氣候變化下石羊河流域上游產(chǎn)流區(qū)的徑流響應(yīng)研究

郭 靜，王 寧，粟曉玲

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 721200)

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氣候變化下石羊河流域上游產(chǎn)流區(qū)的徑流響應(yīng)研究

郭 靜，王 寧，粟曉玲

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 721200)

【目的】 分析西北典型干旱區(qū)石羊河流域上游產(chǎn)流區(qū)徑流對(duì)未來氣候變化的響應(yīng)，為石羊河流域未來水資源的規(guī)劃利用提供參考?！痉椒ā?應(yīng)用可變下滲能力模型(VIC)模擬水文過程，基于模型參數(shù)率定，利用統(tǒng)計(jì)降尺度模型(SDSM)對(duì)全球氣候模式(GCMs)中HadCM3模式下A2、B2情景進(jìn)行降尺度處理，分析A2、B2情景下石羊河流域上游產(chǎn)流區(qū)氣候要素的變化，以預(yù)估的未來氣候情景數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證后VIC模型的輸入，分析未來氣候變化下石羊河流域的水文響應(yīng)?！窘Y(jié)果】 VIC模型的效率系數(shù)在率定期(1990-1994年)和檢驗(yàn)期(1995-1996年)分別為0.769和0.690，相關(guān)系數(shù)分別為0.955和0.894，表明VIC模型能夠較好地描述流域大尺度水文過程；在未來2020s(2010-2039年)和2050s(2040-2069年)，研究區(qū)多年平均最高氣溫在A2情景下分別較現(xiàn)狀升高1.3和2.8 ℃，B2情景下分別較現(xiàn)狀升高1.3和2.5 ℃；在2個(gè)時(shí)期的2種氣候情景下，多年平均最低氣溫均升高0.1 ℃左右；在A2情景下2020s和2050s多年平均降水量分別較現(xiàn)狀減少7.6%和15.2%，B2情景下2個(gè)年代的多年平均降水量分別減少8.7%和13.1%；2020s多年平均徑流量在A2和B2情景下分別較現(xiàn)狀減少2.8%和1.4%，2050s多年平均徑流量在A2和B2情景下分別減少13.2%和8.3%?！窘Y(jié)論】 石羊河流域徑流在未來A2、B2氣候模式下的不同時(shí)期內(nèi)均會(huì)呈減少趨勢(shì)。

石羊河流域；氣候變化；徑流響應(yīng)；VIC水文模型；統(tǒng)計(jì)降尺度模型

由氣候變化引發(fā)的水文循環(huán)過程的改變?cè)诓煌貐^(qū)表現(xiàn)各異，多數(shù)河流的徑流對(duì)大氣降水和氣溫變化非常敏感，水資源系統(tǒng)對(duì)氣候變化的承受能力十分脆弱。氣候變化對(duì)水資源數(shù)量和質(zhì)量的影響使充足供水及水質(zhì)安全問題的解決變得更加困難，特別是在由于徑流減少和人口增長導(dǎo)致用水壓力劇增的地區(qū)。未來全球氣候變化可能直接影響到水資源稀缺地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。以流域水文模型為基礎(chǔ)，結(jié)合大氣環(huán)流模型輸出的氣候變化情景分析氣象要素、徑流量的變化規(guī)律以及氣象要素對(duì)徑流的影響，可以為流域水資源規(guī)劃與管理決策的制定提供一定的參考，為流域氣候、水資源和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展策略制定提供一定的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析依據(jù)[4-8]。氣候變化對(duì)水資源系統(tǒng)的影響研究越加廣泛，以流域水文模型為基礎(chǔ)，結(jié)合大氣環(huán)流模型輸出的氣候變化情景進(jìn)行研究成為發(fā)展趨勢(shì)和方向之一。其中可變下滲容量模型(Variable Infiltration Capacity，VIC)[9]是由華盛頓大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)伯克利分校以及普林斯頓大學(xué)的研究者共同研制的基于空間分布網(wǎng)格化的大尺度分布式水文模型，其網(wǎng)格化特性便于同氣候模式和水資源模型嵌套以評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)水資源的影響。目前該模型主要的應(yīng)用領(lǐng)域有干旱監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、陸面同化研究、氣候變化對(duì)水的影響研究等[10-12]。如Maurer等[13]利用VIC模型研究了美洲中部Rio Lempa流域氣候變化對(duì)水文系統(tǒng)的影響，分析評(píng)估了歷史觀測(cè)和未來情境下水庫入流對(duì)當(dāng)?shù)厮南到y(tǒng)的影響。在國內(nèi)，VIC模型也在全國各個(gè)流域得到了應(yīng)用，如宋星原等[14]在白蓮河流域使用VIC模型進(jìn)行徑流模擬，金君良等[15]將其應(yīng)用于黑河鶯落峽流域。

我國西北內(nèi)陸河流域深居歐亞大陸腹地，氣候干燥，降水稀少，水資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國最干旱的地區(qū)。在氣候變化和人類活動(dòng)雙重影響下，石羊河流域出山徑流總量出現(xiàn)減少趨勢(shì)，下游地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)河道斷流、天然植被大面積退化沙化現(xiàn)象[5,16]。本研究以西北典型干旱區(qū)石羊河流域上游產(chǎn)流區(qū)為對(duì)象，將VIC水文模型應(yīng)用于石羊河流域上游地區(qū)并率定模型參數(shù)和驗(yàn)證模擬效果；選取HadCM3模式中A2、B2作為代表情景，利用統(tǒng)計(jì)降尺度模型(Statistical Downscaling Model，SDSM)對(duì)全球氣候模式(Global Climate Models，GCM)進(jìn)行降尺度處理，分析未來氣候要素包括降水和最高最低氣溫的變化，以預(yù)估的未來氣候情景作為驗(yàn)證后VIC模型的驅(qū)動(dòng)，分析未來變化環(huán)境的石羊河流域的水文響應(yīng)，進(jìn)而為石羊河流域未來水資源的規(guī)劃利用提供參考。

1 研究方法

1.1 VIC模型原理

VIC 模型[9-10]為典型的大尺度分布式陸面水文模型，采用可變下滲能力土壤的空間分布特性表示，主要考慮大氣-植被-土壤間的物理交換過程。模型包括基于溫度指數(shù)的積雪、融雪模型，用于模擬積雪的動(dòng)態(tài)變化特性，考慮了積雪、融雪及土壤凍融等過程，并在每個(gè)計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)考慮了裸土及多種植被覆蓋類型。模型的蒸發(fā)計(jì)算考慮了植被冠層截留、植被和裸土3種蒸發(fā)形式。每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)土層間的水分交換、蒸散發(fā)及產(chǎn)流由不同的植被類型決定，通過每種植被類型的葉面積指數(shù)(LAI) 、植被阻抗和植被根系在上下層土壤中的比例來計(jì)算。在模型中，網(wǎng)格內(nèi)總的蒸散發(fā)通過對(duì)各種地表覆蓋類型上的蒸散發(fā)進(jìn)行面積加權(quán)平均計(jì)算，蒸散發(fā)潛力由Penman-Monteith公式計(jì)算。

1.2 VIC模型標(biāo)度與檢驗(yàn)

模擬效果的檢驗(yàn)使用效率系數(shù)Ce、相關(guān)系數(shù)r和相對(duì)誤差Er3個(gè)指標(biāo)。Ce和r反映模型模擬值與觀測(cè)值之間的吻合程度，其值越接近1，過程擬合越好，模擬精度越高；Er反映總量模擬的精度，用于評(píng)價(jià)平均觀測(cè)值與平均模擬值之間的偏離程度，其值越小，模擬精度越好。

1.3 SDSM降尺度模擬未來氣候變化情景

采用SDSM對(duì)氣象要素進(jìn)行降尺度處理并生成未來不同情景下的氣候要素，采用反距離權(quán)重插值法(Inverse Distance Weighting，IDW)對(duì)氣象要素進(jìn)行空間插值。SDSM是解決空間尺度不匹配問題的有效工具，它使氣候變化響應(yīng)研究能在區(qū)域尺度上展開[17-18]。其研究步驟為：首先，建立區(qū)域或站點(diǎn)尺度預(yù)報(bào)量(站點(diǎn)氣候要素時(shí)間序列)與大尺度預(yù)報(bào)因子(大氣環(huán)流因子，NCEP再分析資料)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。第二，經(jīng)過檢驗(yàn)之后，運(yùn)用這種統(tǒng)計(jì)關(guān)系，將GCM輸出的未來氣候情景(HadCM3在A2和B2情景下的大氣變量)降尺度到區(qū)域的古浪、山丹、烏鞘嶺、武威、永昌、門源各氣象站點(diǎn)，生成各站點(diǎn)未來氣候變量(包括氣溫和降水)序列。本研究使用SDSM建立石羊河上游及周邊地區(qū)6個(gè)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的氣溫和降水量的預(yù)報(bào)方程，以1961-1990年為率定期，以1991-2000年為驗(yàn)證期，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷哪M效果，并模擬生成各站點(diǎn)未來2020s(2010-2039年)和2050s(2040-2069年)2個(gè)時(shí)期的氣溫、降水情景，分析未來的氣候變化趨勢(shì)。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

石羊河流域[5]地處甘肅省河西走廊東部，總面積4.16萬km2，流域水系集水面積大于300 km2的河流有8條，從西到東依次為西大河、東大河、西營河、金塔河、黃羊河、雜木河、古浪河和大靖河(圖1)。8大河流發(fā)源于祁連山區(qū)，從山區(qū)流出后，進(jìn)入流域南盆地即武威、永昌盆地，河水大部分被農(nóng)業(yè)灌溉引用，其入滲補(bǔ)給所形成的出露泉水及河道洪水匯入石羊河，向北流入紅崖山水庫。本研究區(qū)為石羊河流域南部祁連山區(qū)，該區(qū)氣溫低，蒸發(fā)量少，降水較多，有利于地表徑流的形成，是石羊河流域的產(chǎn)流區(qū)，產(chǎn)流面積為1.1萬km2。河流補(bǔ)給來源主要為大氣降水, 冰川積雪融水占3.6%[5]。該區(qū)多年平均徑流量14.54億m3，多年平均氣溫4.9 ℃，多年平均降水量491.62 mm，多年平均潛在蒸發(fā)量831.5 mm。

圖 1 石羊河流域8大河流產(chǎn)流區(qū)示意圖

2.2 模型輸入數(shù)據(jù)

2.2.1 氣象數(shù)據(jù) 驅(qū)動(dòng)VIC模型的氣象輸入數(shù)據(jù)主要有日降水量、日最高氣溫和日最低氣溫。數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://www.nmic.gov.cn/web/index.htm)，為石羊河上游及周邊地區(qū)的古浪、山丹、烏鞘嶺、武威、永昌和門源共6個(gè)氣象站1961-2000年的日觀測(cè)資料?？紤]高程對(duì)氣溫的影響，按高程每增加100 m氣溫約下降0.65 ℃，采用反距離加權(quán)平均法將氣象站點(diǎn)的氣溫輸入數(shù)據(jù)插值到流域網(wǎng)格上，再對(duì)網(wǎng)格內(nèi)同一高度場(chǎng)上的氣溫進(jìn)行插值計(jì)算[19]。

2.2.2 土壤數(shù)據(jù) 采用世界糧農(nóng)組織(FAO)提供的1∶100萬土壤數(shù)據(jù)(HWSD，http://www.fao.org/nr/land/soils/harmonized-world-soil-database/)，該數(shù)據(jù)提供了0～30和30～l00 cm土層的土壤理化性質(zhì)，包括土壤中黏粒、沙粒、礫石的含量及有機(jī)碳含量、鹽度等，依據(jù)FAO90土壤分類標(biāo)準(zhǔn)，該地區(qū)的土壤類型分布如圖2所示。

GRh.普通灰色森林土Haplic greyzems；CHl.淋溶黑鈣土Luvic chernozems；PHg.潛育森林草原土Gleyic phaeozems；CHh.普通黑鈣土Haplic chernozems；CHk.石灰性黑鈣土Calcic chernozems ；KSl.淋溶栗鈣土Luvic kastanozems；KSh.普通栗鈣土Haplic kastanozems；KSk.石灰性栗鈣土Calcic kastanozems；CLh.普通鈣積土Haplic calcisols；HSs.堆墊有機(jī)土Terric histosols；HSf.纖維有機(jī)土Fibric histosols；LPi.冰凍淺層土Gelic leptosols；CMi.冰凍始成土Gelic cambisols；LPm.松軟淺層土Mollic leptosols； LPe.飽和淺層土Eutric leptosols

圖 2 石羊河流域上游8大河流產(chǎn)流區(qū)的土壤類型圖

Fig.2 Soil classification in upstream of Shiyang River basin

2.2.3 土地利用數(shù)據(jù) 土地利用類型數(shù)據(jù)是基于Maryland大學(xué)提供的全球1 km分辨率的土地覆蓋圖，該數(shù)據(jù)來自AVHRR衛(wèi)星獲得的1981-1994年影像(http://glcf.umd.edu/data/landcover/data.shtml)，共分為14種土地覆蓋類型，包括11種植被覆蓋類型以及水域、裸地和城市用地。本研究區(qū)土地利用類型主要有常綠針葉林、灌叢、林地、草原、林地草原、耕地、密灌叢及裸地8種，以上8種類型占研究區(qū)面積的比例分別為0.1%，18.6%，10.4%，35.6%，21.4%，2.6%，1.8%和9.5%，產(chǎn)流區(qū)1981-1994年平均土地利用類型圖如圖3所示。

圖 3 石羊河流域上游8大河流產(chǎn)流區(qū)1981-1994年平均土地利用類型圖

Fig.3 Land use classification in upstream of Shiyang River basin between 1981 and 1994

2.2.4 徑流數(shù)據(jù) 實(shí)測(cè)徑流量包括石羊河流域8條大河流、11條小溝小河徑流量及淺山區(qū)徑流量之和，同時(shí)根據(jù)調(diào)研所得上游人類活動(dòng)用水量對(duì)徑流進(jìn)行了還原。采用1990-1994年的月徑流實(shí)測(cè)資料進(jìn)行模型參數(shù)率定，用1995-1996年的資料作為模型的檢驗(yàn)期。該徑流資料來源于甘肅省水文水資源勘測(cè)局，并已經(jīng)過三性審查，因而可直接用于計(jì)算分析。

3 石羊河流域氣候及水資源變化預(yù)測(cè)

3.1 模型參數(shù)率定

VIC模型的水文參數(shù)率定結(jié)果如表1所示，徑流模擬結(jié)果如圖4所示，表2和圖5給出了VIC模型在率定期和檢驗(yàn)期內(nèi)的模擬精度評(píng)價(jià)結(jié)果。

表 1 石羊河流域上游VIC模型參數(shù)率定的結(jié)果

圖 4 VIC模型在石羊河流域上游的徑流模擬結(jié)果(1990-1996年)

精度指標(biāo)Accuracyindex率定期(1990-1994年)Calibrationperiod(1990-1994)驗(yàn)證期(1995-1996年)Validationperiod(1995-1996)全序列(1990-1996年)Wholeperiod(1990-1996)效率系數(shù)(Ce)Efficiencycoefficient0．7690．6900．749相對(duì)誤差(Er)Relativeerror0．3200．2180．291相關(guān)系數(shù)(r)Correlationcoefficient0．9550．8940．940

從模擬結(jié)果(圖4)可以看出，VIC模型在石羊河流域上游的徑流模擬效果較好，基本上反映了月徑流的變化趨勢(shì)，洪峰出現(xiàn)頻率較吻合。模型的效率系數(shù)在率定期和檢驗(yàn)期分別為0.769和0.690，相關(guān)系數(shù)分別為0.955和0.894，這表明模型能夠較好地描述研究區(qū)的水文過程(表2)。

圖 5 率定期(1990-1994)(A)和檢驗(yàn)期(1995-1996)(B)石羊河流域上游徑流量模擬值與實(shí)測(cè)值關(guān)系擬合結(jié)果

3.2 未來氣候預(yù)測(cè)

采用SDSM模型進(jìn)行降尺度后生成各站點(diǎn)未來2020s和2050s兩個(gè)時(shí)期的氣溫和降水結(jié)果(表3)。由表3可知，2020s和2050s兩個(gè)時(shí)期在A2、B2兩種情景下，除山丹和永昌站的最低氣溫外，其余各站的最低和最高氣溫都高于現(xiàn)狀年。除2020s山丹站外，其余各站降水量都呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，以烏鞘嶺、武威和門源站下降最為顯著。從2020s到2050s，氣溫和降水要素變幅都呈增大趨勢(shì)。

表 3 石羊河流域上游地區(qū)各氣象站點(diǎn)未來氣溫、降水的變化量

3.3 未來徑流響應(yīng)

將上述未來情景下的氣溫與降水模擬結(jié)果作為VIC模型的氣象驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行模型得到未來A2和B2氣候情景下石羊河流域上游地區(qū)的徑流變化(圖6)，通過與當(dāng)前的實(shí)際徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。從表4可以看出，在A2情景下， 2020s和2050s石羊河流域多年平均最高氣溫分別比現(xiàn)狀升高1.3和2.8 ℃，B2情景下兩個(gè)年代分別比現(xiàn)狀升高1.3和2.5 ℃；多年平均最低氣溫的變化量不明顯，都只升高0.1 ℃左右；從多年平均降水量來看，在A2情景下2020s和2050s分別比現(xiàn)狀減少7.6%和15.2%，B2情景下兩個(gè)年代分別減少8.7%和13.1%；徑流的變化總體為減少，且與降水和氣溫一樣在年代間存在差異。2020s的徑流減少量比2050s小得多，而且從圖6中可以看到，在2050年前后幾年間出現(xiàn)了明顯的連續(xù)枯水期，2050s多年平均徑流量在A2和B2情景下分別減少13.2%和8.3%。說明未來氣候變化會(huì)引起石羊河流域徑流的明顯減少。

圖 6 未來(2010-2069年)A2、B2氣候情景下石羊河流域上游地區(qū)徑流量的變化

情景Scenario時(shí)期Period最低氣溫/℃Mintemperature最高氣溫/℃Maxtemperature降水量/%Precipitation徑流量/%StreamflowA22020s0．01．3-7．6-2．82050s0．12．8-15．2-13．2B22020s0．11．3-8．7-1．42050s0．12．5-13．1-8．3

4 討 論

本研究將VIC水文模型應(yīng)用于石羊河流域上游區(qū)，結(jié)果表明VIC模型在該流域有一定的適用性。分析未來氣候情景下徑流的響應(yīng)，可為該流域氣候變化下水資源和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展策略的制定提供一定的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分析依據(jù)。但本研究還存在如下一些問題值得繼續(xù)研究改進(jìn)：

1)VIC模型需要大量的水文氣象參數(shù)資料，由于本文中降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)的來源氣象站點(diǎn)稀少，以及數(shù)據(jù)插值中帶來的誤差，使輸入的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)資料無法良好地反映出研究區(qū)的具體情況，從而導(dǎo)致模擬徑流值的相對(duì)誤差偏大。在未來的研究過程中可進(jìn)一步收集詳細(xì)資料，提高輸入數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性。

2)在VIC模型的參數(shù)率定過程中，許多參數(shù)由相關(guān)算法模型模擬得出，同時(shí)本研究采用手動(dòng)調(diào)參方式，對(duì)結(jié)果有一定的影響。將來可以針對(duì)調(diào)參模塊編寫程序代碼并應(yīng)用一定的參數(shù)優(yōu)選計(jì)算方法，使模型的模擬精度進(jìn)一步提高。

3)未來可考慮最新的氣候模式預(yù)測(cè)未來氣候變化，并結(jié)合水文模型進(jìn)行徑流模擬，分析預(yù)測(cè)未來不同氣候模式情景下的徑流響應(yīng)，以反映氣候變化對(duì)徑流影響的不確定性。

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Response of runoff to climate change in upstream generation area of Shiyang River basin

GUO Jing,WANG Ning,SU Xiaoling

(College of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China)

【Objective】 The response of runoff to future climate change was analyzed in the upstream generation area of Shiyang River basin,which is a typical arid basin in northwest China,to provide information for future planning and utilization of water resources in the basin.【Method】 Variable infiltration capacity (VIC) model was applied to simulate the hydrological cycle in this basin.Based on parameters calibration,projected climate data under A2 and B2 scenarios produced with HadCM3 of global climate models (GCMs) was downscaled using statistical downscaling model (SDSM).Different meteorological elements from A2 and B2 scenarios were analyzed in the upstream generation area of Shiyang River basin,and the projected scenarios were chosen as the input data for verified VIC model to simulate the influence of future climate change on runoff,to analyze the response of runoff to futrue climate change in Shiyang River basin.【Result】 The hydrological cycle in Shiyang River basin was well described by VIC model with efficiency coefficients of 0.769 and 0.690 and correlation coefficients of 0.955 and 0.894 in calibration and verification periods,respectively.Average maximum temperatures in 2020s and 2050s under A2 scenario were 1.3 and 2.8 ℃ higher than current status,and the temperatures would rise by 1.3 ℃ and 2.5 ℃ in these two periods under B2 scenario.Average minimum temperatures would rise by about 0.1 ℃ in the two periods under either A2 or B2.Precipitation would reduce by 7.6% and 15.2% in the 2020s and 2050s under A2 scenario compared to current status,and reduce by 8.7% and 13.1% under B2 scenario.Runoff would decrease by 2.8% and 1.4% in 2020s under A2 and B2 scenarios and by 13.2% and 8.3% in 2050s under A2 and B2 scenarios,respectively.【Conclusion】 The runoff in Shiyang River basin would reduce in different future periods under A2 and B2 scenarios.

Shiyang River basin;climate change;runoff response;VIC hydrological model;statistical downscaling model

時(shí)間:2016-10-20 16:37

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.12.029

2015-08-18

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279166)；西北農(nóng)林科技大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(QN201168)

郭 靜(1989-)，女，重慶奉節(jié)人，在讀博士，主要從事流域水文模擬及水文分析新技術(shù)研究。 E-mail:zhongforever2oo9@nwsuaf.edu.cn

粟曉玲 (1968-)，女，四川開江人，教授，博士，主要從事水資源規(guī)劃與流域水文模擬研究。 E-mail:xiaolingsu@nwsuaf.edu.cn

S273.29;P333

A

1671-9387(2016)12-0211-08

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