将改进的SWAT模型与地球化学约束条件相结合，以评估气候变化对混合喀斯特和非喀斯特流域水文过程及极端事件的影响

《Journal of Hydrology》：Integrating an improved SWAT model and geochemical constraints to assess climate change impacts on hydrological processes and extremes in mixed karst and non-karst basin

　　

布楚杰|牛杰|郝海阳|曹星星|吴攀

摘要

气候变化对水文过程构成了重大挑战，尤其是在混合喀斯特和非喀斯特流域。本研究开发了一个SWAT-Duliujiang模型来模拟Duliujiang河流域的水文过程，该模型整合了用于喀斯特子流域的三库模块和地球化学约束条件。三库结构更好地反映了喀斯特含水层的动态，同时模型校准根据地质背景将子流域分为四组，并通过区域地球化学特征来约束输出，以确保模拟结果的真实性。该研究利用经过偏差校正的第六次国际耦合模型比较计划（CMIP6）多模型集合数据，在四种共享社会经济路径（SSP）情景（SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5）下，预测了近期（2015–2040年）、中期（2041–2070年）和长期（2071–2100年）的水文响应。结果表明，SWAT-Duliujiang模型显著提高了水文模拟的准确性，而地球化学约束的有效应用避免了与实际条件不符的输出结果。在所有情景下，径流量和泥沙产量均显著增加，其中泥沙产量的空间异质性比径流量更为明显。与历史时期（2010–2017年）相比，在长期SSP5-8.5情景下，下游地区的水文过程变化最为显著。具体而言，预计长期年径流量将达到43.76立方米/秒，年泥沙产量将达到1579.35×10^3吨/月，分别是历史时期的1.09倍和7.8倍。与近期相比，未来年最大月径流量（AMMS）预计将增加13%–57%。随机森林分析揭示了不同的驱动机制：喀斯特地区的AMMS主要受季节性降水和地下水的影响，而非喀斯特地区则主要受季节性降水的影响。本研究强调了在复杂地质环境中将地球化学约束纳入水文过程模拟的必要性，并强调了在气候变化背景下采取特定区域适应性策略进行水资源管理和缓解水文极端事件的重要性。

引言

气候变化已成为影响全球水文循环的关键因素，导致降水模式、温度分布和蒸散过程的显著变化（IPCC，2021），这对不同地区的水资源供应、分配和水文过程产生了深远影响（Dai等人，2009）。喀斯特含水层广泛分布于全球，覆盖了大约15%的陆地表面（Goldscheider等人，2020），为全球近25%的人口提供淡水（Ford和Williams，2007；Luka? Reberski等人，2022）。在中国西南部，八个省份的碳酸盐岩裸露面积约为51万平方公里，占中国总面积的5.8%（Jiang等人，2014）。然而，由于该地区复杂的地质结构和显著的地下异质性，其水文过程具有高度特殊性。裂缝、天坑和优先流动路径等特征显著增强了地下水补给和流速（Fulton等人，2005；Hartmann等人，2015）。因此，开发能够准确描述喀斯特地区地表-地下相互作用的水文模型对于理解区域水文响应和有效管理水资源至关重要（?all?等人，2025；Jourde等人，2007）。水文过程主要包括径流量和泥沙产量，其中河流径流的变化直接影响农业发展和生活用水（He等人，2023；Mikaeili和Shourian，2023）。与泥沙输送相关的水蚀不仅降低了土地生产力和储水能力，对粮食安全构成威胁，还造成了严重的生态破坏和经济损失，最终危及人类生存和发展（Dos Santos等人，2023；Marcinkowski等人，2022）。因此，对喀斯特地区水文过程动态的全面研究对于优化土壤和水资源管理至关重要。

土壤和水资源评估工具（SWAT）是一种广泛使用的分布式水文模型，以其适应性和可修改的源代码而闻名，适用于各种环境，包括喀斯特流域。为了更好地反映多种喀斯特介质（如表层喀斯特、通道流和裂缝流）对水文过程的影响，研究人员对SWAT模型进行了多项改进。一些研究专注于更准确地模拟喀斯特特征，如泉水（Baffaut和Benson，2009；Nikolaidis等人，2013），而其他研究则将SWAT与喀斯特水库模型结合，从单库模型发展到双库和三库模型框架，以增强对喀斯特地区水文过程的描述（Arnold等人，1998；Nikolaidis等人，2013；Wang等人，2019）。然而，对于同时包含喀斯特和非喀斯特地形的流域，情况可能更为复杂，可能需要区域化的校准和验证，因为不同区域的校准参数存在显著差异（Liang等人，2020）。现有研究已将这种区域化校准作为SWAT模型在复杂地貌条件下的软约束（Sánchez-Gómez等人，2022）。值得注意的是，对于已经进行过水文地质调查的流域，除了使用地质-地貌特征作为软约束外，还需要进一步评估SWAT模型输出是否正确反映了水文特征。

在气候变化的影响下，流域降水量-径流量的特征发生了显著变化，导致径流过程更加复杂，模型预测的不确定性也大大增加（Deser等人，2012；Nerantzaki等人，2020）。喀斯特地区的生态系统非常脆弱，容易受到外部干扰。全球气温上升和随之而来的气候变化已经显著改变了水文循环（Ahiablame等人，2017）。先前的研究已经探讨了气候变化下喀斯特地区的水文响应及其对农业和生态可持续性的影响（Nerantzaki等人，2020；Karki等人，2023）。结果表明，气候变化显著影响了喀斯特水文过程及相关系统，突显了深入研究这些地区对气候变化响应机制的紧迫性。同时，由于气温上升和降水增强，极端气候事件（如洪水）的频率和强度预计将增加，导致人员伤亡和经济损失。然而，关于具有喀斯特和非喀斯特地区的流域的水文响应（包括径流量和泥沙产量）的研究仍然有限，能够准确模拟极端水文过程的模型也尚未充分发展。这类模型对于灾害预防和缓解至关重要，亟需制定积极措施来保护区域产业和人类福祉（Wang等人，2025）。将多模型气候预测与改进的水文模型相结合，有助于更好地分析未来的洪水异常情况，提高预测未来水文极端事件的准确性，并加深对气候变化对流域水文响应影响的理解（Nolin等人，2023；Wang等人，2023）。最近的研究进一步利用未来年最大月径流量（AMMS）量化了水文极端事件，取得了令人鼓舞的结果（Tran等人，2024）。

总体而言，现有使用SWAT模型模拟具有复杂地貌特征流域水文过程的研究在结合地质和地球化学特征方面仍不够充分。此外，利用水文模型研究气候变化下的极端水文事件仍需进一步探索。为了解决这些问题，本研究进行了以下工作：（1）将SWAT三库模型整合到混合喀斯特-非喀斯特流域的建模框架中，并根据区域特定的地质特征调整了SWAT-CUP中的参数范围。此外，利用地球化学数据推断的水文过程进一步验证和约束了模型输出，从而更准确地反映了研究区域的地球化学特征；（2）结合经过偏差校正的CMIP6多模型集合（MME）预测，模拟不同SSP情景下的未来水文响应，分析了近期（2015–2040年）、中期（2041–2070年）和长期（2071–2100年）的变化；（3）使用四分位数范围（IQR）方法识别每个SSP情景下未来AMMS的异常值，并应用随机森林算法分析影响AMMS变化的关键驱动因素。通过这一分析框架，本研究全面评估了气候变化对混合喀斯特和非喀斯特流域水文指标的影响，并分析了驱动水文极端事件的因素。研究结果旨在为气候变化背景下的流域水资源管理和污染预防提供关键决策支持。

节选

研究区域

Duliujiang河流域位于贵州省东南部（图1(a)），流域总面积约为12,000平方公里。该流域从中游到下游具有平缓的水力梯度和发达的水网（图1(b)）。就土地利用类型而言，流域主要由果园（ORCD）、耕地（AGRL）和森林（FRST）覆盖，表明该地区以农业为基础，生态环境相对稳定（图1(c)）。

Duliujiang河流域的地球化学特征

Piper三线图被广泛用于评估流域尺度的地球化学演变和类型。基于Duliujiang河流域之前的研究，汇总了上游（表S3）、中游（表S4）和下游（表S5）的采样和分析结果，并据此构建了Piper图（图3）。图表显示，在湿润季节和干燥季节，喀斯特组的地球化学类型以Ca–HCO₃型为主，这是典型的特征。

结论

改进后的SWAT-Duliujiang模型通过整合三库模块和地球化学约束，与原始SWAT模型相比，显著提高了径流量和泥沙产量的模拟精度，特别是在喀斯特地区。如果不考虑地球化学约束，SWAT模型中的某些参数组合仍可能通过统计评估。然而，输出中的一些水文过程，如地表径流

CRediT作者贡献声明

布楚杰：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，方法论，数据分析，概念化。牛杰：写作 – 审稿与编辑。郝海阳：写作 – 审稿与编辑。曹星星：写作 – 审稿与编辑，监督。吴攀：写作 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了贵州省科技成果商业化计划（编号[2023] 006）和贵州省科技厅项目（编号GCC [2023] 045）的支持。