基于SWAT 模型的开都河上游气候变化和人类活动对径流的影响

陈世雪，玉素甫江·如素力，张 发，迪里胡玛尔·阿汗木江

（新疆师范大学地理科学与旅游学院/新疆干旱区环境与资源重点实验室，乌鲁木齐 830054）

气候变化和人类活动共同影响水循环过程，这种影响不是单向式的交互过程，而是系统间各要素的多项式交互过程［1］。全球气候变暖使各地区更加干湿分明［2，3］，西北干旱区出现“暖湿化”现象［4-6］，影响该地区水文过程。人类活动则通过土地利用方式的改变影响流域产流、汇流过程［7］。气候变化和人类活动对水文过程的影响在不同流域会产生不同效应［8］。因此，开展径流对气候变化和人类活动的响应研究，对流域水资源规划管理有重要意义。

SWAT（Soiland Water Assessment Tool）分布式水文模型由于其较强的物理机制，已被广泛应用于气候变化和人类活动的水文响应方面。如冯畅等［1］、祖拜代等［9］、郭军庭等［10］、程程［11］、杨李艳［12］、Aboeinour 等［13］定量分析了气候变化和人类活动对不同流域径流的影响，结果表明气候变化是径流变化的主要影响因素。Zhang 等［14］、Xu 等［15］的研究认为土地利用是导致径流发生变化的主要因素。开都河是典型的干旱区内陆河流，当前已有不少学者聚焦开都河流域水文变化过程［16-27］，然而大多数的研究主要关注气候变化和土地利用变化历史时期或未来时期的单一影响，忽略了气候变化和人类活动的共同影响。

基于此，本研究目的是在考虑气候变化和人类活动影响的基础上，利用SWAT 模型，通过情景分析方法设置3 类情景，定量分析二者对径流的影响，以期为开都河流域水资源管理提供科学指导。

1 研究区概况

开都河（82°58′—86°55′E、41°47′—43°21′N）位于新疆巴州境内。源起天山中部，尾闾注入博斯腾湖，是焉耆盆地和孔雀河流域社会经济发展的重要资源，也是塔里木河下游的重要补给水源，对塔河生态恢复和重建起关键作用［27］。开都河流域属温带大陆性干旱气候，年平均降雨量165 mm，年平均气温 5～8 ℃。大山口（85°44′E，42°13′N）是开都河流域惟一的出山口，将开都河流域分为上游山区和下游平原区，本研究以开都河上游为研究靶区（图1），其集水面积约18 586 km2，由积雪融水和降水混合补给。

图1 开都河上游水系及站点分布

2 数据与方法

2.1 基础数据

建立SWAT 模型所需数据如表1 所示。根据SWAT 土地利用分类标准将研究区土地利用重分为林地、草地、水域、建设用地、湿地和未利用土地6类，2000—2015 年研究区土地利用变化主要是未利用土地转变为草地。由于城市化的影响，研究区农村居民点大幅度减少，出现城镇化，导致建设用地总面积占比减少0.06 个百分点（图2、表2）。根据世界土壤数据库HWSD 将研究区土壤重分为9 类（图3）。

图2 开都河上游土地利用类型

图3 研究区土壤类型分布

表1 SWAT 模型基础数据

表2 2000 年、2015 年开都河上游土地利用面积比例

2.2 研究方法

2.2.1 SWAT 模型 SWAT 模型是由美国农业部开发的基于长时间序列的大尺度分布式水文模型［28］。其运行顺序遵循：①数据准备；②子流域划分和水文响应单元划分；③参数敏感性分析；④参数率定；⑤模型验证。设置1985—1989 年为模型预热期，1990—2003 年为率定期，2004—2010 年为验证期，以评估模型在月尺度上的径流模拟能力。

采用SWAT-cup 软件，利用大山口水文站径流数据对模型进行率定和验证。选择26 个与径流有关的主要参数，采用SUFI_2 算法进行参数敏感性分析。根据参数敏感性水平t值和参数显著性水平P值筛选保留13 个敏感参数，经过多次率定不断调整参数范围，缩小范围寻找最佳值。选取线性回归方程决定系数R2、Nash-Sutcliffe 效率系数NSE和偏差系数PBIAS作为评价指标，直到模拟结果验证通过，具体公式如下。

决定系数R2：

Nash-Sutcliffe 效率系数NSE：

偏差系数PBIAS：

式中，n是模拟时间数，QO是径流观测值，QS是径流模拟值是观测数据平均值是径流模拟的平均值。当R2＞0.6，NSE＞0.5，|PBIAS|＜20%，表示模型模拟结果可接受。

2.2.2 情景设置 设置如下情景，评估气候变化与土地利用对径流的影响。

1）气候变化和土地利用对径流的综合影响。将气象数据分为 1990—2003 年、2004—2017 年 2 个时段，2000 年、2015 年 2 期土地利用数据，设置不同的土地利用和气象数据情景组合（表3）。

表3 气候变化和土地利用综合情景设置

情景1 和情景2 对比得到气候和土地利用变化对开都河流域径流的综合影响，情景1 和情景3 对比，得到气候变化对径流的影响，情景1 和情景4 对比，得到土地利用变化对径流的影响。

2）极端土地利用情景。为更好探讨开都河流域土地利用变化对径流的影响，设置极端土地利用变化情景，分析研究区内不同土地利用类型对径流的影响。以2000 年土地利用和1990—2017 气象数据为基础，在不考虑其他土地利用类型变化，只考虑草地和未利用土地变化的情况下，设置以下2 种极端土地利用情景，探讨开都河流域土地利用变化对径流的影响。

情景1：将草地转换为未利用土地；

情景2：将未利用土地转换为草地。

3）气候变化情景。在全球气候变化背景下，根据未来气候变化的可能范围，基于2000 年土地利用，1990—2017 年气象数据，设置2 种气候变化情景：保持现有降水不变，气温分别+1、+2 ℃；保持现有气温不变，降水分别+10%、+20%、-10%、-20%。

3 结果与分析

3.1 SWAT 模型校准与验证

经过多次迭代率定，最终确定13 个敏感参数的敏感性排序和最佳值（表4）。模型在率定期的R2、NSE和PBIAS分别是 0.85、0.84、6.2%，验证期R2、NSE和PBIAS分别是 0.78、0.69、1.6%（表 5），表明SWAT 模型在开都河流域具有较好的适用性。SWAT 模型在开都河流域月尺度径流模拟结果如图4 所示。总的来说，模拟径流量略低于实测径流量。

图4 开都河流域大山口水文站率定期（a）和验证期（b）月径流模拟结果

表4 开都河流域大山口水文站径流敏感性参数

表5 开都河流域大山口水文站月径流模拟结果

3.2 情景模拟分析

3.2.1 气候变化和土地利用综合情景 情景1、2、3、4 的年平均径流量分别是116.94、115.11、115.56、116.49 m3/s。对比情景1 和情景2，气候变化和人类活动对径流的综合作用使年平均径流量减少1.83m3/s。对比情景1 和情景3，在气候变化影响下，年平均径流量减少1.38 m3/s，占径流变化总量的75.47%。对比情景1 和情景4，土地利用变化导致年平均径流量减少0.45 m3/s，占径流总变化量的24.53%。分析4 种情景下径流变化量及占比，发现气候变化是大山口水文站径流减少的主要影响因素。

3.2.2 极端土地利用情景 情景1 将草地转换为未利用土地时，年平均径流量增加1.32 m3/s，增幅为1.14%。情景2 将未利用土地转换为草地时，年平均径流量减少0.27 m3/s，降幅为0.23%。分析2 种极端土地利用情景模拟结果发现，草地情景下，大山口年平均径流量有减少的趋势；未利用土地情景下，年平均径流量呈现上升趋势，且未利用土地情景下径流量增幅大于草地情景的减幅。

3.2.3 气候变化情景 在保持气温不变的情况下，降水量减少20%时，年平均径流量减少29.31 m3/s，减幅25.27%；降水量减少10%时，年平均径流量减少14.32 m3/s，减幅12.34%；降水量增加10%时，流域年平均径流量增加15.72 m3/s，增幅13.55%；降水增加20%时，流域年平均径流量增加30.91 m3/s，增幅26.64%。保持降水不变情况下，气温升高1 ℃，年平均径流量减少0.58 m3/s，减幅0.50%；气温升高2 ℃年平均径流量减少1.12 m3/s，减幅0.97%。分析不同情景模拟结果发现，径流量与降水成正相关关系，与气温成负相关关系（表6）。

表6 不同气候变化情景下开都河流域多年平均径流量变化

4 讨论

运用SWAT 分布式水文模型通过情景分析方法，设置3 类气候变化和土地利用变化情景，定量评估开都河流域气候变化和人类活动对径流的影响。研究结果显示，在气候变化和人类活动共同影响下径流量呈减少趋势，可能会导致水资源问题更加严峻。应当对研究区土地利用结构进行合理规划，以应对严峻的水资源问题。从极端土地利用情景来看，草地对径流有减缓作用，有利于涵养水源、保持水土。适当地增加草地面积、减少未利用土地面积，有助于合理配置水资源。气候变化情景下，径流与降水成正相关关系，与气温成负相关关系。气温对径流的影响表现在两个方面，一是气温升高，蒸发增强，导致径流量变化，二是气温升高导致冰川融化，短期内导致径流增加；长远看来，山区的冰川数量减少，径流量达到最大值后，会出现下降的情况［16］。

1990—2017 年在气候变化和人类活动的共同作用下，开都河流域大山口水文站径流量呈下降趋势，这与魏光辉［20］和洪波等［26］所研究的开都河流域1960—2007 年、2011 年气候变化与人类活动导致径流量呈增加趋势的研究结果不同，但是与巴乌龙［17］、张玉娜［22］、何旦旦［23］、罗映雪［29］等预测的开都河未来径流量呈下降趋势的研究结果一致。说明开都河流域径流量变化正面临从上升趋势转变为下降的关键时刻，如何在新疆呈现“暖湿化”这一现象过程中实现水资源的合理调配和可持续发展至关重要。

5 结论

基于SWAT 模型运用情景分析方法定量分析气候变化和人类活动对开都河上游径流的影响，得出如下结论。

SWAT 模型在开都河流域径流模拟中具有较好的适用性。率定期、验证期的决定系数R2分别为0.85、0.78；纳什系数NSE分别是 0.84、0.69；偏差系数PBIAS分别是6.2%、1.6%，均高于本研究评价标准。

气候变化和土地利用综合情景分析得出，气候变化是导致径流变化的主要影响因素。气候和土地利用共同作用导致年平均径流量减少1.83 m3/s；气候变化导致年平均径流量减少1.38 m3/s，占径流变化总量的75.47%；土地利用导致年平均径流量减少0.45 m3/s，占径流总变化量的24.53%。

极端土地利用情景表明，草地对径流有减缓作用，未利用土地情景会导致径流量上升。未利用土地全部转换为草地，流域多年平均径流量减少0.27 m3/s，减幅0.23%；草地全部转换为未利用土地，多年平均径流量增加1.32 m3/s，增幅1.14%。

气候变化情景表明，径流与降水变化成正相关关系，与气温成负相关关系。在不考虑冰川积雪融水的情况下，保持气温不变，降水量减少10%、20%时，年平均径流量分别减少14.32、29.31 m3/s，减幅分别为12.34%、25.27%，降水量增加10%、20%时，年均径流量分别增加 15.71、30.91 m3/s，增幅13.55%、26.64%。保持降水不变，气温升高1 ℃和2 ℃，年均径流量分别减少了0.58、1.12 m3/s，减幅分别为0.50%、0.97%。