戶超

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京　100038）

基于SWAT模型的
廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)徑流敏感性研究

戶超

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京100038）

摘 要：利用SWAT模型對(duì)廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)進(jìn)行水文模擬，并利用鄒圩、南寧等8個(gè)水文站的實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，說明SWAT模型在研究區(qū)域具有良好的適應(yīng)性。選取增量情景法建立降水變化、氣溫變化和消耗性用水變化3種情景，并模擬出對(duì)應(yīng)的徑流情況，對(duì)不同水文站的徑流敏感度進(jìn)行了計(jì)算分析?？傮w來說，徑流對(duì)于降水因子的變化敏感性最高，其敏感度在0.4～2.4；對(duì)于消耗性用水的變化敏感性最低，其敏感度在0.02～0.15。不同地區(qū)對(duì)相同因子的敏感性也有所不同，大風(fēng)江對(duì)于降水因子和氣溫因子的敏感性要高于其他地區(qū)；而茅嶺江對(duì)于消耗性用水因子的敏感性要高于其他地區(qū)，應(yīng)該特別注意該地區(qū)人類活動(dòng)對(duì)徑流產(chǎn)生的影響。

關(guān)鍵詞：SWAT模型；增量情景法；降水；氣溫；消耗性用水；徑流敏感性

1　研究背景

IPCC（政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)）報(bào)告指出在未來100年中，全球平均氣溫將每10年升高0.2℃，降水也會(huì)出現(xiàn)明顯的變化［1］，而人類生產(chǎn)活動(dòng)的發(fā)展也越來越突出地改變著自然環(huán)境。氣候變化和人類活動(dòng)作為變化環(huán)境的兩個(gè)重要組成部分對(duì)徑流增量造成的影響日益加劇，致使人們?cè)谒挠?jì)算、流域規(guī)劃、水資源評(píng)價(jià)等各個(gè)方面都不可避免地考慮這種影響［2］。其影響過程、結(jié)果以及應(yīng)對(duì)策略已成為國(guó)內(nèi)外研究的重要課題，而徑流對(duì)于這兩大驅(qū)動(dòng)力的響應(yīng)研究也得到了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注［3］。

廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)（南寧、北海、欽州、防城港四市）作為我國(guó)西部大開發(fā)地區(qū)唯一的沿海區(qū)域，其地區(qū)的發(fā)展已經(jīng)列入國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略。正因如此，研究區(qū)具有一些由于人口資本快速集聚、產(chǎn)業(yè)大規(guī)模轉(zhuǎn)型、經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展所帶來的水問題。其六大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)即石化、造紙、冶金、輕工、高技術(shù)和海洋利用，多為高用水行業(yè)，對(duì)水資源的量和質(zhì)提出了很高的要求，對(duì)水環(huán)境和水生態(tài)系統(tǒng)帶來了前所未有的壓力［4］。

筆者以廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)為研究對(duì)象，利用基于物理機(jī)制的分布式水文模型SWAT對(duì)北部灣地區(qū)的水文循環(huán)狀況進(jìn)行精準(zhǔn)模擬，并將氣候變化和人類活動(dòng)這兩大驅(qū)動(dòng)力分解為降雨、氣溫以及消耗性用水三大因子，通過調(diào)節(jié)各影響因子設(shè)定不同的增量情景，模擬出不同情景下的徑流情況，最終比較分析出徑流對(duì)各影響因子的敏感程度。其成果對(duì)水資源的開發(fā)利用過程管理、極端天氣的應(yīng)對(duì)機(jī)制建立具有一定的理論和實(shí)踐意義，以期為廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)未來的水資源開發(fā)利用規(guī)劃提供決策依據(jù)。

2　區(qū)域概況

北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)位于廣西壯族自治區(qū)南部，包含南寧、北海、欽州、防城港4個(gè)核心地級(jí)城市，總面積4.25萬km2，約占全區(qū)總面積的18%。該研究區(qū)終年太陽輻射強(qiáng)，氣溫高，降水豐富，年均氣溫22～22.5oC，多年平均年降水量2 000 mm左右，年均蒸發(fā)量1 397.7 mm。研究區(qū)境內(nèi)主要有兩大水系，即珠江流域西江水系和桂南沿海諸河水系，多年平均水資源量為305.14億m3，占廣西水資源總量的18.5%。但其降水量年內(nèi)分布不均，汛期降水量能夠達(dá)到全年的70%～80%，個(gè)別年份也會(huì)因?yàn)闃O端天氣而導(dǎo)致干旱事件的發(fā)生。

3 基于SWAT模型的徑流模擬

3.1模型概況

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是由SWRBB模型與河道驗(yàn)算模型ROTO模型整合成的半分布式水文模型［5］，它可以在水文響應(yīng)單元（HRUs）的空間尺度上模擬地表徑流、入滲、地下水流、融雪徑流、土壤溫度、蒸散發(fā)、作物生長(zhǎng)、養(yǎng)分（氮、磷）流失、流域水質(zhì)、農(nóng)藥/殺蟲劑等多種過程以及各種農(nóng)業(yè)管理措施（耕作、灌溉、施肥、收割、用水調(diào)度等）對(duì)這些過程的影響［6］。

3.2基本數(shù)據(jù)輸入

（1）數(shù)字高程圖DEM（Digital Elevation Model）。精度為90 m×90 m，數(shù)據(jù)來源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.gscloud. cn/）。

（2）土地利用圖。分辨率為1 km×1 km，數(shù)據(jù)來源于寒區(qū)旱區(qū)科學(xué)數(shù)據(jù)中心國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)（https://westdc.westgis.ac.cn/）。

（3）土壤類型圖。分辨率為1 km×1 km，數(shù)據(jù)來源于聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織（FAO）以及維也納國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)研究所（IIASA）所構(gòu)建的世界和諧土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD），中國(guó)境內(nèi)數(shù)據(jù)源為第2次全國(guó)土地調(diào)查南京土壤所提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)。

（4）氣象數(shù)據(jù)。選取平果、南寧、靈山、防城港、東興、北海、欽州7個(gè)氣象站的逐日氣象資料以及研究區(qū)域內(nèi)54個(gè)雨量站的逐日降雨資料建立了氣象數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)為2000—2006年，氣象數(shù)據(jù)來源于中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0），降雨數(shù)據(jù)來源于廣西壯族自治區(qū)水文局。

（5）水文數(shù)據(jù)。選取鄒圩、南寧、貴港、長(zhǎng)歧、黃屋屯、陸屋、坡朗坪、常樂共8個(gè)水文站2000—2006年的逐月徑流量進(jìn)行模型的率定和驗(yàn)證。

（6）消耗性用水?dāng)?shù)據(jù)。主要包括牲畜耗水量、工業(yè)耗水量、城鎮(zhèn)公共耗水量、城市居民耗水量，數(shù)據(jù)來源于2000—2006年廣西水資源公報(bào)。

（7）水庫數(shù)據(jù)。選取研究區(qū)內(nèi)大龍洞、仙湖、西津、大王灘、靈東、屯六、鳳亭河、小江、那板、小峰、洪潮江11座大型水庫，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)來源于廣西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院。

3.3模型率定和驗(yàn)證

筆者以所選取的8個(gè)水文站實(shí)測(cè)流量為基準(zhǔn)，采用納什效率系數(shù)ENS以及相關(guān)系數(shù)R2來對(duì)SWAT模型進(jìn)行參數(shù)的率定和驗(yàn)證。將2000年作為模型預(yù)熱期，用以形成穩(wěn)定的初始參數(shù)，選取2001—2003年作為模型率定期、2004—2006年作為模型驗(yàn)證期，經(jīng)驗(yàn)證模型結(jié)果完全滿足評(píng)價(jià)要求（見表1），這說明SWAT模型對(duì)于該研究區(qū)域具有良好的適應(yīng)性。

表1　模型率定及驗(yàn)證結(jié)果

各水文站的實(shí)測(cè)徑流與模擬徑流結(jié)果對(duì)比，如圖1—8所示。

圖1　　　　鄒圩站

圖2　　　　南寧站

圖3　　　　長(zhǎng)歧站

圖4　　　　 黃屋屯站

圖5　　　　陸屋站

圖6　　　　坡朗坪站

圖7　　　　常樂站

圖8　　　　貴港站

結(jié)果表明，鄒圩、南寧、長(zhǎng)歧、黃屋屯、陸屋、坡朗坪、常樂和貴港8個(gè)水文站的徑流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)徑流量相關(guān)程度較好，僅在峰值略有超出或降低，這說明以此為基礎(chǔ)進(jìn)行的增量情景分析可信度較高。

4　增量情景研究

4.1情景設(shè)定與分析

在利用水文模型進(jìn)行徑流響應(yīng)研究時(shí)，很多專家都采用了情景設(shè)計(jì)法。目前，情景設(shè)計(jì)大概分為4類［7］，包括類比情景法（古氣候比擬法）、慣性情景法、增量情景法［8］、CMs情景法。筆者采用的是增量情景法，該情景設(shè)定方法操作簡(jiǎn)單，一直以來被許多水文學(xué)者使用，其多用于水資源對(duì)氣候變化的敏感性分析，即人為假設(shè)未來某一時(shí)期氣溫和降水的變化量，并以這些假設(shè)及其交叉組合來探討徑流對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)程度。但它只是一種敏感性試驗(yàn)，不具有氣候、水文預(yù)測(cè)功能。

為了更好地研究徑流對(duì)降水變化的敏感性，筆者設(shè)定:①降水上升5%和降水上升10%兩個(gè)情景方案，在此情景方案中無氣溫和人類活動(dòng)（水庫及人工取用水）因子的變化。②氣溫上升5%和氣溫上升10%兩個(gè)情景方案，在此情景方案中無降水和人類活動(dòng)（水庫及人工取用水）因子的變化。③居民工業(yè)耗水量降低100%，也就是在模擬的流域中無牲畜耗水量、工業(yè)耗水量、城鎮(zhèn)公共耗水量和城市居民耗水量時(shí)的徑流情況，在此情景方案中無降水和氣溫因子變化。不同情景下的徑流變化情況，見表2。

表2　不同增量情景下的徑流變化情況

4.2不同因子敏感度計(jì)算

IPCC給出了敏感性的定義［9］:系統(tǒng)受到與氣候有關(guān)的刺激因素影響的程度，包括不利和有利影響。據(jù)此可以定義出徑流對(duì)變化環(huán)境的敏感性是指河川徑流對(duì)可能或者假定的不同情景的響應(yīng)程度。由于降水、氣溫等氣候因子更為直接地影響水文循環(huán)，藍(lán)永超等［10］（2010）指出徑流對(duì)于氣候變化的敏感度計(jì)算公式為:

式中:WP，T為現(xiàn)狀徑流量（m3/s）；WP+ΔP，T+ΔT為降水變化ΔP與氣溫變化ΔT情景下的徑流量（m3/s）；ΔWΔP，ΔT是WP，T與WP+ΔP，T+ΔT之間的相對(duì)之差（m3/s）。

但上述公式中無法體現(xiàn)出徑流對(duì)于不同因子的敏感程度，筆者改動(dòng)公式如下:

式中:R1，i是指增量情景中第i個(gè)月的徑流量（m3/s）；R0，i是指基準(zhǔn)情景中第i個(gè)月的徑流量（m3/s）；ΔD是指因子改變量；δ是指徑流對(duì)因子的敏感度。

根據(jù)式（2）得出徑流對(duì)于降水、氣溫和消耗性用水的敏感度，見表3。

表3　徑流對(duì)不同因子的敏感度

5　結(jié)論

筆者以廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)作為研究區(qū)域，基于SWAT模型對(duì)研究區(qū)內(nèi)河流進(jìn)行了精準(zhǔn)的水文模擬，并利用鄒圩等8個(gè)水文站的徑流觀測(cè)資料進(jìn)行了模型的率定和驗(yàn)證。采用敏感性計(jì)算方法，并設(shè)定增量情景，分析計(jì)算了研究區(qū)內(nèi)河流對(duì)于不同因子的敏感程度。其結(jié)論如下:

（1）在未來降水上升5%以及10%的情景下，研究區(qū)內(nèi)的河流多年平均徑流量均有所增加，其中欽江、大風(fēng)江對(duì)于降水因子的敏感度最強(qiáng)，其徑流量分別上升了11%～22%和12%～24%。

（2）在未來氣溫上升5%以及10%的情景下，研究區(qū)內(nèi)的河流多年平均徑流量均有所減少，其中茅嶺江、欽江、大風(fēng)江對(duì)于氣溫因子的敏感度最強(qiáng)，其徑流量分別下降了3%～5%、3%～6%和5%～8%。

（3）在流域內(nèi)消耗性用水上升100%的情景中，研究區(qū)內(nèi)所有河流的徑流量均有所增加，其中茅嶺江、大風(fēng)江對(duì)于消耗用水因子的敏感度最強(qiáng)，其徑流量分別下降了15%和13%。該結(jié)論表明在未來對(duì)于欽州市的水資源管理以及總量紅線控制工作中應(yīng)特別注意居民及工業(yè)耗水對(duì)于茅嶺江和大風(fēng)江徑流的影響。

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中圖分類號(hào)：TV121

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7328（2016）02-0049-04

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.017

收稿日期：2016—01—22

作者簡(jiǎn)介：戶超（1991—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗Y源規(guī)劃及水資源配置方面。