氣候變化情景模式下大洋河水土流失響應研究

賈玉娟

（遼寧省水文局，沈陽110003）

氣候變化情景模式下大洋河水土流失響應研究

賈玉娟

（遼寧省水文局，沈陽110003）

以大洋河沙里寨水文站以上集水區域作為研究流域，基于沙里寨水文站2000—2010年水文數據，運用分布式水文模型SWAT模型定量分析4種氣候變化情景模式（大洋河水土流失影響假定氣溫℃，降水量變化）定量分析不同氣候變化情景模式下大洋河水土流失的響應。研究結果表明：SWAT模型在大洋河流域水土流失具有較好的模擬精度，模擬的輸沙量相對誤差在20%以內，確定性系數達到0.55以上，模型可用來定量分析不同氣候模式情景對流域水土流失的影響；在降水量不變情況下，氣溫升高3℃，流域水土流失減少6.65%，而氣溫降低3℃，水土流失增加8.86%；在氣溫不發生變化情況下，降水量減少15%，流域水土流失量減少15.51%；降水量增加15%，流域水土流失量增加17.73%。

氣候變化情景模式；水土流失響應；SWAT模型；大洋河

0 引 言

中國是世界上土壤侵蝕最為嚴重的國家之一，水土流失模擬對于水土流失防治和治理規劃至關重要，當前，全球氣候變化對水循環的研究一直是國內外學者的研究熱點，也取得許多研究成果，但在全球氣候變化對水土流失的影響一直研究不多，考慮到水土流失的重要載體為水資源，全球氣候變化對水循環的影響，勢必造成對水土流失的影響。隨著計算機和地理信息技術的快速發展，分布式水文模型和土壤侵蝕模型的耦合為定量分析氣候變化對流域水土流失的影響提高了一個有效的分析平臺，近幾年來，國內外許多學者將分布式水文模型SWAT模型運用到不同流域研究氣候變化情景模式對流域生態水文的影響，其中對流域水土流失的影響也進行了相關研究，并取得一定的研究成果，但在大洋河流域的相關研究很少，而大洋河流域因為地貌特點和土壤類型的特點，流域土壤侵蝕較為嚴重，本文結合分布式水文模型SWAT模型，通過設定4種氣候變化情景模式，定量分析不同氣候變化情景模式對大洋河水土流失的影響，研究成果對于大洋河流域水土流失防治和治理提供重要的參考價值［1］。

1 研究方法及資料準備

1.1 研究方法

SWAT模型將SCS降雨徑流模型和改進的通用土壤侵蝕方程進行耦合，從而分析不同氣候模式對流域水土流失的影響，SCS降雨徑流模型模擬的流量作為改進的通用土壤侵蝕土壤方程的流量輸入，氣候變化情景模式主要通過改變流域的水循環過程，從而改變流域的水土流失量［2］。

1.2 研究區域概況

大洋河位于遼寧省東部，河流全長為230.2 km，流域面積為6 554 km2，于東港市黃土坎鎮境內注入黃海。流域多年平均徑流量為3.1×109m3，沙里寨水文站以上集水面積為4 810 km2，為大洋河的控制站，流域內9個降雨站點，各站點分布情況見圖1。

建國初期，流域植被覆蓋率下降到50%，流域內已經發生較大面積的土壤侵蝕，水土流失面積達到近100萬km2，占據整個流域面積的10%，建國后，流域水土流失情況得到一定程度的改善，但在進入90年代后，水土流失面積達到508萬km2，占據流域

面積的56%，為建國初期的4.2倍，根據沙里寨水文站實測輸沙資料分析，流域內的水土流失情況有加劇的趨勢［3］。

圖1 大洋河流域圖

1.3 模型輸入資料準備

SWAT模型需要輸入的空間數據見圖2。本次模型需要的數據有DEM數據、土地利用數據、土壤類型數據、水文數據以及氣象站點數據，其中本次利用的DEM數據分辨率為90s（見圖2（a）），土地利用數據的分辨率為1 km×1 km（見圖2（c）），土壤類型數據分辨率為1∶100，0000（見圖2（b）），所有的空間數據都運用地理信息軟件進行空間尺度的匹配。收集的水文數據為大洋河沙里寨水文站2000－2012年月徑流數據，氣象數據為岫巖氣象站2000－2010年氣象要素數據，其中氣象要素包括：最高氣溫、最低氣溫、日照時數、風速、太陽輻射、相對濕度）。

圖2 SWAT模型需要輸入的空間數據

2 氣候變化情景模式下大洋河水土流失響應分析

2.1 SWAT模型率定和檢驗

基于沙里寨水文站2000—2010年水文數據，對SWAT模型進行率定和驗證。因為SWAT模型將SCS降雨徑流模型和改進土壤通用侵蝕方程進行耦合，因此需要對模型水量模擬和水土流失模擬參數同時進行率定和驗證，SWAT模型水土流失模擬參數率定和驗證結果見表1～表3及圖3～圖4。

表1 SWAT模型水土流失模擬參數率定結果

表2 SWAT模型徑流模擬參數率定結果

表3 SWAT模型水土流失模擬參數率定結果

圖3 代表年份徑流模擬成果圖

圖4 代表年份水土流失模擬成果圖

從表2中可以看出，SWAT模型在大洋河流域徑流模擬具有較高的模擬精度，模型在參數率定期（2000年—2007年）以及模型參數驗證期（2008—2010年）模擬的徑流深相對誤差均＜10%，確定性系數達到0.85以上，滿足模型徑流模擬精度規范要求。表3為SWAT模型在大洋河流域水土流失模擬成果表，從表中可以看出，SWAT模型在研究流域水土流失模擬具有良好的精度，水土流失模擬的輸沙量相對誤差不論是在參數率定期或者是參數驗證期均＜20%，確定性系數達到0.5以上，滿足水土流失模擬的精度規范要求，從圖3和圖4中可以看出，SWAT在大洋河流域模擬的徑流過程和水土流失過程和實測徑流過程以及水土流失過程都有較好的吻合度。SWAT模型可以進一步用來分析不同氣候模式情景下對大洋河水土流失的影響［4－6］。

2.2 水土流失空間模擬成果

SWAT模型為分布式水沙耦合模型，可模擬流域的整個水土流失分布情況，考慮文章篇幅原因，大洋河流域水土流失空間模擬成果較多，選取2006年作為代表年份呈現大洋河水體流失空間模擬成果，見圖5。

圖5 代表年份（2006年）研究流域水土流失空間模擬分布圖

從圖5中可以看出，大洋河流域水土流失空間分布較不均勻，流域土壤侵蝕模數4000～6 000 t／km2·a主要集中在大洋河流域的北部區域，而水土流失較輕的區域，流域土壤侵蝕模數4000～6 000 t／km2·a主要集中在中西部區域，這主要是受流域降水分布不均與的影響，大洋河流域降水較大的區域，土壤侵蝕模式相對較大，流域的水土流失量也相對較多，其次，流域土壤侵蝕還受到土壤類型、土地利用類型及土壤坡度的影響［7］。

2.3 不同氣候變化情景模式下水土流失響應分析

基于率定和驗證后的分布式水文模型SWAT模型，設定4種氣候變化情景模式，定量分析不同氣候

情景模式下流域水土流失的響應，4種氣候變化情景模式見表4。氣溫變化情景方案下的徑流響應見表5。

表4 4種氣溫變化情景方案

表5 氣溫變化情景方案下的徑流響應

從表5中可以看出，在氣候變化情景I模式下（氣溫＋3℃，降水不變化），流域的水土流失量減少0.06×108t，水土流失變化率為－6.65%，這主要是因為氣溫升高，導致流域蒸散發增加，而流域降水量未發生變化，對于水量平衡方程而言，蒸發增加，降水量不變，必然使得流域徑流量減少，而水是水土流失運移的主要載體，流域徑流量減少，使得流域的水土流失量相應減少。而在氣候變化情景II模式下（氣溫－3℃，降水不變化），氣溫減低，使得流域整個蒸發量減少，而降雨不發生變化，使得流域徑流量增加，徑流增加，使得隨著徑流輸移的水土流失量增加，因此，在氣候變化情景II模式下，流域的水土流失量增加0.08×108t，水土流失變化率為＋8.86%。而對于氣候變化情景III模式（降水量變化＋15%，氣溫不變化），其模擬的水土流失量相比于未改變氣候模式前，水土流失量增加016×108t，水土流失變化率為17.73%，降水量的增加，而氣溫不變化，致使流域徑流量增加以及坡地受到降水滴蝕量增加，造成流域水土流失量增加較為明顯［8］。在氣候變化情景IV模式（降水量變化－15%，氣溫不變化），降水量減少，使得流域徑流以及流域坡地受到降水滴蝕量減少，勢必使得大洋河流域水土流失量減少明顯，相比于未改變前，水土流失量減少0.14×108t，水土流失變化率為15.51%。

3 結 論

本文運用SWAT模型定量分析了大洋河流域不同氣候變化情景模式下的水土流失響應，研究取得以下結論：

1）SWAT模型在大洋河流域水土流失具有較好的模擬精度，模型在參數率定期和驗證期，模擬的輸沙量相對誤差均＜20%，模擬的確定性系數達到0.5以上，滿足水土流失模擬規范要求，可用來模擬分析不同氣候變化情景模式對大洋河流域水土流失的影響。

2）在降水量不變的前提下，氣溫升高3℃和降低3℃，研究流域水土流失率分別為－6.65%和8.86%。

3）在氣溫不變的前提下，降水量增加15%和減少15%，研究流域水土流失率分別為＋17.73%和－15.51%。

［1］李峰平，章光新，董李勤.氣候變化對水循環與水資源的影響研究綜述［J］.地理科學，2013（04）：457－464.

［2］陶濤，信昆侖，劉遂慶.全球氣候變化對水資源管理影響的研究綜述［J］.水資源與水工程學報，2007（06）：7－12.

［3］吳永萍.氣候變化對塔里木河流域大氣水循環的影響及其機理研究［D］.蘭州：蘭州大學，2011.

［4］夏軍，劉春蓁，任國玉.氣候變化對我國水資源影響研究面臨的機遇與挑戰［J］.地球科學進展，2011（01）：1－12.

［5］張金英.基于SWAT模型的拒馬河上游地區土壤侵蝕研究及其影響因子分析［D］.河北師范大學，2007.

［6］余丹，孫麗娜，于俊峰，王震洪.基于SWAT的貓跳河流域徑流及土壤侵蝕模擬研究［J］.中國農學通報，2012（17）：256－261.

［7］肖軍倉，羅定貴，王忠忠.基于SWAT模型的撫河流域土壤侵蝕模擬［J］.水土保持研究，2013（01）：14－18，24.

［8］馬國斌.基于GIS的黃土高原小流域土壤侵蝕定量評價研究［D］.南京：南京師范大學，2003.

S157

B

2014－10－31

賈玉娟（1984－），女，遼寧盤錦人，助理工程師。

1007－7596（2015）06－0024－04