基于SWAT 模型的開都河上游氣候變化和人類活動對徑流的影響

陳世雪，玉素甫江·如素力，張 發(fā)，迪里胡瑪爾·阿汗木江

（新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院/新疆干旱區(qū)環(huán)境與資源重點實驗室，烏魯木齊 830054）

氣候變化和人類活動共同影響水循環(huán)過程，這種影響不是單向式的交互過程，而是系統(tǒng)間各要素的多項式交互過程［1］。全球氣候變暖使各地區(qū)更加干濕分明［2，3］，西北干旱區(qū)出現(xiàn)“暖濕化”現(xiàn)象［4-6］，影響該地區(qū)水文過程。人類活動則通過土地利用方式的改變影響流域產(chǎn)流、匯流過程［7］。氣候變化和人類活動對水文過程的影響在不同流域會產(chǎn)生不同效應(yīng)［8］。因此，開展徑流對氣候變化和人類活動的響應(yīng)研究，對流域水資源規(guī)劃管理有重要意義。

SWAT（Soiland Water Assessment Tool）分布式水文模型由于其較強的物理機制，已被廣泛應(yīng)用于氣候變化和人類活動的水文響應(yīng)方面。如馮暢等［1］、祖拜代等［9］、郭軍庭等［10］、程程［11］、楊李艷［12］、Aboeinour 等［13］定量分析了氣候變化和人類活動對不同流域徑流的影響，結(jié)果表明氣候變化是徑流變化的主要影響因素。Zhang 等［14］、Xu 等［15］的研究認(rèn)為土地利用是導(dǎo)致徑流發(fā)生變化的主要因素。開都河是典型的干旱區(qū)內(nèi)陸河流，當(dāng)前已有不少學(xué)者聚焦開都河流域水文變化過程［16-27］，然而大多數(shù)的研究主要關(guān)注氣候變化和土地利用變化歷史時期或未來時期的單一影響，忽略了氣候變化和人類活動的共同影響。

基于此，本研究目的是在考慮氣候變化和人類活動影響的基礎(chǔ)上，利用SWAT 模型，通過情景分析方法設(shè)置3 類情景，定量分析二者對徑流的影響，以期為開都河流域水資源管理提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

開都河（82°58′—86°55′E、41°47′—43°21′N）位于新疆巴州境內(nèi)。源起天山中部，尾閭注入博斯騰湖，是焉耆盆地和孔雀河流域社會經(jīng)濟發(fā)展的重要資源，也是塔里木河下游的重要補給水源，對塔河生態(tài)恢復(fù)和重建起關(guān)鍵作用［27］。開都河流域?qū)贉貛Т箨懶愿珊禋夂颍昶骄涤炅?65 mm，年平均氣溫 5～8 ℃。大山口（85°44′E，42°13′N）是開都河流域惟一的出山口，將開都河流域分為上游山區(qū)和下游平原區(qū)，本研究以開都河上游為研究靶區(qū)（圖1），其集水面積約18 586 km2，由積雪融水和降水混合補給。

圖1 開都河上游水系及站點分布

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

建立SWAT 模型所需數(shù)據(jù)如表1 所示。根據(jù)SWAT 土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)土地利用重分為林地、草地、水域、建設(shè)用地、濕地和未利用土地6類，2000—2015 年研究區(qū)土地利用變化主要是未利用土地轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸亍Ｓ捎诔鞘谢挠绊懀芯繀^(qū)農(nóng)村居民點大幅度減少，出現(xiàn)城鎮(zhèn)化，導(dǎo)致建設(shè)用地總面積占比減少0.06 個百分點（圖2、表2）。根據(jù)世界土壤數(shù)據(jù)庫HWSD 將研究區(qū)土壤重分為9 類（圖3）。

圖2 開都河上游土地利用類型

圖3 研究區(qū)土壤類型分布

表1 SWAT 模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表2 2000 年、2015 年開都河上游土地利用面積比例

2.2 研究方法

2.2.1 SWAT 模型 SWAT 模型是由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的基于長時間序列的大尺度分布式水文模型［28］。其運行順序遵循：①數(shù)據(jù)準(zhǔn)備；②子流域劃分和水文響應(yīng)單元劃分；③參數(shù)敏感性分析；④參數(shù)率定；⑤模型驗證。設(shè)置1985—1989 年為模型預(yù)熱期，1990—2003 年為率定期，2004—2010 年為驗證期，以評估模型在月尺度上的徑流模擬能力。

采用SWAT-cup 軟件，利用大山口水文站徑流數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行率定和驗證。選擇26 個與徑流有關(guān)的主要參數(shù)，采用SUFI_2 算法進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。根據(jù)參數(shù)敏感性水平t值和參數(shù)顯著性水平P值篩選保留13 個敏感參數(shù)，經(jīng)過多次率定不斷調(diào)整參數(shù)范圍，縮小范圍尋找最佳值。選取線性回歸方程決定系數(shù)R2、Nash-Sutcliffe 效率系數(shù)NSE和偏差系數(shù)PBIAS作為評價指標(biāo)，直到模擬結(jié)果驗證通過，具體公式如下。

決定系數(shù)R2：

Nash-Sutcliffe 效率系數(shù)NSE：

偏差系數(shù)PBIAS：

式中，n是模擬時間數(shù)，QO是徑流觀測值，QS是徑流模擬值是觀測數(shù)據(jù)平均值是徑流模擬的平均值。當(dāng)R2＞0.6，NSE＞0.5，|PBIAS|＜20%，表示模型模擬結(jié)果可接受。

2.2.2 情景設(shè)置 設(shè)置如下情景，評估氣候變化與土地利用對徑流的影響。

1）氣候變化和土地利用對徑流的綜合影響。將氣象數(shù)據(jù)分為 1990—2003 年、2004—2017 年 2 個時段，2000 年、2015 年 2 期土地利用數(shù)據(jù)，設(shè)置不同的土地利用和氣象數(shù)據(jù)情景組合（表3）。

表3 氣候變化和土地利用綜合情景設(shè)置

情景1 和情景2 對比得到氣候和土地利用變化對開都河流域徑流的綜合影響，情景1 和情景3 對比，得到氣候變化對徑流的影響，情景1 和情景4 對比，得到土地利用變化對徑流的影響。

2）極端土地利用情景。為更好探討開都河流域土地利用變化對徑流的影響，設(shè)置極端土地利用變化情景，分析研究區(qū)內(nèi)不同土地利用類型對徑流的影響。以2000 年土地利用和1990—2017 氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在不考慮其他土地利用類型變化，只考慮草地和未利用土地變化的情況下，設(shè)置以下2 種極端土地利用情景，探討開都河流域土地利用變化對徑流的影響。

情景1：將草地轉(zhuǎn)換為未利用土地；

情景2：將未利用土地轉(zhuǎn)換為草地。

3）氣候變化情景。在全球氣候變化背景下，根據(jù)未來氣候變化的可能范圍，基于2000 年土地利用，1990—2017 年氣象數(shù)據(jù)，設(shè)置2 種氣候變化情景：保持現(xiàn)有降水不變，氣溫分別+1、+2 ℃；保持現(xiàn)有氣溫不變，降水分別+10%、+20%、-10%、-20%。

3 結(jié)果與分析

3.1 SWAT 模型校準(zhǔn)與驗證

經(jīng)過多次迭代率定，最終確定13 個敏感參數(shù)的敏感性排序和最佳值（表4）。模型在率定期的R2、NSE和PBIAS分別是 0.85、0.84、6.2%，驗證期R2、NSE和PBIAS分別是 0.78、0.69、1.6%（表 5），表明SWAT 模型在開都河流域具有較好的適用性。SWAT 模型在開都河流域月尺度徑流模擬結(jié)果如圖4 所示。總的來說，模擬徑流量略低于實測徑流量。

圖4 開都河流域大山口水文站率定期（a）和驗證期（b）月徑流模擬結(jié)果

表4 開都河流域大山口水文站徑流敏感性參數(shù)

表5 開都河流域大山口水文站月徑流模擬結(jié)果

3.2 情景模擬分析

3.2.1 氣候變化和土地利用綜合情景 情景1、2、3、4 的年平均徑流量分別是116.94、115.11、115.56、116.49 m3/s。對比情景1 和情景2，氣候變化和人類活動對徑流的綜合作用使年平均徑流量減少1.83m3/s。對比情景1 和情景3，在氣候變化影響下，年平均徑流量減少1.38 m3/s，占徑流變化總量的75.47%。對比情景1 和情景4，土地利用變化導(dǎo)致年平均徑流量減少0.45 m3/s，占徑流總變化量的24.53%。分析4 種情景下徑流變化量及占比，發(fā)現(xiàn)氣候變化是大山口水文站徑流減少的主要影響因素。

3.2.2 極端土地利用情景 情景1 將草地轉(zhuǎn)換為未利用土地時，年平均徑流量增加1.32 m3/s，增幅為1.14%。情景2 將未利用土地轉(zhuǎn)換為草地時，年平均徑流量減少0.27 m3/s，降幅為0.23%。分析2 種極端土地利用情景模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，草地情景下，大山口年平均徑流量有減少的趨勢；未利用土地情景下，年平均徑流量呈現(xiàn)上升趨勢，且未利用土地情景下徑流量增幅大于草地情景的減幅。

3.2.3 氣候變化情景 在保持氣溫不變的情況下，降水量減少20%時，年平均徑流量減少29.31 m3/s，減幅25.27%；降水量減少10%時，年平均徑流量減少14.32 m3/s，減幅12.34%；降水量增加10%時，流域年平均徑流量增加15.72 m3/s，增幅13.55%；降水增加20%時，流域年平均徑流量增加30.91 m3/s，增幅26.64%。保持降水不變情況下，氣溫升高1 ℃，年平均徑流量減少0.58 m3/s，減幅0.50%；氣溫升高2 ℃年平均徑流量減少1.12 m3/s，減幅0.97%。分析不同情景模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，徑流量與降水成正相關(guān)關(guān)系，與氣溫成負(fù)相關(guān)關(guān)系（表6）。

表6 不同氣候變化情景下開都河流域多年平均徑流量變化

4 討論

運用SWAT 分布式水文模型通過情景分析方法，設(shè)置3 類氣候變化和土地利用變化情景，定量評估開都河流域氣候變化和人類活動對徑流的影響。研究結(jié)果顯示，在氣候變化和人類活動共同影響下徑流量呈減少趨勢，可能會導(dǎo)致水資源問題更加嚴(yán)峻。應(yīng)當(dāng)對研究區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理規(guī)劃，以應(yīng)對嚴(yán)峻的水資源問題。從極端土地利用情景來看，草地對徑流有減緩作用，有利于涵養(yǎng)水源、保持水土。適當(dāng)?shù)卦黾硬莸孛娣e、減少未利用土地面積，有助于合理配置水資源。氣候變化情景下，徑流與降水成正相關(guān)關(guān)系，與氣溫成負(fù)相關(guān)關(guān)系。氣溫對徑流的影響表現(xiàn)在兩個方面，一是氣溫升高，蒸發(fā)增強，導(dǎo)致徑流量變化，二是氣溫升高導(dǎo)致冰川融化，短期內(nèi)導(dǎo)致徑流增加；長遠(yuǎn)看來，山區(qū)的冰川數(shù)量減少，徑流量達(dá)到最大值后，會出現(xiàn)下降的情況［16］。

1990—2017 年在氣候變化和人類活動的共同作用下，開都河流域大山口水文站徑流量呈下降趨勢，這與魏光輝［20］和洪波等［26］所研究的開都河流域1960—2007 年、2011 年氣候變化與人類活動導(dǎo)致徑流量呈增加趨勢的研究結(jié)果不同，但是與巴烏龍［17］、張玉娜［22］、何旦旦［23］、羅映雪［29］等預(yù)測的開都河未來徑流量呈下降趨勢的研究結(jié)果一致。說明開都河流域徑流量變化正面臨從上升趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆档年P(guān)鍵時刻，如何在新疆呈現(xiàn)“暖濕化”這一現(xiàn)象過程中實現(xiàn)水資源的合理調(diào)配和可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

5 結(jié)論

基于SWAT 模型運用情景分析方法定量分析氣候變化和人類活動對開都河上游徑流的影響，得出如下結(jié)論。

SWAT 模型在開都河流域徑流模擬中具有較好的適用性。率定期、驗證期的決定系數(shù)R2分別為0.85、0.78；納什系數(shù)NSE分別是 0.84、0.69；偏差系數(shù)PBIAS分別是6.2%、1.6%，均高于本研究評價標(biāo)準(zhǔn)。

氣候變化和土地利用綜合情景分析得出，氣候變化是導(dǎo)致徑流變化的主要影響因素。氣候和土地利用共同作用導(dǎo)致年平均徑流量減少1.83 m3/s；氣候變化導(dǎo)致年平均徑流量減少1.38 m3/s，占徑流變化總量的75.47%；土地利用導(dǎo)致年平均徑流量減少0.45 m3/s，占徑流總變化量的24.53%。

極端土地利用情景表明，草地對徑流有減緩作用，未利用土地情景會導(dǎo)致徑流量上升。未利用土地全部轉(zhuǎn)換為草地，流域多年平均徑流量減少0.27 m3/s，減幅0.23%；草地全部轉(zhuǎn)換為未利用土地，多年平均徑流量增加1.32 m3/s，增幅1.14%。

氣候變化情景表明，徑流與降水變化成正相關(guān)關(guān)系，與氣溫成負(fù)相關(guān)關(guān)系。在不考慮冰川積雪融水的情況下，保持氣溫不變，降水量減少10%、20%時，年平均徑流量分別減少14.32、29.31 m3/s，減幅分別為12.34%、25.27%，降水量增加10%、20%時，年均徑流量分別增加 15.71、30.91 m3/s，增幅13.55%、26.64%。保持降水不變，氣溫升高1 ℃和2 ℃，年均徑流量分別減少了0.58、1.12 m3/s，減幅分別為0.50%、0.97%。