基于SWAT模型的黃柏河?xùn)|支流域氣候變化的水文響應(yīng)研究

陳 亮 董曉華 李英海 李中華 劉 冀 薄會娟 萬 浩 蔡莉莉

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.水資源安全保障湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心,武漢430072;3.黃柏河流域水資源保護(hù)綜合執(zhí)法局,湖北 宜昌 443005)

黃柏河流域是長江一級支流,是宜昌市重要的飲用水源地,從上游到下游依次建有玄妙觀、天福廟、西北口以及尚家河水庫.其中,東支流域年徑流量約為5.6億m3,主要為該流域附近的宜昌市提供生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉,是該流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要水源地[1].該流域水資源過度開發(fā)導(dǎo)致生態(tài)退化嚴(yán)重,磷礦開發(fā)造成流域內(nèi)水土流失,狀況不容樂觀.近年來,氣候變化問題受到廣泛關(guān)注,聯(lián)合國政府氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出近100年來的中國平均氣溫升高范圍為0.5～0.8℃,氣溫的升高將會引起水資源在時空上的重分配[2].因此分析氣候變化對黃柏河?xùn)|支流域的水文響應(yīng)對黃柏河水資源的合理分配與利用具有重要意義.

氣候變化對徑流的影響主要為氣溫和降水量的變化,目前氣候變化對水文水資源影響的研究主要集中在氣候變化下水量平衡[3]、區(qū)域供需水量[4]和洪旱頻率[5]的變化,大量學(xué)者通過流域內(nèi)不同氣候變化情景下的水文響應(yīng)對未來水資源的分布情況進(jìn)行研究.楊志勇等[6]通過研究氣候變化對伊遜河流域水資源量的影響,得出升溫為主的情景下,蒸發(fā)作用加劇,徑流量存在減少的趨勢.張永勇等[7]對氣候變化下淮河流域水量變化的分析得出,當(dāng)氣溫升高時流域蒸散發(fā)量增加,導(dǎo)致斷面徑流明顯減少.夏智宏等[8]基于SWAT模型分析氣候變化對漢江流域徑流的影響,發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)降雨量對徑流的影響程度要高于溫度,而氣溫對蒸散發(fā)的影響程度高于降雨.郭軍庭等[9]利用SWAT模型研究了潮河流域的土地利用與氣候變化對徑流的影響,史曉亮等[10]結(jié)合SWAT模型研究灤河流域氣候變化下的水文響應(yīng).

由于SWAT模型具有較強(qiáng)的物理基礎(chǔ),對流域適應(yīng)性較強(qiáng),能準(zhǔn)確地對流域自然水文過程進(jìn)行模擬,且能區(qū)分自然原因與人類活動對水資源的影響[11],李鴻儒[12]運(yùn)用SWAT模型分析了面積為2241.69 km2的欽江流域氣候變化對徑流的影響.因此,本文使用SWAT模型對黃柏河?xùn)|支流域進(jìn)行研究,構(gòu)建研究區(qū)域適用的SWAT模型對黃柏河?xùn)|支流域不同氣候變化情景下的徑流展開分析,可以為合理利用水資源提供依據(jù).

1 研究區(qū)域概況

黃柏河?xùn)|支流域地處東經(jīng)111°04′～111°30′,北緯30°43′～31°29′,流域總面積1 931.5 km2,人口數(shù)約35萬.多年平均氣溫17℃,降水多集中在5～9月.東支發(fā)源于湖北省宜昌市夷陵區(qū)內(nèi)的黑良山,主河長130 km,集雨面積1 165 km2,河道平均坡降6‰.黃柏河?xùn)|支流域境內(nèi)有玄妙觀水庫、天福廟水庫、西北口水庫和尚家河水庫4座水庫,水庫站點(diǎn)位置如圖1所示(水庫庫首為水庫壩址位置),水庫概況見表1.

圖1 研究區(qū)流域圖

表1 研究區(qū)4座水庫概況

2 流域SWAT模型構(gòu)建

SWAT模型是Arnold[13]早期為美國農(nóng)業(yè)研究局開發(fā)的長時間段的流域分布式水文模型,可模擬水流運(yùn)動、泥沙運(yùn)移、化學(xué)物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化等多種水循環(huán)物理過程[14],主要用于模擬和預(yù)測各種管理措施以及氣候變化對水資源供給的影響[15].

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文用于徑流模擬的SWAT模型數(shù)據(jù)主要有空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù).用于SWAT模型模擬與驗證的為尚家河水庫還原月徑流數(shù)據(jù).

2.2 數(shù)據(jù)處理

SWAT數(shù)據(jù)庫的生成主要涉及到DEM裁剪,土地利用類型、土壤物理屬性的計算、氣象數(shù)據(jù)庫中天氣發(fā)生器的制備等過程.數(shù)據(jù)處理的主要過程包括:將DEM導(dǎo)入ARCGIS10.2中,進(jìn)行投影轉(zhuǎn)化;選取梯級最下游尚家河水庫壩址處作為研究區(qū)出口,依次生成子流域、水系、河網(wǎng),確定流域的特征參數(shù);制備土壤數(shù)據(jù)庫;利用ENVI5.1軟件對研究區(qū)土地利用進(jìn)行遙感解譯,該研究區(qū)土地利用類型主要為林地、水域、城鎮(zhèn)、耕地和荒地5種,其中林地占80%,耕地占15%,其余3種土地利用面積所占比例較小;將2006～2016年逐日氣象數(shù)據(jù)輸入SWAT模型中,制備天氣發(fā)生器.

徑流數(shù)據(jù):以尚家河水庫作為流域出口,由于流域干流上有4座梯級水庫,為獲得尚家河水庫入庫天然狀態(tài)下的徑流和降雨關(guān)系,首先進(jìn)行入庫月徑流還原計算,見式(1),從而獲得天然入庫流量,再進(jìn)行流域SWAT模型的率定與驗證.

式中,W入月為天然入庫月徑流量,W出月為出庫月徑流量,W蓄水為水庫蓄水月變化量,W蒸發(fā)為水庫月蒸發(fā)量,W滲漏為水庫月滲漏量,P降雨為月降雨量.

2.3 模型率定與驗證方法

運(yùn)用SWAT模型對尚家河水庫的還原月徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬,并進(jìn)行參數(shù)敏感性分析.

基于SWAT-CUP中SUFI-2算法,根據(jù)敏感性指標(biāo)P-VALUE值和T-STAT值的大小,選擇敏感性參數(shù):P-VALUE越接近于0,參數(shù)越重要;T-STAT絕對值越大,參數(shù)越敏感.

模型的適用性依據(jù)決定系數(shù)(R2)和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(Ens)2個指標(biāo)進(jìn)行驗證,公式如下:

式中,Q0為實測值,Qp為模擬值為實測平均值,為模擬平均值,n為實測數(shù)據(jù)個數(shù).

R2且Ens≤1值越接近1說明實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)吻合度越高,模擬效果越好,一般R2≥0.60,Ens≥0.50同時達(dá)到時,說明結(jié)果達(dá)到模擬精度要求.

2.4 氣候變化情景設(shè)置

本文根據(jù)他人對于相鄰研究區(qū)域的未來降雨和氣溫研究成果設(shè)定模擬情景.劉曉冉等[16]對三峽庫區(qū)在A2/A1B/B1三種排放情景下的氣候變化統(tǒng)計分析,21世紀(jì)后期的氣溫分別升高3.7℃/3.3℃/2.2℃,年降雨量分別增多4.4%/5.5%/3.5%.三峽庫區(qū)與黃柏河?xùn)|支流域同位于宜昌地區(qū),氣候變化相似,據(jù)此本文將降雨量變化范圍設(shè)置為0,+2%,4%,6%,氣溫變化幅度設(shè)置為0,+1℃,+2℃,3℃,4℃,去掉基準(zhǔn)期(降雨變化為0,氣溫變化為0)情況,共34種情景組合.以2006～2016年實測徑流數(shù)據(jù)的均值作為基準(zhǔn)期徑流量,在保持SWAT數(shù)據(jù)庫中濕度、風(fēng)速、太陽輻射等條件不變的情況下,改變天氣發(fā)生器的降雨與氣溫取值對不同氣候情景進(jìn)行模擬.

3 模型結(jié)果與情景模擬分析

3.1 參數(shù)選取

通過SWAT-CUP對尚家河水庫還原月徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行率定與驗證,運(yùn)用LH-QAT采樣法進(jìn)行敏感性分析,得到模型率定結(jié)果符合精度要求下的重要性參數(shù)并進(jìn)行重要性排名,結(jié)果見表2.

3.2 模型率定與驗證結(jié)果

還原計算后月徑流數(shù)據(jù)作為尚家河水庫出口天然徑流數(shù)據(jù),運(yùn)用2.3中方法對模型進(jìn)行率定和驗證,結(jié)果見表3.可以看出,黃柏河?xùn)|支流域下游的尚家河水庫的率定期和驗證期均高于0.85,模擬精度較好,表明SWAT模型適用于該流域徑流模擬,模擬 結(jié)果如圖2所示.

表2 敏感性參數(shù)分析結(jié)果

圖2 尚家河水庫還原月徑流模擬結(jié)果

表3 黃柏河?xùn)|支流域水庫站點(diǎn)徑流結(jié)果評估

3.3 氣候情景模擬結(jié)果

使用率定后的SWAT模型進(jìn)行氣候變化情景模擬,基準(zhǔn)期月徑流為3 240萬m3,對比34種組合情景下的氣候變化對徑流的結(jié)果影響,模擬結(jié)果見表4、如圖3所示.

表4 情景模擬下的尚家河水庫月徑流增長量 (單位:萬m3)

圖3 不同情景下的尚家河水庫的月徑流增長量

如圖3所示,可以看出,在降雨量不變的情景下,尚家河水庫徑流增長量隨著溫度的升高而逐漸減少;徑流減少量最大的情景是溫度升高4℃,降雨減少2%,該情景下的月徑流量減少量為839.80萬m3,相對基準(zhǔn)期減少25%;徑流量增加最大的情景是溫度降低2℃,降雨增大6%,該情景下的月徑流量增加量為1 334.88萬m3,相對基準(zhǔn)期增加39%.降雨量不變的情景下,溫度每升高1℃,月徑流量平均減少182萬m3,而溫度不變的情景下,降雨量每增加2%,月徑流量平均增加153萬m3,所以溫度每升高1℃對月徑流影響程度要高于降雨量增加2%的情況.

如圖4所示,相對于基準(zhǔn)期的徑流量,在降雨量不變,溫度變化的情景下,月徑流量呈現(xiàn)非線性遞減趨勢,在0℃和2℃出現(xiàn)拐點(diǎn),其中溫度從-2℃的情景到0℃情景下,月徑流減少最快,減少量為826.85萬m3;在溫度不變,降雨量變化的情景下,月徑流量呈現(xiàn)非線性遞增趨勢,其中在降雨量從0的情景到2%的情景下,徑流增長最快,增長量為272.16萬m3.

圖4 溫度和降雨變化下的徑流變化量情況

4 結(jié) 論

為探究黃柏河?xùn)|支流域的氣候變化對徑流的影響,本文在驗證SWAT模型適用于該流域的基礎(chǔ)上,設(shè)置降雨和氣溫的不同組合氣候情景,對流域徑流響應(yīng)進(jìn)行模擬,主要結(jié)論如下:

1)采用SWAT模型對黃柏河?xùn)|支流域尚家河水庫天然月徑流進(jìn)行模擬,率定和驗證的效率系數(shù)和決定系數(shù)都在0.85以上,說明所率定的SWAT模型適用于黃柏河?xùn)|支流域的月徑流變化.

2)不同氣候變化情景下,月徑流增加量最大的情景為溫度降低2℃,降雨增大6%,增加量為1 334.88萬m3,減小量最大的情景是溫度升高4℃,降雨減少2%,減少量為839.80萬m3.月徑流變化量相對基準(zhǔn)期較大,不可忽略.

3)相對基準(zhǔn)期,降雨量和溫度變化情景下,月徑流量均呈現(xiàn)非線性變化趨勢,其中溫度從-2℃的情景到0℃情景下,月徑流減少最快,減少量為826.85萬m3;降雨量從0的情景到2%的情景下,徑流增長最快,增長量為272.16萬m3.