基于SWAT的西北干旱區(qū)縣域水文模擬
——以臨澤縣為例

羅開盛, 陶福祿

1 南京信息工程大學遙感與測繪工程學院, 南京 210044 2 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101

水文模擬一直是水科學研究的熱點和重點,也是水資源研究的基礎[1],通過水文模擬可以了解各地區(qū)水資源狀況,揭示水文規(guī)律,為水資源開發(fā)利用和進一步的水文研究奠定基礎。國內外大量的研究在流域尺度上對水文過程進行了模擬和水資源狀況進行了分析[2- 4]。中國的各大流域的水文過程得到廣泛模擬,其中SWAT水文模型也成為水文模擬的重要工具,在黃河、長江、淮河、渭河等流域取得了較好的模擬效果[5- 9]。

水是西北干旱區(qū)生命和經濟活動之源,有水就是綠洲,無水便成沙漠。水資源短缺是制約中國干旱地區(qū)社會經濟與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要因素[10]。不少研究者對中國干旱地區(qū)的流域進行了水文模擬[11-13],例如宋一凡等[11]將SWAT模型應用到艾布蓋河流域進行水文過程的模擬,丁程峰等[12]利用SWAT模型模擬了烏魯木齊河流域對森林變化的水文響應過程。這些研究對掌握西北干旱區(qū)對應流域水文水資源的形成、演化和分布規(guī)律,理解氣候變化和人類活動對流域水文過程的影響做出了重要貢獻。然而干旱區(qū)由于水資源更加短缺以及對經濟社會發(fā)展的制約作用,國家對水資源的管理和配置不斷加強,例如黑河流域水資源和水權的分配。但是這種管理和配置是基于縣域尺度,以往流域尺度的水文模擬無法滿足實踐的需求,必須在流域尺度上進一步細化。

總之,雖然流域尺度的水文模擬相關研究相當多,取得了重要進展,但是流域尺度上的水文模擬需要進一步細化到縣域尺度上才能更好地滿足水資源管理和分配的需求。因為流域水資源管理和分配往往是以行政單位進行,決策者迫切需要掌握縣域范圍內的水文狀況。然而縣域尺度的水文模擬研究鮮有報道,縣域水文過程又是怎樣及其對水資源產生何種影響？這些問題并不清楚。要回答這些問題需要在縣域尺度上進行水文模擬,這對流域水資源管理和配置具有重要的科學指導意義。

基于此,本文以西北干旱區(qū)的臨澤縣為典型研究區(qū),在縣域尺度上利用SWAT模型進行水文過程的模擬,揭示1980—2012年臨澤縣水文要素變化規(guī)律并結合Mann-Kendall方法分析其年際變化,進而估算臨澤縣1980—2012地表水資源和生態(tài)用水的數量并闡明其動態(tài)變化特征。

1 數據和方法

1.1 研究區(qū)概況

臨澤縣(38°57′—39°42′N, 99°51′—100°30′E)位于甘肅省河西走廊中段,地處巴丹吉林沙漠南緣,隸屬于張掖市,是河西走廊上的一個重要農業(yè)縣?？h域面積2727 km2,東西寬約49.7 km,南北長約77 km；地勢南北高,中間低,由東南向西北逐漸傾斜,海拔1380—2278 m(圖1)。研究區(qū)年均氣溫7.6℃；年均降水量117 mm,多集中在7—9月,約占全年降水量的65%,年均日照時數可達3045 h；土地利用類型有耕地、林地、草地、水域、沙漠、戈壁、鹽堿地、沼澤等[14]。地表水資源主要來自黑河、梨園河。全縣為灌溉農業(yè),有平川、板橋、鴨暖、蓼泉、小屯、梨園河(新華、沙河、倪家營)6個灌區(qū)。農作物有小麥、制種玉米、番茄、棉花、溫室蔬菜等,沙地植被以灌木為主,有沙拐棗(CalligonumarborescensLitv)、梭梭(Chenopodiaceae)、檉柳(TamarixchinensisLour)、花棒(Hedysarumscoparium)、檸條(Caraganaintermediaintermedia)等,喬木有二白楊(PopulusgansuensisC. Wang et H. L. Yang)等。土壤類型包括灰棕漠土、風沙土、灰鈣土、灌耕土、潮土、鹽土、草甸土和沼澤土8個類型。

圖1 研究區(qū)黑河中上游和臨澤縣概況Fig.1 Sketch map of the study map-the upstream and middle-stream in the Heihe River Basin and the Linze county

1.2 SWAT模型

SWAT(Soil and Water Assent Tool)模型是美國農業(yè)部(USDA)農業(yè)研究中心(ARS)1993年為美國水文模型(HUMUS)項目開發(fā)的大、中尺度流域環(huán)境模型,已經在美國18個主要流域以及其他國家得到廣泛應用。其水量平衡公式如下[3,4]:

ΔSW=P-Ea-DP+GGW

(1)

式中,ΔSW、P、Q、Ea、DP和GGW分別為土壤含水量、降水量、地表徑流量、實際蒸散發(fā)量、深層下滲量和地下水補給量。DP可分為產流的下滲(PERC)和匯流的河道下滲(TLOSS),淺層回歸流包括壤中流(LATQ)和地下徑流(GW),地表徑流采用改進的SCS模型的徑流曲線數方法計算。

本研究利用決定系數(R2)和NashSutcliffe效率系數(NS)來衡量模型校準期和驗證期的模擬效果。決定系數衡量模擬值和實測值的擬合效果,范圍為0—1,值越大表示模擬效果越好。一般來說R2大于0.5模擬效果就可以接受。納西系數(NS)的取值范圍為0—1,當NS=1,說明模擬值與實測值完美匹配。一般來說,如果NS≥0.75,模擬效果很好；如果0.36

(2)

(3)

式中,Qsim為模擬值；meanQsim為模擬值的算術平均值；Qabs為實測值；meanQabs為實測值的算術平均數；t指值的個數。

1.3 Mann-Kendall突變檢驗

序列觀測值(Y1,Y2,…,Yn),用Yq表示第q個樣本Yq>Yp的累積數(其中1≤p≤q)。

統(tǒng)計量：

(4)

式中,如果Yq>Yp,則Lq的值為1；反之則為0。將統(tǒng)計量標準化為：

(5)

式中,E(Fj)為Fj的平均值,E(Fj)=j(j-1)/4；Var(Fj)為方差,Var(Fj)=[j(j-1)(2j+5)]/72。

在給定α顯著水平情況下查正態(tài)分布表確定Uα/2,如果UFj>Uα/2或者UFj

(6)

式中,統(tǒng)計量序列曲線UF、UB和±Ua/2均繪在同一坐標平面內分析曲線走向。當曲線UF大于0則表明序列呈上升趨勢,反之則表明呈下降趨勢。當超過信度線值則表明上升或下降趨勢明顯。如果兩條曲線有交點且交點在信度線之間,則表明這個點所對應的時刻便是突變點[15]。

1.4 基礎數據處理

從中國科學院環(huán)境數據中心下載1986、1995、2005的3期土地利用數據,在ENVI軟件平臺中完成剪切、鑲嵌和投影轉換等數據預處理。1995年的土地利用數據用于模型的初始構建。模型需要的土地利用數據包括空間圖和對應的索引表。本研究利用如下索引表將土地利用類型轉換為SWAT模型能識別的4位代碼(表1)。

表1 土地利用索引表

SWAT把土壤分為2層進行模擬,土壤數據利用Harmonized World Soil Database(HWSD)的數據,HWSD數據土壤粒徑分類方法和美國制的相差很小。土壤的物理屬性可以通過HWSD的數據庫中查到,土層的濕容重、有效含水量和飽和滲透系數3個土壤屬性數值直接通過SPAW軟件計算獲得。土壤侵蝕力因子(USLE_K)的計算可以通過美國通用方程(USLE)計算獲得。

數字高程數據(DEM)從中國地理數據云(http://www.gscloud.cn/)下載,分辨率為30 m。按照行列號共下載12景影像,在ENVI軟件中鑲嵌后利用數字化邊界進行裁剪,投影轉換為Alber投影系統(tǒng)。DEM柵格中存在“凹陷柵格”,因此需要進行“填洼”的預處理,研究中利用三次卷積算法對DEM進行“填洼”的預處理。

通過中國氣象數據共享中心(http://cdc.cma.gov.cn/)下載7個氣象站(札馬什克、祁連、托勒、山丹、張掖、金塔、高高崖、臨澤)1980—2012年日降雨量、日平均氣壓、日最高溫、日最低溫、日平均風速、日照時間長度和日相對濕度數據,對數據進行整理與插補后構建SWAT模型氣象數據庫。

利用河道徑流數據模型校準和驗證,河道徑流數據來自于1980—2012年的甘肅省、青海省和內蒙古自治區(qū)的水文年鑒以及黑河流域管理局；選擇札馬什克、鶯落峽和正義峽3個水文站作為驗證站點。

2 結果與分析

2.1 模型校準和驗證

SWAT模型首先根據DEM劃分出子流域(Subbasin),在此基礎上根據土壤、坡度和土地利用數據進一步將子流域劃分成水文響應單元(HRU)。研究中所有土地利用和土壤類別都參與HUR的劃分。臨澤縣最終被劃分成28個子流域,98個HUR。河道實測徑流數據用于模型的校準和驗證,校準期為1980—1997年,驗證期為1998—2012年。從表2和圖2中可以看出模擬結果比較理想,完全能夠滿足應用的需求。

表2 水文站在校準期和驗證期的模擬結果

NS,Nash-Sutcliffe 效率系數,Nash-Sutcliffe Efficiency Coefficient

圖2 扎馬什克水文站、鶯落峽水文站和正義峽水文站的模擬值與實測值Fig.2 Observed and simulated values of the Zamashenke station,Yinluoxia station and Zhengyixia station in the upstream and middle-stream in the Heihe River Basin

2.2 年均水量平衡

計算得到臨澤縣1980—2012年的年均水量平衡。臨澤縣年均降雨量為117.99 mm,年均實際蒸發(fā)量為130.53 mm,年均下滲49.78 mm,年均壤中流補給量(LATQ)為68.95 mm,年均地下水補給量為48.00 mm,年均產流量為53.47 mm。臨澤縣年均地表徑流接近0,年均產水系數為0.16。年均實際蒸發(fā)量比年均降水量大12.54 mm,產流量主要由壤中流和地下徑流補給形成,二者的貢獻比大約是3∶4。

2.3 年水文分量的空間分布

圖3 臨澤縣1980—2012年產流系數、年均地下水補給和實際蒸散發(fā)量空間分布 Fig.3 The spatial distribution of water yield coefficient annual mean groundwater recharge and actual evaporation

從圖3可以看出,臨澤縣產水系數范圍為0—0.92,南部區(qū)域數值比北部大,最大值出現在北部區(qū)域。從整體上看,臨澤縣產流系數有北低南高的趨勢,空間差異比較大。將灌區(qū)空間分布與產流系數空間分布疊置可以看出臨澤縣南部地區(qū)是灌區(qū),產流域系數以蓼泉灌區(qū)附近為極大值中心向周圍遞減。我們把這種以每一地區(qū)產流高值為中心向周圍逐漸降低的現象稱為“產流島效應”。與非灌區(qū)相比,灌區(qū)的產流系數要高。島中心的多年平均降雨量、實際蒸散發(fā)、入滲量、地下水補給量(淺層地下水和土壤徑流)為2.34×107,2.48×107,9.9×107,2.028×108m3,產流量為1.02108m3。臨澤縣年均地下水補給量(圖3)的空間差異也比較大。變化范圍為0—2.02×107m3。北部地區(qū)地下水補給量很少,接近0。南部地區(qū)逐漸增加,并在蓼泉灌區(qū)附近達極大值(2.02×107m3)；然后以此為中心向四周逐漸下降。地下水補給量空間分布與產水系數十分相似。這說明臨澤縣的產流在很大程度上是受地下水補給量的控制。臨澤縣屬于內陸干旱區(qū),在北部區(qū)域,實際蒸發(fā)已經大于降雨量,地表基本不產流。而在灌溉農業(yè)區(qū),水分過程主要為降水、凝結水入滲、蒸發(fā)、人工取水-灌溉等,以垂向水分運動為主。子流域之間的橫向水力聯系變弱,橫向水力聯系主要在某位置地下水位變動時周邊區(qū)域的側向補充。河水、引灌河水、降水、凝結水入滲補給了地下水,而地下水通過泉水溢出和人工開采等排泄方式補給地表徑流,而大量的地下水補給填補了蒸發(fā)量的虧損并產生河川徑流[14]。

臨澤縣年均實際蒸發(fā)量變化量變化范圍為0.1×105—565.42×105m3,實際蒸發(fā)量都比較大。東部地區(qū)最大,極大值出現在板橋灌區(qū)和鄰近區(qū)域(圖3)。西南地區(qū)的梨園河灌區(qū)實際蒸發(fā)量次大。整體上而言,臨澤縣的實際蒸發(fā)量異質性比較大,但沒有明顯的南北分異。

2.4 水文分量的月變化

如圖4所示,研究區(qū)月平均溫度狀況接近正態(tài)分布。最低氣溫出現在1月,為-0.91℃,隨后氣溫持續(xù)性的上升,在7月達到最大值,為27.32℃；然后持續(xù)性的下降。臨澤縣有2次汛期,夏訊出現在7月,春汛出現在3月；7月以后降雨量開始下降,10月后有所回升。降雨主要集中在5—9月,占全年降水量的62.29%。臨澤縣實際蒸發(fā)量的月份變化與氣溫、降雨有大體相似的趨勢,但波動性更大。春季的3月開始實際蒸發(fā)量增加變緩,對應的降雨量出現次高峰后開始下降。7月出現最大蒸發(fā)量,大約7×107m3左右,然后持續(xù)性的下降；實際蒸發(fā)量主要集中在5—9月,占全年的65.08%。11月到次年3月之間,降雨量要大于實際蒸發(fā)量；在4—10月,實際蒸發(fā)量大于降雨量。壤中流的補給分布呈現倒“U”字形,1月最低,然后緩慢上升,在5—10月基本保持,11月后開始緩慢下降。研究表明實際蒸發(fā)(Ea)主要受氣溫和降水的影響,但是降雨是臨澤縣Ea的限制性因素,而不是氣溫所帶來的蒸發(fā)能力,因此其分布曲線與降雨曲線更為相似；但同時受到下墊面的干擾,呈現出波動性。壤中流的補給主要集中在3—10月,占全年的90%。產水量分布接近一條直線,全年的變化很小,每月大約1×107m3左右。這主要由于產水量主要來源于地下水補給,比較穩(wěn)定。

圖4 臨澤縣月均水量變化和月均溫變化Fig.4 The changes in monthly mean hydrological components and monthly average temperature

2.5 水量平衡年際變化

將臨澤縣1980—2012年年降雨量(P)、年地下水補給量(GGW=GW+LATQ)、年實際蒸散發(fā)量(Ea)、年下滲量(PECR)、年河道損失量(TLOSS)、年產水量(YILD)的時間序列利用Mann-Kendall法進行計算繪制成圖5。

由UF曲線和UB曲線可知,1980—2012年間降雨量(圖5)的突變點較多,分別為1983年,2006年和2010年。1980—2005年,降水保持著遞增趨勢(UF>0),2006—2010年降水量下降(UF<0),21世紀初期開始上升。從圖5中可以看出,實際蒸散發(fā)量(圖5)從1982年開始保持持續(xù)上升的趨勢,突變年份出現在1983年。年下滲量(圖5)在1980—1984年呈現出上升趨勢,20世紀80年代后期保持下降趨勢,21世紀以后持續(xù)下降,突變點出現在2000年。河道損失量(圖5)的波動不大,基本分為2個階段,2003年前是上升趨勢,2003年以后則下降。其中1980s和1990s上升趨勢比較顯著(UF>1.96)。地下水補給量(圖5)在1982年有稍微的下降,在1980s和1990s保持上升趨勢,2001年以后則開始下降,突變點出現在2002年。產水量(圖5)是各水文參數的綜合反映,其變化趨勢與地下水補給量相似,在1980—2003年持續(xù)上升,2003年后則持續(xù)下降,突變點出現在2003,1990s增加趨勢十分顯著。

圖5 臨澤縣1980—2012年降雨量、年實際蒸散發(fā)量、年下滲量、年河道損失量、年地下水補給量、年產水量趨勢和突變軌跡Fig.5 The KM trends and abrupt of annual precipitation,actual evaporation,deep infiltration,rive loss,groundwater recharge,water yield

利用相同的方法對年均溫(Te)和年潛在蒸發(fā)量(PET)進行動態(tài)變化檢測(圖6)。結果表明氣溫(圖6)1980—2012年盡管有所波動,但整體上保持持續(xù)上升趨勢。1998年后氣溫上升趨勢十分顯著,突變點出現在1990年。潛在蒸發(fā)量(圖6)波動性相對氣溫波動性大一些,突變點出現在2010年。1980—2007年保持著持續(xù)上升趨勢,其中1998—2004年上升顯著。

圖6 臨澤縣1980—2012年氣溫和潛在蒸發(fā) Mann-Kendall趨勢和突變軌跡Fig.6 The trends and abrupt of annual temperature and potential evaporation by Mann-Kendall method in the Linze county from 1980 to 2012

IPCC第五次報告指出,在過去的50年間全球氣溫以0.12℃/10a的速度上升[16]。相關預測隨著溫度的上升將會導致陸面及近地面空氣更加干燥,進而造成蒸發(fā)的上升。然而同時期內多地的蒸發(fā)皿蒸散發(fā)量觀測值呈現出下降趨勢,即所謂的“蒸發(fā)悖論”現象[17]。臨澤縣2007—2012年以后伴隨這氣溫的上升潛在蒸發(fā)量反而下降。左德鵬等[18]研究表明西北地區(qū)蒸發(fā)皿蒸發(fā)量與PET相關系數高達99%,因此,臨澤縣2007—2012年出現“蒸發(fā)悖論”現象。蒸發(fā)互補理論假定,在給定的輻射條件下,當充分供水時實際蒸散發(fā)與潛在蒸散發(fā)相等；當下墊面供水量減少時,實際蒸散發(fā)量會減少,從而釋放出更多的能量成為顯熱,從而導致潛在蒸散發(fā)增加[19-20]。王艷君等[21]分析了實際蒸散發(fā)和潛在蒸發(fā)量的關系,并利用干燥度指數R(潛在蒸發(fā)量與降雨量的比值)來判定研究區(qū)域的干濕條件。當R<0.8時為濕潤條件,實際蒸發(fā)量與潛在蒸發(fā)量為正相關關系；而R>1.0時為干旱環(huán)境,實際蒸發(fā)量與潛在蒸發(fā)量為互補關系。黑河流域屬于西北地區(qū)典型的干旱地帶。參考王艷軍等[21]對區(qū)域干濕條件的劃分標準,可知臨澤縣屬于干旱環(huán)境(R=5.73)。根據互補理論,臨澤縣1980—2012年實際蒸發(fā)量持續(xù)增加,顯熱減少導致潛在蒸散發(fā)量減少。

黑河流域是2000年開始實施分水方案,對流域水資源進行統(tǒng)一管理和調配。各水量要素年際變化的KM分析突變點和轉折點都在2000年之后的5年內,說明受到分水措施的影響很大。李傳哲等[22]研究表明分水后黑河中游地區(qū)的耗水量減少；水量的減少導致河道損失量和下滲量減小,從而導致地下水補給量也相應的減少,最終導致產水量的下降。

2.6 地表水資源量

地表水資源量為河川徑流量總和,包括臨澤縣自產的水量和上游河道的來水量。1980—2012年地表水資源量的平均值是(13.17±0.60)億m3,最大值出現在1998年,為21.02億m3；最小值出現在1980年,為3.79億m3。地表水資源量在過去的近33年間表現為微弱的增加趨勢,增長速率為每年0.14億m3；但沒有通過0.05顯著性檢驗。臨澤縣的地表水資源量主要來自上游的來水,1980—2012年間的平均來水量為(11.09±0.58)億m3,最大值出現在2012年,為18.95億m3；最小值出現在1980年,為2.86億m3。臨澤縣自身的產水量多年平均為(2.07±0.04)億m3。很明顯,上游來水量對地表水資源量的貢獻要比臨澤縣自產量大的多,其多年平均貢獻率的比值約為5∶1(圖7),而且在過去的近33年里波動較小。臨澤縣屬于耗水的中游區(qū)域,水資源主要還是依賴上游,特別是祁連山區(qū)的產流。這說明上游山區(qū)對中游區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和經濟有著重要作用。

圖7 臨澤縣1980—2012年地表水資源以及上游來水量與自產水量對地表水資源量的貢獻Fig.7 Surface water resources and the contribution of water coming from the upper river and water yield within the Linze county during 1980—2012

3 結論

本文基于黑河中上游土地利用數據、氣象數據、水文站實測徑流數據、土壤等數據,利用SWAT模型對臨澤縣1980—2012年的水文過程進行了模擬,得到如下結論:

(1)臨澤縣1980—2012年均降雨量、實際蒸發(fā)量、下滲量、壤中流補給量、地下水補給量分別為117.99、130.53、49.78、68.95、48.00 mm。年均產流量為53.47 mm。產流系數為0.16。產流量主要由壤中流和地下徑流控制,二者的貢獻比大約是3∶4。

(2)從空間分布上看,臨澤縣的實際蒸發(fā)、地下水補給量和產水系數空間差異較大,三者都呈現“南高北低”的趨勢,即南部灌區(qū)的高,北部非灌區(qū)的低。

(3)臨澤縣各水量要素年際變化的突變點都在2000年之后的5年內,說明受到黑河分水措施的影響很大,特別是下滲量的減少。臨澤縣2007—2012年出現“蒸發(fā)悖論”現象,根據蒸發(fā)互補理論分析,這種現象是實際蒸發(fā)持續(xù)增加所導致的結果。

(4)1980—2012年地表水資源量的平均值是(13.17±0.60)億m3。上游來水量與自產量貢獻率的比值約為5∶1。臨澤縣可用地表水資源更多的依賴于上游的產水。