基于区域水平衡理论和SWAT模型的沁河流域水收支平衡演变分析

邱 曦,马军霞,2,左其亭,2,张 羽

(1.郑州大学水利与交通学院,河南 郑州 450001; 2.河南省水循环模拟与水环境保护国际联合实验室,河南 郑州 450001)

近年来我国水资源形势日益严峻,尤其是在气候变化、人类活动等变化环境下,水资源短缺、水环境污染、水生态损害、水灾害多发等新老水问题交织,严重制约了环境质量的提升,阻碍了经济社会持续健康发展。复杂水问题的根源在于水的不平衡性,包括各类水循环要素的收支不平衡、可用水资源量与经济生态要素突出的不适配性等。因此,如何有效提升水平衡状态、缓解水矛盾、排除水源之危,成为亟待解决的问题。2020年8月,“如何优化变化环境下中国水资源承载力,实现健康的区域水平衡状态”作为十大前沿科学问题由中国科协发布[1],以有效措施实现区域水平衡成为国家实现现代化的重大需求。

广义区域水平衡包括水收支平衡、经济社会与生态用水平衡、经济社会供需水平衡与人水和谐平衡四个方面[2]。其中,水收支平衡是区域水平衡的基础,也是最具普适性的水平衡状态。在研究水收支平衡的过程中,由于水循环过程十分复杂、涉及的水循环要素众多,传统的集总式模型方法很难适应变化环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来研究不同尺度下的水平衡及其在变化环境下的演变状态。Frederiksen等[3]利用SWAT与SWAT-MODFLOW模型评估了不同地下排水方案对农业集水区水文过程及水平衡的影响;Ayivi等[4]使用SWAT模型对美国北卡罗来纳州某流域在不同的土地利用变化情景下的水量平衡状态及产水量进行了综合分析;骆月珍等[5]基于CMADS驱动SWAT模型对富春江水库控制流域的水量平衡状况进行了模拟;代俊峰等[6-7]提出了基于SWAT模型的灌区分布式水文模型并对漳河灌区进行了实例分析。

现有研究中既有利用SWAT模型对所选流域进行水平衡分析,又有基于SWAT模型提出具有较强针对性的分布式模型方法,但基于SWAT模型开展人类活动与不同气候变化情景下的水收支平衡状况及其要素演变规律的研究仍有待深入。本文以区域水平衡理论为基础,探究基于SWAT模型的水收支平衡研究方法,分析人类活动及气候变化等变化环境下的沁河流域水收支平衡状态及其演变规律,以期为流域水资源统筹管理与协调配置提供参考。

1 研究区概况

沁河发源于山西省沁源县西北太岳山东麓的二郎神沟,是黄河三门峡至花园口区间的黄河一级支流,自北向南流经山西、河南2省17个县市,并于武陟县方陵村汇入黄河。沁河干流全长485km,流域总面积13535km2,其中山西境内占90.54%,河南境内占9.46%[8]。沁河支流众多,其中较大支流有丹河、龙渠河、沁水河等。流域多年平均气温约为8℃,且呈北低南高态势,多年平均降水量为613.1mm,且集中在夏季,年内分配极不均匀,沁河径流主要由降雨形成。流域干流现有水文测站5处,从上至下依次为孔家坡、飞岭、润城、五龙口和武陟。引沁入汾及引沁入丹两大调水工程是沁河流域水资源开发利用的重要组成部分[9],马连圪塔水库和张峰水库是其主要的工程枢纽。沁河流域河道及主要水文站、水库位置见图1。

图1 沁河流域概况

2 数据与方法

2.1 数据来源及处理

2.1.1SWAT模型相关数据

SWAT模型的输入数据主要包括数字高程(DEM)数据、土壤数据、土地利用数据、气象数据和用于模型率定的水文站逐月径流数据。DEM数据为30m×30m的ASTER GDEM数据,可用于提取数字河网、划分子流域以及水文响应单元(HRU);土壤数据来源于世界土壤数据库(HWSD),其中中国境内数据源为第二次全国土地调查南京土壤所提供的1∶100万土壤数据,后续进行裁剪并重分类土壤类型;土地利用数据采用30m×30m精度的中国2015年土地利用数据;气象数据基于中国大气同化驱动数据集(CMADS V1.1 2008—2016年)处理而来,内置天气发生器的建立基于CFSR世界天气数据库数据;径流数据选取了润城站和五龙口站2008—2016年逐月径流数据。另外,为了刻画以调水工程为代表的人类活动的影响,将马连圪塔水库和张峰水库等重要水资源配置工程数据引入模型中。各项数据详情及来源见表1。

表1 研究数据及来源

2.1.2CMIP6系列数据

近年来,国际耦合模式比较计划(CMIP)被广泛用于分析评估气候变化及其影响的研究中,气候模式模拟能力评估以及未来气候变化的情景预估是其主要研究内容,目前已推进到第六次比较计划,其采用了共享社会经济路径(SSPs)与典型浓度路径(RCPs)组合情景以使模拟结果更符合实际[10]。基于此,本文从世界气候研究计划(WCRP)国际耦合模式第六次比较计划(CMIP6)官网(https：//esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/)下载对中国模拟情况较好的BCC-CSM2-MR和MRI-ESM2-0气候模式[11-12]下SSP1-2.6(低等排放强迫情景)、SSP2-4.5(中等排放强迫情景)、SSP3-7.0(中等至高等排放强迫情景)、SSP5-8.5(高等排放强迫情景)的未来气象数据。为了解决CMIP6不同气候模式下的数据与实测值间的系统偏差问题,采用反距离权重法将不同气候模式空间分辨率统一处理为0.5°×0.5°,采用等距累积分布函数法对模拟数据进行统计偏差校正[13-15],并取两种气候模式的平均值作为最终结果,进而分析不同发展模式下的未来气候演变。对统计偏差校正后的结果进行分析可知,沁河流域多年平均降水量、温度、风速实测值分别约为613.1mm、8℃、2.3m/s,多种气候模式集成模拟的多年平均值分别为626.6mm、9.3℃、2.5m/s。因此,将处理后的CMIP6系列数据导入SWAT模型中以研究沁河流域未来气候变化特征具有较好的参考价值。

2.2 基于SWAT模型的分布式水收支平衡模型

2.2.1模型构建

在区域水平衡研究中,尝试引入SWAT模型,并结合其内置功能构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状态及其在变化环境下的演变规律,从而实现水收支平衡综合分析。

本文构建沁河流域分布式水收支平衡模型,包括以下步骤：①土壤数据库构建过程中,从HWSD属性数据库中查询获取大多数参数,其他参数通过SPAW软件或其他经验公式计算得到[16];②土地利用类型参考LUCC分类体系,在18个二级类的基础上将土地利用类型重分类为6类,分别为：耕地、草地、林地、水域、建设用地及未利用地;③气象数据库的建立主要包括实测气象数据的输入和天气发生器的建立[17],采用分辨率为0.25°×0.25°的中国大气同化驱动集(CMADS V1.1),将其按照SWAT模型的格式进行处理,时间尺度为2008—2016年,并采用CFSR数据库作为其输入数据;④研究区被划分为33个子流域,考虑研究区实际情况,设定土壤、土地利用及坡度的最小面积百分比阈值均为10%,将研究区划分为218个HRU;⑤通过SWAT模型内置的模块,添加一系列水库运行及引调水工程相关数据,并通过气象数据库参数的调整实现CMIP6系列模式的对比分析。

SWAT模型可基于所构建的数据库及其相关信息,单独计算每个HRU的内部循环,并在子流域进行累计汇总[16]。在流域水收支平衡研究中,需要从SWAT模型模拟结果中筛选出降水量、实际蒸发量、出口径流量,再结合流域调入、调出水量及水量平衡基本原理,得出流域蓄水变量,并通过对SWAT模型数据库及其参数的修改,结合多种数值分析方法,研究在变化环境下的水收支平衡及其要素的演变状况。图2为基于SWAT模型的分布式水收支平衡模型构建思路。

图2 模型构建思路

2.2.2计算方法

对于流域尺度的水收支平衡,应分非闭合流域和闭合流域两类进行讨论,非闭合流域应考虑时段内地面径流和地下径流流入量,而对于闭合流域其值可以忽略不计。闭合流域水收支平衡方程为

R=P-E-ΔS

(1)

式中：R为时段内流域出口断面的总径流量;P为时段内降水量;E为时段内的流域净蒸发量;ΔS为蓄水变量。

然而,在实际应用过程中,大多数流域是不闭合的,而且很多流域存在着很显著的水循环空间异质性,即产、汇流的下垫面情况和气象条件明显不同,水资源的时空分布极其不均匀[18]。同时,跨流域调水的实施、闸坝水库的修建等频繁的人类活动也改变了自然的水循环过程,加大了流域水平衡分析的复杂性。对于一个复杂的自然流域系统,为了深入调控其径流、蒸发、河道调蓄等过程,可以根据下垫面情况将其分解为若干子流域,子流域之间通过河网进行连接。依此,可构建基于分布式思想的流域总的水收支平衡方程：

∑ΔS=∑P-∑E-R+∑Qin-∑Qout

(2)

式中：∑ΔS、∑P、∑E分别为时段内所有子流域的蓄水变量、降水量、蒸发量之和;∑Qin、∑Qout为时段内流域外的调入与调出水量,不包括流域内部子流域间的水量交换。

对于蓄水变量∑ΔS,其值为正时流域年内水量呈盈余状态,为负时呈亏损状态,在研究包含若干个丰水年和枯水年的较长时间序列时,流域历年蓄水变量应正负相抵,趋近于0,即蓄水变量多年平均值应近似为0。因此,在较长时间序列上,蓄水变量的增减趋势应近似反映水收支平衡水平的变化情况,研究其他水收支平衡要素与蓄水变量在一定时间序列上的相关性水平可以有效反映不同水收支要素对水收支平衡的影响程度。本文采用皮尔逊相关系数r量化各水收支要素与蓄水变量间的线性相关性,r越大,说明该水收支要素在一定时间序列上的变化趋势与蓄水变量越相近,从而对水收支平衡状态的影响程度也越大。

3 结果与分析

3.1 模型率定结果与分析

以润城站和五龙口站的实测逐月径流数据为参照,利用SWAT-CUP工具中的SUFI-2算法对SWAT模型输出结果进行率定及验证。根据参数与研究的相关性及其敏感性分析结果,选取13个参数,并在确定参数和选定参数初始范围后采用内置算法进行200次迭代计算。根据所收集到的水文站实测数据,以2008—2009年作为模型的预热期,其余实测逐月径流数据分为两个部分,其中2010—2015年部分用于模型率定,2015—2016年部分用于模型验证。本文选用纳什效率系数NSE和确定系数R2来评价模型的适用性,具体计算结果见表2,所选取的两个典型水文站点的率定期和验证期流量的对比曲线见图3。从表2和图3可以看出,模型模拟结果较好,R2均大于0.78,NSE均大于0.74,达到模型精度要求。

表2 典型水文站点率定期和验证期拟合结果的精度评价

图3 典型水文站点率定期和验证期流量对比

3.2 人类活动影响下的水收支平衡分析

沁河流域水资源开发利用历史悠久,随着经济社会的加速发展,流域及邻近地区的用水需求也不断增长。目前,沁河流域已建成大量水资源配置工程,引沁入汾及引沁入丹工程是其中的重要代表,跨流域调水工程的建设可以提高沁河水资源调节水平,有效缓解沁河流域及邻近地区缺水形势。这些水利设施在沁河的治理与开发中发挥了重要作用,也影响着沁河流域的水收支平衡状态。利用所建立的SWAT模型,根据张峰水库及马连圪塔水库相关运行数据及以其为枢纽的两大调水工程的年际引调水数据,对人类活动影响下的沁河流域水收支平衡状况进行综合计算分析,结果见表3。

表3 沁河流域水收支平衡分析结果 单位：亿m3

从水收支平衡分析结果来看,2010—2016年沁河流域平均蓄水变量为负值,即蓄水总量呈下降趋势。对降水量、实际蒸发量、外调水量、出口径流量等各分量与流域蓄水变量作皮尔逊相关分析可得：降水量及出口径流量与蓄水变量的相关系数相对较大,分别为0.87、0.74,且在0.05水平上显著相关。降水量及出口径流量与蓄水变量有较强相关性,对沁河流域水收支平衡状态的影响程度也相对较大,在研究水收支平衡时需重点考虑并加以调控。另外,蒸发量是沁河流域的主要耗水项,因此要实现流域的水收支平衡,必须降低实际蒸发量,提高水分利用效率,以缓解近年来流域蓄水总量的下降趋势。具体措施包括推行新型农业节水模式和以减少蒸发量为目的优化灌溉方式并调整农业结构,减少无效蒸发。同时,需要加快现有水源工程的改造与配套工作,严格控制外调水量上限,以缓解流域缺水形势和水资源供需矛盾,提升水资源可持续利用水平,实现健康水平衡状态。

3.3 未来气候变化情景下的水收支平衡分析

3.3.1多气候情景下的水收支平衡演变

对多气候情景下的沁河流域2024—2064年水收支平衡状况进行分析,由式(2)计算得出各情景下历年的流域蓄水变量变化情况,如图4所示。总体而言,各情景蓄水总量呈上升趋势。SSP5-8.5情景的平均蓄水变量最大,达到5.03亿m3,平均蓄水变量最小的SSP2-4.5情景,也达到了3.76亿m3。对降水量、实际蒸发量、出口径流量等各分量与流域蓄水变量作皮尔逊相关分析可得：SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0、SSP5-8.5情景的降水量与蓄水变量的相关系数分别为0.79、0.75、0.77和0.66,表现出较强的相关性,出口径流量与蓄水变量的相关系数分别为0.49、0.41、0.51和0.38,表现出中等程度相关性,实际蒸发量等与蓄水变量相关性较弱,同时降水量及出口径流量与蓄水变量在0.01水平上显著相关。因此,在多气候情景下,降水量及出口径流量对沁河流域水收支平衡状态的影响程度相对较大,该结果与人类活动影响下的水收支平衡分析结果一致。

图4 多气候情景下蓄水变量变化情况

对多气候情景下的关键影响要素降水量与出口径流量的变化情况进行分析,结果如图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别为801.39、772.48、791.05、869.63mm,多年平均出口径流量分别为64.64、57.87、68.99、85.67m3/s。从长期序列来看,不同的气候模式对降水量及出口径流量的影响效果类似,即除SSP1-2.6情景外,降水量及出口径流量总体均随着辐射强迫水平的提升而不断增加,降水量增长率分别为2.4%和9.9%,出口径流量增长率分别为19.2%和24.2%,可以看出同等条件下多年平均出口径流量增长的幅度更大。对于降水量及出口径流量而言,多年变化幅度最大的分别是SSP3-7.0和SSP5-8.5情景,其变化量分别达到了789.59mm和213.77m3/s。

图5 多气候情景下降水量及出口径流量变化情况

将研究期划分为3个时段：近期(2024—2038年)、中期(2039—2053年)和远期(2054—2064年),并计算在不同气候情景下不同时段降水量与出口径流量的变化率结果(表4)。在近期预测阶段,降水量除SSP3-7.0情景外均呈增长趋势,但增长率均小于4mm/a,中期预测阶段降水量增长率大幅提升,其中SSP2-4.5、SSP3-7.0情景均超过了8mm/a,到远期预测阶段,降水量均呈下降趋势,除SSP5-8.5情景外,下降幅度随辐射强迫水平的提升而不断增加。出口径流量的变化率浮动趋势与降水量类似,在中期预测阶段的SSP2-4.5情景下达到最大的增长率2.32m3/(s·a),在远期预测阶段的SSP3-7.0情景下达到最大的下降率2.59m3/(s·a)。就总体变化率趋势而言,降水量与出口径流量均在SSP5-8.5情景下达到最大增长率,其值分别为5.19mm/a和1.35m3/(s·a),两者的总体增长率与辐射强迫水平呈现出较强的相关性。

表4 多气候情景下降水量及出口径流量变化率计算结果

3.3.2典型气候情景下的水收支平衡要素突变

在处理后的CMIP6系列多模式集合数据中,SSP2-4.5情景是一个结合了中间社会脆弱性和中间强迫水平的情景,较为符合现实状况[19],可作为典型气候情景对沁河流域水收支平衡状况进行分析。根据3.3.1节中的相关分析结果,降水量及出口径流量对沁河流域水收支平衡状态的影响程度相对较大,而极端的降水量与出口径流量不仅会影响水收支平衡水平,还会给流域尤其是其下游造成严重的洪涝威胁。因此,分析流域降水量及出口径流量等重要水收支平衡要素序列,并进行突变点诊断识别,对明确沁河流域水收支平衡要素的一致性变化情况及其周期变化规律具有重要意义,有助于提升流域水收支平衡水平及水生态健康状况[20-21]。

本文采用Mann-Kendall突变检验方法[22-24]对SSP2-4.5情景下的沁河流域2024—2064年的降水量及出口径流量进行分析(图6),并分别生成UF和UB两个统计序列。由图6(a)可知,沁河流域降水量UF和UB统计曲线在置信区间内存在明显交叉的年份主要为2037年、2041年、2061年和2063年,这也是沁河流域降水量可能发生突变的年份,且除2041年外,其余突变年份降水量均呈上升趋势。由图6(b)可知,沁河流域出口径流量的UF和UB统计曲线在置信区间内存在明显交叉的主要有4个年份,有检验统计意义,2039年、2041年、2062年是沁河流域出口径流量可能发生突变的年份。从突变年份上看,降水量与出口径流量的未来变化趋势具有一定的一致性,在2037—2041年、2061—2063年均可能存在突变。因此,在调控沁河水收支平衡状态及防御潜在的突发洪涝灾害事件时,这些年份应重点关注。

图6 典型气候情景下降水量及出口径流量Mann-Kendall突变检验

4 结 论

a.基于SWAT模型可以实现区域水平衡理论框架下的水收支平衡演变分析。所构建的分布式水收支平衡模型中选用的HWSD世界土壤数据库及CMADS气象数据集具有较强的适用性,模拟结果良好,其中五龙口站的率定结果较好,率定期和验证期的R2和NSE值均满足模拟要求。

b.在考虑以跨流域调水工程为主的人类活动影响下,2010—2016年沁河流域平均蓄水变量为负值。降水量及出口径流量对沁河流域水收支平衡状态的影响程度相对较大,在研究水收支平衡时需重点考虑并加以调控。

c.在未来多气候情景下,蓄水总量呈上升趋势,且降水量及出口径流量对沁河流域水收支平衡状态的影响程度相对较大。除了SSP1-2.6情景外,流域多年平均降水量及出口径流量均随着辐射强迫水平的提升而增加。在近期预测阶段,降水量与出口径流量除SSP3-7.0情景外均呈增长趋势,中期预测阶段增长率大幅提升,而在远期预测阶段,均呈下降趋势。在典型气候模式SSP2-4.5情景下,沁河流域降水量在2037年、2041年、2061年和2063年可能发生突变,而2039年、2041年、2062年是出口径流量容易发生突变的年份,降水量与出口径流量在突变周期上体现了一定的相似性。