气候变化情景模式下大洋河水土流失响应研究

贾玉娟

（辽宁省水文局，沈阳110003）

气候变化情景模式下大洋河水土流失响应研究

贾玉娟

（辽宁省水文局，沈阳110003）

以大洋河沙里寨水文站以上集水区域作为研究流域，基于沙里寨水文站2000—2010年水文数据，运用分布式水文模型SWAT模型定量分析4种气候变化情景模式（大洋河水土流失影响假定气温℃，降水量变化）定量分析不同气候变化情景模式下大洋河水土流失的响应。研究结果表明：SWAT模型在大洋河流域水土流失具有较好的模拟精度，模拟的输沙量相对误差在20%以内，确定性系数达到0.55以上，模型可用来定量分析不同气候模式情景对流域水土流失的影响；在降水量不变情况下，气温升高3℃，流域水土流失减少6.65%，而气温降低3℃，水土流失增加8.86%；在气温不发生变化情况下，降水量减少15%，流域水土流失量减少15.51%；降水量增加15%，流域水土流失量增加17.73%。

气候变化情景模式；水土流失响应；SWAT模型；大洋河

0 引 言

中国是世界上土壤侵蚀最为严重的国家之一，水土流失模拟对于水土流失防治和治理规划至关重要，当前，全球气候变化对水循环的研究一直是国内外学者的研究热点，也取得许多研究成果，但在全球气候变化对水土流失的影响一直研究不多，考虑到水土流失的重要载体为水资源，全球气候变化对水循环的影响，势必造成对水土流失的影响。随着计算机和地理信息技术的快速发展，分布式水文模型和土壤侵蚀模型的耦合为定量分析气候变化对流域水土流失的影响提高了一个有效的分析平台，近几年来，国内外许多学者将分布式水文模型SWAT模型运用到不同流域研究气候变化情景模式对流域生态水文的影响，其中对流域水土流失的影响也进行了相关研究，并取得一定的研究成果，但在大洋河流域的相关研究很少，而大洋河流域因为地貌特点和土壤类型的特点，流域土壤侵蚀较为严重，本文结合分布式水文模型SWAT模型，通过设定4种气候变化情景模式，定量分析不同气候变化情景模式对大洋河水土流失的影响，研究成果对于大洋河流域水土流失防治和治理提供重要的参考价值［1］。

1 研究方法及资料准备

1.1 研究方法

SWAT模型将SCS降雨径流模型和改进的通用土壤侵蚀方程进行耦合，从而分析不同气候模式对流域水土流失的影响，SCS降雨径流模型模拟的流量作为改进的通用土壤侵蚀土壤方程的流量输入，气候变化情景模式主要通过改变流域的水循环过程，从而改变流域的水土流失量［2］。

1.2 研究区域概况

大洋河位于辽宁省东部，河流全长为230.2 km，流域面积为6 554 km2，于东港市黄土坎镇境内注入黄海。流域多年平均径流量为3.1×109m3，沙里寨水文站以上集水面积为4 810 km2，为大洋河的控制站，流域内9个降雨站点，各站点分布情况见图1。

建国初期，流域植被覆盖率下降到50%，流域内已经发生较大面积的土壤侵蚀，水土流失面积达到近100万km2，占据整个流域面积的10%，建国后，流域水土流失情况得到一定程度的改善，但在进入90年代后，水土流失面积达到508万km2，占据流域

面积的56%，为建国初期的4.2倍，根据沙里寨水文站实测输沙资料分析，流域内的水土流失情况有加剧的趋势［3］。

图1 大洋河流域图

1.3 模型输入资料准备

SWAT模型需要输入的空间数据见图2。本次模型需要的数据有DEM数据、土地利用数据、土壤类型数据、水文数据以及气象站点数据，其中本次利用的DEM数据分辨率为90s（见图2（a）），土地利用数据的分辨率为1 km×1 km（见图2（c）），土壤类型数据分辨率为1∶100，0000（见图2（b）），所有的空间数据都运用地理信息软件进行空间尺度的匹配。收集的水文数据为大洋河沙里寨水文站2000－2012年月径流数据，气象数据为岫岩气象站2000－2010年气象要素数据，其中气象要素包括：最高气温、最低气温、日照时数、风速、太阳辐射、相对湿度）。

图2 SWAT模型需要输入的空间数据

2 气候变化情景模式下大洋河水土流失响应分析

2.1 SWAT模型率定和检验

基于沙里寨水文站2000—2010年水文数据，对SWAT模型进行率定和验证。因为SWAT模型将SCS降雨径流模型和改进土壤通用侵蚀方程进行耦合，因此需要对模型水量模拟和水土流失模拟参数同时进行率定和验证，SWAT模型水土流失模拟参数率定和验证结果见表1～表3及图3～图4。

表1 SWAT模型水土流失模拟参数率定结果

表2 SWAT模型径流模拟参数率定结果

表3 SWAT模型水土流失模拟参数率定结果

图3 代表年份径流模拟成果图

图4 代表年份水土流失模拟成果图

从表2中可以看出，SWAT模型在大洋河流域径流模拟具有较高的模拟精度，模型在参数率定期（2000年—2007年）以及模型参数验证期（2008—2010年）模拟的径流深相对误差均＜10%，确定性系数达到0.85以上，满足模型径流模拟精度规范要求。表3为SWAT模型在大洋河流域水土流失模拟成果表，从表中可以看出，SWAT模型在研究流域水土流失模拟具有良好的精度，水土流失模拟的输沙量相对误差不论是在参数率定期或者是参数验证期均＜20%，确定性系数达到0.5以上，满足水土流失模拟的精度规范要求，从图3和图4中可以看出，SWAT在大洋河流域模拟的径流过程和水土流失过程和实测径流过程以及水土流失过程都有较好的吻合度。SWAT模型可以进一步用来分析不同气候模式情景下对大洋河水土流失的影响［4－6］。

2.2 水土流失空间模拟成果

SWAT模型为分布式水沙耦合模型，可模拟流域的整个水土流失分布情况，考虑文章篇幅原因，大洋河流域水土流失空间模拟成果较多，选取2006年作为代表年份呈现大洋河水体流失空间模拟成果，见图5。

图5 代表年份（2006年）研究流域水土流失空间模拟分布图

从图5中可以看出，大洋河流域水土流失空间分布较不均匀，流域土壤侵蚀模数4000～6 000 t／km2·a主要集中在大洋河流域的北部区域，而水土流失较轻的区域，流域土壤侵蚀模数4000～6 000 t／km2·a主要集中在中西部区域，这主要是受流域降水分布不均与的影响，大洋河流域降水较大的区域，土壤侵蚀模式相对较大，流域的水土流失量也相对较多，其次，流域土壤侵蚀还受到土壤类型、土地利用类型及土壤坡度的影响［7］。

2.3 不同气候变化情景模式下水土流失响应分析

基于率定和验证后的分布式水文模型SWAT模型，设定4种气候变化情景模式，定量分析不同气候

情景模式下流域水土流失的响应，4种气候变化情景模式见表4。气温变化情景方案下的径流响应见表5。

表4 4种气温变化情景方案

表5 气温变化情景方案下的径流响应

从表5中可以看出，在气候变化情景I模式下（气温＋3℃，降水不变化），流域的水土流失量减少0.06×108t，水土流失变化率为－6.65%，这主要是因为气温升高，导致流域蒸散发增加，而流域降水量未发生变化，对于水量平衡方程而言，蒸发增加，降水量不变，必然使得流域径流量减少，而水是水土流失运移的主要载体，流域径流量减少，使得流域的水土流失量相应减少。而在气候变化情景II模式下（气温－3℃，降水不变化），气温减低，使得流域整个蒸发量减少，而降雨不发生变化，使得流域径流量增加，径流增加，使得随着径流输移的水土流失量增加，因此，在气候变化情景II模式下，流域的水土流失量增加0.08×108t，水土流失变化率为＋8.86%。而对于气候变化情景III模式（降水量变化＋15%，气温不变化），其模拟的水土流失量相比于未改变气候模式前，水土流失量增加016×108t，水土流失变化率为17.73%，降水量的增加，而气温不变化，致使流域径流量增加以及坡地受到降水滴蚀量增加，造成流域水土流失量增加较为明显［8］。在气候变化情景IV模式（降水量变化－15%，气温不变化），降水量减少，使得流域径流以及流域坡地受到降水滴蚀量减少，势必使得大洋河流域水土流失量减少明显，相比于未改变前，水土流失量减少0.14×108t，水土流失变化率为15.51%。

3 结 论

本文运用SWAT模型定量分析了大洋河流域不同气候变化情景模式下的水土流失响应，研究取得以下结论：

1）SWAT模型在大洋河流域水土流失具有较好的模拟精度，模型在参数率定期和验证期，模拟的输沙量相对误差均＜20%，模拟的确定性系数达到0.5以上，满足水土流失模拟规范要求，可用来模拟分析不同气候变化情景模式对大洋河流域水土流失的影响。

2）在降水量不变的前提下，气温升高3℃和降低3℃，研究流域水土流失率分别为－6.65%和8.86%。

3）在气温不变的前提下，降水量增加15%和减少15%，研究流域水土流失率分别为＋17.73%和－15.51%。

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［8］马国斌.基于GIS的黄土高原小流域土壤侵蚀定量评价研究［D］.南京：南京师范大学，2003.

S157

B

2014－10－31

贾玉娟（1984－），女，辽宁盘锦人，助理工程师。

1007－7596（2015）06－0024－04