基于SWAT模型的金沙江流域水文过程对气候变化的响应研究

摘要

金沙江，中国第一大河长江的上游，有着丰富的水资源和水能资源，同时也是长江中上游洪水的主要组成部分。在全球及区域气候变暖的背景下，金沙江流域水循环的时空转变进程将发生转变，可能导致降水与水资源的时空分布不均，加重旱涝等水文极端事件的产生几率与强度。本文以金沙江流域为研究对象，综合Kendall秩次相关法、Spearman秩次相关法、线性趋势回归三种趋势分析方法和累积距平法和Mann-Kendall突变检验法分析水文循环要素的变化特征，同时采用SWAT水文模型构建流域模型，通过模型敏感性分析和适用性评价，将校准好的模型应用到金沙江流域水文模拟研究中，考虑降水、气温和太阳辐射这些扰动因子，共设置100种不同气候变化情景，分析流域未来径流、实际蒸散发量和土壤含水量的变化趋势及其对扰动因子的响应规律。主要得到以下结论： （1）根据1970-2012年多年气象统计资料，经测算，金沙江流域多年平均年降水量约为617mm，流域多年平均气温在9℃左右，流域多年平均辐射量约为16MJ/(m2·d)。金沙江流域降水的季节分配特征比较明显，5月到10月的降水量占全年降水量的比重超过80%，其中7~8月所占比例最大。 （2）1970-2012年金沙江流域的年平均降水量和年平均气温在研究时间范围内均呈增加趋势，年平均太阳辐射呈减少趋势，且平均气温和太阳辐射年际变化显著。累积距平法突变检验发现：年平均降水突变年为1997年；年平均气温突变年是1997年；年平均太阳辐射突变年是1988年。 （3）分别计算了金沙江流域上中下游水文控制站点（石鼓站、攀枝花站和屏山站）的径流极值比Km、变差系数Cv、径流年内分配不均匀系数Ci和径流年内分配完全调节系数Cr，以表征径流年际年内的变化特征。结果表明：金沙江流域径流量的年际变化不大，整个流域从上游至下游的变化程度相差无几，其径流年内分配存在一定程度的不均匀性。石鼓站、攀枝花站和屏山站径流量均没有通过置信度95%的显著性检验，年际变化不显著，研究时间范围内均呈增加趋势。累积距平法和Mann-Kendall突变检验法分析三个水文控制站的径流，结果表明：石鼓站年径流量突变年为1986年和1995年；攀枝花站年径流量突变年为1986年和1997年；屏山站年径流量突变年为1984年、2005年和2008年。 （4）采用SWAT-CUP（2012版）软件内置的SUFI-2算法进行参数率定，沿金沙江流域上游至出口处依次选用石鼓水文站、攀枝花水文站和屏山水文站1973-1997年的日、月尺度径流数据分别进行模拟，得出结论：3个水文站对月尺度的模拟要优于日尺度的模拟效果。其中月时间尺度下，1973-1987年径流数据用于模型率定，1988-1997年径流数据用于模型验证，模型预热期为1970-1972年。校准期和验证期的评价结果如下所示，校准期：石鼓水文站R2=0.84，Ens=0.65；攀枝花水文站R2=0.89，Ens=0.85；屏山水文站R2=0.93，Ens=0.92；验证期：石鼓水文站R2=0.85，Ens=0.64；攀枝花水文站R2=0.86，Ens=0.82；屏山水文站R2=0.92，Ens=0.90。两个参数的精度均满足模型模拟要求，说明SWAT模型适用于金沙江流域。 （5）应用率定好的SWAT模型，假定降水、气温和太阳辐射变化交叉组合共100种气候情景（包含基础情景），分析流域未来径流、实际蒸散发量和土壤含水量的变化趋势及其对扰动因子的响应规律。结果表明：径流量、实际蒸散发量和土壤含水量三者对降水量变化的敏感性均高于气温和太阳辐射，径流量与降水量呈正相关、与气温和太阳辐射量呈负相关，以屏山站为例，当温度T和太阳辐射Rs保持和基准期一致，降水量P减少10%时，年均径流量减少538.11m3/s(21.16%)；实际蒸散发量与降水量、气温和太阳辐射量均呈正相关，当温度T和太阳辐射Rs保持和基准期一致，降水量P增加10%时，流域年平均实际蒸散发量增加1.62mm(4.37%)；土壤含水量与降水量呈正相关、与气温和太阳辐射量呈负相关，当温度T和太阳辐射Rs保持和基准期一致，降水量P减少10%时，流域年平均土壤含水量减少15.22mm(16.34%)。在现阶段金沙江已建水利工程数目、流域水资源利用方式和流域下垫面状况稳定的基础上，未来降水的改变是影响流域径流量、实际蒸散发量和土壤含水量变化的主要因素。 （6）选取100种气候情景中的极端气候情景S16、S20、S96、S100，与基准期各子流域的年平均径流、实际蒸散发量和土壤含水量对比作定性及定量分析，结果表明：各子流域的土壤含水量和径流对上述极端气候情景最为敏感，变化比例较大，实际蒸散发量的变化程度稍弱。4种不同极端气候变化情景下流域各子流域的年平均流量、实际蒸散发量和土壤含水量的整体空间分布趋势与基准期基本保持一致。

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