張圣微,雷玉平,姚 琴,3,李紅軍

(1.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050021;2.中國科學院研究生院,北京 100049;3.靖江市規(guī)劃局,江蘇靖江 214500)

為了解決當今世界日益嚴重的水資源問題,掌握水文系統(tǒng)各個分量的變化規(guī)律,探討區(qū)域環(huán)境變化將對水資源產生怎樣的影響,已成為水資源研究的熱點之一。近年來眾多的研究人員致力于氣候和人類活動對水文系統(tǒng)不同時間和空間尺度影響的研究[1-4],這些研究表明氣候和土地利用變化對區(qū)域水文循環(huán)有明顯的影響。但是,土地利用-土地覆蓋變化的差異也導致其對于地表徑流的影響是不同的,而且這些影響由于各地區(qū)氣候條件的不同而更加復雜。如文獻[5]指出,在濕潤地區(qū)甚至是很多極端的土地利用變化也僅僅對區(qū)域水平衡產生很小的影響,而在非洲熱帶雨林地區(qū)卻得出了與之相反的結論[2]。

青藏高原是全球海拔最高的一個巨型構造地貌單元,具有獨特的自然環(huán)境和空間分異規(guī)律。高原的隆起對高原及其毗鄰地區(qū)自然環(huán)境的演化影響深刻,其氣候變化與全球環(huán)境變化密切相關。近年來在青藏高原開展了一系列的全球氣候變化研究,如集中研究歷史時期氣候變化的自然過程[6]、現(xiàn)代氣候變化及其環(huán)境效應[7-8],以及未來氣候變化趨勢與對策等[9]。而對于氣候和土地覆蓋土地利用變化對水文過程尤其是流域產流量影響的研究甚為少見。

拉薩河流域是西藏自治區(qū)政治、經濟、文化的中心,了解流域水文過程及其在氣候和土地利用變化下的發(fā)展變化趨勢對該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及社會經濟都意義重大。因此利用分布式式水文模型SW AT(Soil and Water Assessment Tool),建立拉薩河流域的分布式水文模擬系統(tǒng),并進一步通過改變模型的輸入條件,模擬研究區(qū)環(huán)境變化對徑流的影響,從而為流域的水資源規(guī)劃管理和綜合開發(fā)利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域

拉薩河是雅魯藏布江的主要支流之一,位于雅魯藏布江中游的左岸,全長495km;海拔高度由源頭5500m到河口3580m,是世界上最高的河流之一;拉薩河流域位于北緯 29°20′～ 31°15′,東經 90°05′～93°20′,流域面積為3.25萬km2。拉薩河的主要支流有麥曲、桑曲、學絨藏布、墨竹馬曲、玉年曲和堆龍曲等。研究區(qū)域為拉薩河拉薩水文站以上流域,集水面積為26225 km2,占整個拉薩河流域面積的80.5%。流域內包括拉薩氣象站以及拉薩、唐加、旁多3個水文站。研究區(qū)地理位置及數(shù)字高程如圖1所示。

圖1 拉薩河流域地理位置及數(shù)字高程

拉薩河流域屬高原溫帶半干旱氣候,具有高原干濕季節(jié)分布的大陸性氣候特點。年均溫度為7.5℃,年均降水量為444.8mm。降水量年內分配具有明顯的“干季”和“雨季”特征,年內分配極不均勻。該區(qū)年均蒸發(fā)量為2205.6mm,平均相對濕度為45%,最大積雪厚度達11cm。流域內水資源豐富,拉薩河多年平均流量為288m3/s,年徑流總量為90.82億m3,徑流的年際變化較小,但年內由于季節(jié)間補給的不同而有很大的變化,最大月徑流量多出現(xiàn)在7～8月,最大月徑流量約占年徑流量的26.8%,最小月徑流量多出現(xiàn)在2月,約占年徑流量的1.4%。

2 研究方法

2.1 SWAT模型介紹[10]

SWAT模型是D.R.Jeff 1993年在SWRRB基礎上為美國農業(yè)部(USDA)農業(yè)服務中心(ARS)開發(fā)的分布式流域尺度水文模型,主要用于模擬預測不同土地利用及多種土地管理措施對復雜多變的大流域的水文、泥沙和化學物質的長期影響。模型具有良好的物理基礎,適用于具有不同土壤類型、不同土地利用方式和管理條件下的復雜大流域。SWAT模型開發(fā)的目的是預測大尺度、無測站流域水、泥沙和農藥管理的影響,因此它具備以下特點:①基于物理機制,利用嚴格的數(shù)學物理方程計算水分運動、泥沙輸送、作物生長和營養(yǎng)成分循環(huán)等物理過程;②以ARCVIEW為界面,便于空間分布信息的預處理和后處理;③可以模擬分布式參數(shù)變化所帶來的影響;④計算效率高,即使是非常大的流域,或者是一系列流域管理方案的組合,模型的計算都不需要額外的時間和投資;⑤連續(xù)模擬,能夠模擬長期管理變化的影響。

2.2 研究區(qū)域數(shù)據(jù)收集及模型建立

2.2.1 數(shù)據(jù)收集

SWAT模型需要的基礎數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程模型(DEM),土地利用和土地覆被數(shù)據(jù),土壤類型和屬性數(shù)據(jù),流域的數(shù)字河流資料(如流域出水口站點位置等),氣象站點的空間數(shù)據(jù)和實測氣象資料,出水口站點的流量資料以及流域的自然地理資料等。

2.2.1.1 DEM數(shù)據(jù)

DEM數(shù)據(jù)圖來源于網上下載的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)90m分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(http://srtm.csi.cgiar.org/),應用Arcinfo的Grid模塊對圖像進行圖形的拼接、流域邊界劃分、投影變化等預處理操作,生成模擬所需的DEM數(shù)據(jù)資料(圖1)。

2.2.1.2 土地利用數(shù)據(jù)

土地利用數(shù)據(jù)來源于2004年的MODIS1B數(shù)據(jù)和每16天1次的MODIS NDVI產品MOD13Q1數(shù)據(jù),以物候為基礎利用長時間序列NDVI通過基于知識的分類方法進行地物分類,分類結果見圖2。

SWAT模型采用的土地利用分類系統(tǒng)是美國國家地質調查局(USGS)的土地利用分類系統(tǒng),配套的土地利用屬性數(shù)據(jù)庫也是USGS給出的參數(shù),因此需要將上述土地利用重新分類,轉換成與USGS相對應的系統(tǒng)分類,重新將土地利用類型分為11類,具體分類、代碼和所占面積見表1。

2.2.1.3 土壤類型數(shù)據(jù)

土壤圖來源于文獻[11],經掃描輸入計算機后應用ARCGIS9.2數(shù)字化生成矢量圖。并將土壤類型重新進行編碼:斑氈巴嘎土(亞高山草甸草原土)為BBGT,巴嘎土(亞高山草原土)為BGT,黑氈土(亞高山草甸土)為HZT,山地灌叢草原土為SDCY,草氈土(高山草甸土)為BCXB,寒漠土為HMT,各種土壤類型物理屬性參數(shù)見表2。流域內高山草甸土所占面積比重最大,占流域總面積的50.10%,其次是亞高山草原土和寒漠土,占到總面積的 24.32%和11.32%,整個流域以高山草甸土、亞高山草原土和寒漠土為主,3項之和占到整個流域面積的85.74%。

圖2 拉薩河流域土地利用土地覆蓋類型

表1 拉薩河流域土地利用類型、代碼及所占面積

2.2.2 模型模擬系統(tǒng)建立

模型結構和輸入參數(shù)初步確定后,需要對模型進行校準和驗證。將已有資料系列分為兩部分,一部分用于校準模型,另一部分則用于模型的驗證。校準是調整模型的參數(shù),使得模型的計算結果與實測數(shù)據(jù)相匹配,該過程是建立模型模擬系統(tǒng)的關鍵一步。模型的參數(shù)校準完成后,應用參數(shù)校準以外的數(shù)據(jù)對其進行驗證,以評價模型的適用性。在對一些常規(guī)水文過程參數(shù)調整的基礎上筆者還針對拉薩河流域的地域特點著重對融雪模塊進行了調整,調整結果見表3。

表2 土壤物理屬性參數(shù)

表3 融雪參數(shù)輸入值

此外,土地管理、耕作制度和施肥措施等都根據(jù)當?shù)貙嶋H情況進行了設置,并根據(jù)研究區(qū)域土壤及地標產匯流情況設定了降雨-徑流曲線號(CN值)。通過以上過程建立了SWAT模型拉薩河流域模擬系統(tǒng),為下一步進行土地利用土地變化和氣候變化對流域水文過程影響研究構建了平臺。

3 研究結果

3.1 模型驗證及評價

利用流域出口處拉薩水文站的多年實測徑流數(shù)據(jù)對SWAT模型在研究區(qū)徑流量模擬結果進行分析。模型校準期為1995～2000年,驗證期為2003～2006年。驗證期內徑流量日月模擬值與實測數(shù)據(jù)對比如圖3。從圖3可見,模型模擬的兩種不同測量時間尺度徑流量的變化趨勢和峰值除2006年外均與實測數(shù)據(jù)基本一致,模擬結果與實測值基本重合。這是因為2006年為極端枯水年,年降雨總量僅為255.1mm,并且集中在5、6月,7月中旬以后降雨非常少,導致模擬結果不理想。這是由于SWAT模型對降雨空間變化較為敏感,尤其在降雨較少的季節(jié)模擬值偏小[11-12]。

圖3 2003 ～2006年月、日徑流模擬值與實測值的比較

采用相關系數(shù)、模擬效率系數(shù)和均方根誤差來評價兩種時間尺度模擬結果的精度,結果見表4。從表4可見,模擬效率系數(shù)均在0.75以上,達到了模型評價標準的乙等水平,說明日、月徑流量的模擬值與觀測值非常接近;相關系數(shù)也都在0.8以上,表明日、月徑流量的模擬值對實測值的解釋程度較高;均方根誤差都在1以下,也同樣表明了日、月徑流量的模擬值與實測值的擬合度較高。

表4 校準期和驗證期模擬結果的精度評價

3.2 土地利用/土地覆被變化和氣候波動對徑流的影響

3.2.1 土地利用/土地覆被變化對徑流的影響

在土地利用/土地覆被變化水文效應研究中經常運用情景設計定量分析某種或幾種土地利用變化對徑流量的影響。由于土地利用變化情景的設計要充分考慮研究目的、模型類型、空間尺度、自然環(huán)境特征及社會經濟熱點,因此尋找理想的預測未來土地利用狀況的方法存在很大困難。極端土地利用法是土地利用/土地覆被變化水文效應研究中比較常用的方法。因此,在本研究中設立了以下4種土地覆被情景:

a.從理論上假設拉薩河流域生態(tài)環(huán)境一直向惡性方向發(fā)展,草地急劇退化,土地沙化嚴重,地表無任何植被覆被,均為沙地和裸地。模擬時將所有農業(yè)用地、草地和林地均設為沙地或裸地類型。

b.2004年的現(xiàn)狀植被,用來對照其他3種土地覆被變化后的拉薩河流域徑流量狀況。

c.未來最佳土地覆被。依據(jù)1998年7月西藏自治區(qū)政府制定的西藏自治區(qū)土地利用總體規(guī)劃之部門規(guī)劃(1997～2010年)。

d.未來采取積極的土地資源和水資源管理監(jiān)督,土地朝良性方向發(fā)展,大面積草場恢復自然狀態(tài),草質良好,地表基本被林地和高密度草地覆被。

根據(jù)建立的4種土地覆被情景模式,分別模擬拉薩河流域1995～2000年共6 a的徑流量,得出6a的年均徑流量,結果見表5和圖4、圖5。從表5可見,隨著草地和林地面積的增加,拉薩河流域年徑流量減少。模擬徑流量最大值出現(xiàn)在地表裸露無植被覆蓋情景,此時徑流量比初始情景增加10.44%;而徑流量減少最多的情景是地表均被草地和林地所覆蓋,此時徑流量比初始情景減少9.75%。從最佳土地覆被情景模擬的結果可以看出,目前流域的土地利用狀況離最佳土地覆被還有一定的差距,說明政府還要加大生態(tài)管理措施,以使流域植被朝最佳土地覆被方向發(fā)展。對于月平均徑流量而言土地覆被變化對7、8、9月影響較大,而對于其他季節(jié)影響很小,如圖5所示。

表5 不同土地覆被變化情景下的徑流模擬

圖4 不同土地覆被情景下年徑流量比較

圖5 不同土地覆被情景下月平均徑流量

3.2.2 氣候波動對徑流的影響

在氣候變化情景設定方面,國內外常用的有2種方法:①增量情景,即根據(jù)區(qū)域氣候可能的變化,人為給定氣溫升高度數(shù)、降水量增加或減少比例以及兩者的組合,構成氣候變化的假想情景;②基于GCM(大氣環(huán)流模型)輸出的氣候變化情景。盡管GCM模型法具有能夠給出預測的氣象變化過程等優(yōu)點,但氣候變化預測具有很多不確定性,這些不確定性主要由3種因素引起,分別是未來溫室氣體排放的數(shù)量、氣候系統(tǒng)的響應和自然界的多變性。各種GCM模型對相同的CO2增量方案,對氣溫和降水的預測結果差異很大,特別是對降水的增減預測有時是完全相反的結果。氣候總體變化趨勢表明,未來幾十年內,平均氣溫升高,降水量會有不同程度的增減。文獻[13]指出,2020～2030年,全國平均氣溫將上升 1.7℃;到2050年,全國平均氣溫將上升2.2℃。同時,我國氣候變暖的幅度由南向北增加。到2030年,我國西北地區(qū)氣溫可能上升1.9～2.3℃,西南可能上升1.6～2.0℃,青藏高原可能上升2.2～2.6℃。這一時期,我國不少地區(qū)降水出現(xiàn)增加趨勢,東南沿海增加值最大。長江中下游地區(qū)則出現(xiàn)變干的趨勢,華北和東北南部等地區(qū)繼續(xù)變干。我國西部的冰川面積將大幅度減少,這意味著區(qū)域水資源的分配也會發(fā)生重大變化。

在以上分析的基礎上采用增量情景法,設定氣溫和降水變化的10種情景方案,分別是:降水變化為增加原來值的 +20%、-20%、+10%、-10%和不變的情況;氣溫變化為在原來基礎上增加1℃、-1℃、2℃、-2℃和不變的情況,土地覆被采用2004年的土地覆被數(shù)據(jù),構造24種新氣候情景。對拉薩河流域1995～2000年徑流進行模擬計算,得出每種氣候情景相對于初始氣候情景的變化百分比,得到以下結論。

a.不同氣候變化情景下年徑流變化差異明顯。由圖6可以看出,徑流減少最多的氣候情景是降水減少20%、溫度增加2℃時的氣候變化方案,此時徑流比初始條件下徑流量減少45%;而徑流量增加最多的氣候變化情景是降水增加20%、溫度減小2℃時的氣候變化方案,此時徑流比初始條件下徑流量增加了89%。

圖6 徑流對氣候變化的響應

b.降水對徑流影響要大于溫度,溫度增加2℃徑流減小 6.7%;而降水增加 10%,徑流增加21.9%。這表明研究流域未來降水的變化是影響水資源變化的主要因素,而氣溫的增高對水資源的變化影響不是很明顯。

4 結 論

模擬結果表明氣候變化在流域水文過程中扮演著重要角色,尤其對徑流量的影響更明顯,而土地利用/土地覆被的影響甚至是極端的土地利用變化情景也是次要的。這與很多研究者在其他地區(qū)的研究結果是一致的。氣候變化方面,降水變化對流域徑流量的影響較大,氣溫影響相對小得多。徑流量隨降水的增加而增大,隨氣溫的升高而減少,這是由于流域降水量增大時,水循環(huán)過程增加了流域的來水量,從而增加了徑流量,而氣溫的升高,使流域內的蒸發(fā)量增大,在總來水量不變的情況下,徑流量趨于減少。藺學東等[14]對拉薩河流域近50 a來徑流變化的趨勢分析得出,近20a來徑流增加趨勢較顯著。這些研究結論與文中設定情景模擬的結果吻合,即當溫度升高且降水顯著增加的情形下,流域的徑流量明顯增加。朱利等[15]模擬漢江上游區(qū)水資源對氣候變化的響應,陳利群等[16]探討黃河源區(qū)氣候變化對徑流的影響等研究都得出了類似的結論。

但是,筆者發(fā)現(xiàn)對于季節(jié)性水文過程,土地利用卻起到重要的作用,從雨季(5～10月)與旱季(11月至次年4月)的徑流量來看,隨著土地覆被的增加,徑流量的減少總量雨季所占比重較大。其中情景a的減少幅度最為顯著,為29.2m3/s,情景c和d分別為25.6m3/s、18.8m3/s。枯水期徑流減少,但幅度不大。情景 a、c、d,月徑流量分別減少 10.9 m3/s、1.1m3/s、1.4m3/s。流域降水主要集中在6～9月,期間徑流的減少比較明顯,情景a、c、d月徑流量分別減少31.2m3/s、36.6m3/s、25.1m3/s。雨季初期和雨季末期徑流減少不是很明顯。因此可以認為土地覆被對汛期徑流的影響較大,而對非汛期的影響則不明顯,說明土地覆被的增加對雨季徑流調蓄有一定作用。

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