顧海敏，史建橋，，鄒長新，白淑英，，鄭雪峰

（1．南京信息工程大學(xué) 遙感學(xué)院，南京210044；2．94783部隊61分隊，浙江 長興313111；3．環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所，南京210042）

氣候變化對水資源的影響及其適應(yīng)性是國際社會普遍關(guān)注的全球性問題。氣候變化對我國各地區(qū)水資源時空格局變化的影響，尤其是對水資源工程和規(guī)劃的影響，將是氣候變化影響評估的重要內(nèi)容［1］。在全球氣候變暖背景下，西北干旱區(qū)以山區(qū)降水和冰雪融水補(bǔ)給為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)將更為脆弱，主要表現(xiàn)在極端水文事件增加、水資源不確定性加大、水循環(huán)過程和生態(tài)需水規(guī)律改變等方面［2］。氣候變化對水量平衡的影響顯著，氣候變化時，徑流的主要影響因素為降水，其次為氣溫；而影響陸面蒸散的主要氣候因子為氣溫。氣候變化對水量平衡的影響程度取決于降水和氣溫的變化幅度及其組合關(guān)系［3］。

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是在SWRRB模型基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一個大、中尺度的長時段分布式流域水文模型［4］，該模型具有很強(qiáng)的水文物理機(jī)制，可以在不同的土壤、土地利用類型、氣候狀況和人類活動干擾條件下做出有效的徑流模擬預(yù)測［5］，在氣候變化的水文效應(yīng)方面，得到了廣泛的應(yīng)用。Cruise等［6］應(yīng)用SWAT模型研究了不同氣候變化條件下，美國東南部現(xiàn)在和未來水資源的變化情況，結(jié)果表明，在未來的30～50a，研究區(qū)的徑流將會持續(xù)減少，水質(zhì)惡化加劇；賀國平等［7］利用SWAT模型分析了北京過去10a徑流量劇烈減少的主要原因，結(jié)果表明，盡管土地利用方式的變化使北運(yùn)河年均徑流量增加了10%～20%，但是氣候變化卻使徑流減少了2／3。顧萬龍等［8］利用SWAT模型，針對河南中部農(nóng)業(yè)區(qū)的特點，構(gòu)建了該區(qū)域氣候變化對水資源（徑流）影響的評估模型，結(jié)果表明，地表徑流、基流年內(nèi)變化趨勢與降水量的變化趨勢一致，蒸散發(fā)是該地區(qū)水量的主要輸出項，地表徑流是基流的2倍左右，地表徑流相對于降水有滯后性，基流滯后于降水3個月；張利平等［9］探討研究了SWAT模型在南水北調(diào)中線工程水源區(qū)的適用性，根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專業(yè)委員會第四次評估報告中大氣環(huán)流模型多模式輸出結(jié)果，分析了特別排放情景下21世紀(jì)降水、氣溫、徑流、蒸發(fā)的響應(yīng)過程。結(jié)果表明，與基準(zhǔn)期相比，南水北調(diào)中線工程水源區(qū)21世紀(jì)氣溫將持續(xù)增高，年降水量將增加，徑流量較基準(zhǔn)期將會先減少后增大。梁小軍等［10］以SWAT模型為工具，建立了不同的土地利用和氣候變化情景，模擬岷江上游流域不同情景的徑流響應(yīng)，結(jié)果表明，模擬徑流量隨著降水量的增加而增大，且增加量主要由雨季產(chǎn)生。

近年來，氣候變暖趨勢愈加嚴(yán)重，我國多處省市發(fā)生嚴(yán)重旱情，對人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了重創(chuàng)。由于地理環(huán)境因素，西北地區(qū)歷來水量就相對偏少，是典型的干旱區(qū)域。因此，研究氣候變化對當(dāng)?shù)貜搅鞯挠绊懀瑢侠碇贫ê驼{(diào)度水資源，保證當(dāng)?shù)赜盟踩哂兄匾饬x。開都河流域是塔里木河流域的一個子流域，流域面積2．2×104km2，是巴州境內(nèi)最大的一條內(nèi)陸河，是我國最大的內(nèi)陸淡水湖博斯騰湖最主要的補(bǔ)給源，是伊犁、巴州等地州經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生活的重要水源保障，對塔里木河下游生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境有著重要作用。鑒于此，本研究以大山口水文站以上區(qū)域（面積約18 311km2）為研究區(qū)，擬采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象水文資料，借助遙感和GIS技術(shù)，基于SWAT水文模型，設(shè)定氣候變化情景，模擬探討不同氣候條件下徑流的響應(yīng)特征，以為本地區(qū)水資源管理、可持續(xù)利用與發(fā)展和防旱防澇工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 SWAT模型模擬原理

SWAT的地表徑流模擬過程包括坡地匯流與河網(wǎng)匯流，前者指凈雨從坡地表面匯入河網(wǎng)的過程，后者指進(jìn)入河網(wǎng)的坡地徑流向流域出口匯集的過程［11］。根據(jù)水文循環(huán)原理，SWAT的水文模型基于以下水量平衡方程：

式中：SWt——土壤的最終含水量（mm）；SW0——第i天可被植被吸收的土壤原始含水量，定義為原始土壤含水量減去凋萎點含水量（mm）；t——時間（d）；Ri——第i天的降水量（mm）；Qi——第i天的地表徑流 量 （mm）；ETi——第i天 的 蒸 散 發(fā) （mm）；Pei——第i天存在于土壤剖面底層的滲透量和測流量（mm）；QRi——第i天的地下水回流量（mm）。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究選擇 Albers Conical Equal Area投影，地理坐標(biāo)選擇 WGS－1984。SWAT模型運(yùn)行所需數(shù)據(jù)類型及來源詳見表1。

表1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及來源

3 SWAT模型的建立

3．1 模型構(gòu)建

研究區(qū)域出水口以上的流域面積為18 311km2，共提取45個子流域，344個水文響應(yīng)單元（HRUs）。輸入研究區(qū)域氣象水文資料、DEM數(shù)據(jù)、土地利用和土壤數(shù)據(jù)，確定積雪／融雪參數(shù)［12－14］，以驅(qū)動 SWAT模型運(yùn)行。采用SCS徑流曲線方法計算地表徑流，Penman－monteith方法計算潛在蒸發(fā)，模擬1988—2009年開都河流域逐月徑流，其中1988—1989年為模型預(yù)熱期，1990—1999年為模型校準(zhǔn)期，2000—2009年為模型驗證期。

3．2 參數(shù)率定

經(jīng)過敏感性分析得出最敏感的7個參數(shù)依次為Timp、Alpha＿Bf、Gwqmn（mm）、Esco、Cn2、Gw＿Delay和Ch＿K2（mm／h），參數(shù)含義及具體數(shù)值見表2。

首先采用SWAT模型提供的自動參數(shù)率定模塊對7個敏感參數(shù)進(jìn)行自動率定，然后再根據(jù)自動率定結(jié)果，通過手動率定模塊對率定結(jié)果進(jìn)行有針對性的微調(diào)，以提高模型的模擬精度，參數(shù)率定結(jié)果如表3所示。

3．3 模擬結(jié)果評價

校準(zhǔn)期模擬月徑流與實測月徑流過程比較曲線如圖1所示，校準(zhǔn)期月徑流模擬效果較好，模擬徑流趨勢與實測趨勢大致吻合，但是存在一個異常的模擬高值點（1994年），使得整個時期的模擬精度降低。分析表4發(fā)現(xiàn)，1994年的年降雨量明顯高于其相鄰的年份，年徑流量也呈相同的特征，說明該年降雨驟增，是降雨異常高值年。有學(xué)者對此類現(xiàn)象進(jìn)行了研究，如 Tzyy－Woei［15］的研究表明，SWAT 模型對降水異常高值年的模擬精度較差，宋艷華［16］發(fā)現(xiàn)對于降水量出現(xiàn)驟增的年份，SWAT模擬值會出現(xiàn)異常增高的現(xiàn)象，同時這種異常高值年會有延續(xù)性，且其后一年受其影響最大。

表2 參數(shù)敏感性分析結(jié)果

表3 研究區(qū)SWAT模型參數(shù)率定最終值

圖1 校準(zhǔn)期月徑流模擬值和實測值

表4 1990－1999年年降雨及年徑流

圖2 驗證期月徑流模擬值與實測值

驗證期模擬月徑流與實測月徑流比較曲線如圖2所示，模擬徑流與實測徑流趨勢吻合度較高。分析效率系數(shù)Ens、相對誤差RE和線性擬合系數(shù)R23個評價指標(biāo)，結(jié)果如表5所示。驗證期（2000—2009年）的效率系數(shù)Ens、相對誤差RE及線性擬合系數(shù)略好于校準(zhǔn)期（剔除降水異常年1994年和1995年），分別為0．67、－9．6%和0．81，均達(dá)到了模型評價標(biāo)準(zhǔn)，說明SWAT模型在開都河流域的適用性較好。

4 氣候變化情景設(shè)計

4．1 情景設(shè)定

秦大河等［17］在《中國西部環(huán)境演變評估綜合報告》中指出：2020—2030年間，我國平均氣溫將增加1．7℃，西北更高，將可能增加1．9℃～2．3℃，到了2050年，全國均溫將可能達(dá)到2．2℃的增幅，同時不少地區(qū)的降雨也將出現(xiàn)不同程度的增加。

表5 模型評價指標(biāo)

根據(jù)我國的氣候變化趨勢，基于2000—2009年氣象資料，采用任意情景設(shè)置方法，分析氣候變化對開都河流域徑流的影響。具體建立的未來氣候變化情景為：氣溫在原來的基礎(chǔ)上分別變化＋2℃，＋1℃，0℃，－1℃和－2℃，降水在原來的基礎(chǔ)上分別變化＋20%，＋10%，0%，－10%和－20%，包括原始情況在內(nèi)，共有25種交叉組合方式，具體的組合方式如表6所示，土地利用／覆被數(shù)據(jù)采用1990年的數(shù)據(jù)。

表6 開都河流域未來氣候變化情景設(shè)置

4．2 模擬結(jié)果與分析

利用SWAT模型，對上述25個組合情況進(jìn)行模擬，得到不同組合條件下的年均徑流量、年均徑流變化量，結(jié)果如表7所示。

表7 開都河流域不同氣溫和降水情景組合下的徑流模擬預(yù)測

由表7可知，開都河流域氣候變化對徑流的影響比較顯著，分析結(jié)果如下：

（1）開都河流域徑流與降水呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)降水P不變，溫度T增加1℃時，徑流量減少5．8m3／s，溫度T增加2℃時，徑流量減少11．9 m3／s，說明溫度越高，徑流量越小；當(dāng)溫度T保持不變，降水P增加10%時，徑流量增加17．2m3／s，降水P增加20%時，徑流量增加34．9m3／s，說明降水越高，徑流量越大。這可能是由于降水是徑流主要的直接來源之一，降水增加，地表產(chǎn)流增加，徑流也增加，而溫度升高時，會促使研究區(qū)的蒸發(fā)量增加，導(dǎo)致徑流減少。

（2）開都河流域的徑流變化同時受到氣溫和降水的影響，在降水和氣溫的不同情景組合下，流域徑流變化顯著。包括初始情況在內(nèi)，本研究采用的25種情景組合方式中，能最大程度使研究區(qū)徑流增大的是情景S51，在此情景中，溫度T下降2℃，降水變化20%，模擬所得的徑流量為160．5m3／s，較初始情況S33的徑流量增加了45．1m3／s，增幅為39．1%。而使當(dāng)?shù)貜搅鳒p少最多的組合是情景S15，在此情景中，溫度T增加2℃，降水P變化－20%，模擬所得徑流量為71．5m3／s，比初始情況減少了43．9m3／s，降幅為38%。

（3）降雨對年徑流的影響大于氣溫，當(dāng)溫度T保持不變，降水P增加10%時，徑流量增加17．2m3／s，增加了14．9%。當(dāng)降水P不變，溫度T減少2℃時，徑流量增加10．1m3／s，增加了8．8%，這表明未來研究區(qū)降水是影響年徑流量變化的主要因素，氣溫對年徑流的影響較弱，且氣溫對徑流量的影響隨降水的增加變化幅度也較小。

降水、氣溫的變化不僅導(dǎo)致了年均徑流量的變化，其年內(nèi)分布也導(dǎo)致了徑流量的年內(nèi)變化，這對研究區(qū)合理制定防旱防澇計劃意義重大，因此有必要了解氣溫、降水對徑流年內(nèi)變化的影響。

由圖3可知，當(dāng)溫度不變時，隨著降水的增大，年內(nèi)各月徑流量呈現(xiàn)與降水相同的變化趨勢，但各月的增幅不同，其中，冬季（12月至次年2月）增幅最小，從春季（3—5月）開始增幅變大，到了夏季（6—8月）增幅達(dá)到最大，隨后從秋季（9—11月）開始增幅又開始下降。這可能是由于冬季溫度較低，降水多為固態(tài)降水，不易形成徑流，春季冰雪融化，徑流增大。

圖3 溫度不變降水變化條件下徑流年內(nèi)變化曲線

圖4表示降水不變溫度變化條件下的徑流年內(nèi)變化曲線。在降水不變，溫度上升的情況下，除了春季徑流略有上升外，其他各月徑流都呈減小趨勢。造成這種現(xiàn)象的原因很復(fù)雜，可能是由于在降水不變的情況下，氣溫上升導(dǎo)致當(dāng)?shù)乇偯娣e逐年減少，且蒸發(fā)也隨著溫度升高而增加，最終造成徑流減少。

圖4 降水不變溫度變化條件下徑流年內(nèi)變化曲線

5 結(jié)論與討論

利用SWAT模型，結(jié)合RS和GIS技術(shù)，以新疆典型的高寒山區(qū)開都河流域為例，研究了當(dāng)?shù)貧夂蜃兓瘜α饔驈搅鞯挠绊?，得到的結(jié)論主要有：

（1）開都河流域的SWAT月徑流模擬結(jié)果與實測徑流較吻合，剔除降水異常年1994年和1995年后，校準(zhǔn)期（1990—2000年）效率系數(shù)為0．58，平均相對誤差為－5．7%，線性擬合度為0．8，驗證期（2000—2009年）的結(jié)果與校準(zhǔn)期接近，均達(dá)到了模型的評價標(biāo)準(zhǔn)，說明SWAT模型在開都河流域的適用性較好。

（2）通過假定未來的氣候變化情景，探討了開都河流域徑流對氣候變化的響應(yīng)，結(jié)果表明，開都河流域年均徑流與降水呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)。降水對年徑流的影響大于氣溫，當(dāng)溫度T保持不變，降水P增加10%時，徑流量增加 17．2m3／s，增加了14．9%。當(dāng)降水P不變，溫度T減少2℃時，徑流量增加10．1m3／s，增加了8．8%，這表明未來研究區(qū)降水將是影響年徑流量變化的主要因素，氣溫對年徑流的影響較弱，且氣溫對徑流量的影響隨降水的增加變化幅度也較小。

（3）在不同的降水和氣溫變化情景組合下，流域年均徑流變化顯著。其中，能最大程度使研究區(qū)徑流增大的是情景S51，在此情景中，溫度T下降2℃，降水變化20%，模擬所得的徑流量為160．5m3／s，相較初始情況S33的徑流量增加了45．1m3／s，增幅為39．1%。而使當(dāng)?shù)貜搅鳒p少最多的組合是情景S15，在此情景中，溫度T增加2℃，降水P變化－20%，模擬所得徑流量為71．5m3／s，比初始情況減少了43．9 m3／s，降幅為38%。

由于人類對復(fù)雜氣候系統(tǒng)認(rèn)識的局限性，預(yù)測未來氣候變化對流域水文循環(huán)過程的影響是一個復(fù)雜的過程，研究存在著很多的不確定性。SWAT模型沒有考慮未來下墊面變化對徑流的影響以及氣候變化對流域下墊面條件的影響，但從總體上不會改變未來水文循環(huán)要素的變化趨勢［1，18－19］。本文探討了開都河流域徑流過程對未來氣候變化的響應(yīng)，但氣候變化背景下極端水文事件的變化、預(yù)測結(jié)果的不確定性、下墊面影響、模型參數(shù)不確定性分析［20］等問題，還需進(jìn)一步深入研究和探討。

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