发布时间：2022-01-14所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘 要 选用国内外广泛应用的 SWAT 分布式水文模型，定量分析流溪河流域土地利用与气候变化对径流的影响，采用情景模拟分析方法设置 3 类情景进行定量分析.对上中下游的温泉、太平场和南岗 3 个水文站依次校正与验证得出: 除温泉站在验证期的 3 个系数刚达标之外，其他
摘 要 选用国内外广泛应用的 SWAT 分布式水文模型，定量分析流溪河流域土地利用与气候变化对径流的影响，采用情景模拟分析方法设置 3 类情景进行定量分析.对上中下游的温泉、太平场和南岗 3 个水文站依次校正与验证得出: 除温泉站在验证期的 3 个系数刚达标之外，其他的相对误差<15%、相关系数>0.8、Nash-Sutcliffe 效率系数>0.75，说明 SWAT 模型在流溪河流域的径流量模拟中具有较高的适用性.综合型情景模拟分析得出: 以 1991—2000 年为基准期，2001—2010 年土地利用与气候变化综合引起年均径流量增加 11.23 m3 ·s -1 ，土地利用变化引起年均径流量减少 0.62 m3 ·s -1 ，气候变化引起年均径流量增加 11.85 m3 ·s -1 ，气候变化的影响强度强于土地利用变化的影响强度.极端土地利用情景模拟分析得出: 与 2000 年土地利用现状模拟径流量相比，耕地情景和草地情景的径流量分别增加 2.7%和 0.5%，林地情景的径流量减少 0.7%，证明林地有一定的截流能力.气候变化情景模拟分析得出: 流域径流量变化与降水变化呈正相关关系( 降水每升高 10%，径流平均增加 11.6%) ，与气温变化呈负相关关系( 气温每升高 1 ℃，径流平均降低 0.8%) ，降水变化的影响强度强于气温变化的影响强度.在气候变化环境下，需要重视对强降雨的预测和灾害预防，可通过优化土地利用结构与空间布局来减缓气候变化带来的水文负效应，如洪涝灾害.
关键词 土地利用变化; 气候变化; SWAT 模型; 径流量变化; 情景模拟; 流溪河流域
气候变化背景下，剧烈的人类活动对流域水文有着很大影响，其中通过改变土地利用与土地覆被这种人类活动方式是影响水资源的重要因素之一. 20 世纪 90 年代以来，相关国际组织实施了一系列国际 水 科 学 计 划，如 IHP、WCRP、IGBP 和 GWSP 等，其目的是探讨环境变化( 主要是全球气候变化和人类活动) 影响下的水循环及其相关的资源与环境问题，其中变化环境下的水文循环研究是当今水科学研究的热点之一[1-3].气候对水资源的影响具有相对长期性，主要表现为降水的直接影响和气温、蒸发的间接影响[4-5].而土地利用变化对水资源的影响具有相对短期性，通过改变地表植被截留、下渗、蒸发、填洼等水文要素进而影响流域径流[6-7].目前定量分析两者对径流影响多采用对比流域试验、统计分析和模型模拟等方法[8].分布式水文模型相对于前两种方法既考虑了空间的异质性，又具有较好的刻画水文物理过程的优势，近年来被广泛运用于评价两者变化的水文效应[4，9].在众多的分布式水文模型中，国内外应用较多的是 SWAT( soil water assessment tool) 模型，被广泛地应用于土地利用/覆被变化( LUCC) 及气候变化的水文效应，尤其是径流模拟方面的研究[10].
在全球气候变化背景下，1960—2009 年间广东年均气温整体上升趋势非常明显，温度变化达 0.20 ℃ ·( 10 a) -1 ，期间年平均气温上升了约 1 ℃ [11]. 1961—2008 年，广东年均降水量为 1767.2 mm，呈小幅上升趋势，上升速率为 1.30 mm·( 10 a) -1 ，期间广东省年雨强为 9.01 ～ 15.29 mm·d-1 ，呈明显增加趋势，增加速率为 0.50 mm·d-1 ·( 10 a) -1[12].广东近些年雨日减少、雨强加大，极端降水频发，强降水过程导致流域洪水和城市内涝问题加重[13].同样，流溪河流域内暴雨频繁，洪水多发[14]，长期受到洪灾之苦.近年来，珠江三角洲社会经济快速发展，工业化和城市化进程加速，广州重要的水源保护区———流溪河流域土地利用情况也发生了较大改变[15]，对流域造成了较严重的影响.因此，定量分析流溪河流域土地利用与气候变化对径流的影响，对流溪河的防洪、水资源管理与规划具有重要研究意义.目前，国内相关研究内容多为单一环境要素变化的水文效应研究，有许多关于土地利用与土地覆被变化引起的水文效应研究[7，10，16-23]，对气候变化的水文效应研究[24-28]也较多，但综合两者变化的水文效应研究[4，29-32]较少.国内相关研究区域多集中在黄河流域[17，29-31]、长江流域[10，16，26]、西北和华北地区的流域等，岭南湿润多雨地区研究较少.在广东地区，有学者研究证明 SWAT 模型在东江流域[23，33-35]和北江流域[28，36]具有适用性，关于变化环境下的水文效应研究较少[23，35-36].陈洋波等[14，37]提出了流域洪水预报的分布式物理水文模型————流溪河模型，并有相关的成功案例[38-39]，此外还探讨了模型参数选择和敏感性分析优化方法[40-43]，但很少涉及环境变化的水文效应研究.总体而言，在小流域尺度，特别是在岭南湿润多雨地区关于土地利用与气候变化两种因素综合对流域水文影响的定量研究较少.为此，本文基于 SWAT 模型构建了流域的分布式水文模型，通过设置情景，定量分析两者对流域产流的影响，并分别分析了单一土地利用类型和不同气候变化情景对流域径流的影响，以期为气候变化和人类活动影响下的水资源管理和土地利用规划提供重要的科学依据.
1 研究区域与研究方法
1. 1 研究区域概况
流溪河属珠江水系北江支流，位于广州市的北部( 23°12'—23°57' N，113°10'—114°02'E) ，是广州市重要的水源保护区( 图 1) .发源于广州市从化区吕田镇桂峰山，流经从化区的良口、温泉、街口、太平场、花都区的北兴、花东和白云区的钟落潭、竹料、人和、江高等地，在江村南岗口与白泥河汇合后注入珠江，其干流全长 171 km，流域总面积 2300 km2 .流域呈东北至西南向的狭长形，东北高、西南低，温泉镇以上为中、低山地高丘陵区，温泉镇以西流域边缘为低山丘陵区，温泉镇以下为河谷平原属冲积平原地貌.该流域属华南亚热带湿润地区，受季风环流影响以及临近南海的海洋调节，气候温湿，雨量丰沛，年均气温 21.2 ℃，年均降水量 1823.6 mm，汛期( 4—9 月) 雨量约占全年雨量的 84%.流域内水资源主要由降水补给，按水资源六级区统计，该流域多年平均本地水资源总量为 29.27×108 m3 .径流年内分配不均匀，汛期径流量占年总量的 80% ～ 85%，最大径流量多出现在 5、6 月.该流域属南亚热带赤红壤分布区，分布着赤红壤、山地红壤、山地黄壤和山地草甸土，以赤红壤为主.根据中国土地资源分类系统[44]，本文将土地利用类型分为耕地、林地、草地、水域、城乡工矿居民用地( 本文称建设用地) 和未利用地 6 类. 2000 年流溪河土地利用现状( 图 2、表 1) 以林地为主( 占 62.3%) ，耕地次之( 占 28.3%) ，建设用地占 5.4%，耕地和建设用地主要集中在中下游，其他用地占有量较少.2010 年，仍以林地为主( 占 73.1%) ，主要由于当地注重林地保护，近年来流域内荔枝等果树种植增加; 建设用地增加到 12.7%，而耕地减少到 7.7%，变化显著，大部分耕地被建设用地占用; 草地消退到仅有 0.4%，在城市化过程中城市建设产生的观赏水体和养殖鱼塘及次生裸地增加等原因使得流域中的水域、未利用地面积增加.
1. 2 研究方法
1. 2. 1 SWAT 模型与数据预处理 SWAT 模型是由美国农业部农业研究中心( USDA-ARS) 开发的流域尺度分布式水文模型，模型可在具有多种土壤类型、土地利用类型、气象环境和管理条件的复杂流域中预测长期土地管理措施对水、泥沙和农业污染物的影响[18，45]，具有描述水文循环的时空变化过程的物理基础，能研究气候变化水文循环的影响，可模拟出人类活动或下垫面因素的变化对流域水文循环过程的影响[19].
SWAT 模型需要输入数据包括高程数据、土地利用数据、土壤数据和气象数据( 表 2) ，基于实测水文数据对模拟值的适用性进行校正和验证.在建模前需要对数据进行预处理.数字高程模型( DEM) 数据: 先对其进行几何校正.土地利用数据: 2000 年广东省土 地 利 用 图 ( 1 ∶ 10 万) ，来源于中国科学院的遥感解译数据; 2010年土地利用数据从中国科学院地理空间数据云下载 2010 年 1 期 Landsat-7 TM 多波段遥感影像数据( 30 m 分辨率) ，使用 ENVI 4.8 软件，参考中国科学院解译分类方法解译获得[46]，精度达到 81%.因为 SWAT 模型采用的土地利用分类系统是美国国家地质调查局( USGS) 的土地利用分类系统，基于相关研究资料，对流域内的土地利用类型进行代码转换[10，27]. 2000 年土壤数据 ( 1 ∶ 5 万) : 使用 1stOpt 软件，采用三次样条插值的数学方法将土壤粒径转换成为 USGS 标准，根据《广东土种志》[47]，使用 SPAW 软件转换 USGS 标准的土壤参数，并导入模型数据库[48].水文数据: 1979— 2010 年温泉、太平场和南岗 3 个水文站( 上中下游各 1 个站点，图 1) 的径流数据.气象数据( 上中下游都有站点，图 1) : 流域内 6 个雨量站的 1979—2010 年气象数据，缺失数据使用-99 替代; 流域周边广州、增城气象站 1979—2010 年气象数据，包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、平均相对湿度、日降水量、小型蒸发量、大型蒸发量、日照时数、平均气压和平均风速.气象数据利用官方提供的统计软件 pcpSWAT和 dewSWAT 计算相关参数，导入模型内部的气象数据库，生成气象生成器用于气象数据插值，可以填补缺失数据[4].最后把空间数据转化为统一投影坐标系和分辨率，属性数据转换为 DBF 格式.
1. 2. 2 模型构建 通过数据的预处理后，本文应用 ArcSWAT 2009 版本，首先进行流域定义: 基于 DEM 数据进行河网定义; 相关研究得出[27]，汇水面积设置有以下规律: 设置越小水系模拟生成的越精细，子流域的个数也越多，但模型计算效率受到大数据量的影响而下降，模型随着子流域划分数目的增多，模拟的径流量变化呈现出先升后降、再趋于近似平稳的状态，本研究通过多种划分方案最终确定设置最小子流域面积 5500 hm2 ，划分 29 个子流域时模拟径流值趋于平稳; 编辑河网点，确定流域总出水口( 南岗站) 及进行子流域参数的计算.然后进行水文响应单元( hydrologic response units，HRU) 分析: HRU 指同一个子流域内具有相同土地利用类型和土壤类型的组 合，是在子流域基础上划分的最小地块单元[10，49]，将土地利用类型图、土壤类型图导入，并按照 USGC 标准重分类，经过多重坡度分析后进行叠加，采用优势地面覆被/优势土壤类型方法[10]，设置 10 /15 阀值生成 190 个 HRU.导入数据: 选择建立好的气象生成器、降水、气温、风速、辐射和相对湿度数据导入，把所有属性数据导入，模型构建完成后方可运行模拟.
1. 2. 3 模型校正与验证 模型运行模拟后，需要对模型模拟值的适用性进行校正与验证.本文选用流溪河流域上中下游相对应的水文站点———温泉、太平场和南岗，以月为模拟步长，采用多站点校正方法，依次从上游到下游对 1979—2010 年的月径流量进行校正.因为模型模拟前期会出现许多零值，为减小误 差，本 文 设 置 1976—1978 年 为 预 热 期[4]、 1979—1993 年为校正期、1994—2010 年为验证期.首先利 用 模 型 内 部 敏 感 性 分 析 方 法 LH-OAT 方法[50]，基于水文站实测数据进行参数敏感性分析，选取敏感性强的参数进行调参校正.使用官方提供的 SWATCUP 软件进行调参[51-52]，选用 SUFI-2 算法[52]进行迭次运算确定参数最佳值，然后将参数最佳值通过 SWAT 模型内部的手动调参带入模型内进行模拟验证，选取相对误差( RE) 、相关系数( R2 ) 和 Nash-Sutcliffe 效率系数( Ens) 3 个指标来评价流溪河流域 SWAT 模型径流模拟值的适用性，相关研究认为 RE<20%、R2 >0.6、Ens>0.5 时模拟取得显著效果[10，53-54].
1. 2. 4 情景设置 当模型模拟值验证达到精度后，通过设置 3 类情景来分析南岗站径流对流域土地利用与气候变化的响应: 1) 土地利用与气候变化综合型情景( 表 3) : 以情景 1 为基准期，情景 2 与其对比可分析两者综合对径流的影响; 情景 3 与情景 1 对比可分析气候变化对径流的影响; 情景 4 与情景 1 对比可分析土地利用变化对径流的影响.2) 极端土地利用类型情景: 可剔除其他因素进一步探讨单一土地利用类型变化对径流量的影响作用，以 2000 年土地利用现状为基准期，保留流域内的建设用地和水域，将其他土地利用类型依次设置为草地、耕地和林地情景.3) 气候变化情景: 用于分析气候变化对流域径流量的影响分析，根据未来气候可能的变化范围[11-12]，分别设置降水和气温的情景; 降水情景: 以现有降水量为基准期，设置增加 10%、20%和减少 10%、20%情景; 气温情景: 保持现有气温，设置升高 1 ℃ ( 4.1%) 、2 ℃ ( 8.2%) 和降低 1 ℃ ( 4.1%) 、2 ℃ ( 8.2%) 情景.
2 结果与分析
2. 1 校正与验证结果
通过模型 LH-OAT 方法进行 1000 次运算，选取敏感性强度前 10 位的参数进行调参( 表 4) .在校正期( 表 5，图 3、4) ，温泉站: 汛期模拟峰值在 1987 和 1993 年低于实测值，在 1980、1984、1986 和 1989 年高于实测值; RE、R2 和 Ens 值分别为 2. 9%、0. 85、 0. 81.太平场站: 汛期模拟峰值在 1993 年低于实测值，在 1986 和 1989 年高于实测值; RE、R2 和 Ens 值分别为 11.2%、0.88、0.84.南岗站: 汛期模拟峰值在 1981、 1984 和 1993 年低于实测值，在 1986、1989 和 1991 年高于 实 测 值; RE、R2 和 Ens 值 分 别 为 2. 0%、0. 87、 0. 87，可见校正期 3 个站的径流模拟值精度较高.
在验证期( 表 5，图 3、4) ，温泉站: 汛期模拟峰值在 1998、1999 和 2008 年低于实测值，在 1997、 2001、2003、2007、2009 和 2010 年高于实测值; RE、R2 和 Ens 值分别为 17.3%、0.60、0.50.太平场站: 汛期模拟峰值在 1998 年低于实测值，在 2001、2003、 2007、2009 和 2010 年高于实测值; RE、R2 和 Ens 值分别为 13.4%、0.83、0.77.南岗站: 汛期模拟峰值在 1998 和 2008 年低于实测值，在 2001、2007 和 2009 年高于实测值; RE、R2 和 Ens 值分别为 8.3%、0.85、 0.85.可见验证期 3 个站的径流模拟值精度达标.
通过校正和验证，3 个水文站在校正期和验证期径流模拟精度都达标，除了温泉站的验证期，其他RE<15%、R2 > 0.8、Ens> 0.75，可见模型径流模拟精度较高，说明 SWAT 模型在流溪河流域具有较好适用性.
2. 2 情景模拟分析
第一类情景分析( 表 6) 结果表明: 情景 1、2、3、 4 的年均径流量别为 90. 26、101. 49、102. 11、89. 64 m3 ·s -1 .情景 2 与情景 1 对比得出: 土地利用与气候变化综合效应引起年均径流量增加 11.23 m3 ·s -1 .情景 3、4 分别与情景 1 的比较得出: 气候变化引起年均径流量增加 11.85 m3 ·s -1 ，而土地利用变化引起年均径流量减少 0.62 m3 ·s -1 .情景 3 相对于情景 1，年均气温增加了 0.49 ℃ ( 增幅为 2.2%) ，年均降水增加了 110.4 mm( 增幅为 7.4%) 且增幅较大.情景 4 相对于情景 1，建设用地增加但占有量小，耕地被建设用地占用而减少，林地增加并且占有量大.可见气候变化对径流量的影响强度大于土地利用变化，可能因为气候变化直接影响水文循环，而土地利用变化的影响是间接的; 林地增加对径流量有一定减缓作用，因为林地有截流和涵养水源的作用.在气候变化的背景下，通过合理的土地利用规划，对土地利用类型及空间分布进行优化，可减缓华南地区气候变化造成的洪涝灾害影响，对水资源管理和规划有重要的参考意义.
第二类情景分析( 表 7) : 基于 1995—2005 年气象数据，以 2000 年土地利用数据的模拟径流为基准期，耕地情景和草地情景的径流量分别增加 2.7%和 0. 5%，林地情景的径流量减少了0. 7%.可见林地对流域径流有截流作用，而耕地和草地具有增流作用，且耕地增加强度较强，说明人类活动对水文影响较大，所以华南地区防洪需要注意耕地占用林地和草地的 情 况，适当的退耕还林、还草是防洪的重要手段.
第三类情景分析( 表 8) : 以 1979—2010 年气象数据和2000年土地利用数据的模拟径流为基准期.
保持气温不变，当降水增加 10%、20%，年均径流量分别增加 11.7%和 23.3%，降水每升高 10%，径流平均增加 11.6%，反之年均径流量随降水量减少而减少，可见年均径流量与降水变化呈正比，降水直接影响流域 产 流. 保持降水量不变，当 气 温 减 少 1 ℃ ( 4.1%) 、2 ℃ ( 8.2%) ，年均径流量分别增加 0.7%和 1. 6%，反之年均径流量随气温的增加而减少，气温每升高 1 ℃，径流平均降低 0.8%，可见年均径流量与气温变化呈反比，气温升高通过增加蒸发量间接影响径流量.结果表明，流域径流对降水变化的响应比气温变化更敏感，华南地区防洪需要对强降水进行动态预警并做好相应的防范措施.
3 讨 论
本文通过构建流溪河流域的 SWAT 模型，对 3 个水文站点进行校正与验证，设置 3 类情景定量分析流溪河流域土地利用与气候变化对径流的影响.结果表明: 1) 流溪河流域 SWAT 模型径流模拟值精度达标，具有较高的适用性.2) 定量分析土地利用与气候变化对径流的综合影响得出: 与情景 1 基准期相比，情景 2 中土地利用与气候变化综合引起年均径流增加 11. 23 m3 ·s -1 ，情景 3 中气候变化增加 11. 85 m3 ·s -1 径流量，情景 4 中土地利用变化引起径流减少 0.62 m3 ·s -1 ，气候变化影响程度较土地利用变化强.因此流域可通过合理的土地利用规划、土地利用结构和布局优化应对气候变化带来的水文影响，特别是水文负面效应.3) 极端土地利用类型情景模拟结果分析表明: 耕地情景和草地情景的径流分别增加 2.7%和 0.5%，且耕地对径流的影响强度较大，林地情景的径流减少了 0.7%.因此，流溪河流域可以通过调整土地利用类型和空间布局来预防洪涝灾害，并为水资源的管理和规划提供重要参考.4) 气候变化情景模拟结果表明: 流域径流量随降水增加而增大，降水每升高 10%，径流平均增加 11.6%，呈正相关关系; 随气温的增加而减少，气温每升高 1 ℃，径流平均降低 0.8%，呈负相关关系.降水对径流影响强度强于气温变化的影响强度，可见流溪河流域径流主要由降水补给，降水对径流有直接的影响作用; 蒸发量随着气温的升高而增大，气温对径流有间接的影响作用.因此，流溪河流域防洪需要对强降雨进行预警防范.5) 综合 3 类情景分析表明，流溪河流域径流量变动主要由降雨变化主导，可见南方湿热气候下的流域降雨是径流量变化的最主要因素，土地利用变化对径流量也有影响，但较气候变化影响小，并且人为活动造成的土地利用变化( 如耕地变化等) 引起的径流量变化较生态用地强.
本文基于 SWAT 模型初步探讨了流域内土地利用与气候变化对径流的影响.由于模型模拟存在不确定性，本文通过敏感性分析选取敏感性强的参数进行调参以减少盲目性、提高效率，充分考虑站点空间分布的均衡性，确保上中下游都有一定量的站点分布，参数转换参照相关研究的方法转换，通过以上方法尽可能减小模型的不确定性，但缺少对模型不确定性的评价，因此不确定性分析[4，55]是该研究的下一步工作.此外，SWAT 模型中土地覆被和土壤参数采用 USGS 标准，与我国分类系统有较大差别，参数转换会存在一定的误差和不确定性，有些重要的参数建议通过实验测得[10].本研究中土地利用与气候变化引起的年均径流量变化幅度较其他研究小，初步分析原因为南方湿热气候下的流域水量充沛，流溪河植被覆盖率高，人为因素土地利用变化幅度大但占有量小，并且本文仅从年均径流量角度来研究，因此造成径流量变化幅度小，下一步可从年内的丰、枯水期或季度细化对径流量变化分析[21]，注重对径流变化突变点( 如洪峰) 进行研究.水文效应还可以拓宽对泥沙、水质和非点源污染等效应研究，土地利用变化角度可以从土地利用类型角度转换到景观格局角度[45]( 考虑结构和空间配置) 进行分析，这都是当今的研究热点，也是本研究下一步的研究方向.——论文作者：袁宇志 张正栋**蒙金华
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