SWAT模型在土地利用变化对水资源的影响研究

赵锦程

（新疆水利水电勘测设计研究院 新疆 乌鲁木齐 830000）

近年来变化环境下水科学研究的重点是水文循环研究，大量的研究文献表明：长时间尺度下气候变化对水资源的影响非常明显，但是在短时间尺度下影响流域产流变化的主要因素是土地利用/覆被的变化，土地利用变化能够改变流域的土壤水文状况、蒸发量、地表径流以及地表覆盖的截留量[1]。土地利用/覆被的变化直接体现和反映了人类活动的影响程度，它对水循环过程的影响结果将直接导致水资源供需关系发生变化，对流域的生态环境、社会经济可持续发展等方面产生重大影响[2]。目前随着全球人口增加，资源与环境问题日益突出，人类活动导致土地利用/覆被发生变化，进而使得研究区的气候、水文、产汇流等产生了很大的影响[3]，所以研究土地利用变化的水文响应过程对流域水资源管理非常重要。

本文选取西北内陆干旱区乌伦古河流域作为研究区，运用SWAT模型来研究土地利用/覆被变化对径流的影响，其研究结果可以为流域水资源规划管理提供理论依据，为流域非点源污染的研究提供帮助。

1 研究区概况

乌伦古河位于新疆维吾尔自治区阿勒泰地区，东和东北部与蒙古人民共和国接壤，北同额尔齐斯河流域毗邻，西与吉木乃县相接，南和古尔班通古特沙漠毗邻。乌伦古河是流向准噶尔盆地最大的一条内陆河流，发源于阿尔泰山东段南麓，地理位置坐标为东经87°05′～90°45′，北纬46°10′～47°28′，流域总面积4.3万km2，其中国内部分 27527km2，流经阿勒泰地区的青河、富蕴、福海三县，最后流入乌伦古湖。

表1 模型参数率定结果

图1 1986、2000、2010年流域土地利用图

表2 1986、2000、2010年流域三期土地利用变化

2 SWAT模型的应用

2.1 基础数据收集

运行SWAT模型前需要收集基础数据，分别是DEM、土壤类型、土地利用、水文数据和气象数据，数据的格式要求高，按照模型需要整理基础数据。DEM数据精度为90m，来源于中国西部环境与生态科学数据中心，主要用于提取流域坡度、坡向和河网等信息。土壤类型数据精度为1:100万，主要是用于提取该流域的土壤空间分布情况。土地利用数据精度为1:10万，用于了解该流域的土地利用空间分布情况。气象数据有降水、气温、风速和相对湿度等，水文资料主要是流域的长系列径流数据。

2.2 流域水文模型构建

研究区域基于DEM提取河网与实际流域完全吻合，将整个研究区划分为44个子流域，249个水文响应单元，本研究基于DEM数据提取的乌伦古河流面积为10017.10km2，加载土壤、土地利用数据和气象数据，模型运行模拟流域径流量。

2.3 参数率定及模型验证

参数率定可以进一步了解影响研究区水文过程的关键因子，并能使模型的模拟值与实测值误差最小。SWAT模型的参数很多，其模型的空间特性变化很大，要确定每一个参数的准确值非常困难，所以尽可能使重要的参数准确，因此通过敏感性分析可以去掉对模拟结果影响较小的参数，以提高模型参数率定效率、减小模型不确定性[4-5]，使模型的模拟结果更精确。

SWAT模型选择Nash-Suttcliffe效率系数、相关系数R2和相对误差RE作为模型模拟效果的评价参数[6]，其中模拟值与实测值的相对误差RE小于实测值的20%，Nash-Suttcliffe效率系数大于0.5以及决定性系数R2大于0.6，表明模拟结果的精度达到要求[7]。校准期和验证期效率系数 Nash-suteliffe分别为0.67、0.80，月径流相对误差RE分别为-6.56%、-11.58%，模拟值比实测值略偏大，但各项评价指标均达到要求，表明SWAT模型能准确的描述乌伦古河流域集水区的水文过程。

图2 不同情景下流域年径流模拟

3 土地利用变化对径流的影响

3.1 土地利用情景建立

运用情景设计法分析乌伦古河流域土地利用变化对水资源影响，情景设计需要考虑研究区自然状况、空间尺度以及社会经济发展的特点等因素。情景分析方法主要有历史反演法、参照流域对比法、土地利用/覆被情景预测模型法、土地利用空间配置法、极端土地利用法。基础资料收集了三期土地利用图，因此本研究运用历史反演法模拟研究乌伦古河流域现时段水文过程变化。

在气候因素不变的条件下，根据流域1986年、2000年和2010年三期不同土地利用类型图，建立3种土地利用/覆被变化情景，分别是 S1、S2、S3，情景 1：1986年土地利用/覆被，情景2：2000年土地利用/覆被，情景3：2010年土地利用/覆被，三种土地利用情景面积变化见表2和图1。

由表 2和图 1对 1986年、2000年和2010年三期土地利用类型变化特征分析可知，乌伦古河流域土地利用方式为耕地、林地、草地、水域、居民点与工业用地和未利用土地，面积均有变化。情景2较情景1土地利用面积变化：草地增加12.11%，面积增加了1213.07km2；水域增加 0.05%，面积增加了5km2；居民点增加0.05%，面积增加了5.01km2；林地减少 11.88%，面积减少了1190.03km2；未利用的土地减少0.34%，面积减少了34.06km2；情景3较情景2土地利用面积变化：耕地增加0.19%，面积增加了18.85km2，林地增加0.64%，面积增加了64.04km2，水域增加0.09%，面积增加了9.26km2，居民点增加 0.12%，面积增加11.62km2，草地减少1.15%，面积减少了114.9km2。

3.2 结果分析

使用校正好的SWAT模型，保持气象资料不变，运用1986、2000、2010年三期土地利用分布图，来模拟乌伦古河流域径流量，模拟结果见图2。

由图2可知，情景2模拟结果得出乌伦古河流域多年平均径流量为25.77m3/s，较情景1径流量减少1.31m3/s，变化率为5.1%，可能是因为草地增加比林地减少多，其需水量增加，居民点增加，居民饮用水量增加，因此导致地表水减少，进而多年平均流量减少；情景3的多年平均径流量为24.90m3/s，较情景2径流量减少0.87m3/s，变化率为3.38%，情景3较情景2耕地、林地、居民点都有所增加，其用水量也增加，引起地表径流量减少；情景3较情景1径流量减少3.98m3/s，变化率为16.24%。由3种情景模拟结果可知，土地利用变化对径流的影响较大，主要原因在于流域土地利用开发导致下垫面产流特征的变化。

4 结论

本文在考虑乌伦古河流域水文特征的基础上，基于SWAT模型对乌伦古河流域进行径流模拟，校准期和验证期效率系数Nash-suteliffe分别为0.67、0.80，月径流相对误差RE分别为-6.56%、-11.58%，模拟值比实测值略偏大但各项评价参数均达到要求。利用三种气候情景定性的分析流域土地利用变化对径流影响，由于导致土地利用改变的影响因素较多，不能定量分析土地利用变化因子对径流的影响，这方面还有待进一步研究。陕西水利

[1]李昱，张弛，周惠成，等.SWAT模型在土地利用变化对径流影响研究中的应用[J].河海大学学报 （自然科学版），2010，38(2)：308-311.

[2]欧春平，夏军，王中根，等.土地利用/覆被变化对SWAT模型水循环模拟结果的影响研究——以海河流域为例[J].水力发电学报，2009，28(4)：125-129.

[3]宋倩.天山西部山区径流过程对变化环境的响应研究[D].新疆农业大学，2013.

[4]杨军军，高小红，李其江，等.湟水流域SWAT模型构建及参数不确定性分析[J].水土保持研究，2013，20(1)：82-88.

[5]王中根，夏军，刘昌明.分布式水文模型的参数率定及敏感性分析探讨[J].自然资源学报，2007，22(4)：649-655.

[6]Nash J E，Suttcliffe J V.River flow forecasting through concep tual m odels，Part1-a discussion of principles[J].Journal of Hydrology，1970：10(3)：282～290.

[7]郝芳华，程红光，杨胜天.非点源污染模型—理论方法与应用[M].北京：中国环境科学出版社，2006.