基于SWAT模型的气候变化对唐河上游径流影响研究

高 翔，冯 建，司中强，徐 晶

(1.临朐县综合行政执法局，山东省潍坊市临朐县兴隆路 262600；2.中车环境科技有限公司，北京市丰台区汽车博物馆西路8号院 100160；3.济南大学 水利与环境学院，山东省济南市南辛庄西路336号 250022)

气候变化问题是人类发展过程中面临的重大挑战，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的评估报告中指出，人类活动的影响是造成气候变化的主要因素，2081～2100年全球平均气温可能较1986～2005年平均值升高2.6～4.8℃[1]。气候变化会直接影响水循环的各个环节，致使水资源在时间空间上进行重新分配。在过去的30多年里，我国北方旱情问题严重，水资源短缺，水环境恶化，水生态破坏，严重抑制了社会经济的发展[2-3]，为此，研究气象变化对水资源的可持续开发利用具有重要的现实意义[4]。

目前，研究气候变化对水资源的影响程度可归结为2类方法。一是统计分析方法，该方法应用广泛，但是对水文气象等观测资料要求较高；二是水文模型法，该法概念清晰，是水资源评价及生态水文效应等研究方面的有效工具。但水文模型法具有一定的不确定性，同时该方法还有一个重要问题，就是气象与水文模型的耦合。孟现勇等[5]使用CMADS(The China Meteorological Assimilation Driving Datasets，中国大气同化驱动数据集)代替了传统的SWAT模型气象资料的输入方法，解决了大尺度流域缺失气象数据的问题，并将CMADS数据集运用到黑河流域且取得了良好的模拟效果。丁相毅等[6]利用WEP-L模型和多模式平均气候情景评估了海河流域未来30年主要的气象水文要素的演变规律，结果表明，未来30年海河流域气温升高，蒸发量增加，降水略有增加，径流量呈减少趋势。王金霞等[7]利用中国水资源模型，模拟了气候变化情况下海河流域的水资源短缺情况，气候变化会使水资源短缺比例提高2%～4%。Githui等[8]运行SWAT模型模拟并分析了Nzoia流域不同气候情景下的径流趋势，结果发现降雨与径流量的相关性远远好于气温与径流量的相关性。IPCC在第五次报告中提出了一种新的未来气候情景——RCP模式，该气候模式对预测我国未来气候变化趋势准确性较高，并且得到了国内外广泛认可[9]。

未来气候情景对流域径流量的影响将继续加深，本研究在唐河上游流域建立SWAT模型，研究未来气候与地表径流量之间的关系，为该区域的水文水资源系统的规划与管理、水旱灾害防治提供技术支撑。

1 研究区概况

唐河是海河水系大清河南支的一条支流，发源于山西省浑源县，自西北向东南穿过王庄堡盆地，横贯灵丘盆地，至下北泉汇入河北省涞源县的大清河。唐河上游的出山口位于河北省唐县的西大洋水库，文中研究区域为水库控制的唐河上游流域，经纬度为113.7°～114.98°E，38.8°～39.66°N。行政区跨浑源、灵丘、涞源、唐县、顺平5县，面积约为4420km2。流域属温带半湿润半干旱气候区，年平均气温7℃，降雨多集中在6～9月，多年平均年降水量为468mm[10]。唐河上游流域图见图1。

图1 唐河上游流域图Fig.1 Upper Tang River Basin

2 研究方法

文中采用的主要模型为美国农业部(USDA)农业服务中心开发的流域尺度模型SWAT(soil and water assessment tool)，该模型主要用于多种土壤、土地利用和管理条件的复杂流域，预测长期土地管理措施对水、土和农业污染的影响，是水资源水环境保护管理规划中不可或缺的工具[11]。气候变化采用IPCC的未来气候情景RCP模式，通过不同未来气候场景设置与SWAT模型耦合，进而可分析气候变化条件下河川径流变化规律。

2.1 数据库构建

研究区的SWAT模型数据库主要有：数据高程图(DEM)、土壤类型数据、土地利用数据、河网水系图、气象数据、水文数据等，具体见表1。

表1 SWAT模型所输入的数据

2.2 土地利用与土壤类型

根据模型的需要，将解译后的土地利用进行重新分类，分别为耕地、林地、草地、干草、水域、居民区。该流域内土地利用以草地为主，面积为1309km2，占比高达38%；其次是林地与耕地，分别约占总面积的26%和20%。通过利用HWSD数据对中国土壤栅格图进行提取分析得到研究区土壤空间分布图。研究区共有12种类型土壤，分别为饱和冲击土、不饱和雏形土、黑色石灰薄层土、饱和雏形土、饱和薄层土、石质薄层土、简育高活性淋溶土、粘化栗钙土、简育黑土、黄色铁铝土、石化钙积土、潜育黑钙土。最后使用SPAW软件根据土壤类型对土壤数据库中物理参数进行计算。

2.3 模型运行及检验方法

在模型中将空间数据库与属性数据库相叠加，设置模型预热期为2年(2011～2012年)，率定期为3年(2013～2015年)，验证期为1年(2016年)，以月尺度运行模型。

本研究中采用自动率定的方法进行模型校准与验证。选取径流敏感性高的10个参数进行率定验证，其中自动率定使用SWAT-CUP软件对参数进行敏感性分析。对于水文模型模拟效果的评估指标较多，文中在各研究成果的基础上，采用Nash-Sutcliffe效率系数(ENS)及确定性系数(R2)来评估模型模拟效果。ENS是一个能够直观体现实测流量和模拟流量拟合程度好坏的指标，取值范围为(-∞，1]；R2是用来描述模拟数据和实测数据相关度的指标，其取值范围为[0，1]，表达式为

2.4 未来气候情景设计

根据IPCC第五次评估报告，在可能的气候变化范围内，设置以下情景来研究不同气候要素对流域径流的影响。

情景1：基于模型2016年验证期模拟值。

情景2：气温不变，设定降水变化为+20%，+10%，-10%，-20%四种子情景，以此研究降水变化对流域径流的影响。

情景3：降水不变，设置气温分别增加1℃，2℃两种子情景，以此研究气温变化对流域径流的影响。

3 结果分析

3.1 SWAT模拟结果

根据SWAT-CUP中的SUFI-2算法对模型参数进行敏感性分析，筛选出对径流影响较大的参数，最终选择10个水文参数。CANMX(最大林冠指数)是地表径流模拟中最为敏感的参数，其次是CN2(湿润情况下SCS径流曲线数)与GWQMN(浅层含水层产生基流的阈值)，最后依次为SOL_AWC(土壤可利用水量)、OV_N(坡面漫流曼宁系数)、SMTMP(融雪基温)、SOL_K(土壤饱和水力传导系数)、SMFMN(12月21号的融雪因子)、PLAPS(降水递减率)、CH_K1(支流河床有效水力传导度)。

采用中唐梅水文站2012年1月份至2016年12月份的月径流量实测资料对模型进行参数率定和验证，其中2012年为预热期，2013～2015年为率定期，2016年为验证期。径流量率定、验证结果见表2，参数敏感性分析见表3，月径流模拟值与实测值拟合曲线见图2。模型在率定期的ENS和R2分别为0.65和0.73，验证期分别为0.7和0.76，说明SWAT在唐河上游流域具有良好的适用性。

表2 SWAT模型率定、验证结果

表3 径流模拟参数及参数敏感性分析

图2 月径流模拟值与实测值拟合曲线Fig.2 Fitting curve of monthly runoff simulated value and measured value

3.2 气候变化情景下的径流变化

唐河上游流域气候变化下径流模拟结果见表4。以情景1为基准期，对比情景2可知，当温度条件保持不变，降雨量增加20%和10%时，月均径流相应增加了7.65m3/s(8.9%)和4.37m3/s(5.1%)；降雨量减少20%和10%时，月均径流相应减少了5.2m3/s(6.1%)和2.03m3/s(2.4%)，可以看出唐河上游流域径流量变化趋势与降雨量呈现正相关关系。对比情景3可知，当降水不变，气温分别增加1℃和2℃时，流域月均径流分别减少0.73m3/s(0.09%)和2.18m3/s(2.5%)，可见流域内径流量的变化趋势与气温变化趋势呈现负相关关系。推测呈负相关的原因是流域气温增高导致地表蒸发量增大，从而使得地表径流减少。

表4 唐河上游流域气候变化下径流模拟结果Tab.4 Runoff simulation results under climate change in the upper reaches of the Tang River basin

4 结论

(1)SWAT模型适用于唐河上游流域的径流模拟，模型率定期的ENS和R2分别为0.65和0.73，验证期分别为0.7和0.76。

(2)通过未来气候的情景模拟表示，降雨和气温的变化会导致流域径流变化，流域内的径流量变化与降雨量变化呈现正相关关系，与气温变化呈现负相关关系，这与詹万志等[12]研究结果一致。根据影响的程度来看，相对于气温来说，降雨量对径流变化的影响更大。

(3)本研究中主要分析了未来气候因素对流域径流量变化的影响，而流域下垫面状况和水利工程的建设等因素同样对径流量有较大影响。将未来土地利用变化数据和社会工农业发展等因素与未来气候模式相结合，是进一步提高径流模拟预测准确度的发展方向。

(4)在未来气候情景下，需要政策管理部门提前做好防洪排水的准备，以应对极端天气下发生的灾害。本研究中通过预测唐河上游流域未来气候情景下径流量变化规律，给制定政策部门在未来水资源合理配置等方面提供科学的参考依据。