趙錦程

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 新疆 烏魯木齊 830000）

近年來變化環(huán)境下水科學(xué)研究的重點(diǎn)是水文循環(huán)研究，大量的研究文獻(xiàn)表明：長時(shí)間尺度下氣候變化對(duì)水資源的影響非常明顯，但是在短時(shí)間尺度下影響流域產(chǎn)流變化的主要因素是土地利用/覆被的變化，土地利用變化能夠改變流域的土壤水文狀況、蒸發(fā)量、地表徑流以及地表覆蓋的截留量[1]。土地利用/覆被的變化直接體現(xiàn)和反映了人類活動(dòng)的影響程度，它對(duì)水循環(huán)過程的影響結(jié)果將直接導(dǎo)致水資源供需關(guān)系發(fā)生變化，對(duì)流域的生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等方面產(chǎn)生重大影響[2]。目前隨著全球人口增加，資源與環(huán)境問題日益突出，人類活動(dòng)導(dǎo)致土地利用/覆被發(fā)生變化，進(jìn)而使得研究區(qū)的氣候、水文、產(chǎn)匯流等產(chǎn)生了很大的影響[3]，所以研究土地利用變化的水文響應(yīng)過程對(duì)流域水資源管理非常重要。

本文選取西北內(nèi)陸干旱區(qū)烏倫古河流域作為研究區(qū)，運(yùn)用SWAT模型來研究土地利用/覆被變化對(duì)徑流的影響，其研究結(jié)果可以為流域水資源規(guī)劃管理提供理論依據(jù)，為流域非點(diǎn)源污染的研究提供幫助。

1 研究區(qū)概況

烏倫古河位于新疆維吾爾自治區(qū)阿勒泰地區(qū)，東和東北部與蒙古人民共和國接壤，北同額爾齊斯河流域毗鄰，西與吉木乃縣相接，南和古爾班通古特沙漠毗鄰。烏倫古河是流向準(zhǔn)噶爾盆地最大的一條內(nèi)陸河流，發(fā)源于阿爾泰山東段南麓，地理位置坐標(biāo)為東經(jīng)87°05′～90°45′，北緯46°10′～47°28′，流域總面積4.3萬km2，其中國內(nèi)部分 27527km2，流經(jīng)阿勒泰地區(qū)的青河、富蘊(yùn)、福海三縣，最后流入烏倫古湖。

表1 模型參數(shù)率定結(jié)果

圖1 1986、2000、2010年流域土地利用圖

表2 1986、2000、2010年流域三期土地利用變化

2 SWAT模型的應(yīng)用

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

運(yùn)行SWAT模型前需要收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別是DEM、土壤類型、土地利用、水文數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的格式要求高，按照模型需要整理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)精度為90m，來源于中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心，主要用于提取流域坡度、坡向和河網(wǎng)等信息。土壤類型數(shù)據(jù)精度為1:100萬，主要是用于提取該流域的土壤空間分布情況。土地利用數(shù)據(jù)精度為1:10萬，用于了解該流域的土地利用空間分布情況。氣象數(shù)據(jù)有降水、氣溫、風(fēng)速和相對(duì)濕度等，水文資料主要是流域的長系列徑流數(shù)據(jù)。

2.2 流域水文模型構(gòu)建

研究區(qū)域基于DEM提取河網(wǎng)與實(shí)際流域完全吻合，將整個(gè)研究區(qū)劃分為44個(gè)子流域，249個(gè)水文響應(yīng)單元，本研究基于DEM數(shù)據(jù)提取的烏倫古河流面積為10017.10km2，加載土壤、土地利用數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，模型運(yùn)行模擬流域徑流量。

2.3 參數(shù)率定及模型驗(yàn)證

參數(shù)率定可以進(jìn)一步了解影響研究區(qū)水文過程的關(guān)鍵因子，并能使模型的模擬值與實(shí)測值誤差最小。SWAT模型的參數(shù)很多，其模型的空間特性變化很大，要確定每一個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確值非常困難，所以盡可能使重要的參數(shù)準(zhǔn)確，因此通過敏感性分析可以去掉對(duì)模擬結(jié)果影響較小的參數(shù)，以提高模型參數(shù)率定效率、減小模型不確定性[4-5]，使模型的模擬結(jié)果更精確。

SWAT模型選擇Nash-Suttcliffe效率系數(shù)、相關(guān)系數(shù)R2和相對(duì)誤差RE作為模型模擬效果的評(píng)價(jià)參數(shù)[6]，其中模擬值與實(shí)測值的相對(duì)誤差RE小于實(shí)測值的20%，Nash-Suttcliffe效率系數(shù)大于0.5以及決定性系數(shù)R2大于0.6，表明模擬結(jié)果的精度達(dá)到要求[7]。校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期效率系數(shù) Nash-suteliffe分別為0.67、0.80，月徑流相對(duì)誤差RE分別為-6.56%、-11.58%，模擬值比實(shí)測值略偏大，但各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均達(dá)到要求，表明SWAT模型能準(zhǔn)確的描述烏倫古河流域集水區(qū)的水文過程。

圖2 不同情景下流域年徑流模擬

3 土地利用變化對(duì)徑流的影響

3.1 土地利用情景建立

運(yùn)用情景設(shè)計(jì)法分析烏倫古河流域土地利用變化對(duì)水資源影響，情景設(shè)計(jì)需要考慮研究區(qū)自然狀況、空間尺度以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特點(diǎn)等因素。情景分析方法主要有歷史反演法、參照流域?qū)Ρ确?、土地利?覆被情景預(yù)測模型法、土地利用空間配置法、極端土地利用法?；A(chǔ)資料收集了三期土地利用圖，因此本研究運(yùn)用歷史反演法模擬研究烏倫古河流域現(xiàn)時(shí)段水文過程變化。

在氣候因素不變的條件下，根據(jù)流域1986年、2000年和2010年三期不同土地利用類型圖，建立3種土地利用/覆被變化情景，分別是 S1、S2、S3，情景 1：1986年土地利用/覆被，情景2：2000年土地利用/覆被，情景3：2010年土地利用/覆被，三種土地利用情景面積變化見表2和圖1。

由表 2和圖 1對(duì) 1986年、2000年和2010年三期土地利用類型變化特征分析可知，烏倫古河流域土地利用方式為耕地、林地、草地、水域、居民點(diǎn)與工業(yè)用地和未利用土地，面積均有變化。情景2較情景1土地利用面積變化：草地增加12.11%，面積增加了1213.07km2；水域增加 0.05%，面積增加了5km2；居民點(diǎn)增加0.05%，面積增加了5.01km2；林地減少 11.88%，面積減少了1190.03km2；未利用的土地減少0.34%，面積減少了34.06km2；情景3較情景2土地利用面積變化：耕地增加0.19%，面積增加了18.85km2，林地增加0.64%，面積增加了64.04km2，水域增加0.09%，面積增加了9.26km2，居民點(diǎn)增加 0.12%，面積增加11.62km2，草地減少1.15%，面積減少了114.9km2。

3.2 結(jié)果分析

使用校正好的SWAT模型，保持氣象資料不變，運(yùn)用1986、2000、2010年三期土地利用分布圖，來模擬烏倫古河流域徑流量，模擬結(jié)果見圖2。

由圖2可知，情景2模擬結(jié)果得出烏倫古河流域多年平均徑流量為25.77m3/s，較情景1徑流量減少1.31m3/s，變化率為5.1%，可能是因?yàn)椴莸卦黾颖攘值販p少多，其需水量增加，居民點(diǎn)增加，居民飲用水量增加，因此導(dǎo)致地表水減少，進(jìn)而多年平均流量減少；情景3的多年平均徑流量為24.90m3/s，較情景2徑流量減少0.87m3/s，變化率為3.38%，情景3較情景2耕地、林地、居民點(diǎn)都有所增加，其用水量也增加，引起地表徑流量減少；情景3較情景1徑流量減少3.98m3/s，變化率為16.24%。由3種情景模擬結(jié)果可知，土地利用變化對(duì)徑流的影響較大，主要原因在于流域土地利用開發(fā)導(dǎo)致下墊面產(chǎn)流特征的變化。

4 結(jié)論

本文在考慮烏倫古河流域水文特征的基礎(chǔ)上，基于SWAT模型對(duì)烏倫古河流域進(jìn)行徑流模擬，校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期效率系數(shù)Nash-suteliffe分別為0.67、0.80，月徑流相對(duì)誤差RE分別為-6.56%、-11.58%，模擬值比實(shí)測值略偏大但各項(xiàng)評(píng)價(jià)參數(shù)均達(dá)到要求。利用三種氣候情景定性的分析流域土地利用變化對(duì)徑流影響，由于導(dǎo)致土地利用改變的影響因素較多，不能定量分析土地利用變化因子對(duì)徑流的影響，這方面還有待進(jìn)一步研究。陜西水利

[1]李昱，張弛，周惠成，等.SWAT模型在土地利用變化對(duì)徑流影響研究中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2010，38(2)：308-311.

[2]歐春平，夏軍，王中根，等.土地利用/覆被變化對(duì)SWAT模型水循環(huán)模擬結(jié)果的影響研究——以海河流域?yàn)槔齕J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009，28(4)：125-129.

[3]宋倩.天山西部山區(qū)徑流過程對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)研究[D].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[4]楊軍軍，高小紅，李其江，等.湟水流域SWAT模型構(gòu)建及參數(shù)不確定性分析[J].水土保持研究，2013，20(1)：82-88.

[5]王中根，夏軍，劉昌明.分布式水文模型的參數(shù)率定及敏感性分析探討[J].自然資源學(xué)報(bào)，2007，22(4)：649-655.

[6]Nash J E，Suttcliffe J V.River flow forecasting through concep tual m odels，Part1-a discussion of principles[J].Journal of Hydrology，1970：10(3)：282～290.

[7]郝芳華，程紅光，楊勝天.非點(diǎn)源污染模型—理論方法與應(yīng)用[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2006.