氣候變化和人類活動對涇河流域水文效應(yīng)的影響

氣候變化和人類活動對涇河流域水文效應(yīng)的影響

近50年來，中國西部氣候溫暖干燥的趨勢顯著。尤其是我國西北地區(qū)東部的黃河流域,在氣候變化和人類活動的雙重影響下,原本脆弱的生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步惡化,其中最突出的問題就是水資源的日益短缺。涇河在黃土高原上發(fā)育,流經(jīng)我國北方干旱、半干旱地區(qū),是我國西北地區(qū)的重要水源。據(jù)統(tǒng)計涇河枯水出現(xiàn)年份由20世紀(jì)50~60年代的1a增加至90年代后的11a。因此,就更加迫切需要研究西北干旱氣候的變化特征與趨勢,正確評估人類活動改變土地利用方式、氣候變化對流域水循環(huán)、水資源的影響程度。本文選擇美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的分布式流域水文模型SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)來構(gòu)建涇河流域分布式水文模型,探討氣候變化和人類活動對徑流的影響,為涇河流域生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。在我國SWAT模型已有比較廣泛的應(yīng)用。郝芳華等選用基于ArcviewGIS的SWAT模型,進(jìn)行土地利用變化的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的情景模擬?；粲纻ダ肦S、GIS手段和SWAT模型,采用固定其它因子,只改變土地覆被來模擬不同坡度下徑流變化的方法,比較了滹沱河流域上游東段不同坡度(15°~25°,>25°)對徑流的影響。鄭紅星等應(yīng)用SWAT模型,對涇河流域水文過程進(jìn)行了模擬,并對模擬精度進(jìn)行了檢驗,認(rèn)為該模型能夠滿足水資源規(guī)劃與管理的需要。陳軍鋒等采用SWAT模型模擬了長江上游梭磨河流域不同土地覆被情境下的多年降水徑流關(guān)系,定量評估了梭磨河流域土地覆被變化對徑流、蒸發(fā)和洪峰流量的影響。在綜合考慮氣候和土地利用、覆被變化影響的方面,SWAT模型也得到了廣泛應(yīng)用。如陳軍鋒等利用SWAT模型分別模擬了長江上游的梭磨河流域氣候波動和土地覆被變化對流域徑流的影響。張蕾娜采用SWAT模型,對白河流域土地覆被變化水文效應(yīng)進(jìn)行了分析和模擬,定量區(qū)分了土地利用與氣候變化對徑流的影響程度。車騫采用SWAT模型對黃河源區(qū)水文過程進(jìn)行了模擬,并在此基礎(chǔ)上預(yù)測了未來氣候波動和土地覆被變化下的徑流響應(yīng)。1徑流、地貌因素涇河是渭河的主要支流,黃河的二級支流。發(fā)源于寧夏六盤山東麓,向東流經(jīng)甘肅省平?jīng)?、涇?于楊家坪進(jìn)入陜西長武縣,再經(jīng)政平、亭口、彬縣、涇陽,于高陵縣涇渭鎮(zhèn)注入渭河。全長455.1km,流域面積45421km2。涇河在黃土高原上發(fā)育,水系密布,流域面積大于1000km2的支流就有6條,如馬蓮河、蒲河、黑河、馬欄河、泔河等。寧夏、甘肅兩省區(qū)是其支流集中區(qū)。多年平均徑流量20.7×108m3,實(shí)測最大徑流量為42.06×108m3,最小年徑流量8.475×108m3。徑流年際變化大,年內(nèi)分配也極不均勻。涇河流域地形復(fù)雜多樣,分為黃土高原丘陵溝壑區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)、土石山區(qū)、黃土丘陵區(qū)4個地貌類型區(qū),其中以黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)所占面積最大,分別為18775km2、18053km2,占流域總面積的41.13%和39.17%。水土流失也以這兩個類型區(qū)最為嚴(yán)重,是黃土高原嚴(yán)重水土流失區(qū)之一,也是黃河泥沙的主要源地。黃土丘陵溝壑區(qū)多年侵蝕模數(shù)為1000t/(km2·a),黃土高原溝壑區(qū)為4000t/(km2·a)。涇河流域?qū)儆诖箨懶詺夂?為暖溫帶-溫帶、半濕潤-半干旱過渡帶。氣溫南高北低,年均氣溫8~13℃,1月份平均氣溫2~7℃,7月份平均氣溫24~27℃。年平均降水量390~560mm,年蒸發(fā)量1000~1200mm,降水集中于7~9月份,約占全年降水量的50%~60%,多以暴雨形式出現(xiàn)。旱災(zāi)較為頻繁。2建立預(yù)處理模型SWAT是目前應(yīng)用比較廣泛的分布式水文模型。SWAT(SoilandWaterAssessmentToo1)是美國農(nóng)業(yè)部(USDA)開發(fā)的流域尺度的分布式模型,用于模擬預(yù)測長期土地管理措施對于具有多種土壤類型、土地利用和管理條件的大面積復(fù)雜流域的徑流、泥沙負(fù)荷和營養(yǎng)物流失以及氣候變化對水資源供給的影響。SWAT模型對徑流和泥沙負(fù)荷的預(yù)測能力已經(jīng)得到廣泛的驗證。SWAT模型以強(qiáng)大的功能、先進(jìn)的模型結(jié)構(gòu)以及高效的計算,在分布式水文模型中占有重要地位,在北美和歐洲的許多流域取得了較好的模擬結(jié)果。本文在SWAT的ArcView界面平臺(即AVSWAT2000)上,構(gòu)建涇河流域分布式水文模型。具體建模過程如下。2.1日過程系列數(shù)據(jù)收集的水文氣象數(shù)據(jù):涇河流域8個主要水文站、8個雨量站、11個氣象站1960~2002年的日過程系列數(shù)據(jù),包括徑流、最高最低氣溫、太陽輻射、風(fēng)速、相對濕度等?？臻g數(shù)據(jù)包括:90m分辨率的DEM,1∶100萬的數(shù)字化土壤圖,30m分辨率的20世紀(jì)80年代末、90年代末涇河流域TM遙感影像。2.2土壤屬性信息編碼根據(jù)涇河流域1∶100萬的數(shù)字化土壤圖,將流域土壤類型劃分為8類,并將各種類型土壤的物理特性數(shù)據(jù)輸入到SWAT用戶定義的土壤數(shù)據(jù)庫文件中,并通過重新分類給每種土壤類型賦予相應(yīng)的類型代碼及對應(yīng)的土壤屬性信息,具體情況見圖1、表1。2.3不同土地利用類型分類土地利用類型對流域產(chǎn)流非常重要。本研究基于20世紀(jì)80年代末、90年代末涇河流域30m分辨率的TM遙感影像人工判讀,并基于本次研究的需要,重新將土地利用類型劃分為7類,并對各類型的重新分類編碼進(jìn)行了賦值。具體情況見表2、3?？梢钥闯?20世紀(jì)80~90年代,耕地、城鎮(zhèn)用地、裸地都呈上升趨勢,分別增加2.39%、0.11%和5.44%。可見,在涇河流域,人類活動對流域生態(tài)系統(tǒng)的影響是呈逐年增加趨勢的。2.4流域劃分及hru分析在DEM的基礎(chǔ)上,對涇河流域的河網(wǎng)和子流域進(jìn)行了提取和劃分?？紤]流域水文特性、水文氣象測站分布的情況,基于流域90m分辨率的DEM將流域劃分為31個子流域,228個HRU(HydrologicResponseUnit),見圖2。2.5參數(shù)率定及驗證在徑流模擬中,影響SWAT產(chǎn)、匯流過程的參數(shù)很多,本文選取如下參數(shù):徑流曲線數(shù)CN2、地表徑流滯后時間SURLAG、土壤蒸發(fā)補(bǔ)償系數(shù)ESCO、土壤可利用水量SQL-AWC、河道有效水力傳導(dǎo)率CH_K2、基流α系數(shù)ALPHA_BF、土壤剖面深度SQL_Z為待率定參數(shù)。選取流域出口站張家山水文站1970~1975年的實(shí)測日徑流進(jìn)行參數(shù)率定;選取張家山水文站1975~1980年的實(shí)測日徑流進(jìn)行模型驗證。選用相對誤差Re、相關(guān)系數(shù)R2和Nash-Suttcliffe系數(shù)Ens評價模型適用性,驗證結(jié)果見表4。所以,模型模擬滿足精度要求,可以模擬涇河流域的徑流變化。3模型操作3.1年降雨分析由圖3可見:20世紀(jì)80~90年代,涇河流域年降雨量呈逐年遞減趨勢,80年代多年平均月降雨量明顯大于90年代多年平均月降雨量,尤其是7~9月。3.2模擬情景設(shè)定本文在構(gòu)建好SWAT模型氣候、土壤數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,采取分別固定氣候因子與土地利用/覆被變化因子的方法,將模擬情景輸入模型,定量區(qū)分了氣候和土地利用/覆被變化對流域徑流的影響方式和程度,具體情景設(shè)定如下:(1)模擬情景1:假設(shè)90年代涇河流域氣候條件不發(fā)生變化,即90年代的氣候條件沿用80年代氣候條件;(2)模擬情景2:假設(shè)90年代涇河流域土地利用/覆被未發(fā)生變化,即90年代的土地利用狀況沿用80年代土地利用狀況;(3)兩個實(shí)際情景:80年代的氣候、土地利用模式與90年代的氣候、土地利用模式。3.3年徑流總量表5為分別模擬涇河流域20世紀(jì)80年代土地覆被和氣候條件下、80年代氣候和90年代土地覆被條件下、90年代氣候和80年代土地覆被條件下以及90年代氣候和土地覆被條件下徑流量的變化結(jié)果。從表5可以看出:20世紀(jì)80年代到90年代,涇河流域多年平均年徑流減少了8.92m3s-1。模擬情景1∶20世紀(jì)80~90年代,在氣候條件(氣溫、降水、日照時數(shù)、輻射量)保持不變的情況下,土地利用/覆被從80年代到90年代變化引起的多年平均年徑流增加26.57m3s-1,為氣候、土地利用/覆被變化共同影響徑流變化量的297.87%;模擬情景2∶80~90年代,在土地利用/覆被保持不變的情況下,氣候從80年代到90年代變化引起的多年平均年徑流減少28.08m3s-1,為氣候、土地利用/覆被變化共同影響徑流變化量的314.80%。4降雨、氣候條件影響年降雨的變化顯著性分析(1)20世紀(jì)80~90年代,涇河流域耕地、城鎮(zhèn)用地、裸地都呈上升趨勢,人類活動對流域生態(tài)系統(tǒng)的影響呈逐年增加趨勢。(2)20世紀(jì)80~90年代,涇河流域年降雨量呈逐年遞減趨勢,80年代多年平均月降雨量明顯大于90年代多年平均月降雨量,尤其是7