氣候變化條件下洪澤湖以上流域水資源演變趨勢

通信作者:薛聯(lián)青 教授。E-mail:lqxue@hhu.edu.cn

氣候變化條件下洪澤湖以上流域水資源演變趨勢

王苓如1,薛聯(lián)青1,2,王思琪1,張榮3

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室,江蘇 南京210098;

2.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆 石河子832003; 3.泰安市水文局,山東 泰安271000)

摘要：基于IPCC對全球和中國的氣候變化趨勢,利用1990—2011年氣象資料,采用增量情景設(shè)置方法,分析氣候變化情景下洪澤湖以上流域水資源的演變趨勢。結(jié)果表明:該流域水資源量對降雨變化有較強(qiáng)的敏感性,實(shí)際蒸散發(fā)對溫度變化的敏感性較強(qiáng)。與基準(zhǔn)期相比,在氣溫同等條件、降水增加情景下,流域水資源量呈增加趨勢;在降水同等條件、氣溫升高情景下,流域的實(shí)際蒸發(fā)會增加,導(dǎo)致水資源量呈減少的趨勢。徑流年內(nèi)分配受降水變化影響較大;隨著降水增加,徑流年內(nèi)分配更集中,加大年內(nèi)徑流分配差異,可能加大流域湖泊調(diào)蓄壓力。

關(guān)鍵詞：氣候變化;水資源演變;SWAT模型;洪澤湖以上流域

基金項目:國家自然科學(xué)基金(41371052, U1203282);江蘇省“青藍(lán)工程”及兵團(tuán)創(chuàng)新團(tuán)隊項目

作者簡介:王苓如(1989—),女,碩士研究生,研究方向為水環(huán)境保護(hù)及水資源演變。E-mail:wanglingru891228@126.com

中圖分類號：TV211文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：(2014-09-28編輯：徐娟)

Evolutionary tendency of water resources in the basin above Hongze Lake

under the condition of climate change

WANG Lingru1, XUE Lianqing1,2,WANG Siqi1,ZHANG Rong3

(1.CollegeofHydrologyandWaterReseources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;

2.ShiheziUniversit,Shihezi832003,China;

3.Tai'anCityBureauofHydrology,Tai’an271000,China)

Abstract：Climate change has caused re-allocation of water resources in the spatial and temporal pattern, leading to more frequent occurrence of extreme hydrological events. Based on the predictions to global and China climate change by the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), the authors of this paper analyzed the evolutionary tendency of water resources in the basin above Hongze Lake under the condition of climate change by the method of setting incremental scene and using the climatological data of the years of 1990 to 2011. The results show that the catchment runoff was sensitive to precipitation changes; the evaporation was relatively sensitive to temperature changes. Compared with the baseline period, in the scenario of increasing precipitation and the same temperature, the water resources in the basin will be in the tendency of increasing; in the scenario of the same precipitation and temperature rise, the actual evaporation in the basin will increase, causing the tendency of water resources decreasing; the annual distribution of runoff is greatly influenced by the change of precipitation; runoff annual distribution becomes more concentrated with the increase of precipitation, which may result in the increasing the difference of runoff annual distribution, and increasing the regulating pressure of Hongze Lake.

Key words： climate change; evolutionary of water resources; SWAT model; basin above Hongze Lake

氣候變化引起了水文循環(huán)的變化,導(dǎo)致水資源時空分布上的重新分配及水資源總量的改變,引發(fā)了部分流域極端氣候及水文事件頻率和強(qiáng)度的增加,加劇了洪旱災(zāi)害頻發(fā)的風(fēng)險[1-2]。全球氣候變化既影響水文與生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)與生活,甚至影響國家、地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。因此,全球氣候變化對水資源的影響已引起國際普遍關(guān)注[3-4]。水文學(xué)者一般利用氣候模式輸出的氣溫、降水等結(jié)果或是氣候情景作為輸入資料,再通過水文模型來分析流域水資源變化趨勢。有許多學(xué)者運(yùn)用SWAT模型來研究氣候變化的水文效應(yīng):Cruise等[5]研究不同氣候變化條件下,美國東南部現(xiàn)在及未來水資源的變化情況;Stone等[6]結(jié)合密蘇里河流域的歷史數(shù)據(jù),模擬CO2濃度增加兩倍情況下的水文變化;李道峰等[7]探討研究了SWAT模型在黃河河源區(qū)的適用性,假定了5種土地利用變化情景和24種氣候變化組合情景,研究區(qū)域水資源的變化趨勢。

流域內(nèi)未來水資源變化將直接影響洪澤湖的調(diào)蓄功能,是水資源配置與管理運(yùn)行的重要依據(jù)。筆者以洪澤湖以上流域為研究區(qū),假設(shè)其下墊面狀況在水文響應(yīng)預(yù)測期內(nèi)保持不變;根據(jù)IPCC(the Intergovernmental Panel on Climate Change)第4次報告(the fourth assessment report,AR4),全球大氣二氧化碳的含量增加1倍,氣溫增幅為1～4℃,降水變幅為20%,設(shè)置不同氣候變化情景[8-9];運(yùn)用SWAT(soil and water assessment tool)分布式水文模型模擬分析該流域水資源演變情況。

1氣候、水文變化概況

淮河流域位于東經(jīng)112°～121°,北緯31°～36°,處于北亞熱帶向暖溫帶過渡區(qū),屬大陸性季風(fēng)氣候?；春痈闪髦梁闈珊娱l(中渡)出口為洪澤湖以上流域,匯水面積為15.8萬km2?；春痈闪鳛楹闈珊牒康闹饕獊碓?約占87%。流域內(nèi)降水時空分布不均,極易產(chǎn)生水旱災(zāi)害。洪澤湖以上流域年平均氣溫在11~16℃,大部分地區(qū)氣溫呈上升趨勢;年降水量總體呈上升趨勢,增速緩慢,四季降水有增有減,春季和秋季降水量減少,而夏季和冬季降水量增加。1969—2011年流域徑流經(jīng)M-K檢驗表明:該流域徑流總體呈顯著減少趨勢;年內(nèi)徑流在春夏季節(jié)減少明顯,在秋冬季節(jié)略呈上升趨勢。

淮河流域多年平均地表水資源量595億m3。近幾十年來,人均地表水資源量發(fā)生銳減,因缺水造成的農(nóng)業(yè)旱災(zāi)日益嚴(yán)重。加之水資源時空分配極為不均,導(dǎo)致水資源短缺問題更加突出[10-11]。洪澤湖當(dāng)?shù)睾^(qū)徑流逐漸減少,區(qū)域降水和淮河干流水資源時空分配不均,導(dǎo)致湖區(qū)地表徑流年際、年內(nèi)分配不均,給洪澤湖調(diào)蓄帶來較大壓力[12]。

2資料與方法

2.1資料說明

以洪澤湖以上流域為研究區(qū),基于數(shù)字高程(圖1)、土地利用(圖2)和土壤類型(圖3)建立SWAT模型,輸入19個氣象站點(diǎn)(圖4)1990—2011年氣象數(shù)據(jù)資料,模擬流域基準(zhǔn)期的逐月徑流,采用淮河干流控制站蚌埠水文站1990—2011年天然徑流量進(jìn)行率定和驗證。在率定最佳月徑流模擬結(jié)果參數(shù)的基礎(chǔ)上,分析25種氣候變化組合情景下流域水資源演變趨勢。

圖1　洪澤湖以上流域DEM

圖2　研究區(qū)土地利用分布

圖3　研究區(qū)土壤分布

圖4　研究區(qū)水文氣象站點(diǎn)分布

其中研究區(qū)土地利用圖參照SWAT模型中美國土地利用參數(shù)庫,將其重分類分為10類(詳見GB_T2010—2007《土地利用現(xiàn)狀分類》);將土壤分布圖按照模型要求及數(shù)據(jù)說明整理(詳見世界土壤數(shù)據(jù)庫中國土壤數(shù)據(jù)集),建立SWAT模型土壤數(shù)據(jù)庫。

由于模型中天氣發(fā)生器為月尺度,為了便于進(jìn)行氣候變化情景模擬,筆者將日降水?dāng)?shù)據(jù)、最高和最低氣溫數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)以及輻射數(shù)據(jù)通過EGNmaker 4.1軟件進(jìn)行時間上的降尺度處理,得到月降水?dāng)?shù)據(jù)及相關(guān)氣象參數(shù)。

2.2水文要素敏感性定義

水文要素敏感性分析是在定量研究氣候變化情景下(如降水變化0,±10%,±20%;氣溫變化0℃,+1℃,+2℃,+3℃,+4℃),通過水文要素的變化率來表征不同氣候情景相對于基準(zhǔn)期氣候情景(即ΔT=0,ΔP=0) 的水資源變化趨勢。其中水文要素的變化率采用式(1)計算:

(1)

氣候變化幅度相同的情況下,水文要素的變化率越大表明其敏感性越強(qiáng)。敏感性可以揭示流域不同水文要素對氣候相應(yīng)的機(jī)理和差異。

3SWAT模型的適用性

3.1模型概述

SWAT模型在流域水系基礎(chǔ)上根據(jù)閾值劃分出子流域,在各個子流域內(nèi)運(yùn)用傳統(tǒng)概念模型推求凈雨、計算匯流,得出各子流域出口斷面徑流。該模型主要用于水文方面的模擬,具有很強(qiáng)的物理基礎(chǔ),適用于多土地利用和土壤類型的大型流域。至今,SWAT模型被廣泛應(yīng)用于模擬流域水文過程對氣候變化、下墊面條件變化的響應(yīng),評價人類活動對流域生態(tài)環(huán)境的影響,為流域水資源的規(guī)劃管理提供依據(jù)[13]。

3.2模型模擬方法的選擇

在模型模擬時選擇“日降雨數(shù)據(jù)SCS徑流曲線數(shù)方法以日為時間單位”方法進(jìn)行徑流演算。選擇“Priestly-Taylor”方法計算流域的潛在蒸發(fā)量,相關(guān)研究表明該方法適用于濕潤地區(qū)的潛在蒸發(fā)量計算[14]。降雨量分布模擬方法選擇偏正態(tài)分布,河道演算采用馬斯京根法。模型輸出選擇月時間尺度,選取相關(guān)指標(biāo)對參數(shù)率定進(jìn)行評價。

3.3模型參數(shù)的率定

本次采用SWAT-CUP 2012軟件中SUFI-2優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)率定。SWAT模型中的參數(shù)眾多,由于本文側(cè)重流域的徑流模擬,故參數(shù)選擇主要是徑流參數(shù)。在參數(shù)率定時遵循“從上游至下游;先調(diào)整水量平衡,再調(diào)整徑流過程;先調(diào)整徑流,后調(diào)整蒸發(fā)”的原則。由于沒有流域?qū)崪y蒸散發(fā)資料,故本次研究中僅進(jìn)行徑流校準(zhǔn)?？紤]到模型中參數(shù)數(shù)量較多且模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜,故本次參數(shù)率定將手動優(yōu)化與自動優(yōu)化相結(jié)合,根據(jù)流域參數(shù)敏感性,來率定和驗證模型。

3.4模擬結(jié)果評價

本文選用決定系數(shù)R2、Nash效率系數(shù)NNS和相對誤差r這3個指標(biāo)來評價該模型在洪澤湖以上流域的適用性。

(3)

(4)

(5)

運(yùn)用淮河控制站—蚌埠(吳家渡)水文站1990—2003年月徑流資料進(jìn)行模型參數(shù)率定,2004—2011年月徑流資料用來模型檢驗(表1，圖5)。結(jié)果表明:分布式水文模型SWAT在洪澤湖以上游流域適用于徑流模擬,為探討氣候變化對流域水資源影響奠定了基礎(chǔ)。

表1　1990—2011年模擬驗證期月徑流評價

圖5　1990—2011年模擬驗證期月徑流模擬值與實(shí)測值比較

4研究區(qū)水資源對未來氣候變化的響應(yīng)分析

根據(jù)IPCC提出的氣候變化預(yù)測結(jié)果和研究區(qū)可能出現(xiàn)的氣候變化條件,假定25 種氣候變化組合情景(表2),即在研究區(qū)22年平均日氣溫和降水的基礎(chǔ)上,將溫度增加0℃、1℃、2℃、3℃、4℃和降水變化0、±10%、±20%進(jìn)行兩兩組合。假定在水文響應(yīng)期內(nèi)下墊面條件不變,分別對25種氣候變化情景進(jìn)行月徑流模擬,得到每種情景下的月平均徑流量。

表2　氣候變化情景類型

經(jīng)計算得到每種氣候情景下研究區(qū)年水資源量和蒸發(fā)量相對于基準(zhǔn)期模擬值的變化率(表3、表4),其中蚌埠站變化率表示淮河干流水資源變化,三河閘(中渡)變化率表示研究區(qū)水資源整體變化。

表3　不同氣候變化情景下水資源變化率

a. 不同氣候變化情景下研究區(qū)水資源量變化差異明顯。水資源量減少最多的氣候情景是降水減少20%、氣溫增加4℃的情景方案(S21);增加最多的氣候情景是降水增加20%、氣溫不變的情景方案(S5)。

b. 不同氣候變化情景下研究區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)變化沒有水資源量變化明顯。實(shí)際蒸散發(fā)對氣溫變化的敏感性強(qiáng),其減少最多的氣候情景是氣溫不變、降水減少20%的情景方案(S1);增加最多的氣候情景是氣溫增加4℃、降水增加20%的情景方案(S25)。

c. 降水增加或氣溫降低都會導(dǎo)致研究區(qū)水資源量的增加。流域水資源量變化與降水變化呈正相關(guān),與氣溫變化呈負(fù)相關(guān);其對降雨變化的敏感性強(qiáng),對氣溫變化的敏感性相對較弱。說明洪澤湖以上流域未來徑流變化主要受到降水的影響,受氣溫影響相對較小。

d. 淮河干流水資源對氣候變化響應(yīng)的敏感性強(qiáng)于流域水資源。即在同一氣候變化情景下,洪澤湖來水量的增加或減少程度比下泄水量的增加或減少程度要大。在氣候變化較大的情景(如S4或S22)下,可能會導(dǎo)致洪澤湖發(fā)生洪澇或干旱事件,需要提前做好防護(hù)措施。

表4　不同氣候變化情景下研究區(qū)實(shí)際蒸散發(fā)變化率

降水、氣溫的變化除了導(dǎo)致流域年際徑流的變化,也將將影響其年內(nèi)徑流分布。由圖6可知:

圖6　氣溫不變、降水變化情景下研究區(qū)徑流年內(nèi)分布

a. 在相同氣溫、降水變化情景下,隨著降水增加,年內(nèi)各月徑流與降水變化趨勢一致,但月增幅各不相同,在秋季增加最多。流域徑流在夏季隨著降水增加,變幅十分明顯:在1-6月除降水增加20%情況下變化明顯外,其余降水變化情景下變化趨勢一致。

b. 在相同氣溫、降水變化情景下,淮河干流徑流受降水變化影響比流域出口徑流變化大;淮河干流徑流在夏秋兩季增加明顯;研究區(qū)出口徑流只在降水增加20%的氣候變化情景下增幅明顯。在氣溫相同,降水變化情景下,降水增加會導(dǎo)致流域徑流分配更集中,年內(nèi)各月徑流分配差異加大;洪澤湖在夏秋兩季來水量可能增加明顯,下泄量變化較小,加大了洪澤湖調(diào)蓄壓力。

圖7　降水不變、氣溫變化情景下研究區(qū)徑流年內(nèi)分布

由圖7可知：

a. 在降水相同、氣溫變化情景下,隨著溫度升高,各月徑流均呈減小趨勢;其中在氣溫增加2℃的情景下,流域徑流在秋季減少最多。原因可能是當(dāng)溫度升高超過一定水平時,蒸發(fā)量增大到一定程度后,空氣中水氣含量增加,云層增厚,導(dǎo)致蒸發(fā)能力降低。研究區(qū)在氣溫增加2℃時,實(shí)際蒸發(fā)較大,使得徑流值減小。

b. 氣溫對徑流的影響主要是通過蒸發(fā)體現(xiàn),其對年內(nèi)徑流分配的影響程度小于降水變化。其中冬季徑流減少程度最小,造成該現(xiàn)象的原因很復(fù)雜,可能是由于在降水相同條件下,氣溫上升導(dǎo)致蒸發(fā)隨著溫度升高而增加,造成徑流減少。

4總結(jié)與討論

a. 運(yùn)用SWAT模型模擬洪澤湖以上流域月徑流過程,模擬精度達(dá)到了評價標(biāo)準(zhǔn),表明該模型適用于洪澤湖以上流域徑流模擬,為分析未來氣候變化下淮河流域流域水資源演變規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

b. 不同氣候組合情景下,流域徑流變化比實(shí)際蒸散發(fā)變化明顯。降水對徑流的影響要明顯大于溫度對徑流的影響。溫度對流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的影響大于降水變化對流域蒸散發(fā)的影響。隨著降水條件的變化,流域?qū)嶋H蒸散發(fā)變化差異較大,其中降水變化±20%時對蒸散發(fā)影響最大。

c. 由于沒有流域的月蒸散發(fā)實(shí)測資料,故在模型模擬研究中沒有用實(shí)測月蒸散發(fā)數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)和驗證。希望在下一步的研究中可以對此作出改善。

d. 降水相同、氣溫變化情景下，流域徑流年內(nèi)分布在氣溫增加2℃時減小明顯,具體原因還有待進(jìn)一步驗證。

e. 運(yùn)用SWAT模型模擬未來氣候變化下流域月徑流時,沒有考慮未來下墊面變化可能對流域水資源的影響,使氣候情景模擬的預(yù)測結(jié)果具有一定的不確定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄧慧平,吳正方,唐來華.氣候變化對水文和水資源影響研究綜述[J].地理學(xué)報,1996,51(增刊):161-170.(DENG Huiping,WU Zhengfang,TANG Laihua.A review of the studies of the impacts of climate change on hydrology and water resources[J].Journal of Acta Geographica Sinica,1996,51(sup):161-170.(in Chinese))

[2] 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(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2011,26(1):1-12.(XIA Jun,LIU Chunzhen,REN Guoyu.Opprotunity and challenge of the climate change impact on the water resource of China[J]. Journal of Advances in Earth Science,2011,26(1):1-12.(in Chinese))

[3] 袁飛,謝正輝,任立良,等.氣候變化對海河流域水文特性的影響[J].水利學(xué)報,2005,36(3):274-279.(YUAN Fei,XIE Zhenghui,REN Liliang,et al.Hydrological variation in Haihe River Basin due to climate change[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2005,36(3):274-279.(in Chinese))

[4] 張利平,秦琳琳,胡志芳,等.南水北調(diào)中線工程水源區(qū)水文循環(huán)過程對氣候變化的響應(yīng)[J].水利學(xué)報,2010,41(11):1261-1271.(ZHANG Liping,QIN Linlin,HU Zhifang,et al.Simulated hydrologic respinses to climate change of water source area in the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project[J]. Journal of Hydraulic Engineering,2010,41(11):1261-1271.(in Chinese))

[5] CRUISE J F,LIMAYE A S. Assessment of impacts of climate change on water quality in the southeastern United States [J]. Journal of the American Water Resources Association,1999,35(6):1539-1550.

[6] STONE FELT M C,FONTAME T A,HOTCHKISS R H. Impacts of climate change on Missouri river basin water yield [J]. Journal of the American Water Resources Association,2001,37:1119-1129.

[7] 李道峰,田英,劉昌明.黃河河源區(qū)變化環(huán)境下分布式水文模擬[J].地理學(xué)報,2004,59(4):565-573.(LI Daofeng,TIAN Ying,LIU Changming.Distributed hydrological simulation of the source region of the Yellow River under environment changes[J]. Journal of Acta Geographica Sinica,2004,59(4):565-573.)

[8] IPCC. IPCC forth report of assessment of climate change [R].Cambridge,United Kingdom and New York:Cambridge University Press,2007.

[9] 夏智宏,周月華,許紅梅.基于SWAT模型的漢江流域水資源對氣候變化的響應(yīng)[J]. 長江流域資源與環(huán)境,2010,19(2):158-163.(XIA Zhihong,ZHOU Yuehua,XU Hongmei.Water resources responses to climate changes in Hanjiang River Basin based on SWAT model[J]. Journal of Resources and Environment in the Yangtze Basin,2010,19(2):158-163.(in Chinese))

[10] 費(fèi)永法,張炎齋.淮河流域水資源問題及對策[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2005(1):23-25.(FEI Yongfa,ZHANG Yanzhai.Questions and suggestions on water resouces in Huaihe River Basin[J]. Journal of Water Resources Planning and Design,2005(1):23-25.(in Chinese))

[11] 胡瑞,左其亭,竇明,等. 淮河流域水資源承載力研究[C]//四川大學(xué).第六屆中國水論壇:河流開發(fā)、保護(hù)與水資源可持續(xù)利用.北京:中國水利水電出版社,2008:347-352.

[12] 楚恩國.洪澤湖水資源現(xiàn)狀分析及對策[J].中國水利,2007(23):33-35.(CHU Enguo. Anaysis of present situation of water resources in Hongze Lake and its counter measures[J]. Journal of China Water Resources,2007(23):33-35.(in Chinese))

[13] 肖軍倉,周文斌,羅定貴,等.非點(diǎn)源污染模型-SWAT用戶應(yīng)用指南[M]. 北京:地質(zhì)出版社,2009.

[14] 彭世彰,徐俊增.參考作物蒸發(fā)蒸騰量計算方法的應(yīng)用比較[J].灌溉排水學(xué)報,2004,23(6):5-9.(PENG Shizhang,XU Junzeng. Comparsion of reference crop evapotranspiration computing methods[J]. Journal of Irrigation and Drainage,2004,23(6):5-9.(in Chinese))