基于SWAT模型的瀏陽河流域徑流對土地利用和氣候變化的協(xié)同響應(yīng)

YACHONGTOU Bounheuang，梁 婕，曾光明，李曉東，雷曼琴，劉 強(qiáng)，

(1.湖南大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410082;2.湖南大學(xué) 環(huán)境生物與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410082)

1 研究背景

土地利用與氣候變化對流域水文水資源的影響是流域水量與水質(zhì)管理的基礎(chǔ)[1]。已有研究表明氣候變化，特別是降水和溫度的變化，長期影響著水循環(huán)及水資源[2]。短期內(nèi)，土地利用/覆被變化通過影響流域截留、蒸散、入滲等關(guān)鍵水文循環(huán)的環(huán)節(jié)，影響著流域水資源的量與質(zhì)[3-4]。因此，定量評(píng)估氣候變化、土地利用/覆被變化對流域徑流的影響對未來水資源規(guī)劃和開發(fā)利用具有重要意義[5]。

SWAT 模型(Soil and Water Assessment Tool)是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的分布式流域水文模型[6-7]。SWAT 模型能夠模擬地表的自然地理過程[8-11]，如流域土壤物理過程、水文循環(huán)過程以及土地利用/覆被變化過程等，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[12]。許多研究分析了氣候變化或土地利用/覆被變化對徑流的影響[13-14]，但定量評(píng)估土地利用/覆被變化和氣候變化的影響的研究較少，且二者相互作用過程尚不清楚[15-16]。

本文以中國南方湖南典型小流域——瀏陽河流域?yàn)槔齕17]，采用SWAT模型和情景分析的方法[18]定量評(píng)估了氣候變化和土地利用變化對流域徑流量的綜合影響，并初步分析二者相互作用的機(jī)理。本文的主要研究目的包括：(1)利用歷史資料建立和驗(yàn)證瀏陽河流域SWAT模型；(2)分析瀏陽河流域土地利用和氣候變化的趨勢；(3)分別評(píng)估土地利用變化和氣候變化對瀏陽河流域徑流量的影響，初步分析二者對徑流影響的過程。

2 研究區(qū)域概況

瀏陽河(112°58′～114°15′E 、27°5′～28°34′N)位于湖南省東部，是湘江的一級(jí)支流河，有大溪河和小溪河兩個(gè)源流，發(fā)源于羅霄山脈大圍山北麓，全長234.8 km，流域面積3 869.7 km2，流經(jīng)瀏陽市、長沙縣和長沙市城區(qū)[19]。瀏陽河流域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，年降水量1 550 mm，年平均氣候17.5℃。地形標(biāo)高為35～1 600 m。土地利用類型主要是林地、農(nóng)田、城市建設(shè)用地、草地和水域。土壤類型共9種，主要為紅壤[20]。在流域出口榔梨設(shè)置有榔梨水文站。研究區(qū)流域概況見圖1。

圖1 瀏陽河流域示意圖

3 研究方法

本文分別模擬瀏陽河流域土地利用/覆被變化和氣候變化對榔梨站月徑流的影響，研究路線見圖2。

圖2 技術(shù)路線圖

3.1 流域土地利用/覆被變化模擬

在瀏陽河流域TM圖像(2000、2006和2010年)的基礎(chǔ)上，采用最大似然分類(MLC)法提取流域土地利用數(shù)據(jù)，將其劃分為林地、水域、耕地、建設(shè)用地和草地5大類。采用元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型與馬爾可夫(Markov)模型相結(jié)合的元胞自動(dòng)機(jī)-馬爾科夫(CA-Markov)模型預(yù)測流域未來土地利用空間格局[21-23]。CA模型在模擬復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)空特性方面能力優(yōu)良，可以模擬難以用特定方程表示的復(fù)雜系統(tǒng)不可預(yù)測行為；Markov模型可以預(yù)測事件發(fā)生概率，常用于具有“無后效性”的特征地理事件預(yù)測；CA-Markov模型利用Markov模型對未來土地利用數(shù)量結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測，在此基礎(chǔ)上，通過CA模型的領(lǐng)域關(guān)系分析加強(qiáng)土地利用空間格局的模擬能力[24]。本文利用IDRISI 17.0軟件中的CA-Markov模塊模擬2020和2050年間未來土地利用的變化。

3.2 流域徑流變化模擬

本文采用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型模擬瀏陽河流域的徑流[25-26]。SWAT是一種半分布式水文模型，用于評(píng)估土地利用和氣候變化對流域尺度徑流的影響[27-29]。SWAT中，研究流域被劃分為具有相同特征的水文響應(yīng)單元 (HRU)，在HRU中進(jìn)行如下計(jì)算：

(1)

式中:SWt為土壤最終含水量,mm;SW0為土壤前期含水量,mm；t為時(shí)間步長，d；Rday為第i天的降水量，mm；Qsurf為第i天的地表徑流,mm;Ea為第i天的蒸發(fā)量,mm;Wseep為第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和側(cè)流量,mm;Qgw為第i天的基流量,mm[30-31]。

3.3 數(shù)據(jù)來源

本文收集了瀏陽河流域的土壤圖、數(shù)字高程模型(DEM)、土地利用、氣象、水文和氣候資料。根據(jù)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)提供的世界土壤數(shù)據(jù)庫(HWSD)對瀏陽河流域土壤特性進(jìn)行分類[32]。從美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)獲得的DEM數(shù)據(jù)被用于提取流域水系和流向，利用DEM提取地形坡度、河道坡度等地形參數(shù)[33]。土地利用數(shù)據(jù)來源于2000和2010的陸地衛(wèi)星專題(TM)圖像(30 m×30 m)。土地利用類型分為林地、水域、耕地、城市建設(shè)和草地五大類[34]。氣象數(shù)據(jù)(包括日降水量、最低和最高氣溫、風(fēng)速、相對濕度和太陽)來自國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)再分析 (CFSR)。水文數(shù)據(jù)來源于瀏陽河流域榔梨站的日觀測數(shù)據(jù)[35]。2020 和2050年 的氣候數(shù)據(jù)從WorldClim[36](http://www.worldclim.org/，全球氣候數(shù)據(jù)庫)獲得，該數(shù)據(jù)庫包含了采用GCM模式預(yù)測的IPCC5中典型濃度路徑的氣象數(shù)據(jù)預(yù)測成果。

4 結(jié)果與分析

4.1 瀏陽河流域土地利用格局

利用CA-Markov模型模擬了瀏陽河流域2020年和2050年間的土地利用/覆被空間格局。CA-Markov模型的運(yùn)行結(jié)果表明，2010 年觀測的土地利用數(shù)據(jù)與模擬的土地利用數(shù)據(jù)之間的Kappa 等于0.7，表明歷史和預(yù)測的土地利用數(shù)據(jù)之間存在良好的一致性。因此，本研究建立的CA-Markov模型可以用來模擬未來瀏陽河流域的土地利用空間格局。

本研究中2000-2050年瀏陽河流域土地利用/覆被數(shù)據(jù)見表1和圖3。建模期間，2000-2010年林地面積減少了209.93 km2(5.42%)，草地面積減少了78.75 km2(2.03%)。同時(shí)，建設(shè)用地和耕地分別增加108.74 km2和198.54 km2(2.81%和5.14%)。CA-Markov模型的預(yù)測結(jié)果表明，瀏陽河流域2010-2050年建設(shè)用地和農(nóng)田面積將迅速增加，林地面積將大幅減少。與2010年相比，到2020年瀏陽河流域林地將從2 624.34 km2減少到2 242.91 km2，到2050年將減少到2 179.82 km2，下降比例達(dá)11.49%。同時(shí)，建設(shè)用地將增加7.66%(2010-2020年增加5.34%，2020-2050年增加2.32%)，耕地將增加2.55%(2010-2020年增加1.72%，2020-2050年增加0.83%)。圖3顯示了2020-2050年瀏陽河流域土地利用的空間格局。

4.2 瀏陽河流域氣候變化

氣候變化參數(shù)選擇降水量和溫度。根據(jù)WorldClim中的未來氣象數(shù)據(jù)預(yù)測成果，瀏陽河流域2020年年均降水量下降1.02%，2050年下降0.76%。相反，瀏陽河流域氣溫將持續(xù)上升，2020年的年均氣溫將上升0.43℃，2050年年均氣溫將上升0.38℃。總的來說，瀏陽河流域氣候未來呈暖干趨勢。這一結(jié)果與中國南方地區(qū)“氣候變暖和干燥”現(xiàn)象保持一致。

表1 土地利用類型的面積統(tǒng)計(jì)(2000、2010年為觀測值，2020、2050年為模擬值)

圖3 歷史與模擬的瀏陽河流域土地利用空間格局

4.3 SWAT 模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證

本研究將瀏陽河流域劃分為21個(gè)子流域、221個(gè)水文響應(yīng)單元(HRU)?；鶞?zhǔn)期2010年模擬月徑流量根據(jù)榔梨站的月徑流量進(jìn)行校準(zhǔn)。2001-2005年的月均流量用于校準(zhǔn)，2006-2010年的月均流量分別用于驗(yàn)證1999-2000年和2004-2005年兩年預(yù)熱期的模型。使用SUFI-2在SWAT-CUP中的自動(dòng)校準(zhǔn)方法來校準(zhǔn)和驗(yàn)證參數(shù)。本文建立的模型性能評(píng)價(jià)見表2，校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期月平均徑流量模擬值與實(shí)測值見圖4。校準(zhǔn)期R2達(dá)到0.87，Nash-Sutcliffe 模擬系數(shù)Ens為0.77；PBIAS 為±2.9%；P-factor和R-factor 分為88%和1.21，表明每月模擬值與校準(zhǔn)周期內(nèi)的觀測值之間有很好的一致性。驗(yàn)證期R2達(dá)到0.83；Nash-Sutcliffe 模擬系數(shù)Ens為0.76；PBIAS為±6.3% ；P-factor 和R-factor 分為75% 和0.9?；诮y(tǒng)計(jì)評(píng)估結(jié)果，月時(shí)間尺度的徑流模擬精度較高，說明所建立的SWAT 模型在瀏陽河流域具有較好適用性。

4.4 土地利用和氣候變化對瀏陽河流域徑流的綜合影響

本研究建立7 種情景量化瀏陽河流域土地利用變化與氣候變化對徑流的個(gè)體和綜合效應(yīng),具體見表3。情景1 為基準(zhǔn)線情景，采用榔梨站實(shí)測的徑流資料。情景2和情景5分別代表2020和2050年僅土地利用變化時(shí)榔梨站的模擬月均徑流量。情景3和情景6分別代表2020和2050年僅氣候變化時(shí)榔梨站的模擬月均徑徑流的影響。情景4和情景7分別代表2020和2050年土地利用與氣候變化同時(shí)發(fā)生變化時(shí)榔梨站的模擬月均徑流量。

表2 模型性能：每月徑流的校準(zhǔn)和驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)表3中情景2和情景5的模擬結(jié)果分析2020和2050年土地利用變化對徑流的影響，結(jié)果表明，2010年至2020年榔梨站徑流將減少2.42 m3/s ，這主要與林地、農(nóng)田和建設(shè)用地的變化有關(guān)，2010年至2020年間，林地面積將減少9.86 %，而農(nóng)田和建設(shè)用地面積分別會(huì)增加1.72 %和5.34 %；2020至2050年間，土地利用變化的幅度減緩，耕地面積和建設(shè)用地面積分別僅增長0.83 %和2.32%，榔梨站徑流的變化也將減緩，僅減少0.96 m3/s。

圖4 校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期月平均徑流量模擬值與實(shí)測值

表3 不同情境土地利用和氣候變化下的瀏陽河流域榔梨站徑流和徑流變化

圖5 土地利用變化和氣候變化綜合作用下瀏陽河流域榔梨站2010、2020和2050年的月徑流量

根據(jù)情景3和情景6的模擬結(jié)果分析氣候變化對徑流的影響。結(jié)果表明，2010-2020年，榔梨站徑流量將減少3.02 m3/s，這是因?yàn)槠陂g降水量減少1.02 % ，溫度增加0.43℃；2020-2050年，榔梨站徑流量減少1.13 m3/s，徑流減少的趨勢較之前減緩，這與這段時(shí)間內(nèi)降水量減少幅度(0.76%)和溫度增加幅度(0.38℃)降低的趨勢保持一致。

根據(jù)情景4和情景7的模擬結(jié)果分析土地利用變化和氣候變化對流域徑流的綜合影響(見表3和圖5)。結(jié)果表明，兩種因素綜合作用下，2010-2020年榔梨站徑流量將減少8.54 m3/s，2020-2050年榔梨站徑流量將減少4.27 m3/s。可見，后期徑流量的變化幅度比前期趨緩；與土地利用變化和氣候變化對徑流的單個(gè)效應(yīng)相比，綜合二者因素的徑流的影響更強(qiáng)。此外，本研究還揭示出瀏陽河流域氣候變化對徑流的影響大于土地利用變化對徑流的影響。

5 結(jié) 論

本文以我國中南地區(qū)瀏陽河流域?yàn)槔?，基于SWAT 模型和情景分析定量評(píng)估了瀏陽河流域土地利用和氣候變化對徑流的影響。研究結(jié)果表明：

(1)城市快速擴(kuò)張和農(nóng)業(yè)活動(dòng)過程中瀏陽河流域土地利用空間格局將發(fā)生較大變化。2010-2050年林地的比例將下降11.49%，而建設(shè)用地和農(nóng)田分別增長7.66%和2.55%。

(2)未來瀏陽河流域氣候呈暖干趨勢。根據(jù)WorldClim數(shù)據(jù)庫的預(yù)測成果，瀏陽河流域2020和2050年年均降水量將分別下降1.02%和0.76%；同時(shí)，瀏陽河流域氣溫將持續(xù)上升，2020和2050年將分別上升0.43和0.38℃。

(3)2020和2050年，土地利用變化時(shí)瀏陽河榔梨站模擬徑流將分別減少 2.42和 0.96 m3/s ；氣候變化時(shí)，榔梨站模擬徑流將分別減少3.02和1.13 m3；土地利用和氣候變化綜合影響下，榔梨站模擬徑流將分別減少 8.54 和 4.27 m3/s。未來瀏陽河流域土地利用空間格局和氣候變化協(xié)同作用于流域徑流量，氣候變化的影響要強(qiáng)于土地利用的影響。

(4)本文通過情景分析建立了7種土地利用和氣候變化情景，通過SWAT模型定量各種情景下瀏陽河流域榔梨站徑流的變化，從而將土地利用和氣候變化對流域徑流的影響區(qū)分開來，方法具有一定的合理性。