北方牧区草原内陆河流域径流演变特征及其驱动因素分析_陈红光.pdf

第40卷第1期2023年1月Vol.40No.1Jan.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.01.05北方牧区草原内陆河流域径流演变特征及其驱动因素分析陈红光1,2,3，孟凡浩1,2,3，萨楚拉1,2,3，罗敏1,2,3，王牧兰1,2,3，刘桂香1,4（1.内蒙古师范大学地理科学学院，内蒙古 呼和浩特010022；2.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，内蒙古 呼和浩特010022；3.内蒙古自治区蒙古高原草原灾害与生态安全重点实验室，内蒙古 呼和浩特010022；4.中国农业科学院草原研究所，内蒙古 呼和浩特010010）摘要：内蒙古乌拉盖河流域是典型的干旱半干旱牧区草原内陆河流域，生态系统极为脆弱，气候变暖和人类活动能直接影响水文变化。本研究采用改进的SWAT水文模型、M-K趋势检验、降水-径流量双累积曲线以及情景分析等方法，系统分析了19812020年乌拉盖河流域径流时空变化特征，并量化流域不同时期、不同河段气候变化和人类活动对径流影响的差异。结果表明：SWAT模型在乌拉盖河流域的适用性良好，率定期及验证期的NSE及R2均在0.62以上，PBLAS小于18.8%。近40 a在流域呈暖干化趋势下，径流量在上、中、下游均呈显著减少趋势，且在2000年发生突变。气候变化和过度放牧、盲目开垦以及水利水库建设等人类活动对流域径流变化的贡献率分别为95.84%和4.16%。人类活动对流域不同河段的贡献率也有差异，由上游到下游的贡献率分别为1.69%、4.36%和5.03%。且在不同时间段内的贡献率也有较大的差异，由1980年的88.26%减少到2020年的25.47%，不同时间段内不同人类活动方式导致径流变化趋势及幅度也有差异。研究结果能为牧区草原内陆河流域水资源的可持续利用及合理调度提供参考依据。关键词：径流；气候变化；人类活动；SWAT模型；乌拉盖河流域近年来，受气候变化及人类活动加剧的双重影响，水资源在时空上重新分配且洪涝、干旱等灾害频发，特别是在干旱、半干旱区草原内陆河流域尤为明显1-2。水资源作为制约草原内陆河流域发展的重要资源3-4，其变化无疑对当地生态系统安全及可持续发展产生重大影响。因此，深入剖析流域水文循环的特点，厘定气候变化和人类活动对径流的影响，能够为最大限度减少环境变化对径流产生的不利影响提供理论依据，对干旱区草原内陆河流域的可持续发展具有重要的现实意义5-6。目前定量区分气候变化和人类活动对径流贡献的方法主要有统计分析法、水量平衡法和水文模型模拟法7。统计分析法依赖于大量的历史实测数据，因此，在缺乏水文资料的地区难以使用。而水量平衡法主要根据水量平衡建立数学模型，通过改变模型中的单个因子来估算各因子的水文效应；因此，该方法无法了解水文循环物理过程3,8。水文模型因其能考虑流域空间异质性且对水文循环物理过程进行刻画而成为目前最佳。如刘柏君9、刘酌希10、Aawar11采用水文模拟途径，定量评估了气候变化和人类活动对不同流域径流变化的影响。然而，目前有关径流演变特征及模拟预测的研究多数集中在世界较大的河流及其支流，很少有学者关注草原内陆河流域，并极少对此类流域从定量的角度进行研究。乌拉盖河流域作为内蒙古最大的内陆河流域，是乌珠穆沁草原的重要组成部分，同时也是内蒙古自治区重要的畜牧业基地12，不仅为该地提供可贵的水资源，而且发挥较大的生态效益，是乌珠穆沁草原的生命线，也是维系草原生产力的重要生态因收稿日期：2022-07-15；修订日期：2022-08-21基金项目：内蒙古师范大学基本科研业务费专项资金（2022JBQN093，2022JBBJ014）；内蒙古自治区自然科学基金项目（2020BS03042，2020BS04009）；国家自然科学基金项目（41861014）作者简介：陈红光（1996-），女，硕士研究生，研究方向为水文资源.E-mail:通讯作者：孟凡浩.E-mail:3950页40卷干旱区研究素13-14。此外，由于气候变化及人类活动的持续影响，流域草原面积不断下降，草原沙化以及盐碱化的程度逐渐加重，对牧区草原生态平衡及经济发展带来了极大的威胁15-16。然而，目前针对乌拉盖河流域径流变化及其主要驱动要素的分析鲜有报道，特别是2000年实施水土保持政策以来流域径流变化特征及其原因尚不清晰。因此，本研究选取乌拉盖河流域为研究区，结合改进的SWAT水文模型17、情景设置18-19及数理统计等方法探讨乌拉盖河流域径流的时空变化规律，定量评估不同时段气候变化和人类活动对流域径流的影响。研究结果能够深化对干旱、半干旱草原内陆河流域生态水文过程及演变规律的认识，为内陆河流域水资源的可持续利用及合理调度提供参考依据。1研究区概况乌拉盖河流域（1162011959E，44024642N）位于乌珠穆沁草原，海拔7961937 m（图1）。乌拉盖河流域面积为3104km2，是内蒙古最大的内流河流域，河道长度为2103km，多年平均径流量为4.17 m3s-1（19812012 年）16，并且在河道下游孕育了乌拉盖湿地20。湿地地下水资源是人畜用水、小型分散的农田种植灌溉用水、城镇用水及部分工矿业用水的主要来源20。乌拉盖河流域属于半湿润、半干旱大陆性气候，年平均降水量由东向西递减，约为 250400 mm，年平均温度约为-0.9 12。流域内的地带性植被主要为典型草原，流域东北部为草甸草原植被，西南部为典型草原，中部为两者过渡地带13。为了分析乌拉盖河流域不同河段的水文情势，将河道分为上游、中游和下游，乌拉盖水库以上为上游，由乌拉盖水库到胡稍庙为中游、胡稍庙到索林淖尔为下游16。2数据来源与研究方法2.1 数据来源为了构建乌拉盖河流域水文模型，采用的基础数据包括数字高程模型（DEM）、土地利用/覆被、土壤数据、气象数据及实测径流数据。DEM数据来源于美国国家航空航天局（http:/www.nasa.gov），空间分辨率为30 m。为了有效揭示地表覆盖变化的影响，如过度放牧造成的草地退化等，土地利用/覆被数据采用二级分类，分别为林地、高覆盖度草地、中覆盖度草地、低覆盖度草地、水域、耕地、建设用地和沙地8类；空间分辨率为1 km，由中国科学院环境图1 乌拉盖河流域水系及站点分布Fig.1 Distribution map of water system and station in the Ulagai River Basin401期陈红光等：北方牧区草原内陆河流域径流演变特征及其驱动因素分析资源与数据中心免费下载（http:/），包括 1980年、1990年、2000年、2010年和 2020年共 5期。土壤数据从世界土壤数据库（http:/ km。气象数据采用中国气象数据网（http:/）提供的 19812020年乌拉盖以及周边锡林浩特市、东乌珠穆沁旗等12个气象站点的逐日降水、最高/最低气温、风速、相对湿度等数据。由于牧区草原为缺资料区域，站点实测数据稀少。因此验证模型时采用实测径流数据、实地采样数据、MODIS积雪数据及蒸散发数据进行多目标率定。实测径流数据由19812003年奴乃庙水文站和20042012年乌拉盖水库入库水文站合成的逐月径流量资料。采样数据为20192020年实测水位、断面等换算成为径流量。积雪数据和蒸散发数据分别选择 20002012 年MODIS的MOD10A1和MOD16A2产品，其时空分辨率均为8 d、500 m。通过美国NASA陆地过程分布式数据档案（https:/lpdaacsvc.cr.usgs.gov/appeears/）免费下载。2.2 SWAT模型及模拟精度评定由美国农业部和农业研究局开发的半分布式（Soil and Water Assessment Tool，SWAT）水文模型能很好的模拟流域水文循环过程并能进一步量化流域水文过程对变化环境的响应21。本研究采用团队自主改进的SWAT模型，包括改进的融雪模块和子流域分割法22-23，通过增加累积温度确定条件来分离降雨和降雪类型以及在流域划分时增加土地利用/覆被变化节点来提高模型模拟精度。为了提高模型的适用性，以水文站实测数据为基础，应用SWAT-CUP软件的SUFI-2算法进行模型参数敏感性和不确定性分析24-25。选取纳什效率系数（NES）、均方根误差（PBLAS）、判定系数（R2）等多个评价指标对模型模拟径流结果进行评价17。此外，以MODIS积雪面积和蒸散发数据对模型模拟的积雪面积和蒸散发量曲线的拟合度进行模拟结果的多源验证，以保证模型的适用性及稳定性。评价指标公式如下：NSE=1-(Qiobs-Qisim)2(Qiobs-Qmean)2（1）PBIAS=(Qiobs-Qisim)Qiobs100（2）R2=n()QiobsQisim-QiobsQisim2n()Qiobs2-()Qiobs2n()Qisim2-()Qisim2（3）式中：Qiobs为实测值（m3s-1）；Qisim为模拟值（m3s-1）；Qmean为实测均值（m3s-1）；n为实测数据量7。2.3 径流突变检验变化环境下，乌拉盖河流域水文要素无疑会受到一定程度的干预和扰动，本研究采用Mann-Kendall突变检验法用于径流突变分析。与此同时，应用降水-径流量双累积曲线作为突变点的辅助检验。Mann-Kendall趋势检验法（简称M-K法）是由Mann和Kendall提出并改进的统计方法，经常用于分析降水、径流和气温等要素的长时间序列变化18。其特点在于对样本数据的分布无要求，受异常值的干扰较小，在水文、气象等数据中适用性良好，且计算简便。当 M-K 检验突变点时，检验变量 S 计算公式如下：Sk=i=1kji-1aij,()k=2,3,4,n（4）aij=1,xixj0,xixj,1ji（5）UBK=-UFKk=n+1-k,()k=1,2,3,n（6）式中：秩序Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计值。通过分析曲线UBK和UFK可以表明径流深的变化趋势又可以明确其发生的突变年份。UFK值的正负代表径流深的增加或减少趋势，UBK和UFK是否越过临界值线则表示变化趋势的显著与否，若UBK和UFK的交点位于临界线内，该交点为突变点5。降水-径流量双累积曲线是检验两个参数间关系一致性及其变化的常用方法。所谓双累积曲线就是在直角坐标系中绘制的同期内一个变量的连续累积值与另一个变量连续累积值的关系线，可用于水文气象要素一致性的检验、缺值的插补或资料校正，以及水文气象要素的趋势性变化及其强度的分析18。本研究以降水和径流深为变量作双累积曲线，将曲线斜率发生明显变化的年份定义为突变年，突变年以前作为基准期，也称人类活动稳定期；突变年以后作为突变期，称人类活动剧烈期。4140卷干旱区研究2.4 区分气候变化与人类活动对径流变化的影响为了解析近40 a气候变化与人类活动对乌拉盖河流域的综合影响，如暖干化趋势及过度放牧造成的草地退化。本研究选取乌拉盖河流域 19812020 年的气象数据以及过去 5 个时期（1980 年、1990年、2000年、2010年和2020年）土地利用/覆被，结合情景设置法模拟不同变化环境下的径流量。共设置11种情景，分别用s1s11表示（表1）。情景1（s1）将基准期的气象数据和土地利用/覆被驱动模型，得到基准期土地利用/覆被和气候条件下的径流模拟值。为保证突变期模拟值和基准期的径流量在物理成因上的一致性，情景2和情景3将保持率定好的模型参数不变，模型分别输入突变期气象数据和土地利用/覆被，模拟得到突变期气候和土地利用/覆被条件下的径流值。为了进一步了解不同时段气候变化和人类活动对径流影响的差异，本研究将乌拉盖河流域过去40 a的气候和土地利用/覆被分为4个时段（19801990年、19902000年、20002010年、20102020年），将其设置为s4s11等8个情景。通过以上11种情景分别计算气候以及土地利用/覆被引起的径流变