基于ＳＷＡＴ 模型和Ｂｕｄｙｋｏ 假设的石羊河流域径流变化归因对比分析

李瑶 董增川 张城 邵逸卿 倪效宽 孟金玉 徐亦凡 魏园

摘 要：探究流域径流变化及其影响因素对流域水资源的可持续开发利用具有重要意义。利用１９６０—２０１９ 年石羊河流域水文气象资料，通过Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 突变检验和Ｐｅｔｔｉｔｔ 检验确定蔡旗站径流序列的突变年份，采用ＳＷＡＴ 模型和基于Ｂｕｄｙｋｏ 假设的弹性系数法进行径流变化归因对比分析，定量辨识气候变化和人类活动对径流变化的影响。结果表明：近６０ ａ 蔡旗站年径流量呈现先减小后增大的趋势，并在１９７２ 年和２００２ 年发生突变；ＳＷＡＴ 模型与弹性系数法对径流变化归因分析结果基本一致，ＳＷＡＴ 模型分析结果表明，变化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年气候变化对径流变化的贡献率分别为３２．１８％、４６．０９％，人类活动对径流变化的贡献率分别为－６７．８２％、－５３．９１％，而弹性系数法分析结果表明，两个时期气候变化对径流变化的贡献率分别为３０．８０％、４１．４４％，人类活动对径流变化的贡献率分别为－６９．２０％、－５８．５６％，相对于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域径流变化受人类活动的影响大于气候变化的影响。人类活动是引起石羊河流域径流变化的主要因素。

关键词：气候变化；人类活动；径流；ＳＷＡＴ 模型；Ｂｕｄｙｋｏ；石羊河

中图分类号： ＴＶ１２１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２３．０７．００６

引用格式：李瑶，董增川，张城，等．基于ＳＷＡＴ 模型和Ｂｕｄｙｋｏ 假设的石羊河流域径流变化归因对比分析［Ｊ］．人民黄河，２０２３，４５（７）：３０－３５．

河川径流不仅是水文循环的重要组成部分，而且是影响生态环境变化和社会经济发展的重要因素。在气候变化与人类活动影响下，流域水循环过程和水资源时空分布规律发生了明显改变，社會经济用水格局逐步演化，加剧了河流水文特性的复杂性［１］ 。石羊河流域是西北干旱区重要的内流河流域，《石羊河流域重点治理规划》的实施，在缓解用水紧张、提高用水保证程度、改善流域生态环境方面取得了显著成效，但受气候变化和人类活动影响，仍面临着水资源短缺、河湖生态功能萎缩、局部地下水位持续下降等问题。因此，研究变化环境下石羊河流域径流演变规律及其驱动机制，对认识流域水文情势以及探讨流域水资源合理开发利用等具有重要意义。

目前，径流演变归因分析的方法主要有数理统计法［２］ 、水文模拟法［３］ 和弹性系数法［４］ 。其中：数理统计法主要利用回归分析、神经网络等数学方法或统计模型量化主要驱动因子对径流变化的贡献率，该方法计算简单，要求长序列的水文数据；水文模拟法是基于流域水文模型或陆面过程模型定量分析各驱动因子对径流变化的影响，该方法物理机制强，可在不同土地利用条件、多种气候情景模式下进行模拟，分析精度较高；弹性系数法是依据Ｂｕｄｙｋｏ 假设和弹性系数概念，计算气候变化和人类活动作用下径流的变化量，该方法物理意义明确，参数易获取且计算简单。

近年来，许多学者对石羊河流域径流变化进行了研究，研究多基于石羊河长期实测径流资料，对径流演变特征进行分析。在径流变化归因方面，薛东香［５］ 采用改进的双累积曲线法进行研究，发现石羊河上游产流区径流变化主要受气候变化影响，中下游径流变化主要受人类活动影响；贾飞飞等［６］ 采用累积量斜率变化率比较法进行研究，发现人类活动是黄羊河流域径流变化的主导因素；陈忠升［７］ 采用基于Ｂｕｄｙｋｏ 假设的弹性系数法进行研究，发现石羊河中下游径流减少的主要因素是人类活动。以往研究多从定性角度评价气候变化和人类活动对径流变化的影响，虽然也有一部分从定量角度进行分析，但研究方法主要集中于数理统计法和弹性系数法，运用基于物理机理的水文模拟法量化径流变化贡献率的研究还较少。因此，本文采用ＳＷＡＴ 模型和基于Ｂｕｄｙｋｏ 假设的弹性系数法进行径流变化归因对比分析，定量辨识气候变化和人类活动对石羊河流域径流变化的影响，以期为石羊河流域生态保护和治理规划提供科学依据。

１ 研究区概况、数据和突变点分析

１．１ 研究区概况

石羊河流域地处东经１０１° ４１′—１０４° １６′、北纬３６°２９′—３９°２７′之间，是甘肃省三大内陆河流域之一，流域涉及武威、金昌、张掖和白银四市的９ 个县（区）。流域内地势南高北低，自西南向东北倾斜。石羊河发源于祁连山东沿线的冷龙岭大雪山，河长３００ ｋｍ，流域面积４．１６ 万ｋｍ２，其中产流面积１．１１ 万ｋｍ２，多年平均径流量１５．６０ 亿ｍ３。石羊河水系由西大河、东大河、西营河、金塔河、杂木河、黄羊河、古浪河与大靖河等８ 条支流和众多小沟河组成。

１．２ 数据来源

本研究所用数据有数字高程模型（ＤＥＭ）数据、土地利用数据、土壤数据、气象数据和水文数据。其中：ＤＥＭ 数据为ＳＲＴＭＧＬ１．００３ ３０ ｍ 分辨率数字高程数据，来源于美国地质调查局（ＵＳＧＳ）；土地利用数据为１９８０ 年甘肃省土地利用遥感监测数据，分辨率为１ ｋｍ，来源于中国科学院资源环境科学与数据中心；土壤数据采用世界土壤数据库（ＨＷＳＤ Ｖ１．１），分辨率为１ ｋｍ，来源于国家冰川冻土沙漠科学数据中心；气象数据为研究区及周边地区１１ 个气象站１９６０—２０１９年逐日降水、最高气温、最低气温、平均气温、日照时数、相对湿度和平均风速等，来源于中国气象数据网；水文数据为蔡旗水文站１９６０—２０１９ 年日径流数据，来源于内陆河水文年鉴。水文站与气象站分布如图１所示。

１．３ 突变点识别

蔡旗站年径流量变化过程如图２ 所示。由图２ 可知，年径流量在２００２ 年前后发生明显变化，总体呈先减小后增大趋势，多年平均径流量为２．７３ 亿ｍ３，最大值出现在１９６７ 年，为５．９６ 亿ｍ３，最小值出现在２００２ 年，为０．８５ 亿ｍ３。由５ ａ 滑动平均曲线可知，蔡旗站径流量呈减少（１９６４—１９６６ 年）—增加（１９６７—１９７１ 年）—减少（１９７２—２００２ 年）—增加（２００３—２０１９ 年）的变化趋势。通过时间序列离散度计算，蔡旗站年径流量的变差系数ＣＶ值为０．４７，径流年际间波动较为剧烈。

采用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 检验（Ｍ－Ｋ 检验）［８］ 和Ｐｅｔｔｉｔｔ突变检验［９］ 结合的方法对径流序列进行突变性分析，确定突变点。径流突变检验结果如图３ 所示，蔡旗站Ｍ－ Ｋ 统计量序列曲线交点发生在１９７２ 年， 另有１９７４—２０１９ 年ＵＦ 曲线超过置信区间，是可能发生突变的区域；经过Ｐｅｔｔｉｔｔ 突变点识别，突变点可能发生的年份为１９７２ 年，统计量为５５８，置信水平ｐ ＝ １．３５６×１０－５＜０．０５，通过了置信水平为０．０５ 的显著性检验。结合图２ 可知２００２ 年是较明确的突变点，且在Ｍ－Ｋ 检验可能发生突变的区域，因此可以认为蔡旗站年径流量的突变点为１９７２ 年和２００２ 年。

２ 径流变化归因分析

２．１ ＳＷＡＴ 模型归因分析

１）ＳＷＡＴ 建模与评价。ＳＷＡＴ 模型是美国农业部农业研究中心（ＵＳＤＡ－ＡＲＳ）开发的基于长时段、适用于较大流域尺度的分布式水文模型［１０］ ，可以同时考虑地形、土地利用、土壤、气象等对水文过程的影响，被广泛应用于流域水文过程模拟以及流域在气候和土地利用变化下的水文响应等。

基于石羊河流域ＤＥＭ 数据、土地利用数据、土壤数据、气象数据等，通过土壤水文特性软件、ＳＷＡＴ⁃Ｗｅａｔｈｅｒ 等构建模型的土地利用、土壤、气象数据库，划分子流域和水文响应单元，建立流域ＳＷＡＴ 水文模型，最终将流域划分为４７ 个子流域和３２７ 个水文响应单元。建模结果如图４ 所示。

采用ＳＷＡＴ 模型对流域１９６０—１９７２ 年径流量进行月尺度模拟。设置１９６０ 年为模型预热期，１９６１—１９６７ 年为率定期，１９６８—１９７２ 年为验证期。采用ＳＷＡＴ－ＣＵＰ 软件的ＳＵＦＩ２ 算法对模型进行率定和驗证，通过ｔ－Ｓｔａｔ 和Ｐ－Ｖａｌｕｅ 两个指标判别参数的敏感性，敏感参数及率定结果见表１。径流主要受河道深层地下水损失率、地下水蒸发系数、地下水滞后系数、降雪气温、侧向流移动时间、土壤有效含水率等参数影响。

采用决定系数（Ｒ２ ） 和Ｎａｓｈ－Ｓｕｔｃｌｉｆｆｅ 效率系数（ＮＳＥ）对计算结果进行精度分析，综合评价ＳＷＡＴ 模型的模拟效果，一般认为，当Ｒ２ 与ＮＳＥ 均大于０．５ 时模型模拟结果可接受［１１］ 。由表２ 可知，率定期和验证期的Ｒ２和ＮＳＥ 均大于０．８，表明ＳＷＡＴ 模型能够较好地模拟石羊河流域的径流过程。

率定期和验证期的月均流量模拟值与实测值对比及其相关关系如图５ 和图６ 所示，可以直观看出ＳＷＡＴ 模型在率定期和验证期月径流模拟结果与实测径流过程吻合较好。

２）贡献率分析。运用ＳＷＡＴ 模型［１２］ 定量评估气候变化和人类活动对径流变化的贡献率。具体步骤：利用基准期（１９６０—１９７２ 年）的气象、水文和土地利用等数据率定水文模型参数，将变化期（１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年）的气象数据输入模型中还原出天然径流量Ｒｓｉｍ，并计算气候变化导致的径流变化量ΔＲＣ 和人类活动导致的径流变化量ΔＲω，利用突变前后径流总变化量ΔＲ，分别计算二者的贡献率ηＣ、ηω。具体计算公式如下：

以径流量突变前的１９６０—１９７２ 年为基准期，突变后的１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年为变化期。由表４可知，变化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年年均降水量相对基准期分别增加５５．２１、９５．０３ ｍｍ，年均径流深相对基准期分别减少２３．０５、１８．２７ ｍｍ，年均潜在蒸散发量相对基准期分别增加９．１７、５５．２２ ｍｍ。变化期的径流系数（Ｒ ／ Ｐ）、干旱指数（ＥＴ０ ／ Ｐ）均小于基准期的，而下垫面参数绝对值较基准期明显增大。

根据式（１２） ～式（１４）计算得到径流的降水量、潜在蒸散发量、下垫面参数弹性系数，径流对降水量的弹性系数为正值，而对潜在蒸散发量和下垫面参数的弹性系数为负值，表示降水量增加将导致径流量增大，潜在蒸散发量、下垫面参数的增大则会导致径流量减小。变化期相对基准期，各项关于径流变化弹性系数绝对值均增大，径流变化对各因子敏感性：下垫面参数＞降水量＞潜在蒸散发量。

由式（１６）计算径流变化贡献率，结果见表５。降水量和潜在蒸散发量对径流变化的贡献率之和是气候变化对径流变化的贡献率，人类活动对径流变化的贡献率主要由下垫面参数来反映。降水对径流变化的贡献率为正值，潜在蒸散发量、下垫面参数的贡献率为负值。下垫面参数对径流影响最大。相对于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年人类活动对石羊河流域径流变化影响大于气候变化的影响，其中１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年２ 个时期气候变化对径流变化的贡献率分别为３０．８０％、４１．４４％，人类活动对径流变化的贡献率分别为－６９．２０％、－５８．５６％。

２．３ ＳＷＡＴ 模型与Ｂｕｄｙｋｏ 假设归因对比分析

ＳＷＡＴ 模型径流变化归因分析结果表明，变化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年气候变化对径流变化的贡献率分别为３２．１８％、４６．０９％，人类活动对径流变化的贡献率分别为－６７．８２％、－５３．９１％，而弹性系数法结果表明，两个时期气候变化对径流变化的贡献率分别为３０．８０％、４１．４４％，人类活动对径流变化的贡献率分别为－６９．２０％、－５８．５６％。对比发现，两种方法所得径流变化归因分析结果基本一致，相对于１９６０—１９７２年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域径流变化受人类活动的影响大于气候变化的影响。与弹性系数法相比，ＳＷＡＴ 模型物理机制强，分析精度更高，能够对水文变量及其演变规律进行准确的描述，可进一步采用ＳＷＡＴ 模型对石羊河流域未来径流进行预测。

３ 结论

１）石羊河流域年径流量呈现先减小后增大的趋势，且在１９７２ 年和２００２ 年发生突变。

２）ＳＷＡＴ 模型与基于Ｂｕｄｙｋｏ 假设的弹性系数法径流变化归因分析结果基本一致，ＳＷＡＴ 模型分析结果表明，变化期１９７３—２００２ 年、２００３—２０１９ 年气候变化对径流变化的贡献率分别为３２．１８％、４６．０９％，人类活动对径流变化的贡献率分别为－６７．８２％、－５３．９１％，而弹性系数法结果表明，两个时期气候变化对径流变化的贡献率分别为３０．８０％、４１．４４％，人类活动对径流变化的贡献率分别为－６９．２０％、－５８．５６％。相对于１９６０—１９７２ 年，１９７３—２０１９ 年石羊河流域径流变化受人类活动的影响大于气候变化的影响，人类活动是影响石羊河流域径流变化的主要因素。

３）人类活动是导致石羊河流域径流减少的主要原因，科学合理地规划、开发、利用水资源对缓解石羊河流域水资源短缺、改善流域生态环境具有重要意义。

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【责任编辑 张 帅】