漢江上游流域水資源對未來氣候變化的響應

聶曉 丁玲玲

摘要 采用SWAT分布式水文模型，結合漢江上游流域1961—1990年實測氣象數(shù)據(jù)和CMIP5多模式RCP 2.6、RCP 4.5 和 RCP 8.5情景下的輸出數(shù)據(jù)集，在對漢江上游流域徑流模擬檢驗的基礎上，分析未來氣候變化對漢江上游流域水資源的響應。結果表明，SWAT模型能較好地模擬漢江上游流域徑流變化。2011—2100年不同氣候變化情景下，漢江上游流域多年平均降水、徑流與基準期（1961—1990年）相比均呈增加趨勢，增加幅度從大到小依次為RCP 8.5、RCP 4.5、RCP 2.6，且降水量的增幅大于徑流的增幅。3種情景下的多年平均月降水、月徑流總體呈增加趨勢，且在冬季（12月至次年2月）枯水期增加幅度較為明顯。

關鍵詞 降水； 徑流； RCP氣候情景； SWAT模型； 漢江上游流域

中圖分類號 X16 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）04-0058-03

Response of Future Water Resources to Climate Change in the Upper Reaches of the Hanjiang Basin

NIE Xiao，DING Ling-ling （Institute of the Han River，Hubei University of Arts and Science，Xiangyang，Hubei 441053）

Abstract Based on the the measured meteorological data from 1961 to 1990 and the output data set under RCP scenarios （RCP 2.6，RCP 4.5 and RCP 8.5） from the phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project （CMIP5），the verified SWAT distributed hydrological model was used to analyze the impact of future climate change on the water resources of the upper reaches of the Hanjiang Basin.The results show that the SWAT model can well simulate the runoff variation of the upper reaches of the Hanjiang Basin.Compared with the baseline period （1961-1990），the average annual precipitation and runoff during 2011-2100 under different climate change scenarios all increase with the increase range of RCP 8.5>RCP 4.5>RCP 2.6，but the increment amplitude of precipitation will be more than that of runoff.The mean monthly precipitation and runoff all show an increasing tendency under three RCP scenarios，and the increase range is obvious in winter which is the dry period of the upper reaches of the Hanjiang Basin.

Key words Precipitation；Runoff；RCP scenarios；SWAT model；The upper reaches of the Hanjiang Basin

近年來，關于未來氣候變化對流域水資源影響的研究較多，且大多采用氣候情景驅動水文模型的方法[1-3]。氣候情景的定義主要采用2種方法：一種是假定不同的降雨量和氣溫變化情景或組合，如假定年降水量變化±5%、±10%、±15%等，年平均氣溫變化±1、±2、±3 ℃等，以及將假定的不同降水量和氣溫變化進行組合[4-5]；另一種是基于全球氣候模式（GCM）或區(qū)域氣候模式（REGCM）在各種溫室氣體排放情景下的氣候數(shù)據(jù)[6-9]，將其輸入水文模型中，進行氣候變化影響的模擬量化。

CMIP5成果是聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告的重要基礎，參與試驗的全球多種氣候模型有了改進和發(fā)展，并且形成了最新一代排放情景，為國際耦合模式的評估和后續(xù)發(fā)展提供了重要的平臺[10]。漢江上游流域為南水北調中線工程水源區(qū)，未來水源區(qū)的水資源變化是流域水資源調配及跨流域調水可靠性的重要依據(jù)[11]。鑒于此，筆者以漢江上游流域為研究對象，采用最新的CMIP5 RCP情景下的氣候數(shù)據(jù)驅動SWAT分布式水文模型，模擬分析未來氣候變化對漢江上游流域水資源的影響，以期為流域水資源管理及跨流域調水提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

漢江屬于長江最大的支流，該研究流域為漢江丹江口水庫以上的上游流域，位于106°15′～114°20′ E、30°10′～34 ° 20′ N，長約925 km，占漢江總長的59%，集水面積為95 200 km2。漢江上游河段位于秦嶺、大巴山之間，流域呈羽葉狀，干流走向為東西方向。漢江上游屬于北亞熱帶季風氣候，多年平均氣溫14.6 ℃，多年平均降水量904 mm，降水年內分布不均，多集中在7—9月，多年平均徑流量是367.8億m3。水面蒸發(fā)變化在700～1 000 mm，其分布特點是西南少，東北多。

1.2 數(shù)據(jù)資料

流域水文氣象數(shù)據(jù)來自流域站點的觀測數(shù)據(jù)。其中，氣象數(shù)據(jù)來自研究流域9個氣象站點1961—1990年（基準期）的逐日氣溫、降水量數(shù)據(jù)，降水量數(shù)據(jù)還來自流域內195個雨量站的逐日觀測數(shù)據(jù)。黃家港水文站是漢江上游的水文控制站，因此該研究歷史期水文數(shù)據(jù)采用黃家港水文控制站1981—1990年實測的逐月天然徑流量序列。

流域DEM資料來自美國的USGS網站，分辨率為500 m×500 m。土壤數(shù)據(jù)來源于中國科學院南京土壤研究所土壤數(shù)據(jù)庫，該土壤數(shù)據(jù)在輸入模型前，需參照模型標準進行土壤類型的重新劃分，并賦予模型適用的代碼。土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)來自國家測繪總局提供的30 m國家土地覆蓋分幅TIF圖，采用1990年漢江上游流域的土地利用數(shù)據(jù)，并根據(jù)SWAT模型中土地利用/覆蓋分類標準，將其分為12類。

漢江上游流域基準期（1961—1990年）和未來時期（2011—2100年）RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 8.5（RCP：典型濃度路徑）情景下的逐日平均溫度和降水量數(shù)據(jù)序列來源于北京師范大學全球變化與地球系統(tǒng)科學研究院的CMIP5多模式統(tǒng)計降尺度集合數(shù)據(jù)集。采用Delta方法[12]對獲得的數(shù)據(jù)序列進行校正，以便消除氣候模式模擬的系統(tǒng)偏差。

1.3 研究方法

在我國的流域水文水資源模擬中，SWAT模型被證實能較好地模擬流域降水、徑流、蒸散發(fā)等水文過程[12-13]，因此筆者選用SWAT模型研究漢江上游流域水資源對未來氣候變化的響應。模擬過程中，選擇SCS徑流曲線數(shù)法演算流域徑流過程，選擇Penman-Monteith 公式計算流域潛在蒸散發(fā)，采用變動存儲系數(shù)法演算河道的匯流過程。采用自動優(yōu)選與手工優(yōu)選相結合的方法對參數(shù)進行率定。參數(shù)的率定將基于先調整上游再調整下游、先調整總水量和蒸發(fā)、地表徑流、地下徑流等各部分水量平衡再調整過程的原則[13]。

筆者采用試錯法，基于模型的反復調試，生成的集水面積約93 215.6 km2，模型最終將漢江上游流域劃分為42個子流域。根據(jù)優(yōu)勢土地利用類型/土壤類型方法生成水文響應單元（HRU），將占子流域面積5%以上的土地利用及占該類土地利用20%以上的土壤類型生成HRU，即設定5/20的閾值，按該閾值，將漢江上游流域劃分為241個HRU。

2 基于SWAT模型的流域徑流模擬

2.1 模型參數(shù)的校準與驗證

選用Nash-Sutcliffe模擬效率系數(shù)（Ens）和決定系數(shù)（R2）2個指標評估模型的模擬效果，進而評價模型在漢江上游流域的適用性。Ens的計算公式為：

Ens=1-ni=1（QEi-QOi）2

ni=1（QOi-QOi）2 （1）

式中，QOi為實測徑流，QEi為模擬徑流，QOi為實測徑流的平均值，n為模擬的時段數(shù)。通常取Ens>0.5作為模型在流域適用的評價標準[14]。

利用SWAT2005自動敏感性分析工具確定敏感性等級最高的6個參數(shù)：SCS徑流曲線系數(shù)（CN2）、土壤有效含水量（SOL_AWC）、土壤蒸發(fā)補償系數(shù)（ESCO）、地下水再蒸發(fā)系數(shù)（GW_REVAP）、淺層地下水再蒸發(fā)或下滲的閾值深度（REVAPMN）、淺層地下水回歸流閾值深度（GWQMN）。因此，在參數(shù)率定中主要利用黃家港控制站實測徑流對以上6個參數(shù)進行調整。其中，選取1981—1987年的實測逐月徑流數(shù)據(jù)對參數(shù)進行率定，校準模型；采用率定后的參數(shù)，選取1988—1990年的實測逐月徑流數(shù)據(jù)對模型進行驗證。

2.2 校準與驗證結果

校準期（1981—1987年）和檢驗期（1988—1990年）模型評價結果分別見圖1、2。結果顯示，校準期和檢驗期漢江上游流域徑流實測值與模擬值的變化趨勢一致，徑流過程吻合較好。在校準期決定系數(shù)是0.92，模型的模擬效果較好，表征模型效率的Ens達0.90。對模型的相關參數(shù)進行校準后，對模型進行檢驗，結果表明，檢驗期決定系數(shù)為0.85，表征模型效率的Ens達0.87，模型對徑流過程的模擬較好。模型的校準與驗證結果表明，在漢江上游流域的地理環(huán)境下，筆者構建的分布式水文模型SWAT能較準確地模擬流域的徑流過程，運用該模型開展?jié)h江上游流域水資源對未來氣候變化的響應研究是可行的。

3 漢江上游流域未來水資源變化

3.1 未來降水變化

圖3顯示，未來時期（2011—2100年），漢江上游流域除春季月份（3—5月）外，其他月份在3種情景下的多年平均月降水量相對于基準期均呈增加趨勢，其中，在冬季（12月至次年2月）枯水期增加幅度尤為明顯，RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 8.5情景下平均增加幅度分別為16.36%、22.78%、28.18%。

由表1可知，其中，未來時期（2011—2100年）RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 8.5情景下的多年平均降水量分別較基準期增加4.88%、7.74%、12.73%。短期（2020s）除RCP 2.6情景下降水量較基準期略有減少外，其他2個情景下的降水量均呈增加趨勢，其中RCP 8.5的增幅偏大；中期（2050s）和長期（2080s）3個情景下的降水量相對基準期均為增加，增幅從大到小依次為RCP 8.5、RCP 4.5、RCP 2.6。

3.2 未來徑流變化

圖4顯示，未來時期（2011—2100年）

多年平均月徑流量相對于基準期總體呈增加趨勢，但不同月份之間的增加幅度不同。在RCP 2.6情景下，除了3、5、7月的月徑流量呈減小趨勢外，其他月份的月徑流量均呈增加趨勢，特別是在冬季（12月至次年2月）枯水期增幅較大。在RCP 4.5情景下，除了3—4、10月的月徑流量呈減小趨勢外，其他月份的月徑流量呈均呈增加趨勢，特別是在冬季（12月至次年2月）枯水期和8月的增幅較大。在RCP 8.5情景下，全年月徑流量均呈增加趨勢，特別是在11月至次年2月和7、9月增幅較大。

由表1可知，未來時期（2011—2100年）RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 8.5情景下的多年平均徑流量分別較基準期增加2.35%、4.74%、9.04%。短期（2020s）除RCP 8.5情景下徑流量較基準期略有增加外，其他2個情景下的徑流量均呈減小趨勢，但減幅均不大。中期（2050s）和長期（2080s）3個情景下的徑流量相對基準期均為增加，增幅從大到小依次為RCP 8.5、RCP 4.5、RCP 2.6，且徑流量增幅小于降水量的增幅，這可能與氣候變暖導致蒸發(fā)量增大有關。

4 結論

該研究基于CMIP5多模式氣象輸出數(shù)據(jù)集，結合分布式水文模型SWAT，分析了3種氣候變化情景下未來時期（2011—2100年）漢江上游流域水資源相對基準期（1961—1990年）的變化，得出以下結論：

（1） 水文模型的模擬結果表明，SWAT分布式水文模型對漢江上游流域的水資源模擬有較好地適用性。運用該模型開展未來水資源對氣候變化的響應研究是可行的。

（2） 未來時期（2011—2100年）RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 8.5情景下的多年平均降水量均呈增加趨勢，增幅依次為RCP 8.5、RCP 4.5、RCP 2.6，并且中期（2050s）和長期（2080s）的增加幅度較為明顯。未來時期，多年平均月降水量在冬季（12月至次2月）枯水期增加幅度最為顯著。

（3）未來時期（2011—2100年）RCP 2.6、RCP 4.5、RCP 8.5情景下的多年平均徑流量均呈增加趨勢，增幅依次為RCP 8.5、RCP 4.5、RCP 2.6，但其增幅小于降水量的增幅。長期（2080s）徑流量

相對基準期的增加幅度較為顯著。并且，未來時期（2011—2100年），3種情景下的多年平均月徑流量在冬季（12月至次年2月）枯水期增幅較大，在洪水期增幅相對較小。

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