基于SWAT模型的漢江上游流域徑流情景預(yù)測研究

馬新萍，武濤，余玉洋

(1.咸陽師范學(xué)院資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院，咸陽 712000； 2.陜西師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，西安 710126； 3.西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安 710129)

0 引言

目前，已經(jīng)有大量研究結(jié)果表明影響流域徑流變化的主要因素為氣候變化和人類活動[1]，氣溫變暖是當(dāng)前最為主要的氣候變化特征，土地利用變化是影響地表自然環(huán)境變化的主要驅(qū)動因素，也是反映人類活動最直觀的方法之一，氣候變化與人類活動綜合影響徑流變化，這三者之間的關(guān)系需要用一種機理模型來模擬，通過建立機理模型來解決經(jīng)濟與生態(tài)發(fā)展的平衡問題，同時，定量分解兩種因素的影響也是該研究方向的核心問題[2]。對于漢江上游流域,有研究已經(jīng)得出人類活動的影響稍大，且其對徑流變化的影響呈現(xiàn)增長趨勢。氣溫變暖對植被生長產(chǎn)生直接影響，林地的生態(tài)需水量對于最高氣溫變化的敏感性顯著，漢江上游流域林地植被多年平均生長季生態(tài)需水量整體上呈現(xiàn)非顯著性增加趨勢[3]。土地利用的不同直接表現(xiàn)為水文環(huán)境的差異，影響包括對水質(zhì)和水量兩個部分，土地利用與土地覆被(Land use and land coverage，LUCC)的變化對產(chǎn)流產(chǎn)沙有顯著影響[4]。

水土評估工具(soil and water assessment tool，SWAT)模型是一種能夠模擬徑流、土地利用變化和氣候變化之間關(guān)系的機理模型，并且應(yīng)用廣泛，發(fā)展時間較長，目前模擬效果較好。Ayivi 等通過SWAT模型分析了北卡羅萊納流域未來土地利用變化對徑流和產(chǎn)水量的影響，結(jié)果表明SWAT模型可用于預(yù)測北卡羅萊納其他流域的水平衡和水產(chǎn)量，以維持水資源的可持續(xù)管理[5]。Moshtaghi 等應(yīng)用SWAT模型模擬了徑流、硝態(tài)氮和有機氮未來的變化趨勢[6]。Shiferaw 基于Relta 4.5,8.5和Delta的統(tǒng)計降尺度方法分析氣候變化情景，評估了氣候變化情景下埃塞俄比亞北部高原伊拉拉流域地表徑流變化[7]。Dhami基于SWAT校準了喀拉拉邦馬尼馬拉河流域，討論了影響地表徑流的參數(shù)設(shè)置問題[8]。Yan X M等[9]采用SWAT進行參數(shù)不確定分析，敏感性分析結(jié)果表明，曲線數(shù)值、土壤蒸發(fā)補償因子、通用土壤流失方程支持因子和土壤層初始有機氮濃度對SWAT輸出有顯著影響。另外還有許多學(xué)者在研究SWAT模型在干旱區(qū)流域的應(yīng)用以及改進開發(fā)，Achamyeleh等[10]利用物理相似性區(qū)域化方法，在干旱區(qū)流域配置、校準和驗證SWAT模型，以期盡量減少研究流域SWAT模型應(yīng)用的不確定性[11]。McDonald[12]介紹了通過創(chuàng)建一組可復(fù)制、定制和運行的模塊化Web應(yīng)用程序來克服先前開發(fā)的SWAT可視化軟件程序的一些局限性的設(shè)計、方法和開發(fā)工作。雖然SWAT模型在徑流模擬預(yù)測方面具有較好的應(yīng)用效果，但有的研究方案仍然存在問題，在未來徑流預(yù)測的研究中，對于氣候和LUCC的輸入大多基于通用的情景模式，并未充分結(jié)合研究區(qū)內(nèi)實際的氣候變化以及土地利用變化情況，通用的氣候情景往往存在精度問題，即使采用降尺度模型來提高精度，但仍然影響模擬結(jié)果； LUCC情景設(shè)置往往較為極端，并未結(jié)合國家政策以及研究區(qū)內(nèi)的具體情況來進行分析，雖然最終結(jié)果符合大趨勢方向，但是并不能給出精確的變化范圍，對于政策的精準把握造成阻礙。

漢江上游流域(以丹江口水庫為界)是國家南水北調(diào)中線工程的核心水源地，亦是鄂北水資源配置工程的取水地，同時兼顧發(fā)電、下游灌溉、航運、生活用水等諸多功能。因此，在當(dāng)前氣候變化和土地利用變化趨勢下，漢江上游流域徑流未來變化的精確預(yù)測以及不同管理措施下徑流的變化研究對于該區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。本文收集了漢江上游流域的土壤、氣象、土地利用等數(shù)據(jù)，建立了該流域SWAT水文模型，采用BCC/RCG-WG天氣發(fā)生器預(yù)測未來氣候數(shù)據(jù)，利用CA-Markov模型預(yù)測未來土地利用變化，結(jié)合研究區(qū)林地現(xiàn)狀，參考全國林地保護利用規(guī)劃目標，設(shè)置了符合實際情況的兩種土地利用情景，分析了不同情景下的徑流變化趨勢，給出合理的水資源保護策略，為未來流域水資源管理與保護措施方案的設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

漢江發(fā)源于陜西省漢中市寧強縣大安鎮(zhèn)漢王山，地處30°10′～34°20′N,106°15′～114°20′E之間，自西向東流經(jīng)陜西省和湖北省，于湖北省漢口市龍王廟匯入長江，干流全長1 577 km，是長江最長的一條支流，流域面積15.9×104km2，為長江各水系流域之首。 漢江上游地區(qū)位于秦巴山區(qū)中心部位，也占據(jù)了南水北調(diào)中線工程水源地的大部分中心區(qū)域(圖1)。其北側(cè)、西南、東南分別為秦嶺、大巴山和江漢平原，地勢西北高，東南低，呈東南向開口的喇叭狀。該區(qū)屬于降水量充沛的北亞熱帶季風(fēng)氣候，降雨在年內(nèi)分配極不均勻，夏秋兩季最高可占全年的80%。區(qū)內(nèi)土壤類型復(fù)雜多樣，有黃褐土、黃壤、棕壤和黃棕壤等，自然植被種類豐富。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the research area

1.2 數(shù)據(jù)源

研究中采用的數(shù)據(jù)主要有： 漢江上游流域區(qū)域的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)，土壤類型及土壤屬性數(shù)據(jù)，漢江上游流域2005年、2010年、2015年的LUCC數(shù)據(jù)，研究區(qū)內(nèi)部及附近13個氣象站點的日氣溫、降水和風(fēng)速數(shù)據(jù)，安康站1970—2015年的月徑流數(shù)據(jù)，研究區(qū)域交通網(wǎng)、居民點、水系數(shù)據(jù)等。其中，DEM空間分辨率為30 m×30 m，來源于國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺； 土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫(Harmonized World Soil Database version 1.1，HWSD)，分辨率為 100 m×100 m； LUCC數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心； 日氣象數(shù)據(jù)由中國氣象數(shù)據(jù)共享中心(http： //data.cma.cn/)下載得到； 水文數(shù)據(jù)由山西省水利廳提供； 研究區(qū)域交通網(wǎng)、居民點、水系數(shù)據(jù)等由國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫提供(http: //www.ngcc.cn/ngcc/html/1/391/392/16114.html)。

2 研究方法

2.1 SWAT模型

SWAT是一個強大的建模工具，能夠模擬水循環(huán)中的許多物理過程[13-14]。目前，已有大量研究證明分布式水文模型 SWAT可以較好地應(yīng)用于氣候變化對流域水資源影響的模擬研究[15-22]。本研究利用SWAT模型對漢江上游流域2000—2015年的徑流量進行模擬，采用SUFI-2算法進行迭代運算確定參數(shù)最佳值，對模型進行率定和驗證?；诖诉M行氣候變化和人類活動對漢江上游流域的影響研究。

2.2 CA-Markov模型及其驗證

CA-Markov模型綜合了CA 模型與Markov 模型[23]的特點，既具備 Markov 模型在數(shù)量上的預(yù)測優(yōu)勢，也包含了 CA 模型在空間上的優(yōu)勢[24]。將 CA 模型和 Markov 模型結(jié)合到一起，可以從數(shù)量和空間兩方面對土地利用變化進行精確的模擬[25]。本研究利用IDRISI 17.0軟件中的CA-Markov模塊對漢江上游區(qū)域的土地利用格局變化進行模擬。對解譯結(jié)果圖和模擬結(jié)果圖進行 Kappa 檢驗，Kappa指數(shù)計算公式如下：

Kappa=(P0-Pc)/(Pp-Pc)，

(1)

式中：P0為模擬正確的比例；Pc為模型隨機情況下模擬正確的比例；Pp為理想分類情況下模擬正確的比例。其檢驗標準為當(dāng)Kappa≥0.75 時，兩圖之間誤差較小，表明模擬精度較高； 當(dāng)Kappa≤0.4 時，表明模型的模擬預(yù)測誤差較大。本研究的模擬結(jié)果驗證總精度為0.985 8，表明模擬精度較高，模型適用性較強。

2.3 BCC/RCG-WG天氣發(fā)生器

本研究對于未來日氣象數(shù)據(jù)的預(yù)測采用廖要明博士研發(fā)的中國天氣發(fā)生器BCC/RCG-WG[26]來獲取，通過對BCC/RCG-WG在中國地區(qū)模擬效果統(tǒng)計意義上的檢驗。結(jié)果表明，年平均最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、氣溫日較差以及月平均最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、氣溫日較差等與實測結(jié)果非常接近。BCC/RCG-WG天氣發(fā)生器可以較好地模擬中國各地的逐日最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)等非降水變量。

3 結(jié)果與分析

3.1 漢江上游流域徑流變化模擬

3.1.1 構(gòu)建SWAT模型

利用SWAT模型，需要研究區(qū)域 DEM(圖2(b))、土壤類型數(shù)據(jù)以及土地利用數(shù)據(jù)(圖2(c))等。首先進行子流域及水文響應(yīng)單元劃分，根據(jù)流域?qū)嶋H情況，劃分子流域106個(圖2(a))，劃分1 031個水文響應(yīng)單元(hydrologic research unit，HRU)。其次，根據(jù)研究區(qū)土壤類型構(gòu)建土壤數(shù)據(jù)庫，圖2(d)為漢江上游土壤類型圖，土壤屬性數(shù)據(jù)庫共包含土壤水文分組、土壤剖面最大根系深度、土壤濕密度、土壤層有效持水量等20個參數(shù)，可分別通過土壤水文特性軟件(soil plant air water，SPAW)和查詢 HWSD_DATA 數(shù)據(jù)表得到； 氣象數(shù)據(jù)采用研究區(qū)內(nèi)部及周邊共14個氣象站1970—2015年氣溫、降水和風(fēng)速逐日觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建天氣發(fā)生器數(shù)據(jù)庫，其中共包含月日均最高氣溫、月日均最高氣溫標準偏差，月日均降雨量、月日均降雨量標準偏差等 14 類氣象參數(shù)，均通過 SWAT weather 軟件計算得到； 濕度和蒸散量數(shù)據(jù)由SWAT模型自帶的天氣發(fā)生器自動模擬得到。建立好土壤及氣象屬性數(shù)據(jù)庫后，可在此基礎(chǔ)上建立漢江上游流域SWAT 模型。

3.1.2 率定和驗證

依據(jù) SWAT-CUP 工具中的 SUFI-2 算法對 SWAT模型輸出結(jié)果進行不確定分析、率定及驗證。SUFI-2算法中用P-factor值和R-factor值對模型不確定性進行定量評估。P-factor 表示實測數(shù)據(jù)落入模擬結(jié)果的置信區(qū)間 95PPU(95% prediction uncertainty),R-factor 是用 95PPU 帶的平均厚度除以監(jiān)測數(shù)據(jù)標準偏差。理論上，P-factor 值在 0 和 100%之間，而 R-factor 值在0 和無窮大之間，P-factor 越接近 1 和 R-factor 越接近0，表明模擬的效果越好。用R2和效率系數(shù)(Nash-Suttcliffe，Ens)來綜合評價 SWAT 模型的模擬效果。R2表示模擬值與實測值變化趨勢的一致性，值越接近于1，說明模擬值與實測值趨勢越吻合。Ens值表示實測值與模擬值的偏離程度，值越接近于1，表明模擬值越接近實測值[15]。

以安康站1997—2015年月平均徑流數(shù)據(jù)對模型進行率定和驗證，其中1997—1998年為預(yù)熱期，1999—2010年為率定期，2011—2015年為驗證期。結(jié)果顯示(圖3)： 安康站站模擬值與實測值月徑流結(jié)果擬合效果較好。根據(jù)模型模擬結(jié)果評價參數(shù)標準R2>0.6 和Ens>0.5[27]。水文站率定期和驗證期R2分別為0.79和0.78，Ens 效率系數(shù)分別為0.79和0.77，滿足模擬精度要求，模擬效果較好。P-factor值均大于0.6，R-factor值都小于 1，說明模擬結(jié)果在2.5%～97.5%置信區(qū)間之內(nèi)，不確定程度小。

(a) 率定期徑流量實測值于模擬值對比圖

(b) 驗證期徑流量實測值于模擬值對比圖圖3 率定期和驗證期逐月徑流量模擬值與觀測值對比圖Fig.3 Comparison of simulated and observed monthly runoff during the period of periodic and validation

3.2 漢江上游流域未來LUCC情景模擬

3.2.1 CA-Markov模型的構(gòu)建與驗證

對于CA-Markov模型的構(gòu)建，所需數(shù)據(jù)包括研究區(qū)2005年、2010年和2015年的LUCC數(shù)據(jù)，此外還需準備建立適宜性圖集時用到的高程、坡度、距交通網(wǎng)距離和距水系距離以及距居民點的距離等驅(qū)動因子數(shù)據(jù)，圖4為處理好的研究區(qū)域的驅(qū)動因子數(shù)據(jù)集。首先，需要將.shp文件轉(zhuǎn)換為ASCII文件，然后在 Idrisi 軟件中將 ASCII 文件轉(zhuǎn)換為Idrisi可以識別的文件類型(.rst)； 其次，建立適宜性圖集，根據(jù)研究區(qū)實際情況，在 MCE 模塊中加入高程、坡度、距交通網(wǎng)的距離、距水系的距離這些影響因子，獲得土地利用適宜性圖集。

本文對 2015年土地利用狀況進行模擬預(yù)測及精度檢驗。采用 5 × 5 濾波器，以 2000—2010 年轉(zhuǎn)移矩陣作為轉(zhuǎn)換規(guī)則，在 CA-Markov 模型中進行模擬運算，得到2015年漢江上游區(qū)域土地利用模擬圖(圖5(b))。將預(yù)測的2015年土地利用狀況與2015年真實數(shù)據(jù)對比，圖5(a)為漢江上游流域真實值，對模擬值進行數(shù)量和空間精度檢驗。采用 Kappa 指數(shù)對模型模擬景觀格局變化的精度進行檢驗，每種用地類型的Kappa 指數(shù)見表1，總精度為0.985 8，明顯高于檢驗指標，說明模擬誤差小，模擬結(jié)果較好。

表1 2015年土地利用模擬結(jié)果精度檢驗指標值Tab.1 Value of accuracy testing indicators for land use simulation results in 2015

3.2.2 未來LUCC情景模擬

基于驗證好的CA-Markov模型，可以模擬得到未來2025年的土地利用變化圖(圖6)。在此模擬結(jié)果之上，結(jié)合當(dāng)前政策發(fā)展形勢，設(shè)定2種LUCC情景(表2)，第一種情景為自然生態(tài)情景，即延續(xù)當(dāng)前驅(qū)動因子影響情況，將模型模擬得到的2025年LUCC結(jié)果作為第一種情景，表2中的自然生態(tài)情景列出了每種土地類型相對于2015年的變化幅度。第二種情景為林地增加情景，根據(jù)《全國林地保護利用規(guī)劃綱要(2010—2020年)》[28]中的規(guī)劃目標，到2020年，我國林地保有量增加到31 230×104hm2，占國土面積的比重要提高到32.5%以上，而第七次全國森林資源清查(2004—2008年)結(jié)果中全國林地總面積占國土面積的比例為31.6%，也就是15 a間，我國林地面積增長0.9%。而漢江上游流域是我國生態(tài)重點保護區(qū)域，其擔(dān)任著維持我國林地保有量的重要任務(wù)，其林地增長任務(wù)也是較為重要的，由此結(jié)合實際情況，我們設(shè)定生態(tài)發(fā)展情景中研究區(qū)林地面積增長5%，草地和耕地面積分別減少4%和5%，將此種情況作為第二種情景，即林地增加情景，表2中林地增加情景下各土地類型的變化幅度設(shè)計也是基于2015年的土地類型數(shù)據(jù)。

表2 2025年土地利用情景Tab.2 Land use scenario in 2025 (%)

3.3 氣候變化背景下不同土地利用情景的徑流量變化趨勢

前文的研究驗證了SWAT模型在漢江上游流域具有較好的適應(yīng)性，采用天氣發(fā)生器BCC/RCG-WG預(yù)測了未來的氣溫、降水日數(shù)據(jù)，同時也基于CA-Markov土地利用模擬預(yù)測模型得到了2025年的土地利用變化圖，并將其作為自然發(fā)展情景； 結(jié)合《全國林地保護利用規(guī)劃綱要(2010—2020年)》和漢江上游實際情況設(shè)定了林地增加情景。在準備好SWAT模型模擬徑流所需的數(shù)據(jù)后，分別將2種土地利用情景和氣象預(yù)測數(shù)據(jù)帶入到SWAT模型中，對比兩種情景模擬結(jié)果，分析土地利用變化對未來徑流量的影響。

自然生態(tài)情景下，基于CA-Markov模型預(yù)測的2025年土地利用結(jié)果，根據(jù)SWAT模型的預(yù)測結(jié)果，2005—2029年，流域徑流呈增加趨勢，增加速率為54.012 m3/10a，預(yù)測階段徑流變化呈明顯升高趨勢，說明以目前土地利用變化情況趨勢發(fā)展，未來漢江上游徑流將會出現(xiàn)明顯上升，這對流域生態(tài)改善以及南水北調(diào)工程運行將會有正面影響。

林地增加情景下，25 a間尺度上徑流量變化速率增幅低于自然生態(tài)情景，減少了2.5 m3/10a，總徑流量減少83.62 m3，因此，如果未來5 a采用林地增加模式，即大力增加林地面積對水量的提高程度反而小于自然生態(tài)模式下的水量上升程度，即盲目增加林地面積并不能達到有效提高徑流水量的目的。林地面積的增加可能會加大林地蒸騰耗水量，反而會導(dǎo)致水量減少，因此在進行漢江上游流域生態(tài)治理時應(yīng)考慮選擇循序漸進、科學(xué)合理的生態(tài)保護措施，才能達到提高水量，保持南水北調(diào)工程可持續(xù)發(fā)展的目的。

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

本研究采用應(yīng)用成熟穩(wěn)定的半分布式水文模型，對于未來氣候變化，采用更為符合中國氣候模式的BCC/RCG-WG天氣發(fā)生器來模擬研究區(qū)未來氣象數(shù)據(jù)，而土地利用變化則采用CA-Markov模型結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的地形、交通、水系、居民點分布情況等因素來模擬未來的土地利用變化。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合國家林業(yè)發(fā)展規(guī)劃目標設(shè)置了自然生態(tài)情景和林地增加情景兩種土地利用模式，分別進行了2種模式下的徑流預(yù)測，最終結(jié)果顯示，自然生態(tài)情景下的徑流升高程度大于林地增加情景，一味采用增加林地面積的措施并不能達到提高流域水量的效果。

漢江上游位于南水北調(diào)水源地的中心，為保證南水北調(diào)工程的可持續(xù)性，增加流域水量，保證水質(zhì)是該區(qū)域生態(tài)保護工作的重點。在目前氣候變暖的大環(huán)境下，未來水量將會增加，但會面臨其他挑戰(zhàn)，有研究通過模擬得出漢江上游流域在RCP2.6和RCP8.5兩種排放情景下，未來徑流均呈現(xiàn)上升態(tài)勢，但RCP8.5 情景下徑流變化劇烈，而 RCP2.6 情景下徑流變化平緩[29]； 另外，氣候變暖還會促進植被持續(xù)增長，導(dǎo)致林地生態(tài)需水量增加，仍然會影響水量變化。所以，在氣候變暖導(dǎo)致多因素變化的情況下，確定未來流域水量這一問題變得更加復(fù)雜，采用怎樣的水量提高措施也是流域發(fā)展策略制定的難點。

4.2 結(jié)論

本研究通過對漢江上游未來徑流變化的預(yù)測，結(jié)合前人的相關(guān)研究分析得出以下兩點結(jié)論：

1)根據(jù)研究結(jié)果，對于SWAT模型，采用適合本地的氣候模式更為準確，雖然目前全球的氣候變化模式應(yīng)用十分廣泛，但是對于區(qū)域性研究采用適應(yīng)研究區(qū)本地的氣候模式來提取數(shù)據(jù)更為精確； 土地利用模式也應(yīng)該切合實際，一些極端變化情景的設(shè)置并沒有太大意義，應(yīng)該在實際土地利用變化的基礎(chǔ)上結(jié)合主要驅(qū)動因素來進行預(yù)測，而情景模式也主要應(yīng)該考慮當(dāng)前的國家和地方政策來設(shè)置。

2)本研究結(jié)果更為符合實際，也提醒了對氣候變暖背景下林地生態(tài)需水量增多這一問題的考慮，總結(jié)出未來的生態(tài)改善與保持首先應(yīng)遵循自然要素自身的發(fā)展規(guī)律，政策的制定應(yīng)該循序漸進，對于民眾的生態(tài)保護和資源節(jié)約文化意識應(yīng)該加強。