基于SWAT模型的岷江上游水文模拟及径流响应研究.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023收稿日期：2023-01-16基金项目：云 南 大 学 引 进 人 才 科 研 启 动 基 金 资 助 项 目（CZ21623201）作者简介：潘建军（1997），男，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向为生态水利工程通信作者：杨海军（1965），男，吉林怀德人，二级教授，博导，研究方向为受损河流生态修复、溪流生态与治理、水土保持E-mail：基于SWAT模型的岷江上游水文模拟及径流响应研究潘建军1，2，潘雪倩3，杨海军1（1.云南大学 生态与环境学院，云南 昆明 650091；2.云南大学 建筑与规划学院，云南 昆明 650091；3.四川江源工程咨询有限公司，四川 成都 610041）摘要：选取岷江上游为研究区域，利用紫坪铺水文站19662009年的实测气象、水文数据，基于SWAT分布式水文模型分别对研究区年、月径流量进行模拟，并定量分析气候变化和人类活动对径流量的影响。结果表明：SWAT模型适用于研究区的年、月尺度的径流量模拟，且率定序列长更有利于率定的准确性；通过M-K检验，确定研究区径流突变年为1990年，气候变化和土地利用变化对径流量变化的贡献分别占84.69%、15.31%，气候变化影响占主导地位；各类土地利用类型调节径流的效果为：林地高覆盖度草地低覆盖度草地耕地；研究区内气温每变化10%，径流量变化0.01%3.49%，而降雨量每变化10%，径流量变化16.19%20.42%。关键词：SWAT水文模型；径流响应；土地利用；气候变化；岷江上游中图分类号：TV62文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.001近年来，在气候变化和人类活动的双重影响下，水文循环加剧，水文过程发生了不可逆转的改变1。从之前的研究发现，不同流域气候变化和人类活动对径流的贡献值差异较大，且各类土地利用类型的生态水文功能在不同气候、下垫面条件以及不同研究尺度上，对径流量的影响无法取得一致的结论2-4。为了适应岷江上游地区发展需要，本文以岷江流域紫坪铺为控制站，19662009年水文气象资料为依据，定量分析气候变化和以土地利用/覆被变化为表征的人类活动对径流的影响，以期为水资源系统规划管理、土地的合理开发利用及制定长江流域水土保持管理措施提供参考。1材料与方法1.1试验区概况岷江是长江上游的重要支流之一，干流全长793 km，都江堰市以上为上游。本文选取岷江上游作为研究区域，干流全长为334 km，处于青藏高原向四川盆地过渡的川西地区，流域范围包括四川省阿坝藏族羌族自治州的松潘县、黑水县、茂县、理县、汶川县的大部或全部以及都江堰市的小部分地区。1.2试验方法SWAT（The Soil and Water Assessment Tool）模型以GIS和RS提供的空间数据为基础，能模拟多种不同的水文物理化学过程，已经被广泛应用于不同土壤、不同土地利用方式、不同尺度流域的土地利用规划以及水资源管理等领域5-6。DEM 数据处理：DEM 数据地面分辨率为 30 m。对原始DEM数据进行填洼、流向、流量、分水岭计算等，并将控制点紫坪铺水文站的地理坐标作为流域出口，确定岷江上游流域范围。土地利用数据处理：根据监督分类中的最大似然法对Landsat遥感影像进行解译，分辨率为30 m，得到岷江上游流域土地利用分类结果。根据岷江上游流域的土地利用类型分布及特点，将土地利用类型分为7类，分别为耕地、林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、水域、城镇用地。土壤数据：土壤数据来源于四川省1:100万数字化土壤类型图。SWAT模型中，土壤的主要参数可通过中国土壤数据库、三次样条插值法、SPAW软件等获取。气象数据库构建：所用气象资料包括研究区内汶川、松潘、黑水、茂县、理县等5个气象站点坐标及其19662009年的逐日实测气象数据。水文数据：选取紫坪铺站为校准验证的水文站点，水文数据包括紫坪铺站19662009年的月径流资料。径流资料主要用于模型参数的敏感性分析及校准和验证。2结果与分析2.1数据输入和模型运行2.1.1子流域划分在数据库准备完成后，开始建立SWAT模型，通过定义子流域最小集水面积的阈值进行子流域划分。水文响应单元是SWAT模拟的基本单元，是子流域的一部分。本研究区内共划分了31个子流域及121个水文响应单元。2.1.2模型校准及验证本文模拟结果的适用性评价采用3个指标，即相对误差Re、决定系数R2、Nash-Sutcliffe系数。决定系数R2反映了实测值与模拟值的相关程度，R2越接近1，模拟值与实测值就越吻合；相对误差Re为模拟值与实测值的差值与实测值之间的比值；Nash-Sutcliffe系数（Ens）反映了模拟值与观测值的比值与1:1曲线的靠近程度。鉴于参数的不确定性，设置19661970年为模型的预热期，19711990年为模型的率定期，19912009年为模型的验证期。（1）月径流量率定评价：由表1可知，预热期模拟结果拟合度一般，径流量模拟值较实测值偏小22.56%，纳什系数只达到0.65，模拟效果较差。根据表1并结合SWAT模型输出结果，对19711990年的模拟值进行率定，表2为调整后的SWAT模型参数，表3为对模型参数进行调整完成后率定期和验证期的模拟结果。根据表3，研究区率定期和率定期模拟拟合度和相关性均较好，总体来看，模拟结果令人满意。表1预热期月尺度径流过程模拟评价指标时间段19661970年R20.83Re-22.56%Ens0.65表2岷江上游SWAT模型参数调整参数CN2SOL_AWCESCOGwqmnGw_Revap含义SCS径流曲线系数土壤可利用水量土壤蒸发补偿系数浅层地下水再蒸发系数地下水再蒸发系数文件格式.mgt.sol.hru.gw.gw参数值范围3598010105 0000.020.2调整终值720.010.080.140.18表3SWAT模型月尺度径流过程模拟参数评价建模期率定期验证期时间段19711990年19912009年R20.950.94Re-7.42%-6.53%Ens0.860.84 1人 民 黄 河2023年S1（2）年径流量率定评价：对研究区年径流量进行模拟时，需要重新调整模型参数，使年径流量的模拟值更好地拟合实测值。模拟结果见表4，率定期及验证期内模拟效果较好，但较月径流量模拟效果差。由年尺度及月尺度径流模拟效果可以看出，月径流量模拟效果明显优于年径流量模拟效果，其原因是月径流量模拟数据个数远大于年径流量数据，因此率定序列长更有利于率定的准确性。2.2气候变化和人类活动对径流的影响2.2.1气候变化和人类活动对径流影响贡献值的分离本文将土地利用/覆被变化看成人类活动的影响，而降雨、温度、风速等自然气象条件的变化视为气候的影响。采用情景分析法进行分离，即假定气候条件和土地利用/覆被条件其中一个条件发生变化，而另一个条件保持不变动，根据这个假定即可定量计算出各个条件对径流的影响程度。本文通过matlab软件实现研究区径流序列M-K突变点检验6，将研究区的径流突变年确定为1990年。2.2.2影响贡献值分离根据径流序列的突变点年份，将突变点之前的径流量认为是只有自然气象条件下产生的结果，定义为天然阶段，为19721990年；而突变点之后的年份，既受气象条件的作用，又受到人类活动的影响，定义为人类活动影响阶段，为 19912009年。具体情景设置见表5，以情景1为基础，对比情景2，可以得出气候变化对径流量的影响；将情景3与情景1作对比，可以得出对应时期的土地利用覆被变化对径流量的影响。根据表6可知，19802015年土地利用/覆被变化对径流量产生的影响很小，因此需要进一步研究不同阶段的土地利用/覆被变化情况和气候变化情况，以了解不同的土地利用类型及气候对径流量产生的影响。2.2.3土地利用/覆被变化情景模拟本文根据监督分类中的最大似然法对Landsat遥感影像进行解译，分辨率为30 m，得到岷江上游流域不同时期的土地利用分类结果。结果表明研究区土地利用/覆被变化比例较小，对径流的影响程度较小，需假设极端情况来进行模拟计算。本文以1980年的土地利用情况作为基准，假设4种不同的土地利用/覆被方式进行模拟，分别判断林地、高覆盖度草地、低覆盖度草地以及耕地对径流的影响。不同土地利用情景下的年径流模拟结果见表7。由表7可以看出，M1（全林地覆被）情景下，径流量减少了37.52%，说明林地有明显的水源涵养功能，而M2（全高覆盖度草地覆被）情景下，径流量增加了16.16%，M3（全低覆盖度草地覆被）情景下，径流量增加了19.99%，M4（全耕地覆被）情景下，径流量增加了32.95%，因此从调节径流的效果来看，林地高覆盖度草地低覆盖度草地耕地。2.2.4不同气候条件模拟为进一步探讨不同气候变异对径流量的影响，假设了以下情景：在不同温度下（温度分别变化2、1、0），即气温分别变化20%、10%、0（岷江上游多年平均气温10.2）情境下，不同的降雨量（降雨量分别变化30%、20%、10%、0）所对应的径流量，共35种方案，通过不同的方案组合，模拟出径流对气温和降雨变化的响应，研究表明：（1）当气温每变化10%时，径流量变化0.01%3.49%，而当降雨量每变化10%时，径流量变化16.19%20.42%，因此降雨对径流量影响更大。（2）随着降雨量的增大，径流量增加，且径流量增加的幅度越来越大；而随着降雨量的减小，径流量随之减少，但减少的幅度越来越小，因此同等降雨增加量相对减少量对径流量的影响更大。（3）温度升高20%和温度升高10%时，径流量变化不大，主要原因是当温度上升到一定值时，蒸发量增大，空气中水汽含量增大，导致云层增厚而蒸发量减小。当研究区蒸发量变化较小时，径流变化只对降雨量敏感，而温度变化对径流量影响不大。3结论（1）利用紫坪铺水文站19662009年的实测月、年径流量数据对SWAT模型参数进行率定和验证，结果表明率定序列长更有利于率定的准确性。（2）通过 M-K检验，将研究区的径流突变年确定为 1990年。气候变化和土地利用变化对径流量变化贡献占比分别为84.69%、15.31%，由此可见，19802015年土地利用/覆被变化对径流量产生的影响较小，气候变化的影响占主导成分。（3）通过对1980年、1990年、2000年、2010年、2015年5个不同时期土地利用变化的分析可知，从调节径流的效果来看，林地高覆盖度草地低覆盖度草地耕地。（4）气候变化对径流量的影响占主导地位，其中降雨对径流量影响更大。当气温每变化 10%时，径流量变化 0.01%3.49%，而当降雨量每变化 10%时，径流量变化 16.19%20.42%；当温度升高到一定值时，径流只对降雨量敏感，对温度并不敏感。参考文献：1 孙晨，程志刚，毛晓亮,等.近44a四川地区极端气候变化趋势及特征分析 J.兰州大学学报（自然科学版），2017（1）：119-126.2 FICKLIN D L，LUO Y，LUEDELING E，et al.Climate ChangeSensitivityAssessmentofaHighlyAgriculturalWatershedUsing SWAT J.Journal of Hydrology，2009，374（1）：16-29.3 GUO Junting，ZHANG Zhiqiang，WANG Shengping，et al.ApplingSWAT Model to Explore the Impact of Changes in Land Useand Climate on the Streamflow in a Watershed of NorthernChina J.Acta Ecologica Sinica，2014，34（6）：1559-1567.4 MENGYING W U，WANG Z，DANG S.Simulation and Analysisof Runoff in the Upper Reaches of the Heihe River Basin J.Resources Science，2012，34（10）：1913-1921.5 刘闻.基于SWAT模型的水文模拟及径流响应分析 D.西安：西北大学，2014：5-12.6 张洪波，王斌，辛琛,等.去趋势预置白方法对径流序列趋势检验的影响 J.水力发电学报，2016，35（12）：56-69.【责任编辑许立新】表5模型模拟情景设置情景123土地利用数据1980年1980年2015年气象数据19721990年19912009年19721990年表6研究区土地利用和气候变化对径流量影响的模拟结果情景123模拟径流量/（m3 s-1）421.56380.92426.01土地利用变化对径流量的影响/（m3 s-1）5.54气候变化对径流量的影响/（m3 s-1）30.64土地利用变化影响占比/%15.31气候变化影响占比/%84.69表7不同土地利用情景下的年径流模拟结果项目径流量/亿m3径流变率/%1980年405.37M1253.26-37.52M2470.8616.16M3486.4219.99M4538.9232.95表4SWAT模型年尺度径流过程模拟参数评价建模期率定期验证期时间段19711990年19912009年R20.870.85Re-4.73%-5.34%Ens0.760.80 2