基于SWAT模型的黄柏河东支流域气候变化的水文响应研究

陈 亮 董晓华 李英海 李中华 刘 冀 薄会娟 万 浩 蔡莉莉

(1.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002;2.水资源安全保障湖北省协同创新中心,武汉430072;3.黄柏河流域水资源保护综合执法局,湖北 宜昌 443005)

黄柏河流域是长江一级支流,是宜昌市重要的饮用水源地,从上游到下游依次建有玄妙观、天福庙、西北口以及尚家河水库.其中,东支流域年径流量约为5.6亿m3,主要为该流域附近的宜昌市提供生活用水和农业灌溉,是该流域经济发展的重要水源地[1].该流域水资源过度开发导致生态退化严重,磷矿开发造成流域内水土流失,状况不容乐观.近年来,气候变化问题受到广泛关注,联合国政府气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出近100年来的中国平均气温升高范围为0.5～0.8℃,气温的升高将会引起水资源在时空上的重分配[2].因此分析气候变化对黄柏河东支流域的水文响应对黄柏河水资源的合理分配与利用具有重要意义.

气候变化对径流的影响主要为气温和降水量的变化,目前气候变化对水文水资源影响的研究主要集中在气候变化下水量平衡[3]、区域供需水量[4]和洪旱频率[5]的变化,大量学者通过流域内不同气候变化情景下的水文响应对未来水资源的分布情况进行研究.杨志勇等[6]通过研究气候变化对伊逊河流域水资源量的影响,得出升温为主的情景下,蒸发作用加剧,径流量存在减少的趋势.张永勇等[7]对气候变化下淮河流域水量变化的分析得出,当气温升高时流域蒸散发量增加,导致断面径流明显减少.夏智宏等[8]基于SWAT模型分析气候变化对汉江流域径流的影响,发现流域内降雨量对径流的影响程度要高于温度,而气温对蒸散发的影响程度高于降雨.郭军庭等[9]利用SWAT模型研究了潮河流域的土地利用与气候变化对径流的影响,史晓亮等[10]结合SWAT模型研究滦河流域气候变化下的水文响应.

由于SWAT模型具有较强的物理基础,对流域适应性较强,能准确地对流域自然水文过程进行模拟,且能区分自然原因与人类活动对水资源的影响[11],李鸿儒[12]运用SWAT模型分析了面积为2241.69 km2的钦江流域气候变化对径流的影响.因此,本文使用SWAT模型对黄柏河东支流域进行研究,构建研究区域适用的SWAT模型对黄柏河东支流域不同气候变化情景下的径流展开分析,可以为合理利用水资源提供依据.

1 研究区域概况

黄柏河东支流域地处东经111°04′～111°30′,北纬30°43′～31°29′,流域总面积1 931.5 km2,人口数约35万.多年平均气温17℃,降水多集中在5～9月.东支发源于湖北省宜昌市夷陵区内的黑良山,主河长130 km,集雨面积1 165 km2,河道平均坡降6‰.黄柏河东支流域境内有玄妙观水库、天福庙水库、西北口水库和尚家河水库4座水库,水库站点位置如图1所示(水库库首为水库坝址位置),水库概况见表1.

图1 研究区流域图

表1 研究区4座水库概况

2 流域SWAT模型构建

SWAT模型是Arnold[13]早期为美国农业研究局开发的长时间段的流域分布式水文模型,可模拟水流运动、泥沙运移、化学物质迁移转化等多种水循环物理过程[14],主要用于模拟和预测各种管理措施以及气候变化对水资源供给的影响[15].

2.1 数据来源

本文用于径流模拟的SWAT模型数据主要有空间数据与属性数据.用于SWAT模型模拟与验证的为尚家河水库还原月径流数据.

2.2 数据处理

SWAT数据库的生成主要涉及到DEM裁剪,土地利用类型、土壤物理属性的计算、气象数据库中天气发生器的制备等过程.数据处理的主要过程包括:将DEM导入ARCGIS10.2中,进行投影转化;选取梯级最下游尚家河水库坝址处作为研究区出口,依次生成子流域、水系、河网,确定流域的特征参数;制备土壤数据库;利用ENVI5.1软件对研究区土地利用进行遥感解译,该研究区土地利用类型主要为林地、水域、城镇、耕地和荒地5种,其中林地占80%,耕地占15%,其余3种土地利用面积所占比例较小;将2006～2016年逐日气象数据输入SWAT模型中,制备天气发生器.

径流数据:以尚家河水库作为流域出口,由于流域干流上有4座梯级水库,为获得尚家河水库入库天然状态下的径流和降雨关系,首先进行入库月径流还原计算,见式(1),从而获得天然入库流量,再进行流域SWAT模型的率定与验证.

式中,W入月为天然入库月径流量,W出月为出库月径流量,W蓄水为水库蓄水月变化量,W蒸发为水库月蒸发量,W渗漏为水库月渗漏量,P降雨为月降雨量.

2.3 模型率定与验证方法

运用SWAT模型对尚家河水库的还原月径流数据进行模拟,并进行参数敏感性分析.

基于SWAT-CUP中SUFI-2算法,根据敏感性指标P-VALUE值和T-STAT值的大小,选择敏感性参数:P-VALUE越接近于0,参数越重要;T-STAT绝对值越大,参数越敏感.

模型的适用性依据决定系数(R2)和Nash-Sutcliffe效率系数(Ens)2个指标进行验证,公式如下:

式中,Q0为实测值,Qp为模拟值为实测平均值,为模拟平均值,n为实测数据个数.

R2且Ens≤1值越接近1说明实测数据与模拟数据吻合度越高,模拟效果越好,一般R2≥0.60,Ens≥0.50同时达到时,说明结果达到模拟精度要求.

2.4 气候变化情景设置

本文根据他人对于相邻研究区域的未来降雨和气温研究成果设定模拟情景.刘晓冉等[16]对三峡库区在A2/A1B/B1三种排放情景下的气候变化统计分析,21世纪后期的气温分别升高3.7℃/3.3℃/2.2℃,年降雨量分别增多4.4%/5.5%/3.5%.三峡库区与黄柏河东支流域同位于宜昌地区,气候变化相似,据此本文将降雨量变化范围设置为0,+2%,4%,6%,气温变化幅度设置为0,+1℃,+2℃,3℃,4℃,去掉基准期(降雨变化为0,气温变化为0)情况,共34种情景组合.以2006～2016年实测径流数据的均值作为基准期径流量,在保持SWAT数据库中湿度、风速、太阳辐射等条件不变的情况下,改变天气发生器的降雨与气温取值对不同气候情景进行模拟.

3 模型结果与情景模拟分析

3.1 参数选取

通过SWAT-CUP对尚家河水库还原月径流数据进行率定与验证,运用LH-QAT采样法进行敏感性分析,得到模型率定结果符合精度要求下的重要性参数并进行重要性排名,结果见表2.

3.2 模型率定与验证结果

还原计算后月径流数据作为尚家河水库出口天然径流数据,运用2.3中方法对模型进行率定和验证,结果见表3.可以看出,黄柏河东支流域下游的尚家河水库的率定期和验证期均高于0.85,模拟精度较好,表明SWAT模型适用于该流域径流模拟,模拟 结果如图2所示.

表2 敏感性参数分析结果

图2 尚家河水库还原月径流模拟结果

表3 黄柏河东支流域水库站点径流结果评估

3.3 气候情景模拟结果

使用率定后的SWAT模型进行气候变化情景模拟,基准期月径流为3 240万m3,对比34种组合情景下的气候变化对径流的结果影响,模拟结果见表4、如图3所示.

表4 情景模拟下的尚家河水库月径流增长量 (单位:万m3)

图3 不同情景下的尚家河水库的月径流增长量

如图3所示,可以看出,在降雨量不变的情景下,尚家河水库径流增长量随着温度的升高而逐渐减少;径流减少量最大的情景是温度升高4℃,降雨减少2%,该情景下的月径流量减少量为839.80万m3,相对基准期减少25%;径流量增加最大的情景是温度降低2℃,降雨增大6%,该情景下的月径流量增加量为1 334.88万m3,相对基准期增加39%.降雨量不变的情景下,温度每升高1℃,月径流量平均减少182万m3,而温度不变的情景下,降雨量每增加2%,月径流量平均增加153万m3,所以温度每升高1℃对月径流影响程度要高于降雨量增加2%的情况.

如图4所示,相对于基准期的径流量,在降雨量不变,温度变化的情景下,月径流量呈现非线性递减趋势,在0℃和2℃出现拐点,其中温度从-2℃的情景到0℃情景下,月径流减少最快,减少量为826.85万m3;在温度不变,降雨量变化的情景下,月径流量呈现非线性递增趋势,其中在降雨量从0的情景到2%的情景下,径流增长最快,增长量为272.16万m3.

图4 温度和降雨变化下的径流变化量情况

4 结 论

为探究黄柏河东支流域的气候变化对径流的影响,本文在验证SWAT模型适用于该流域的基础上,设置降雨和气温的不同组合气候情景,对流域径流响应进行模拟,主要结论如下:

1)采用SWAT模型对黄柏河东支流域尚家河水库天然月径流进行模拟,率定和验证的效率系数和决定系数都在0.85以上,说明所率定的SWAT模型适用于黄柏河东支流域的月径流变化.

2)不同气候变化情景下,月径流增加量最大的情景为温度降低2℃,降雨增大6%,增加量为1 334.88万m3,减小量最大的情景是温度升高4℃,降雨减少2%,减少量为839.80万m3.月径流变化量相对基准期较大,不可忽略.

3)相对基准期,降雨量和温度变化情景下,月径流量均呈现非线性变化趋势,其中温度从-2℃的情景到0℃情景下,月径流减少最快,减少量为826.85万m3;降雨量从0的情景到2%的情景下,径流增长最快,增长量为272.16万m3.