劉柏君,權(quán) 錦,楊超慧,雷曉輝,王 浩

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038; 3.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室,北京 100038; 4.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098)

徑流是表征河流水資源量最直觀的因子,其與社會的耦合和驅(qū)動機制研究成為國際水文未來10年的主要方向。氣候變化導(dǎo)致徑流發(fā)生明顯變化,水資源情況多變,特別是三江源區(qū),冰川、積雪和降雨豐富而徑流利用較少[1-2],水資源充盈,戰(zhàn)略地位顯著。研究徑流變化是為了揭示徑流對氣候變化、人類活動和生態(tài)環(huán)境演變的響應(yīng)規(guī)律,為工程建設(shè)、生態(tài)保護和徑流適應(yīng)性利用提供依據(jù),而徑流模擬是開展上述研究的基礎(chǔ)。以往研究中,常構(gòu)建SWAT模型模擬單一流域徑流過程從而評估氣候變化對徑流的影響或分析水文效應(yīng)對土地利用變化的響應(yīng),也會對SWAT模型的參數(shù)敏感性與區(qū)域適用性進行評價[3-11]。賈仰文等[12]應(yīng)用WEP-L模型模擬黃河源區(qū)年、月徑流過程并詳細研究了徑流過程對氣溫和降水變化的響應(yīng)關(guān)系。薛天柱等[13]通過建立SWAT模型,結(jié)合預(yù)測的氣象數(shù)據(jù),對梨園河流域徑流進行模擬預(yù)測,并分別分析了徑流對氣溫和降雨的水文響應(yīng)的敏感性。宋倩等[14]將SWAT模型應(yīng)用到伊犁喀什河流域,探討了模型的適用性及其參數(shù)的敏感性,極大地豐富了SWAT模型的適用范圍。張圣微等[15]利用SWAT模型模擬拉薩河流域水文過程并研究了流域徑流對氣候變化和土地利用的響應(yīng)關(guān)系。但以往的研究很少涉及大范圍、多流域的區(qū)域徑流模擬,因此對SWAT模型在大范圍、多流域區(qū)域內(nèi)的適用性及徑流模擬效果的認知十分有限,無法滿足氣候變化條件下區(qū)域徑流開發(fā)利用與水資源綜合管理的需求。青海省是三江源區(qū),也是我國的五大牧區(qū)之一,水資源、水能資源、草料資源豐富,地域廣,涉及流域多,地理環(huán)境復(fù)雜,氣候多變,冰川、積雪和降雨直接影響流域產(chǎn)匯流,徑流狀況復(fù)雜且多變。本文通過構(gòu)建青海省主要流域SWAT模型,模擬流域徑流過程,探討SWAT模型的區(qū)域適用性,以期為厘清區(qū)域徑流情勢變化與適應(yīng)性利用問題,為高寒區(qū)徑流演變規(guī)律認知、高原區(qū)水資源和水能開發(fā)戰(zhàn)略潛力評估、生態(tài)水文過程變化影響解析和西部水資源戰(zhàn)略剖析提供有力的技術(shù)支持。

圖1 青海省水系及其主要流域

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)收集及處理

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處我國西北部,為介于東經(jīng)89.58°～103.07°、北緯31.65°～39.32°之間的青海省(圖1)。該省地域面積寬廣,河流眾多,主要有黃河、長江、瀾滄江、湟水干流(不含大通河)、格爾木河、香日德河、巴音河、布哈河、黑河9條,水系發(fā)達,河網(wǎng)密集。青海省地形各異,土壤多樣,高山聳立,河流縱橫,湖泊星羅棋布,草場豐盛,森林匱乏,84.7%的地區(qū)海拔在3 000 m以上。省內(nèi)包含祁連山地、柴達木盆地、青南高原、青海湖4種類型的自然地貌,其中,山區(qū)面積占51%,沙漠、平原(含高原灘地等)占26%,水域占15%,丘陵占8%。省內(nèi)祁連山、昆侖山、巴顏喀拉山和唐古拉山等高海拔山嶺終年積雪,冰川廣布,冰川面積占全國冰川總面積的8.8%,多年融水量達31.72 億m3。青海省深居內(nèi)陸,屬高原大陸性氣候,具有平均氣溫低、晝夜溫差大、太陽輻射強、日照時間長、水面蒸發(fā)強烈、無霜期短、冬長夏短、降雨次數(shù)多而強度小、水資源時空分布不均、自然災(zāi)害頻發(fā)等特點。省內(nèi)年日照數(shù)高達2 500 h,輻射量約為605 kJ/cm2,年均氣溫在-5.7～8.5℃之間,祁連山區(qū)、青南高原年均氣溫低于0℃,湟水、黃河谷地在6～8℃之間。

1.2 研究區(qū)主要流域劃分

根據(jù)以下5條原則進行流域劃分:①與水資源分區(qū)要求相符;②流域水文、氣象、地理、生態(tài)環(huán)境、水資源開發(fā)與利用具有區(qū)域代表性;③具備重大工程與重要控制水文站的流域;④流域與區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展、生態(tài)環(huán)境維護緊密相關(guān);⑤保留主要支流水系完整性,將青海省劃分為黃河流域(黃河干流、湟水干流和大通河)、長江通天河流域、瀾滄江扎曲流域(西南諸河流域)和柴達木盆地、青海湖布哈河流域(西北諸河流域)共7個主要流域,劃分結(jié)果見圖1。

1.3 數(shù)據(jù)收集及處理

地形高程數(shù)據(jù)(DEM)來自于SRTM數(shù)據(jù)集(http://strm.csi.cgiar.org/),空間分辨率為90 m。土壤類型數(shù)據(jù)來自于HWSD(harmonized world soil database)的全球土壤數(shù)據(jù)集,比例尺為1∶1 000 000。土地利用數(shù)據(jù)(圖2)由2010年城市遙感影像與第2次全國土地調(diào)查體系陸地覆蓋/植被類型圖合并后根據(jù)青海省土地覆蓋特征進行2次分類所得[16-17]。不同流域采用同一的土地利用數(shù)據(jù)、土壤類型數(shù)據(jù)。

圖2 青海省土地利用類型分布

氣象數(shù)據(jù)選用由民和、貴德、西寧、同仁等37個氣象站1980—2013年的逐日數(shù)據(jù),包含日降雨量、最高/最低氣溫、太陽輻射、風(fēng)速、相對濕度、日照時數(shù)及平均氣壓,區(qū)域面雨量由模型天氣發(fā)生器模擬得到。根據(jù)水資源主導(dǎo)流域劃分結(jié)果,水文數(shù)據(jù)采用唐乃亥、樂都、青石嘴、直門達、沱沱河、香達、布哈河口、德令哈(三)及格爾木(四)水文站日、月實測流量數(shù)據(jù)(測站分布及詳情見圖1與表1)。

表3 模型模擬評價結(jié)果

表1 水文站詳情與徑流系列

2 模型運行結(jié)果分析

2.1 模型參數(shù)與模型評價

在考慮各流域下墊面特征及河川徑流中積雪/融雪量占比的基礎(chǔ)上,利用SWAT自帶LA-OAT法與Sufi-2法相結(jié)合[18-21]提取出15個敏感性參數(shù)(表2)并采用動尺度搜索算法(MDDS)[22-23]對參數(shù)進行優(yōu)化率定。利用納什效率系數(shù)Ens、徑流總量相對誤差Re及95%預(yù)測不確定性[20]的p因子和r因子來評價模型的模擬效果。Ens越大,Re越小,說明模型模擬值越接近實測值,模型模擬效果越好,通常,Ens不能低于0.5,Re變化范圍不能超過±20%[24-25]。p大于0.7,r小于1,說明模型模擬結(jié)果與實測值相符,具有一定的區(qū)域適用性。

表2 模型參數(shù)

2.2 模型運行結(jié)果分析

圖3 流域月均流量過程對比

由圖3與表3可知:①除柴達木盆地外,其余6個主要流域的模型日/月均徑流模擬值與實測值在率定期與驗證期內(nèi)都具有較好的擬合程度,在日和月不同尺度下模型率定與驗證的Ens值均大于0.5,Re值均在[-20%,20%]范圍內(nèi),p均大于0.7,r均小于1,說明模型對此6個主要流域具有良好的適用性,并且滿足流域徑流模擬的精度要求;②柴達木盆地模型運行結(jié)果較差,說明SWAT模型并不適合于此區(qū)域,根據(jù)模型參數(shù)ALPHA_BF、GWQMN和REVAPMN可知,基流在柴達木盆地徑流中占有較大比重,說明河流水量主要來源于盆地地下水補給,而SWAT模型僅能用于模擬以降水、冰川、融雪為主的河流的水文生態(tài)過程[26-28],因此,針對柴達木盆地的徑流過程模擬可采用地表水-地下水耦合模型進行,而如何構(gòu)建出適合柴達木盆地地表水-地下水耦合模型,是下一步研究的重點;③青海省主要流域分別處于高寒區(qū)與高原區(qū)內(nèi),說明SWAT模型對于高寒區(qū)或高原區(qū)內(nèi)以降水、冰川、融雪為主要補給的流域的徑流模擬具有一定的適用性;④模型驗證后得到的15個青海省敏感性參數(shù)值(表4)均在合理取值范圍內(nèi),可以從參數(shù)ESCO、SOL_AWC、GW_REVAP、GW_DEALY、ALPHA_BF、GWQMN、REVAPMN中選擇與地下水模型相同的參數(shù)，以便未來地表水-地下水模型的耦合；可從參數(shù)ESCO、SOL_AWC、SFTMP、SMTMP、SMFMX、SMFMN、TIMP中選擇與大氣模型相同的參數(shù)，以便未來水文-氣象模型的耦合；也可以選取參數(shù)CN2與CH_K2值用于非點源污染的研究。綜上所述,SWAT模型不適用于柴達木盆地,而對高寒區(qū)或高原區(qū)內(nèi)以降水、冰川、融雪為主要補給的流域/河流的徑流模擬效果良好,且具有較好的適用性。

3 結(jié)論與展望

基于青海省內(nèi)水文、氣象及地理信息數(shù)據(jù),通過主要流域劃分并構(gòu)建相應(yīng)SWAT模型,模擬主要流域日、月平均徑流變化過程,根據(jù)模型徑流模擬值與實測值對比及對模型模擬結(jié)果進行評價,從而探討所構(gòu)建模型的模擬精度及其適用性。結(jié)果表明,SWAT模型在黃河干流流域、大通河流域、湟水流域、長江通天河流域、瀾滄江扎曲流域與青海湖布哈河口流域日、月平均徑流模擬方面滿足流域徑流模擬的精度要求,流域模擬值與實測值擬合程度較好,模型具有良好的適用性。而在柴達木盆地徑流模擬結(jié)果精度較低,其原因在于基流在柴達木盆地徑流中占有較大比重,其河流水量主要來源于盆地地下水補給,SWAT模型在地表水與地下水間互饋模擬上的欠缺,導(dǎo)致模型并不適合于此流域。特別是上述流域分別處于高寒區(qū)與高原區(qū)內(nèi),因此,SWAT模型對于高寒區(qū)或高原區(qū)內(nèi)以降水、冰川、融雪為主要補給的流域的徑流模擬具有一定的適用性,以地下水補給為主的流域徑流模擬需要構(gòu)建地表水-地下水耦合模型。

表4 模型敏感性參數(shù)驗證結(jié)果值

研究青海省主要流域徑流模擬問題,能夠為針對青海省開展以下多方面的研究奠定良好的模型基礎(chǔ):①徑流過程及其對氣候變化和人類活動的響應(yīng)規(guī)律研究,即徑流多源解析、徑流趨勢預(yù)測、水文過程對土地變化/森林覆被變化的響應(yīng)、水利工程對流域徑流或泥沙的影響評價、人類活動與氣候變化對河流徑流組分影響、地形與融雪對水量平衡的影響分析等;②徑流利用中生態(tài)環(huán)境作用分析,即生態(tài)環(huán)境變異對徑流利用制約作用評估、徑流利用中生態(tài)風(fēng)險評價及降低風(fēng)險方法研究、河道內(nèi)生態(tài)基流估算等;③徑流適應(yīng)性利用研究,即徑流-用水-發(fā)電-生態(tài)之間的互饋關(guān)系和閾值分析、來水-蓄水-用水效益協(xié)調(diào)及其生態(tài)安全邊界研究、應(yīng)對氣候變化風(fēng)險和水庫調(diào)度不確定性的徑流利用方法研究、梯級水庫-生態(tài)環(huán)境-河流三復(fù)合系統(tǒng)徑流變化規(guī)律研究、合理利用徑流資源條件下梯級水庫調(diào)控策略制定、國際河流水量優(yōu)化配置、河流水資源量計算及變異規(guī)律分析、干旱評價等;④基于徑流模擬的水蝕對策制定等。

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