氣候變化對(duì)烏江流域水文水資源的影響

秦年秀,陳 喜,薛顯武,曾春芬

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098;2.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,江蘇 南京 210008;3.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210093)

喀斯特作為一種特殊的地貌單元,在地球上廣泛分布,總面積約為2200萬(wàn)km2,約占世界總土地面積的15%,世界人口17%生活在喀斯特地區(qū)[1].有研究指出,25%世界人口的生活用水完全或大部分來(lái)源于喀斯特地下水[2].我國(guó)喀斯特地貌分布廣、面積大,為91萬(wàn)～132萬(wàn)km2,以廣西、貴州和云南所占的面積最大,是世界上最大的喀斯特地區(qū)之一.我國(guó)西南地區(qū)擁有世界上最典型的熱帶到亞熱帶喀斯特景觀[1],其中又以貴州省最為突出,是東亞喀斯特帶的中心,也是世界上喀斯特面積最大、發(fā)育最復(fù)雜的一個(gè)省區(qū),全省73%以上土地面積均為喀斯特地貌單元[3].喀斯特地區(qū)巖石破碎嚴(yán)重,巖溶裂隙發(fā)育,具有地表地下雙層結(jié)構(gòu),土壤淺薄且不連續(xù),土壤蓄水能力差且滲透性強(qiáng).盡管西南喀斯特地區(qū)降水豐富,但由于特殊的地質(zhì)背景和環(huán)境特征,導(dǎo)致水資源賦存和分布規(guī)律十分復(fù)雜,開發(fā)利用難度大,工程性缺水嚴(yán)重.水資源問(wèn)題已成為制約我國(guó)西南喀斯特地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)展的關(guān)鍵因素.

喀斯特地區(qū)特殊的水文系統(tǒng),以存在地下排水網(wǎng)路為特征,其水文情勢(shì)深受地表水和大氣降水影響,水情存在較大波動(dòng)[1].氣溫和降水的變化,尤其是極端氣候變化對(duì)喀斯特地區(qū)水文情勢(shì)、生態(tài)環(huán)境以及巖溶石漠化有很大的影響.氣候變化必然改變水文循環(huán)及過(guò)程,引起水資源在時(shí)空上的重新分配及數(shù)量上的改變,因此,應(yīng)將氣候變化對(duì)水文水資源的影響納入未來(lái)水資源規(guī)劃及管理當(dāng)中[4-6].

近幾十年來(lái)各國(guó)專家學(xué)者就氣候變化對(duì)水文水資源的影響開展了大量研究工作并取得了一些重要成果[5-12],研究結(jié)果表明,未來(lái)水資源變化存在很大的區(qū)域性,有些地區(qū)未來(lái)水資源呈增加趨勢(shì),有些呈減少趨勢(shì),而有些則變化不大,而且都存在較大季節(jié)差異性.有關(guān)貴州省烏江流域的研究工作也取得很多成果,但目前為止,主要集中在水化學(xué)、物質(zhì)化學(xué)成分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等方面[13-15].本文利用貴州省36個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象站1960—2008年實(shí)測(cè)日降水、日氣溫資料和1956—2000年實(shí)測(cè)月流量資料以及IPCC第4次評(píng)估報(bào)告發(fā)布的24個(gè)GCMs月氣溫和降水資料,采用基于ArcGIS的地理分析模塊建立的氣溫-降水-徑流關(guān)系及雙參數(shù)氣候徑流彈性指數(shù)方法,分析未來(lái)氣候變化對(duì)貴州省思南以上烏江流域水文水資源的影響.

1 研究數(shù)據(jù)與研究方法

選取貴州省境內(nèi)87個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象站中位于烏江流域的36個(gè)站的1960—2008年實(shí)測(cè)日降水、日氣溫資料,以及位于烏江流域各流域段4個(gè)水文站(從上游至下游依次為鴨池河、烏江渡、江界河和思南)1956—2000年實(shí)測(cè)月徑流資料為研究數(shù)據(jù).還選取了 IPCC(AR4)發(fā)布的24個(gè)GCMs中烏江流域的月氣溫和降水資料(分辨率為2.5°×2.5°),這樣烏江流域總共有12個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的資料,資料序列為1961—2100年.圖1為貴州思南以上烏江流域氣溫、降水和徑流的多年平均狀況,可見4月雨季開始后,降水量6月達(dá)一年中最大值,之后減少,到10月雨季結(jié)束,隨著雨季的到來(lái),河流徑流也逐漸增大,7月徑流達(dá)到一年中的最大值,隨著降水的減少,徑流也隨之減少.該區(qū)域雨熱同季,7月為一年中氣溫的最高月份.

氣象因子趨勢(shì)性檢驗(yàn)主要采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法(簡(jiǎn)稱MK法)[15];氣候變化對(duì)水文水資源影響分析主要采用傅國(guó)斌等[5-6]提出的氣溫-降水-徑流關(guān)系方法即雙參數(shù)氣候徑流彈性指數(shù)方法.該方法與Risbey and Entekhabi方法[16]相比,至少有兩個(gè)明顯優(yōu)勢(shì):其一,ARCGIS地理分析模塊提供了一整套較全面的插值方法,使用者可以先比較各種方法的優(yōu)劣,最后選定最優(yōu)的一種或幾種插值方法;其二,該方法使用方便而且很容易應(yīng)用到其他地區(qū)[5-6].

圖1 1956—2000年貴州省思南以上烏江流域氣溫、降水及徑流深多年平均變化Fig.1 Changes of average annual temperature,precipitation,and runoff depth upstream of Sinan Station in W ujiang Basin in Guizhou Province from 1956 to 2000

方法具體計(jì)算步驟為:首先利用Risbey and Entekhabi方法,依次計(jì)算年均氣溫、年均降水量和年均徑流深與各自多年平均值的變化量并以降水變化量為橫坐標(biāo)、氣溫變化量為縱坐標(biāo)添加到ARCGIS中,繪制氣溫-降水圖.這樣氣溫-降水平面圖上每一點(diǎn)就代表相應(yīng)變量與多年平均值的變化量,再通過(guò)ARCGIS的空間插值模塊,可繪出徑流變化量等高線圖,即以降水變化量為橫坐標(biāo),氣溫變化量為縱坐標(biāo),徑流變化量作為插值屬性進(jìn)行空間插值,可將氣溫-降水-徑流關(guān)系轉(zhuǎn)化為氣候徑流彈性指數(shù)[5-6],計(jì)算式如下:

式中:ep,ΔT——?dú)夂驈搅鲝椥灾笖?shù);Qt——t時(shí)刻的徑流深;Pt——t時(shí)刻的降水量;ΔT——?dú)鉁刈兓?ΔP——降水變化量;ΔQ——徑流深變化量;ˉP——多年平均降水量;ˉQ——多年平均徑流深;Qp,ΔT——?dú)鉁刈兓瘲l件下的徑流量;Pp,ΔT——?dú)鉁刈兓瘲l件下的降水量.

2 結(jié)果分析

2.1 歷史氣候變化

表1給出了1960—2008年貴州省思南以上烏江流域年及四季氣溫和降水量主要變化特征,MK法檢驗(yàn)結(jié)果表明,年及四季氣溫均呈增加趨勢(shì),除春季微弱增加,升溫速率僅為0.006℃/a外,其他季節(jié)及年氣溫增加顯著,均通過(guò)95%以上顯著性檢驗(yàn),秋季及年氣溫的升溫甚至通過(guò)99%以上顯著性檢驗(yàn),秋季增溫速率達(dá)0.019℃/a,冬季增溫速率也達(dá)0.018℃/a.烏江流域氣溫的升溫趨勢(shì)從氣溫升高的站點(diǎn)數(shù)也可明顯體現(xiàn),除夏季升溫站點(diǎn)數(shù)占72.22%外,其他季節(jié)及年氣溫升溫站點(diǎn)數(shù)均占91%以上,以冬季94.44%為最多.

表1 1960—2008年貴州省思南以上烏江流域氣溫及降水量變化統(tǒng)計(jì)Tab le 1 Changes of temperature and precipitation upstream of Sinan Station in W ujiang Basin in Guizhou Province from 1960 to 2008

與氣溫變化相比,貴州省思南以上烏江流域1960—2008年降水變化較復(fù)雜,季節(jié)差異大.總體上,春秋季降水明顯減少,速率分別為1.034mm/a和1.106mm/a,均通過(guò)95%以上顯著性檢驗(yàn);夏冬兩季降水增加,但增加趨勢(shì)不顯著,因夏季降水在年總降水中所占比重大,因此夏季降水增加速率仍比較大,為1.117mm/a,而冬季降水的增加僅為0.235mm/a,年降水總體呈現(xiàn)微弱減少趨勢(shì),減少速率為0.788mm/a.

秋季顯著升溫,降水明顯減少,春季升溫不明顯,但降水減少也非常突出,這在一定程度上加大了該地區(qū)春旱、秋旱發(fā)生的程度,對(duì)農(nóng)作物不利.冬季降水雖然增加,但升溫也非常顯著,而且冬季降水所占比重本來(lái)就很小,因此很可能導(dǎo)致該地區(qū)秋冬春3季連旱的發(fā)生,如2009年秋至2010年5月西南5省的大旱可能就是因降水異常減少以及極端高溫天氣所致.而夏季降水的增加,也在一定程度上加大了該地區(qū)洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率.有研究表明,年降水微弱增加甚至減少時(shí),洪澇災(zāi)害發(fā)生的概率也加大[17-18].

2.2 未來(lái)氣候變化趨勢(shì)分析

采用政府間氣候變化委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第4次評(píng)估(2007年)所發(fā)布的未來(lái)氣候預(yù)測(cè)情景進(jìn)行分析,A1B(假設(shè)各種能源供應(yīng)和利用技術(shù)發(fā)展速度相當(dāng)?shù)臈l件下,不過(guò)分依賴于某一特定的能源資源)、A2(描述的是一個(gè)及其非均衡發(fā)展的世界)和B1(描述的是一個(gè)均衡發(fā)展的世界)3種溫室氣體排放情景下,分別對(duì)應(yīng)有24,19和21種GCMs氣候模式.

表2為未來(lái)2011—2100年氣溫和降水在3種溫室氣候排放情景下年及四季的變化狀況,可見3種情景下,所有氣候模式氣溫都呈增加趨勢(shì),MK法分析進(jìn)一步表明氣候顯著變暖,升溫速率B1情景下為0.02℃/a,A1B和A 2情景下,分別為0.035℃/a和0.041℃/a,升溫非常明顯.而未來(lái)降水在3種情景下,總體上也表現(xiàn)為增加趨勢(shì),以冬季降水增加最為微弱,在B1情景下,冬季降水甚至表現(xiàn)出輕微的減少趨勢(shì).

表2 未來(lái)2011—2100年貴州省思南以上烏江流域氣溫及降水量變化統(tǒng)計(jì)Tab le 2 Changes of temperature and p recipitation upstream of Sinan Station in Wu jiang Basin in Guizhou Province from 2011 to 2100

2.3 氣候變化對(duì)區(qū)域徑流的影響

由氣溫-降水-徑流雙參數(shù)氣候徑流彈性指數(shù)計(jì)算方法,得出徑流對(duì)降水和氣溫變化的響應(yīng)圖(圖2),可明顯看出,徑流與降水正相關(guān),與氣溫微弱負(fù)相關(guān).徑流對(duì)降水變化的響應(yīng)明顯大于對(duì)氣溫變化的響應(yīng).為了單獨(dú)分析徑流對(duì)降水和氣溫變化的響應(yīng),假定降水變化時(shí),從圖2中分別提取溫度不變(ΔT=0℃)、升高 0.8℃(ΔT=0.8℃)和降低 0.5℃(ΔT=-0.5℃)時(shí)的徑流深變化資料,導(dǎo)入Excel中用來(lái)分析不同溫度情景下,徑流深隨降水的變化(圖3(a));同理,假定氣溫變化時(shí),從圖2中分別提取降水不變(ΔP=0)、增加20%(ΔP=20%)和減少25%(ΔP=25%)時(shí)的徑流深變化資料,導(dǎo)入Excel中用來(lái)分析不同降水情景下,徑流深隨氣溫的變化(圖3(b)).從圖3(a)可知:如果貴州省思南以上烏江流域降水增加20%:(a)氣溫保持不變的情況下,徑流深將增加22%左右;(b)如果氣溫升高0.8℃,徑流深仍將增加17%;(c)如果氣溫降低0.5℃,徑流深則增加27%.如果降水減少20%:(a)在氣溫保持不變的情況下,將導(dǎo)致徑流深減少30%以上;(b)如果氣溫降低0.5℃,則徑流深減少25%左右.從圖3可看出,貴州省思南以上烏江流域降水是影響徑流變化的主要因子,而且徑流對(duì)降水減少的反應(yīng)強(qiáng)于對(duì)降水增加的反應(yīng),即徑流對(duì)降水減少變化更敏感.這一點(diǎn)可從圖3中得到進(jìn)一步驗(yàn)證.

圖2 貴州省思南以上烏江流域徑流深變化率等值線Fig.2 Isoline of change rates runoff depth upstream of Sinan Station in W ujiang Basin in Guizhou Province

圖3 貴州省思南以上烏江流域徑流深隨降水和氣溫的變化Fig.3 Runoff depth change with precipitation and temperature upstream of Sinan Station in Wu jiang Basin in Guizhou Province

由圖2中所有徑流深變化率數(shù)據(jù)同時(shí)除以降水變化率(橫坐標(biāo)值),然后將其導(dǎo)入Excel來(lái)分析不同溫度情景下,氣候徑流彈性指數(shù)隨降水的變化(圖4).圖4排除降水變化在10%以內(nèi)的不穩(wěn)定情況,一般氣溫保持不變情況下,降水增加1%,徑流相應(yīng)增加1.15%～1.69%,降水減少1%,徑流則相應(yīng)減少1.46%～1.69%,可見,徑流對(duì)降水減少相對(duì)較敏感.在降水保持不變情景下,氣溫升高0.5℃,徑流減少2%～3%,氣溫降低 0.5℃,徑流則增加 4%～5%(圖 3).在降水、氣溫同時(shí)變化情景下,貴州省思南以上烏江流域氣候徑流彈性指數(shù)介于0.04～1.99之間.如降水減少10%,同時(shí)氣溫升高0.8℃左右的情景下,貴州省思南以上烏江流域氣候徑流彈性指數(shù)在1～1.2之間.因此,如果未來(lái)的氣候變化情景在現(xiàn)有分析的范圍內(nèi),就可以用這個(gè)氣候徑流彈性指數(shù)來(lái)進(jìn)行未來(lái)氣候變化對(duì)流域水文水資源的影響分析.

圖4 不同溫度情景下氣候徑流彈性指數(shù)隨降水的變化Fig.4 Changes of climate elasticity of stream flow dex with change of precipitation at different temperatures

3 結(jié) 論

a.1960—2008年無(wú)論年季氣候均呈變暖趨勢(shì),增溫趨勢(shì)除春季不顯著外,其他3季及年增溫均通過(guò)95%甚至99%以上顯著性檢驗(yàn).增溫速率以秋冬季較大,分別為0.019℃/a和0.018℃/a,年增溫速率也達(dá)0.013℃/a.與此同時(shí),降水變化季節(jié)差異較明顯,春秋季降水明顯降少,均通過(guò)95%以上顯著性檢驗(yàn),減少速率分別為1.034mm/a和1.106mm/a,該區(qū)域36個(gè)降水站點(diǎn)中,秋季沒(méi)有站點(diǎn)表現(xiàn)出降水增加趨勢(shì),春季增加站點(diǎn)也僅占2.78%.夏冬季節(jié)則表現(xiàn)出降水增加趨勢(shì),但都不明顯,年尺度降水總體表現(xiàn)為微弱減少趨勢(shì).

b.未來(lái)2011—2100年,3種溫室氣體排放情景下,年季氣溫均呈顯著增溫趨勢(shì),均通過(guò)99%以上顯著性檢驗(yàn).降水除B1情景冬季表現(xiàn)出微弱的減少趨勢(shì)外,其他2種情景,年季降水也都表現(xiàn)為增加趨勢(shì),總體上,除冬季在3種情景下降水增加較弱甚至減少外,其他年季降水都明顯增加.

c.貴州省思南以上烏江流域氣溫-降水-徑流的關(guān)系為徑流與降水顯著正相關(guān),氣溫與徑流微弱負(fù)相關(guān),在降水增加20%的情況下,如氣溫保持不變,徑流深將增加22%左右;如氣溫升高0.8℃,徑流深仍將增加17%;而如果氣溫降低0.5℃,徑流深則增加27%以上.在降水減少20%的情況下,如果氣溫保持不變,將導(dǎo)致徑流深減少30%以上,如果氣溫降低0.5℃,則徑流深減少25%左右,可見徑流對(duì)降水變化敏感于氣溫,而且徑流對(duì)降水減少更敏感.氣候徑流彈性指數(shù)分析進(jìn)一步證實(shí),降水增加1%,徑流相應(yīng)增加1.15%～1.69%,降水減少1%,徑流則相應(yīng)減少1.46%～1.69%.

[1]YUAN Dao-xian.Rock desertification in the subtropical karst of south China[J].Zeitschrift fur Geomorphologie,1997,108:81-90.

[2]FORD D C,WILLIAMS P W.Karst geomorphology and hydrology[M]London:Unwin Hyman,1989.

[3]ZENG Z.Suggestion on poverty-deviation in the karst mountain areas in south China[C]//XIE Y,YANG M.Human Activity and Karst Environment.Beijing:Beijing Science and Technology Press,1994.

[4]WURBS R A,MUTTIAH R S,FABRICE F.Incorporation of climate change in water availability modeling[J].Journal of Hyd rologic Engineering,2005,10(5):375-385.

[5]FU Guo-bin,CHARLES S P,CH IEW F H S.A two-parameter climate elasticity of streamflow index to assess climate change effects on annual streamflow[J].Water Resources Research,2007,43(11):W11419.

[6]FU Guo-bin,BarberM E,CHEN Shu-lin.Impacts of climate change on regional hydrological regimes in the Spokane River watershed[J].Journal of Hydrologic Engineering,2007,12(5):452-461.

[7]任國(guó)玉,姜彤,李維京,等.氣候變化對(duì)中國(guó)水資源情勢(shì)影響綜合分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(6):772-779.(REN Guo-yu,JIANG Tong,LI Wei-jing,et al.An integrated assessment of climate change impacts on China's water resource[J].Advances in Water Science,2008,19(6):772-779.(in Chinese))

[8]張建云,王國(guó)慶,賀瑞敏,等.黃河中游水文變化趨勢(shì)及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)[J].水科學(xué)進(jìn)展,2009,20(2):153-158.(ZHANG Jian-yun,WANG Guo-qing,HE Rui-min,et al.Variation trends of runoffsin the Middle Yellow River basin and its response to climate change[J].Advances inWater Science,2009,20(2):153-158.(in Chinese))

[9]FU Guo-bin,CHARLES S P,VINEY N R,et al Impacts of climate variability on streamflow in the Yellow River[J].Hydrological Processe,2007,21:3431-3439.

[10]TANG Cong-guo,LIU Cong-qiang.Simulation of surface runoff in the Wujiang River watershed based on GIS[J].Chinese Journal of Geochemistry,2007,26(3):284-289.

[11]YANG Tao,CHEN Xi,XU Chong-yu.Spatio-temporal changes of hydrological processes and underlying driving forces in Guizhou region,Southwest China[J].Stoch Environ Res Risk Assess,2009,23(8):1071-1087.

[12]GUO Hua,HU Qi,JIANG Tong.Annual and seasonal stream flow responses to climate and land-cover changes in the Poyang Lake Basin[J].Journal of Hydrology,2008,355:106-122.

[13]HAN Gui-lin,LIU Cong-qiang.Hyd rogeochemistry of Wujiang River water in Guizhou Province,China[J].Chinese Journal of Geochemistry,2001,20(3):240-248.

[14]ZHU Jun,WANG Yu-chun,LIU Cong-qiang,et al.A preliminary study on the distribution characteristicsof nutrients(N,P,Si,C)in the Wujiang River Basin.Chinese[J].Journal of Geochemistry,2005,24(4):352-360.

[15]劉鴻雁,劉奇,毛健全.烏江流域水資源、水質(zhì)變化與水庫(kù)建設(shè)關(guān)系分析[J].水資源保護(hù),2010,26(3):18-22.(LIU Hongyan,LIU Qi,MAO Jian-quan.Study on relationship betweenwater resources,water quality changes and reservoir construction in Wujiang Basin[J].Water Resources Protection,2010,26(3):18-22.(in Chinese))

[16]魏浪,夏霆,嚴(yán)志程.烏江上游梯級(jí)水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化研究[J].水資源保護(hù),2010,26(4):39-42.(WEI Lang,XIA Ting,YAN Zhi-cheng.Eutrophication in upstream cascade reservoirs of Wu jiang River[J].Water Resources Protection,2010,26(4):39-42.(in Chinese))

[17]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京:氣象出版社,1999:69-72.

[18]RISBEY J S,ENTEKHABI D.Observed Sacramento Basin streamflow response to p recipitation and temperature changes and its relevance to climate impacts studies[J].Journal of Hydrology,1996,184:209-223.

[19]YAMAMOTO R,SAKURAI Y.Long-term intensification of extremely heavy rainfall intensity in recent 100 years[J].World Resource Review,1999,11(2):271-282.

[20]OSBORN T J,HNHNE M,JONES P D,et al.Observed trends in the daily intensity of United Kingdom precipitation[J].International Journal of Climatology,2000,20:347-364.