不同氣候變化情景模式對大凌河中游水土流失影響研究

康 建

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽110003）

不同氣候變化情景模式對大凌河中游水土流失影響研究

康 建

（遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽110003）

為定量分析不同氣候變化情景模式對大凌河中游水土流失的影響，以大凌河中游大城子站以上集水區(qū)域作為研究流域，基于大城子站2000—2010年水文數(shù)據(jù)，運用分布式水文模型SWAT模型，定量模擬分析4種氣候變化情景模式對大凌河水土流失的影響。研究結(jié)果表明：SWAT模型在大凌河中游水土流失具有較好的模擬精度，模型在參數(shù)率定期和驗證期，模擬的水土流失相對誤差＜15%，確定性系數(shù)達(dá)到0.6以上，模型可用來定量評價不同氣候變化情景模式對大凌河中游水土流失的影響；在4種氣候變化情景模式下，在降水量不發(fā)生變化前提下，氣溫升高4℃和減低4℃，流域水土流失相應(yīng)減少20%和增加20.87%，在氣溫不發(fā)生變化的前提下，降水量減少15%和增加15%，流域水土流失相應(yīng)減少31.30%和增加33.91%。

氣候變化情景模式；SWAT模型；大凌河中游；水土流失；影響

大凌河中游大城子水文站以上區(qū)域位于遼寧西部地區(qū)，遼寧西部地區(qū)是遼寧水土流失最為嚴(yán)重的區(qū)域，據(jù)統(tǒng)計，遼寧西部地區(qū)水土流失面積達(dá)到17萬hm2，占全區(qū)總面積的70%，大凌河土壤侵蝕模數(shù)0.25～0.5萬t／km2，大凌河年輸沙量達(dá)到900多萬t，大量的泥沙淤積在水庫里，造成大都水庫泥沙淤積較為嚴(yán)重。當(dāng)前，全球氣候變化使得流域的生態(tài)水文發(fā)生變化，定量分析不同氣候變化情景模式對流域水土流失的影響也一直是國內(nèi)外許多學(xué)者的研究熱點，因此本文結(jié)合大凌河水土流失實際情況以及當(dāng)前國內(nèi)外關(guān)于定量分析不同氣候變化情景模式對流域水土流失影響研究的熱點問題，展開定量分析不同氣候變化情景模式對大凌河中游水土流失影響的研究［1－3］。隨著地理信息和計算機(jī)的快速發(fā)展，分布式水文模型為定量分析不同氣候變化情景模式對流域水土流失的影響提供了模擬分析的平臺，分布式水文模型SWAT模型在定量分析不同氣候變化情景模式對流域水土流失的研究取得一定的研究成果，但在大凌河的運用研究較少，因此本文運用分布式水文模型SWAT模型定量模擬分析四種氣候變化情景模式對大凌河中游水土流失的影響，研究成果對于大凌河中游水土流失防治和治理規(guī)劃提供參考價值［4－6］。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

本文以大凌河中游大城子以上集水區(qū)域作為研究區(qū)域，大凌河位于遼寧西部，是遼寧西部最大的河流，河流全長392 km，流域面積為2.35×104km2，流域多年平均降水量為450～600mm，降水時空分布不均勻，主要集中在7月和8月，年多年平均徑流量為1.68×109m3，大凌河流域水土流失較為嚴(yán)重，含沙量達(dá)到57 kg／m3，大城子水文站位于大凌河中游段，大城子水文站集水面積為5 029 km2，大城子以上流域內(nèi)有15個降雨站點，各站點具體分布情況見圖1。

1.2 研究方法

SWAT模型可以將不同氣候模式情景作為輸入，模擬氣候變化情景模式后的流域水土流失量，通過選定代表年份，可以定量分析氣候變化情景模式前后流域水土流失的改變量和變化率，從而定量分析不同氣候變化情景模式對流域水土流失的影響，SWAT模型氣候變化情景模式輸入和水土流失模擬的具體原理，考慮文章篇幅原因，可以詳見參考文獻(xiàn)，SWAT模型將水量作為水土流失模擬的輸入項，因此在定量模擬水土流失的同時，還需要模擬流域的水量［7－8］。

圖1 研究流域水系及站點分布圖

1.3 模型輸入數(shù)據(jù)

模型輸入的數(shù)據(jù)有DEM數(shù)據(jù)，土壤類型分布數(shù)據(jù)、土地利用類型數(shù)據(jù)以及水文氣象數(shù)據(jù)，其中DEM數(shù)據(jù)下載與美國地理協(xié)會提供的分辨率為90s全球DEM數(shù)據(jù)，利用流域邊界，截取得到了研究區(qū)域DEM數(shù)據(jù)（見圖2（a），土壤數(shù)據(jù)下載于聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織全球分辨率為1：400，0000的土壤類型空間分布數(shù)據(jù)，結(jié)合流域邊界截取得到研究區(qū)域土壤類型空間分布數(shù)據(jù)（見圖2（b）），土地利用數(shù)據(jù)下載于中科院地理所提供的全國分辨率為1 km×1 km的土地利用類型數(shù)據(jù)，運用地理信息軟件，結(jié)合流域邊界，獲取了研究流域土地利用類型數(shù)據(jù)（見圖2（c））；水文數(shù)據(jù)選用大城子水文站2000—2010年流量和含沙量數(shù)據(jù)以及流域內(nèi)15個降雨站點2000—2010年降水?dāng)?shù)據(jù)；氣象數(shù)據(jù)選用大城子氣象站2000—2010年氣象要素數(shù)據(jù)，其中氣象要素數(shù)據(jù)包括：最高、最低氣溫、日照時數(shù)、相對濕度、太陽輻射、風(fēng)速。

圖2 模型所需空間數(shù)據(jù)

2 不同氣候變化情景模式對大凌河中游水土流失影響定量分析

2.1 SWAT模型率定和驗證

基于大城子2000—2010年水文數(shù)據(jù)，對SWAT模型進(jìn)行水量和水土流失模擬參數(shù)率定和驗證，參數(shù)率定和驗證的成果見表1和圖3～4。

表1 模型徑流模擬成果表

表2 模型水土流失模擬成果表

圖3 代表年份徑流模擬成果圖

圖4 代表年份泥沙模擬成果圖

從表1中可以看出，SWAT模型在大凌河中游的水量模擬具有較好的適用性，在模型參數(shù)率定期和驗證期，模擬的徑流深相對誤差均在10%以內(nèi)，確定性系數(shù)達(dá)到0.8以上，滿足水量模擬的規(guī)范要求（徑流深相對誤差＜10%，確定性系數(shù)0.7以上），其次從表2中可以看出，SWAT模型在大凌河中游水土流失模擬也具有較好的模擬精度，在模型參數(shù)率定期和驗證期，模型模擬的輸沙量相對誤差＜20＆，確定性系數(shù)達(dá)到0.6以上，滿足水土流失模擬的精度規(guī)

范要求（輸沙量相對誤差＜20%，確定性系數(shù)達(dá)到0.5以上），模型可以用來模擬大凌河中游的水土流失，從圖3和圖4，模型模擬的水量和水土流失與實測值對比結(jié)果可以看出，模型模擬的水量和水土流失在過程上與實測值具有較好的吻合度和一致性。綜上，SWAT模型適合于大凌河中游的水土流失模擬，可以進(jìn)一步分析不同氣候變化情景模式下的水土流失影響。

2.2 不同氣候變化情景模式對大凌河中游水土流失影響研究

為定量分析不同氣候變化情景模型對大凌河中游水土流失的影響，設(shè)定4種不同氣候變化情景模式，運用已率定和驗證的SWAT模型，以4種不同氣候變化情景模式為輸入，選取2009年為代表年份，定量分析4種氣候情景模式變化前后2009年流域水土流失變化量和變化率，從而定量分析不同氣候變化情景模式對流域水土流失的影響。研究結(jié)果見表5。

表4 4種氣候變化情景方案

表5 氣候變化情景模式下水土流失影響

從表5中可以看出在氣候變化情景模式I中，氣溫升高4℃，降水量不變化使得流域水土流失減少2.3×104t，變化率為－20%，主要是因為在降水不變的前提下，氣溫升高，使得流的潛在蒸散發(fā)增加，在水循環(huán)中，降水量不變，蒸發(fā)量增加，流域徑流量相應(yīng)減少，而徑流作為水土流失的載體，徑流量相應(yīng)減少使得流域水土流失量減少，而在氣候變化情景模式II中，氣溫減低4℃，流域水土流失增加2.3×104t，水土流失增加率為20.87%，同氣候變化情景模式1一樣，氣溫降低，使得流域蒸發(fā)減少，降水量不變的前提下，流域徑流量增加，使得流域水土流失增加。在氣候變化情景模式III中，氣溫不發(fā)生變化，直接增加流域15%降水量，流域水土流失增加3.9×104t，增加率為33.91%，變化較為顯著，在氣溫不變的前提下，降水量增加直接增加流域徑流量，從而使得流域水土流失量增加顯著，而同樣對于氣候變化情景模式IV，氣溫不變，降水量減少15%，使得流域徑流量減少，從而減少流域水土流失量，流域水土流失量減少3.6×104t，減少率為31.30%。

3 結(jié) 論

本文運用SWAT模型定量分析不同氣候變化情景模式對大凌河中游水土流失的影響，研究取得以下結(jié)論：

1）SWAT模型在大凌河中游大城子以上流域水土流失具有較好的模擬精度，模型在參數(shù)率定期和驗證期，水土流失模擬相對誤差小于20%，確定性系數(shù)達(dá)到0.6以上，滿足水土流失模擬精度規(guī)范要求，SWAT模型可以用來模擬大凌河中游不同氣候變化情景模式對流域水土流失的影響。

2）在降水不變化的前提下，氣溫升高和降低4℃，流域水土流失變化率分別為－20%和20.87%，氣溫升高，流域水土流失增加，相反，氣溫減低，流域水土流失量減少。

3）在氣溫不變的前提下，降水量增加和減少15%，流域水土流失變化率為33.91%和－31.30%，降水量增加，流域水土流失量減少，降水量減少，水土流失量相應(yīng)減少。

［1］李慶云.黃土丘陵區(qū)流域徑流泥沙對氣候變化和高強(qiáng)度人類活動響應(yīng)研究［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2011.

［2］張鵬飛.不同氣候條件下密云水庫流域非點源污染評價［D］.北京：首都師范大學(xué)，2013.

［3］馬國軍.基于SWAT模型的湟水河流域生態(tài)水文效應(yīng)研究［D］.鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

［4］刁文博.變化環(huán)境對無定河流域水沙的影響［D］.西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

［5］邵輝.渭河流域水土流失變化對梯田措施響應(yīng)的模擬研究［D］.西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013.

［6］李明濤.密云水庫流域土地利用與氣候變化對非點源氮、磷污染的影響研究［D］.北安：首都師范大學(xué)，2014.

［7］唐麗霞.黃土高原清水河流域土地利用／氣候變異對徑流泥沙的影響［D］.北京：北京林業(yè)大學(xué)，2009.

［8］王林.基于SWAT模型的晉江流域產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬［D］.福州：福建師范大學(xué)，2008.

Research of Soil and Water Loss Impact on Daling River in Different Climate Change Scenarios

KANG Jian
（Liaoning Hydraulic Civil Engineering Consultation Ltd.，Shenyang 110003，China）

In order to analyze quantitatively the impact on soil and water loss of the Daling River in different climate change scenarios，taking the collection area up to Dachengzi station in middle streams of the Daling River as the research basin，based on the hydrological data of Dachengzi Station from 2000 to 2010，the SWAT model，a hydrological model distributed was applied to analyze quantitatively the impact on soil and water loss of Daling River in four climate change scenarios.The results show that SWATmodel is accurate in simulating the accuracy of soil and water loss of themiddle Daling River，the relative error on soil and water loss simulated is less than 15%and the certainty factors reach over 0.6 during the parameter rate period and verification period ofmodel，the model may be used to analyze quantitatively the impact on soil and water loss of themiddle Daling River in different climate change scenarios.In the four climate change scenarios，under the premise of no change in precipitation，as temperature 4℃increase or 4℃reduction，the soil and water loss of the basin is to reduce 20%or increase 20.87%correspondingly；under the premise that the temperature does not change，precipitation will reduce 15%and increase 15%，the soil and water loss will reduce 31.3%and increase 33.91% correspondingly.

climate change scenario；SWAT model；middle stream of the Daling River；soil and water loss；impact

S157

B

2014－10－31

康建（1982－），男，遼寧沈陽人，助理工程師，從事水利工程管理工作。

1007－7596（2015）06－0004－04