基于區域水平衡理論和SWAT模型的沁河流域水收支平衡演變分析

邱 曦,馬軍霞,2,左其亭,2,張 羽

(1.鄭州大學水利與交通學院,河南 鄭州 450001; 2.河南省水循環模擬與水環境保護國際聯合實驗室,河南 鄭州 450001)

近年來我國水資源形勢日益嚴峻,尤其是在氣候變化、人類活動等變化環境下,水資源短缺、水環境污染、水生態損害、水災害多發等新老水問題交織,嚴重制約了環境質量的提升,阻礙了經濟社會持續健康發展。復雜水問題的根源在于水的不平衡性,包括各類水循環要素的收支不平衡、可用水資源量與經濟生態要素突出的不適配性等。因此,如何有效提升水平衡狀態、緩解水矛盾、排除水源之危,成為亟待解決的問題。2020年8月,“如何優化變化環境下中國水資源承載力,實現健康的區域水平衡狀態”作為十大前沿科學問題由中國科協發布[1],以有效措施實現區域水平衡成為國家實現現代化的重大需求。

廣義區域水平衡包括水收支平衡、經濟社會與生態用水平衡、經濟社會供需水平衡與人水和諧平衡四個方面[2]。其中,水收支平衡是區域水平衡的基礎,也是最具普適性的水平衡狀態。在研究水收支平衡的過程中,由于水循環過程十分復雜、涉及的水循環要素眾多,傳統的集總式模型方法很難適應變化環境下的水收支平衡分析。因此,需要引入SWAT模型等分布式水文模型來研究不同尺度下的水平衡及其在變化環境下的演變狀態。Frederiksen等[3]利用SWAT與SWAT-MODFLOW模型評估了不同地下排水方案對農業集水區水文過程及水平衡的影響;Ayivi等[4]使用SWAT模型對美國北卡羅來納州某流域在不同的土地利用變化情景下的水量平衡狀態及產水量進行了綜合分析;駱月珍等[5]基于CMADS驅動SWAT模型對富春江水庫控制流域的水量平衡狀況進行了模擬;代俊峰等[6-7]提出了基于SWAT模型的灌區分布式水文模型并對漳河灌區進行了實例分析。

現有研究中既有利用SWAT模型對所選流域進行水平衡分析,又有基于SWAT模型提出具有較強針對性的分布式模型方法,但基于SWAT模型開展人類活動與不同氣候變化情景下的水收支平衡狀況及其要素演變規律的研究仍有待深入。本文以區域水平衡理論為基礎,探究基于SWAT模型的水收支平衡研究方法,分析人類活動及氣候變化等變化環境下的沁河流域水收支平衡狀態及其演變規律,以期為流域水資源統籌管理與協調配置提供參考。

1 研究區概況

沁河發源于山西省沁源縣西北太岳山東麓的二郎神溝,是黃河三門峽至花園口區間的黃河一級支流,自北向南流經山西、河南2省17個縣市,并于武陟縣方陵村匯入黃河。沁河干流全長485km,流域總面積13535km2,其中山西境內占90.54%,河南境內占9.46%[8]。沁河支流眾多,其中較大支流有丹河、龍渠河、沁水河等。流域多年平均氣溫約為8℃,且呈北低南高態勢,多年平均降水量為613.1mm,且集中在夏季,年內分配極不均勻,沁河徑流主要由降雨形成。流域干流現有水文測站5處,從上至下依次為孔家坡、飛嶺、潤城、五龍口和武陟。引沁入汾及引沁入丹兩大調水工程是沁河流域水資源開發利用的重要組成部分[9],馬連圪塔水庫和張峰水庫是其主要的工程樞紐。沁河流域河道及主要水文站、水庫位置見圖1。

圖1 沁河流域概況

2 數據與方法

2.1 數據來源及處理

2.1.1SWAT模型相關數據

SWAT模型的輸入數據主要包括數字高程(DEM)數據、土壤數據、土地利用數據、氣象數據和用于模型率定的水文站逐月徑流數據。DEM數據為30m×30m的ASTER GDEM數據,可用于提取數字河網、劃分子流域以及水文響應單元(HRU);土壤數據來源于世界土壤數據庫(HWSD),其中中國境內數據源為第二次全國土地調查南京土壤所提供的1∶100萬土壤數據,后續進行裁剪并重分類土壤類型;土地利用數據采用30m×30m精度的中國2015年土地利用數據;氣象數據基于中國大氣同化驅動數據集(CMADS V1.1 2008—2016年)處理而來,內置天氣發生器的建立基于CFSR世界天氣數據庫數據;徑流數據選取了潤城站和五龍口站2008—2016年逐月徑流數據。另外,為了刻畫以調水工程為代表的人類活動的影響,將馬連圪塔水庫和張峰水庫等重要水資源配置工程數據引入模型中。各項數據詳情及來源見表1。

表1 研究數據及來源

2.1.2CMIP6系列數據

近年來,國際耦合模式比較計劃(CMIP)被廣泛用于分析評估氣候變化及其影響的研究中,氣候模式模擬能力評估以及未來氣候變化的情景預估是其主要研究內容,目前已推進到第六次比較計劃,其采用了共享社會經濟路徑(SSPs)與典型濃度路徑(RCPs)組合情景以使模擬結果更符合實際[10]?；诖?本文從世界氣候研究計劃(WCRP)國際耦合模式第六次比較計劃(CMIP6)官網(https：//esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/)下載對中國模擬情況較好的BCC-CSM2-MR和MRI-ESM2-0氣候模式[11-12]下SSP1-2.6(低等排放強迫情景)、SSP2-4.5(中等排放強迫情景)、SSP3-7.0(中等至高等排放強迫情景)、SSP5-8.5(高等排放強迫情景)的未來氣象數據。為了解決CMIP6不同氣候模式下的數據與實測值間的系統偏差問題,采用反距離權重法將不同氣候模式空間分辨率統一處理為0.5°×0.5°,采用等距累積分布函數法對模擬數據進行統計偏差校正[13-15],并取兩種氣候模式的平均值作為最終結果,進而分析不同發展模式下的未來氣候演變。對統計偏差校正后的結果進行分析可知,沁河流域多年平均降水量、溫度、風速實測值分別約為613.1mm、8℃、2.3m/s,多種氣候模式集成模擬的多年平均值分別為626.6mm、9.3℃、2.5m/s。因此,將處理后的CMIP6系列數據導入SWAT模型中以研究沁河流域未來氣候變化特征具有較好的參考價值。

2.2 基于SWAT模型的分布式水收支平衡模型

2.2.1模型構建

在區域水平衡研究中,嘗試引入SWAT模型,并結合其內置功能構建流域分布式水收支平衡模型,以探究不同尺度下的水收支平衡狀態及其在變化環境下的演變規律,從而實現水收支平衡綜合分析。

本文構建沁河流域分布式水收支平衡模型,包括以下步驟：①土壤數據庫構建過程中,從HWSD屬性數據庫中查詢獲取大多數參數,其他參數通過SPAW軟件或其他經驗公式計算得到[16];②土地利用類型參考LUCC分類體系,在18個二級類的基礎上將土地利用類型重分類為6類,分別為：耕地、草地、林地、水域、建設用地及未利用地;③氣象數據庫的建立主要包括實測氣象數據的輸入和天氣發生器的建立[17],采用分辨率為0.25°×0.25°的中國大氣同化驅動集(CMADS V1.1),將其按照SWAT模型的格式進行處理,時間尺度為2008—2016年,并采用CFSR數據庫作為其輸入數據;④研究區被劃分為33個子流域,考慮研究區實際情況,設定土壤、土地利用及坡度的最小面積百分比閾值均為10%,將研究區劃分為218個HRU;⑤通過SWAT模型內置的模塊,添加一系列水庫運行及引調水工程相關數據,并通過氣象數據庫參數的調整實現CMIP6系列模式的對比分析。

SWAT模型可基于所構建的數據庫及其相關信息,單獨計算每個HRU的內部循環,并在子流域進行累計匯總[16]。在流域水收支平衡研究中,需要從SWAT模型模擬結果中篩選出降水量、實際蒸發量、出口徑流量,再結合流域調入、調出水量及水量平衡基本原理,得出流域蓄水變量,并通過對SWAT模型數據庫及其參數的修改,結合多種數值分析方法,研究在變化環境下的水收支平衡及其要素的演變狀況。圖2為基于SWAT模型的分布式水收支平衡模型構建思路。

圖2 模型構建思路

2.2.2計算方法

對于流域尺度的水收支平衡,應分非閉合流域和閉合流域兩類進行討論,非閉合流域應考慮時段內地面徑流和地下徑流流入量,而對于閉合流域其值可以忽略不計。閉合流域水收支平衡方程為

R=P-E-ΔS

(1)

式中：R為時段內流域出口斷面的總徑流量;P為時段內降水量;E為時段內的流域凈蒸發量;ΔS為蓄水變量。

然而,在實際應用過程中,大多數流域是不閉合的,而且很多流域存在著很顯著的水循環空間異質性,即產、匯流的下墊面情況和氣象條件明顯不同,水資源的時空分布極其不均勻[18]。同時,跨流域調水的實施、閘壩水庫的修建等頻繁的人類活動也改變了自然的水循環過程,加大了流域水平衡分析的復雜性。對于一個復雜的自然流域系統,為了深入調控其徑流、蒸發、河道調蓄等過程,可以根據下墊面情況將其分解為若干子流域,子流域之間通過河網進行連接。依此,可構建基于分布式思想的流域總的水收支平衡方程：

∑ΔS=∑P-∑E-R+∑Qin-∑Qout

(2)

式中：∑ΔS、∑P、∑E分別為時段內所有子流域的蓄水變量、降水量、蒸發量之和;∑Qin、∑Qout為時段內流域外的調入與調出水量,不包括流域內部子流域間的水量交換。

對于蓄水變量∑ΔS,其值為正時流域年內水量呈盈余狀態,為負時呈虧損狀態,在研究包含若干個豐水年和枯水年的較長時間序列時,流域歷年蓄水變量應正負相抵,趨近于0,即蓄水變量多年平均值應近似為0。因此,在較長時間序列上,蓄水變量的增減趨勢應近似反映水收支平衡水平的變化情況,研究其他水收支平衡要素與蓄水變量在一定時間序列上的相關性水平可以有效反映不同水收支要素對水收支平衡的影響程度。本文采用皮爾遜相關系數r量化各水收支要素與蓄水變量間的線性相關性,r越大,說明該水收支要素在一定時間序列上的變化趨勢與蓄水變量越相近,從而對水收支平衡狀態的影響程度也越大。

3 結果與分析

3.1 模型率定結果與分析

以潤城站和五龍口站的實測逐月徑流數據為參照,利用SWAT-CUP工具中的SUFI-2算法對SWAT模型輸出結果進行率定及驗證。根據參數與研究的相關性及其敏感性分析結果,選取13個參數,并在確定參數和選定參數初始范圍后采用內置算法進行200次迭代計算。根據所收集到的水文站實測數據,以2008—2009年作為模型的預熱期,其余實測逐月徑流數據分為兩個部分,其中2010—2015年部分用于模型率定,2015—2016年部分用于模型驗證。本文選用納什效率系數NSE和確定系數R2來評價模型的適用性,具體計算結果見表2,所選取的兩個典型水文站點的率定期和驗證期流量的對比曲線見圖3。從表2和圖3可以看出,模型模擬結果較好,R2均大于0.78,NSE均大于0.74,達到模型精度要求。

表2 典型水文站點率定期和驗證期擬合結果的精度評價

圖3 典型水文站點率定期和驗證期流量對比

3.2 人類活動影響下的水收支平衡分析

沁河流域水資源開發利用歷史悠久,隨著經濟社會的加速發展,流域及鄰近地區的用水需求也不斷增長。目前,沁河流域已建成大量水資源配置工程,引沁入汾及引沁入丹工程是其中的重要代表,跨流域調水工程的建設可以提高沁河水資源調節水平,有效緩解沁河流域及鄰近地區缺水形勢。這些水利設施在沁河的治理與開發中發揮了重要作用,也影響著沁河流域的水收支平衡狀態。利用所建立的SWAT模型,根據張峰水庫及馬連圪塔水庫相關運行數據及以其為樞紐的兩大調水工程的年際引調水數據,對人類活動影響下的沁河流域水收支平衡狀況進行綜合計算分析,結果見表3。

表3 沁河流域水收支平衡分析結果 單位：億m3

從水收支平衡分析結果來看,2010—2016年沁河流域平均蓄水變量為負值,即蓄水總量呈下降趨勢。對降水量、實際蒸發量、外調水量、出口徑流量等各分量與流域蓄水變量作皮爾遜相關分析可得：降水量及出口徑流量與蓄水變量的相關系數相對較大,分別為0.87、0.74,且在0.05水平上顯著相關。降水量及出口徑流量與蓄水變量有較強相關性,對沁河流域水收支平衡狀態的影響程度也相對較大,在研究水收支平衡時需重點考慮并加以調控。另外,蒸發量是沁河流域的主要耗水項,因此要實現流域的水收支平衡,必須降低實際蒸發量,提高水分利用效率,以緩解近年來流域蓄水總量的下降趨勢。具體措施包括推行新型農業節水模式和以減少蒸發量為目的優化灌溉方式并調整農業結構,減少無效蒸發。同時,需要加快現有水源工程的改造與配套工作,嚴格控制外調水量上限,以緩解流域缺水形勢和水資源供需矛盾,提升水資源可持續利用水平,實現健康水平衡狀態。

3.3 未來氣候變化情景下的水收支平衡分析

3.3.1多氣候情景下的水收支平衡演變

對多氣候情景下的沁河流域2024—2064年水收支平衡狀況進行分析,由式(2)計算得出各情景下歷年的流域蓄水變量變化情況,如圖4所示?？傮w而言,各情景蓄水總量呈上升趨勢。SSP5-8.5情景的平均蓄水變量最大,達到5.03億m3,平均蓄水變量最小的SSP2-4.5情景,也達到了3.76億m3。對降水量、實際蒸發量、出口徑流量等各分量與流域蓄水變量作皮爾遜相關分析可得：SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5情景的降水量與蓄水變量的相關系數分別為0.79、0.75、0.77和0.66,表現出較強的相關性,出口徑流量與蓄水變量的相關系數分別為0.49、0.41、0.51和0.38,表現出中等程度相關性,實際蒸發量等與蓄水變量相關性較弱,同時降水量及出口徑流量與蓄水變量在0.01水平上顯著相關。因此,在多氣候情景下,降水量及出口徑流量對沁河流域水收支平衡狀態的影響程度相對較大,該結果與人類活動影響下的水收支平衡分析結果一致。

圖4 多氣候情景下蓄水變量變化情況

對多氣候情景下的關鍵影響要素降水量與出口徑流量的變化情況進行分析,結果如圖5所示。SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5情景的多年平均降水量分別為801.39、772.48、791.05、869.63mm,多年平均出口徑流量分別為64.64、57.87、68.99、85.67m3/s。從長期序列來看,不同的氣候模式對降水量及出口徑流量的影響效果類似,即除SSP1-2.6情景外,降水量及出口徑流量總體均隨著輻射強迫水平的提升而不斷增加,降水量增長率分別為2.4%和9.9%,出口徑流量增長率分別為19.2%和24.2%,可以看出同等條件下多年平均出口徑流量增長的幅度更大。對于降水量及出口徑流量而言,多年變化幅度最大的分別是SSP3-7.0和SSP5-8.5情景,其變化量分別達到了789.59mm和213.77m3/s。

圖5 多氣候情景下降水量及出口徑流量變化情況

將研究期劃分為3個時段：近期(2024—2038年)、中期(2039—2053年)和遠期(2054—2064年),并計算在不同氣候情景下不同時段降水量與出口徑流量的變化率結果(表4)。在近期預測階段,降水量除SSP3-7.0情景外均呈增長趨勢,但增長率均小于4mm/a,中期預測階段降水量增長率大幅提升,其中SSP2-4.5、SSP3-7.0情景均超過了8mm/a,到遠期預測階段,降水量均呈下降趨勢,除SSP5-8.5情景外,下降幅度隨輻射強迫水平的提升而不斷增加。出口徑流量的變化率浮動趨勢與降水量類似,在中期預測階段的SSP2-4.5情景下達到最大的增長率2.32m3/(s·a),在遠期預測階段的SSP3-7.0情景下達到最大的下降率2.59m3/(s·a)。就總體變化率趨勢而言,降水量與出口徑流量均在SSP5-8.5情景下達到最大增長率,其值分別為5.19mm/a和1.35m3/(s·a),兩者的總體增長率與輻射強迫水平呈現出較強的相關性。

表4 多氣候情景下降水量及出口徑流量變化率計算結果

3.3.2典型氣候情景下的水收支平衡要素突變

在處理后的CMIP6系列多模式集合數據中,SSP2-4.5情景是一個結合了中間社會脆弱性和中間強迫水平的情景,較為符合現實狀況[19],可作為典型氣候情景對沁河流域水收支平衡狀況進行分析。根據3.3.1節中的相關分析結果,降水量及出口徑流量對沁河流域水收支平衡狀態的影響程度相對較大,而極端的降水量與出口徑流量不僅會影響水收支平衡水平,還會給流域尤其是其下游造成嚴重的洪澇威脅。因此,分析流域降水量及出口徑流量等重要水收支平衡要素序列,并進行突變點診斷識別,對明確沁河流域水收支平衡要素的一致性變化情況及其周期變化規律具有重要意義,有助于提升流域水收支平衡水平及水生態健康狀況[20-21]。

本文采用Mann-Kendall突變檢驗方法[22-24]對SSP2-4.5情景下的沁河流域2024—2064年的降水量及出口徑流量進行分析(圖6),并分別生成UF和UB兩個統計序列。由圖6(a)可知,沁河流域降水量UF和UB統計曲線在置信區間內存在明顯交叉的年份主要為2037年、2041年、2061年和2063年,這也是沁河流域降水量可能發生突變的年份,且除2041年外,其余突變年份降水量均呈上升趨勢。由圖6(b)可知,沁河流域出口徑流量的UF和UB統計曲線在置信區間內存在明顯交叉的主要有4個年份,有檢驗統計意義,2039年、2041年、2062年是沁河流域出口徑流量可能發生突變的年份。從突變年份上看,降水量與出口徑流量的未來變化趨勢具有一定的一致性,在2037—2041年、2061—2063年均可能存在突變。因此,在調控沁河水收支平衡狀態及防御潛在的突發洪澇災害事件時,這些年份應重點關注。

圖6 典型氣候情景下降水量及出口徑流量Mann-Kendall突變檢驗

4 結 論

a.基于SWAT模型可以實現區域水平衡理論框架下的水收支平衡演變分析。所構建的分布式水收支平衡模型中選用的HWSD世界土壤數據庫及CMADS氣象數據集具有較強的適用性,模擬結果良好,其中五龍口站的率定結果較好,率定期和驗證期的R2和NSE值均滿足模擬要求。

b.在考慮以跨流域調水工程為主的人類活動影響下,2010—2016年沁河流域平均蓄水變量為負值。降水量及出口徑流量對沁河流域水收支平衡狀態的影響程度相對較大,在研究水收支平衡時需重點考慮并加以調控。

c.在未來多氣候情景下,蓄水總量呈上升趨勢,且降水量及出口徑流量對沁河流域水收支平衡狀態的影響程度相對較大。除了SSP1-2.6情景外,流域多年平均降水量及出口徑流量均隨著輻射強迫水平的提升而增加。在近期預測階段,降水量與出口徑流量除SSP3-7.0情景外均呈增長趨勢,中期預測階段增長率大幅提升,而在遠期預測階段,均呈下降趨勢。在典型氣候模式SSP2-4.5情景下,沁河流域降水量在2037年、2041年、2061年和2063年可能發生突變,而2039年、2041年、2062年是出口徑流量容易發生突變的年份,降水量與出口徑流量在突變周期上體現了一定的相似性。