基于SWAT模型的烏魯木齊河上游土地利用和氣候變化對徑流的影響

祖拜代·木依布拉,師慶東,普拉提·莫合塔爾,張 潤

1 中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 北京 100081 2 新疆大學(xué)干旱生態(tài)環(huán)境研究所, 烏魯木齊 830046 3 新疆大學(xué)旅游學(xué)院, 烏魯木齊 830049 4 中國科學(xué)院青藏高原研究所環(huán)境變化與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

地表徑流的時(shí)空演變很大程度上受到土地利用和氣候變化的影響[1- 2],這種影響并非是單項(xiàng)式的交互作用,而流域系統(tǒng)要素間的多項(xiàng)式交互作用所導(dǎo)致的[3],模擬和預(yù)測兩者的水文響應(yīng),有利于決策者提出合理的流域管理措施。目前所應(yīng)用的水文模型種類較多,其中由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究中心(ARS)與德克薩斯農(nóng)工大學(xué)開發(fā)的SWAT分布式水文模型整合了多個(gè)水文模型的特征,具有很強(qiáng)的物理機(jī)制[4]。該模型通過多種方式離散化流域,反映流域的空間異質(zhì)性和水文物理過程[5- 6],能夠較好的模擬人類活動(dòng)對流域水文循環(huán)的影響[7- 8]。因此,SWAT模型在國內(nèi)外不同流域徑流模擬中應(yīng)用廣泛,效率較高。

水資源是制約西北干旱區(qū)綠洲社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。烏魯木齊河是西北干旱區(qū)典型的內(nèi)流河,也是新疆首府烏魯木齊市的主要水源,不僅承載著首府社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的日益增長的用水需求,而且作為絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)中的樞紐城市支撐著國家向西開放的戰(zhàn)略需求。隨著人口的增加、城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及氣候的區(qū)域性變化,導(dǎo)致該流域水資源供需矛盾突出[9- 11]。因此,在氣候變化和人類活動(dòng)影響下,建立適合烏魯木齊河流域的水文模型,模擬和預(yù)測烏魯木齊河徑流變化,對水資源的合理分配以及利用效率的提高具有極其重要的意義。相對于我國其他類型的河流徑流變化,在西北典型河流對氣候和土地利用變化的水文響應(yīng)方面的研究中,SWAT模型運(yùn)用得仍為較少。盡管有學(xué)者對SWAT模型在烏魯木齊河上游徑流模擬的適用性進(jìn)行了初步研究[12- 13],但在變化環(huán)境下的水文效應(yīng)方面有必要進(jìn)行系統(tǒng)研究。

基于以上背景,本研究考慮到數(shù)據(jù)的可獲取性和代表性,選擇烏魯木齊河上游為研究區(qū),探討了SWAT模型在研究的適用性。在此基礎(chǔ)上,通過設(shè)計(jì)不同的土地利用和氣候變化情景,定量分析了二者對流域徑流量的影響,并分別分析了單一土地利用類型和不同氣候變化情景對流域徑流的影響。研究結(jié)果可為烏魯木齊河流域水資源管理和規(guī)劃提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

圖1 烏魯木齊河上游示意圖Fig.1 Sketch map of Upper Urumqi Watershed

烏魯木齊河發(fā)源于天山中段北坡天格爾峰Ⅱ北側(cè)的1號冰川,流經(jīng)烏魯木齊市,流入到準(zhǔn)葛爾盆地南緣沙漠中,流域全場214 km總面積46842。流域上游有1958年設(shè)立的英雄橋水文站,位于87°02′E,43°37′N,海拔1920 m。本文研究區(qū)為英雄橋水文站以上的山區(qū),其集水面積為9212,冰川面積占集水面積的4%。研究區(qū)多年平均氣溫-1℃,平均徑流量為2.44×108m3,其中,降水補(bǔ)給占河流年徑流總量的80%以上。圖1為研究區(qū)示意圖。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)提供的世界協(xié)調(diào)土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD),研究區(qū)內(nèi)主要的土壤類型有松軟薄層土(Mollic Leptosols),永凍薄層土(Gelic Leptosols),鈣積黑鈣土(Calicic Chernozems),簡育灰色土(Haplic Greyzems),冰川(Glaciers)和簡育栗鈣土(Haplic Greyzems)。根據(jù)SWAT模型土地分類要求,本文將土地利用類型分為林地、灌叢、草地、冰川水域、裸巖石礫地和未利用地6類。2000年和2011年研究區(qū)土地利用類型以草地和林地為主(圖2,表1)。

圖2 烏魯木齊河上游土地利用類型空間分布Fig.2 Spatial distribution of land use in Upper Urumqi Watershed

2 研究方法

2.1 SWAT模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

模型輸入數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)詳情為表2所示。此外,為了連接數(shù)據(jù)庫中屬性數(shù)據(jù)與其對應(yīng)的空間數(shù)據(jù),分別建立了土地利用和土壤類型索引表。為了填補(bǔ)氣象數(shù)據(jù)中的缺失數(shù)據(jù),用SWAT Weather軟件生成天氣發(fā)生器(WXGEN)用于氣象數(shù)據(jù)插值。

表1 2000,2011年烏魯木齊河流域上游土地利用面積比例/%

表2 SWAT模型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)列表

2.2 模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證

研究表明,ArcSWAT模型自帶的模型校準(zhǔn)和驗(yàn)證工具功能較弱[1],因此選取SWAT官網(wǎng)提供的SWATCUP對模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。為了減少模型運(yùn)行前期一些變量對模擬結(jié)果的影響,將1993—1994年作為預(yù)熱期,1994—2005年為模型校準(zhǔn)期,2006—2011年為模型驗(yàn)證期。由于目前對SWAT模型校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期時(shí)間長短沒有嚴(yán)格的要求,因此本研究中校正期和驗(yàn)證期的選擇是隨機(jī)的。

2.3 模型適用性評價(jià)：

模擬值與實(shí)測值的擬合度可以通過一系列統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來表征。本研究選用決定系數(shù)R2、效率系數(shù)NSE和相對偏差系數(shù)PBIAS來衡量模擬值與實(shí)測值的擬合度,以此評價(jià)SWAT模型在烏魯木齊河流域上游的適用性。其中,決定系數(shù)R2的表達(dá)式[14]為如下：

(1)

Nash-Sutcliffe模型效率系數(shù)(NSE)和偏差系數(shù)(PBIAS)的表達(dá)式[15]為：

(2)

(3)

其中,R2表示模擬值與實(shí)測值的吻合程度,取值為0—1,一般R2≥0.5時(shí)模擬結(jié)果可以接受,R2≥0.7時(shí)模擬比較準(zhǔn)確,R2=1時(shí)非常吻合。ENS用來判斷水文模型的模擬效果,取值為0—1,當(dāng)0.5≤ENS≤0.65時(shí)為滿意,0.650.75時(shí)很好。PBIAS為偏差系數(shù),-25%≤PBIAS≤25%時(shí),模擬結(jié)果可以接受。

2.4 情景設(shè)置

確定模型在研究區(qū)的適用性之后,通過設(shè)置如下3類情景來分析英雄橋水文站徑流對土地利用和氣候變化的響應(yīng)：

1)土地利用和氣候變化共同影響下的徑流模擬情景

為了區(qū)分氣候和土地利用變化對徑流的貢獻(xiàn)大小,通過將各時(shí)段的土地利用和氣象數(shù)據(jù)相互交叉,設(shè)計(jì)出四種子情景(表3)。以此為基礎(chǔ),對比不同子情景下的徑流響應(yīng),分別表征兩種因子的單一和共同作用：

a.情景1與情景3對比分析,獲取氣候變化下的流域徑流量;

b.情景1與情景4對比獲取土地利用變化下的徑流量;

c.情景1與情景2對比分析獲取土地利用和氣候二者綜合影響下的徑流量。

表3 模型模擬分析情景

2)極端土地利用變化情景

考慮到研究區(qū)主要的土地利用類型為草地和林地,剔除其他因素,以2000年土地利用數(shù)據(jù)和1994—2008年氣象數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),探討土地利用類型變化對徑流量的單一作用,從而設(shè)計(jì)出兩種子情景:

情景5：所有林地轉(zhuǎn)為草地時(shí)的徑流模擬情景；

情景6：所有草地轉(zhuǎn)為林地時(shí)的徑流模擬情景。

3)氣候變化情景

根據(jù)IPCC第五次評估報(bào)告,在未來氣候可能變化的范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出如下子情景(以2000年土地利用和1994—2002年氣象數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)期)：

a.氣溫不變,設(shè)置降水增加10%/20%和減少10%/20%的4種方案；

b.降水不變,氣溫升高1℃/2℃共兩種方案；

c.降水和氣溫兩兩組合下的8種方案

3 結(jié)果與分析

3.1 模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證

選擇和徑流有關(guān)的15個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析,經(jīng)分析得出對研究區(qū)徑流產(chǎn)生最敏感的參數(shù)有坡面漫流的曼寧系數(shù)(OV_N),基流系數(shù)(ALPHA_BF),降水遞減率(PLAPS),SCS徑流曲線系數(shù)(CN2)和地下水滯后系數(shù)(GW_DELAY)等?？梢?研究區(qū)徑流產(chǎn)生受坡面、氣象狀況和地下水與地表水轉(zhuǎn)換過程的影響較大。該結(jié)果與趙杰[12]等在烏魯木齊河流域的研究結(jié)果比較一致。英雄橋水文站敏感參數(shù)最佳值為表4所示。

經(jīng)模型參數(shù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證得出,校準(zhǔn)期R2和NSE值分別為0.89和0.84,PBIAS為18.9%；在驗(yàn)證期,R2和NSE分別為0.75和0.74,PBIAS為22.2%,表明SWAT模型在烏魯木齊河上游徑流模擬中有較好的適用性,可以進(jìn)行徑流模擬和預(yù)測。圖3和表5為烏魯木齊河流域上游月徑流模擬結(jié)果。

表4 烏魯木齊河流域上游英雄橋水文站徑流敏感性參數(shù)

v:賦值,replace; OV_N: Manning′s n value for overland flow; ALPHA_BF: Baseflow recession constant; PLAPS: Precipitation lapse rate; CN2: Curve number of moisture conditionⅡ; GW_DELAY: Groundwater delay time; CH_K1: Effective osmotic coefficient of tributaries; REVAPMN: Threshold depth of water in the shallow aquifer for revap; SOL_AWC: Available water of the soil layer; TLAPS: Temperature laps rate; CH_N1: Manning′s coefficient of tributary; CANMX: Maximum canopy storage; ESCO: Soil evaporation compensation factor; SLSUBBSN: Average runoff lag time; GW_REVAP: Groundwater revap coefficient

表5 烏魯木齊河流域上游SWAT模型月徑流模擬校準(zhǔn)和驗(yàn)證結(jié)果

圖3 烏魯木齊河上游英雄橋水文站徑流校正期和驗(yàn)證期模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of calibration and validation period of runoff in YingxiongQiao station in Urumqi Upper Watershed

3.2 情景模擬分析

1)氣候和土地利用共同影響下的徑流模擬情景

該情景分析結(jié)果表明：情景1、2、3、4的年均徑流量分別為8.69、7.28、7.32、8.65 m3/s(表6)。情景1與情景2對比得出,土地利用和氣候變化綜合影響引起年均徑流量減少1.41 m3/s。基于情景1,情景3中氣候變化引起年均徑流量減少1.37 m3/s,而情景4中,土地利用變化引起徑流量減少0.04 m3/s。情景3相對于情景1,年平均氣溫降低了8.5%,年平均降水量減少了6.3%,氣溫增幅較降水的大。情景4相對于情景1,林地面積增加了1.09%,草地面積減少了4.03%?？梢?研究時(shí)段內(nèi)氣候變化對徑流的影響強(qiáng)度較大。因此,在氣候變化背景下,合理規(guī)劃研究區(qū)土地利用類型,對水資源管理和規(guī)劃有重要的意義。

2)極端土地利用情景

當(dāng)17.27%的林地變草地時(shí),年均徑流量增加了0.1 m3/s(增幅為1.18%)；而當(dāng)69.64%的草地變林地時(shí),年均徑流量減少了0.58 m3/s(增幅為6.82%)(表7)?？梢?林地對流域徑流有截流作用,而草地具有增流作用。草地和林地面積的增加有利于提高研究區(qū)水源涵養(yǎng)、土壤保持和維護(hù)生物多樣性功能。但是,不同面積的草地和林地又對流域產(chǎn)流產(chǎn)生不同的影響。因此,適當(dāng)?shù)囊?guī)劃流域草地和林地面積是烏魯木齊河上游水資源合理配置的有效手段。

表6 綜合情景模擬結(jié)果

表7 烏魯木齊河上游極端土地利用情景下的徑流模擬結(jié)果

3)氣候變化情景

當(dāng)氣溫不變,降水量增加10%和20%時(shí),流域年均徑流量分別增加了3.85 m3/s(44.3%)和4.83 m3/s(55.5%)；當(dāng)降水量減少10%和20%時(shí),年均徑流量減少了0.93 m3/s(10.7%)和2.25 m3/s(25.9%)?？梢?流域內(nèi)年均徑流量隨著降水的增加而增加,徑流變化幅度與降水變化幅度成正比。保持降水不變,當(dāng)氣溫升高1℃和2℃時(shí),年均徑流量減少了2.71 m3/s(31.2%)和3.02 m3/s(34.8%)(表8)。出現(xiàn)此結(jié)果的原因可以解釋為降水對徑流的影響是直接的,而溫度通過影響蒸發(fā)而影響流域徑流。尤其在干旱區(qū),不考慮冰川融水徑流的情況下,溫度的升高會(huì)增加流域徑流的蒸發(fā)量,從而減少流域總徑流量。可見,在干旱區(qū),人類活動(dòng)較小的流域,徑流對氣候變化很敏感。

表8 烏魯木齊河上游氣候變化情景設(shè)計(jì)表

P:降水,precipitation;T:氣溫,temperature

4 結(jié)論與討論

本文應(yīng)用SWAT分布式水文模型,通過校準(zhǔn)和驗(yàn)證,證明了模型在典型干旱區(qū)高寒山區(qū)流域—烏魯木齊河流域上游的適用性,通過設(shè)置3類情景定量分析了土地利用和氣候變化對產(chǎn)流量的影響,結(jié)果表明：

1)SWAT模型在英雄橋水文站徑流模擬中具有較好的適用性。本研究參數(shù)敏感性分析結(jié)果表明,研究區(qū)產(chǎn)流受坡面、氣象狀況和地下水與地表水轉(zhuǎn)換過程的影響較大,該結(jié)果與前人的研究結(jié)果較一致。但由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,參數(shù)較多[16],存在輸入的不確定性[17]、參數(shù)的不確定性等問題,因此模型評價(jià)結(jié)果與其他相關(guān)研究結(jié)果也存在一定的差異。為此,在以后的研究中需要對模型不確定性進(jìn)行深入分析。

2)定量分析土地利用與氣候變化對徑流的影響得出,氣候變化和土地利用變化共同作用下年均徑流減少了1.41 m3/s。與基準(zhǔn)期相比,土地利用變化引起徑流量減少0.04 m3/s,而氣候變化引起徑流量減少1.37 m3/s?？梢?氣候變化對研究區(qū)徑流的影響強(qiáng)度大于土地利用變化。另外,土地利用和氣候兩者共同影響下徑流仍有減少趨勢,這可能會(huì)導(dǎo)致下游用水形式更加嚴(yán)峻,也將對整個(gè)流域的生態(tài)環(huán)境造成較大影響。因此,合理規(guī)劃土地利用結(jié)構(gòu),優(yōu)化土地利用布局是對應(yīng)氣候變化帶來的水文負(fù)效應(yīng)的有效措施,也是實(shí)現(xiàn)下游合理分配水資源的有效手段。對于徑流的年內(nèi)和年際變化,以及突變點(diǎn)分析在下一步工作中需要重點(diǎn)討論。

3)極端土地利用變化模擬結(jié)果表明,林地變草地的情景下,年均徑流量增加1.18%；而當(dāng)草地變林地時(shí),年均徑流量減少6.852%?？梢?在研究區(qū)林地對徑流的減緩作用較強(qiáng)。草地和林地面積的增加有利于提高研究區(qū)水源涵養(yǎng)、土壤保持和維護(hù)生物多樣性功能。但是,不同面積的草地和林地又對流域產(chǎn)流的影響不同,林地具有截留作用,而草地有增流作用。因此,適當(dāng)?shù)囊?guī)劃流域草地和林地面積是提高研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,合理配置水資源的有效手段。

4)氣候變化模擬情景結(jié)果表明,在不考慮冰川融水徑流的前提下,降水量增加10%和20%時(shí),年均徑流量增加了44.3%和55.5%；當(dāng)降水量減少10%和20%時(shí),年均徑流減少10.7%和25.91%。氣溫升高1℃和2℃時(shí),年均徑流減少31.2%和34.8%?？梢娨越邓c融雪補(bǔ)給為主的高寒山區(qū)河流[13- 14]徑流量受降水和溫度的影響都比較大,其中降水增加對徑流量的影響最顯著。由于SWAT模型不能模擬冰川融水過程,本研究中現(xiàn)有較小面積的冰川統(tǒng)一歸為水域來處理,這可能對模擬結(jié)果有一定的影響。因此,在后續(xù)的研究中,有必要在模型中添加冰川模塊來提高模擬精度。