張圣微,雷玉平,姚 琴,3,李紅軍

(1.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心,河北 石家莊 050021;2.中國科學(xué)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(dāng)今世界日益嚴(yán)重的水資源問題,掌握水文系統(tǒng)各個(gè)分量的變化規(guī)律,探討區(qū)域環(huán)境變化將對(duì)水資源產(chǎn)生怎樣的影響,已成為水資源研究的熱點(diǎn)之一。近年來眾多的研究人員致力于氣候和人類活動(dòng)對(duì)水文系統(tǒng)不同時(shí)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(duì)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(dǎo)致其對(duì)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(fù)雜。如文獻(xiàn)[5]指出,在濕潤(rùn)地區(qū)甚至是很多極端的土地利用變化也僅僅對(duì)區(qū)域水平衡產(chǎn)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(jié)論[2]。

青藏高原是全球海拔最高的一個(gè)巨型構(gòu)造地貌單元,具有獨(dú)特的自然環(huán)境和空間分異規(guī)律。高原的隆起對(duì)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(guān)。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(shí)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(yīng)[7-8],以及未來氣候變化趨勢(shì)與對(duì)策等[9]。而對(duì)于氣候和土地覆蓋土地利用變化對(duì)水文過程尤其是流域產(chǎn)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(jīng)濟(jì)、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(shì)對(duì)該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(duì)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(zhǎng)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(jīng) 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(xué)絨藏布、墨竹馬曲、玉年曲和堆龍曲等。研究區(qū)域?yàn)槔_河拉薩水文站以上流域,集水面積為26225 km2,占整個(gè)拉薩河流域面積的80.5%。流域內(nèi)包括拉薩氣象站以及拉薩、唐加、旁多3個(gè)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?qū)俑咴瓬貛О敫珊禋夂?具有高原干濕季節(jié)分布的大陸性氣候特點(diǎn)。年均溫度為7.5℃,年均降水量為444.8mm。降水量年內(nèi)分配具有明顯的“干季”和“雨季”特征,年內(nèi)分配極不均勻。該區(qū)年均蒸發(fā)量為2205.6mm,平均相對(duì)濕度為45%,最大積雪厚度達(dá)11cm。流域內(nèi)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(nèi)由于季節(jié)間補(bǔ)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(chǔ)上為美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)服務(wù)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(yù)測(cè)不同土地利用及多種土地管理措施對(duì)復(fù)雜多變的大流域的水文、泥沙和化學(xué)物質(zhì)的長(zhǎng)期影響。模型具有良好的物理基礎(chǔ),適用于具有不同土壤類型、不同土地利用方式和管理?xiàng)l件下的復(fù)雜大流域。SWAT模型開發(fā)的目的是預(yù)測(cè)大尺度、無測(cè)站流域水、泥沙和農(nóng)藥管理的影響,因此它具備以下特點(diǎn):①基于物理機(jī)制,利用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)物理方程計(jì)算水分運(yùn)動(dòng)、泥沙輸送、作物生長(zhǎng)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(yù)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(jì)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(jì)算都不需要額外的時(shí)間和投資;⑤連續(xù)模擬,能夠模擬長(zhǎng)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(chǔ)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(diǎn)位置等),氣象站點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)氣象資料,出水口站點(diǎn)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(wǎng)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(yīng)用Arcinfo的Grid模塊對(duì)圖像進(jìn)行圖形的拼接、流域邊界劃分、投影變化等預(yù)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(chǎn)品MOD13Q1數(shù)據(jù),以物候?yàn)榛A(chǔ)利用長(zhǎng)時(shí)間序列NDVI通過基于知識(shí)的分類方法進(jìn)行地物分類,分類結(jié)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(zhì)調(diào)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(zhuǎn)換成與USGS相對(duì)應(yīng)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(xiàn)[11],經(jīng)掃描輸入計(jì)算機(jī)后應(yīng)用ARCGIS9.2數(shù)字化生成矢量圖。并將土壤類型重新進(jìn)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(nèi)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(gè)流域以高山草甸土、亞高山草原土和寒漠土為主,3項(xiàng)之和占到整個(gè)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(jié)構(gòu)和輸入?yún)?shù)初步確定后,需要對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。將已有資料系列分為兩部分,一部分用于校準(zhǔn)模型,另一部分則用于模型的驗(yàn)證。校準(zhǔn)是調(diào)整模型的參數(shù),使得模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相匹配,該過程是建立模型模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵一步。模型的參數(shù)校準(zhǔn)完成后,應(yīng)用參數(shù)校準(zhǔn)以外的數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證,以評(píng)價(jià)模型的適用性。在對(duì)一些常規(guī)水文過程參數(shù)調(diào)整的基礎(chǔ)上筆者還針對(duì)拉薩河流域的地域特點(diǎn)著重對(duì)融雪模塊進(jìn)行了調(diào)整,調(diào)整結(jié)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(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行了設(shè)置,并根據(jù)研究區(qū)域土壤及地標(biāo)產(chǎn)匯流情況設(shè)定了降雨-徑流曲線號(hào)(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(jìn)行土地利用土地變化和氣候變化對(duì)流域水文過程影響研究構(gòu)建了平臺(tái)。

3 研究結(jié)果

3.1 模型驗(yàn)證及評(píng)價(jià)

利用流域出口處拉薩水文站的多年實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)對(duì)SWAT模型在研究區(qū)徑流量模擬結(jié)果進(jìn)行分析。模型校準(zhǔn)期為1995～2000年,驗(yàn)證期為2003～2006年。驗(yàn)證期內(nèi)徑流量日月模擬值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3。從圖3可見,模型模擬的兩種不同測(cè)量時(shí)間尺度徑流量的變化趨勢(shì)和峰值除2006年外均與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本重合。這是因?yàn)?006年為極端枯水年,年降雨總量?jī)H為255.1mm,并且集中在5、6月,7月中旬以后降雨非常少,導(dǎo)致模擬結(jié)果不理想。這是由于SWAT模型對(duì)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(shí)測(cè)值的比較

采用相關(guān)系數(shù)、模擬效率系數(shù)和均方根誤差來評(píng)價(jià)兩種時(shí)間尺度模擬結(jié)果的精度,結(jié)果見表4。從表4可見,模擬效率系數(shù)均在0.75以上,達(dá)到了模型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的乙等水平,說明日、月徑流量的模擬值與觀測(cè)值非常接近;相關(guān)系數(shù)也都在0.8以上,表明日、月徑流量的模擬值對(duì)實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)值的擬合度較高。

表4 校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期模擬結(jié)果的精度評(píng)價(jià)

3.2 土地利用/土地覆被變化和氣候波動(dòng)對(duì)徑流的影響

3.2.1 土地利用/土地覆被變化對(duì)徑流的影響

在土地利用/土地覆被變化水文效應(yīng)研究中經(jīng)常運(yùn)用情景設(shè)計(jì)定量分析某種或幾種土地利用變化對(duì)徑流量的影響。由于土地利用變化情景的設(shè)計(jì)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(huì)經(jīng)濟(jì)熱點(diǎn),因此尋找理想的預(yù)測(cè)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(yīng)研究中比較常用的方法。因此,在本研究中設(shè)立了以下4種土地覆被情景:

a.從理論上假設(shè)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(yán)重,地表無任何植被覆被,均為沙地和裸地。模擬時(shí)將所有農(nóng)業(yè)用地、草地和林地均設(shè)為沙地或裸地類型。

b.2004年的現(xiàn)狀植被,用來對(duì)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(chǎng)恢復(fù)自然狀態(tài),草質(zhì)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(jié)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(shí)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(shí)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(jié)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(duì)于月平均徑流量而言土地覆被變化對(duì)7、8、9月影響較大,而對(duì)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(dòng)對(duì)徑流的影響

在氣候變化情景設(shè)定方面,國內(nèi)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(gòu)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(yù)測(cè)的氣象變化過程等優(yōu)點(diǎn),但氣候變化預(yù)測(cè)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(yīng)和自然界的多變性。各種GCM模型對(duì)相同的CO2增量方案,對(duì)氣溫和降水的預(yù)測(cè)結(jié)果差異很大,特別是對(duì)降水的增減預(yù)測(cè)有時(shí)是完全相反的結(jié)果。氣候總體變化趨勢(shì)表明,未來幾十年內(nèi),平均氣溫升高,降水量會(huì)有不同程度的增減。文獻(xiàn)[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(shí),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(shí)期,我國不少地區(qū)降水出現(xiàn)增加趨勢(shì),東南沿海增加值最大。長(zhǎng)江中下游地區(qū)則出現(xiàn)變干的趨勢(shì),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(huì)發(fā)生重大變化。

在以上分析的基礎(chǔ)上采用增量情景法,設(shè)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(chǔ)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(gòu)造24種新氣候情景。對(duì)拉薩河流域1995～2000年徑流進(jìn)行模擬計(jì)算,得出每種氣候情景相對(duì)于初始?xì)夂蚯榫暗淖兓俜直?得到以下結(jié)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(shí)的氣候變化方案,此時(shí)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(shí)的氣候變化方案,此時(shí)徑流比初始條件下徑流量增加了89%。

圖6 徑流對(duì)氣候變化的響應(yīng)

b.降水對(duì)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(duì)水資源的變化影響不是很明顯。

4 結(jié) 論

模擬結(jié)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(duì)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(jié)果是一致的。氣候變化方面,降水變化對(duì)流域徑流量的影響較大,氣溫影響相對(duì)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(shí),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(nèi)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(xué)東等[14]對(duì)拉薩河流域近50 a來徑流變化的趨勢(shì)分析得出,近20a來徑流增加趨勢(shì)較顯著。這些研究結(jié)論與文中設(shè)定情景模擬的結(jié)果吻合,即當(dāng)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(duì)氣候變化的響應(yīng),陳利群等[16]探討黃河源區(qū)氣候變化對(duì)徑流的影響等研究都得出了類似的結(jié)論。

但是,筆者發(fā)現(xiàn)對(duì)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?？菟趶搅鳒p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(rèn)為土地覆被對(duì)汛期徑流的影響較大,而對(duì)非汛期的影響則不明顯,說明土地覆被的增加對(duì)雨季徑流調(diào)蓄有一定作用。

[1] 謝國清,魯韋坤,楊樹平,等.陽宗海、松華壩和云龍水庫流域土地利用與水質(zhì)變化[J].水資源保護(hù),2007,23(5):15-17,20.

[2] LEGESSE D,VALLET-COULOMB C,GASSE F.Hydrological response of a catchment to climate and land use changes in Tropical Africa:case study South Central Ethiopia[J].Journal of Hydrology,2003,275(1-2):67-85.

[3] TWINE T E,KUCHARIK C J,FOLEY J A.Effects of land cover change onthe energy and water balance of the Mississippi River Basin[J].Journal of Hydrometeorology,2004,5(4):640-655.

[4] 龔宇,邢開成,王聰玲,等.氣候變化對(duì)滄州水資源的影響與對(duì)策[J].水資源保護(hù),2007,23(3):20-23.

[5] LAHMER W,PFü TZNER B,BECKER A.Assessment of land use and climate change impacts on the mesoscale[J].Physics and Chemistry of the Earth:Part B,2001,26(7-8):565-575.

[6] 李弋林,徐袁,錢維宏.近300年來中國西部氣候的干濕變化[J].高原氣象,2003,22(4):371-377.

[7] CAI Y,LI D L,TANG M C.Decadal temperature changes over Qinghai-Xizang Plateau in recent 50 years[J].Plateau Meteorology,2003,22(5):464-470.

[8] WEI Z G,HUANG R H,DONG W J.Interannual and interdecadal variations of air temperature and precipitation over the Tibetan Plateau[J].ChineseJournal of Atmospheric Sciences-Chinese edition,2003,27(2):157-170.

[9] XU Y,DING Y H,LI D L.Climatic change over Qinghai and Xizang in 21st century[J].Plateau Meteorology,2003,22(5):451-457.

[10] NEITSCH S L,ARNOLD J G,KINIRY J R,et al.Soil and water assessment tool user's manual version 2000[J].GSWRL Report,2002,202(02-06).

[11] 中國科學(xué)院南京土壤研究所.中華人民共和國土壤圖[M].北京:地圖出版社,1978.

[12] 丁晉利,鄭粉莉.SWAT模型及其應(yīng)用[J].水土保持研究,2004,11(4):128-130,156.

[13] 紹武,黃光榮.中國西部環(huán)境演變?cè)u(píng)估[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[14] 藺學(xué)東,張鐿鋰,姚治君,等.拉薩河流域近50年來徑流變化趨勢(shì)分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展,2007,26(3):58-67.

[15] 朱利,張萬昌.基于徑流模擬的漢江上游區(qū)水資源對(duì)氣候變化響應(yīng)的研究[J].資源科學(xué),2005,27(2):16-22.

[16] 陳利群,劉昌明.黃河源區(qū)氣候和土地覆被變化對(duì)徑流的影響[J].中國環(huán)境科學(xué),2007,27(4):559-565.