得到研究區(qū)徑流敏感的參數(shù)主要有CN2、ALPHA_BF、GWQMN、SURLAG、SOL_AWC等。

（2）徑流模擬期各項(xiàng)精度評(píng)價(jià)指標(biāo)R2、Ens和Re分別達(dá)到0.74、0.73和-7.8%（率定期）及0.77、0.77和-9.1%（驗(yàn)證期），均達(dá)到了《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》（GB/T 22482-2008）乙級(jí)精度，表明SWAT模型在研究區(qū)得到很好的應(yīng)用。

（3）氣候變化徑流歸因分析結(jié)果表明：氣溫變化與徑流變化呈負(fù)線性相關(guān)；降雨變化與徑流變化呈正線性相關(guān)；相對(duì)于降雨，徑流對(duì)溫度變化更為敏感。

（4）土地利用變化徑流歸因分析結(jié)果表明：林地增加、耕地減少，造成徑流的減少，表明林地能夠涵養(yǎng)水源、減少地表徑流量。