氣候變化情景下洮河流域生態(tài)水文模擬分析

李 偉

(甘肅省水文站，甘肅 蘭州 73000)

0 引言

研究發(fā)現(xiàn)，二氧化碳?xì)怏w的增加是地球溫室效應(yīng)發(fā)生的主要元兇，其主要來自化石燃料。從上世紀(jì)初期開始，人類的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)日益頻繁，礦石燃料被大量開采和使用，從而導(dǎo)致空氣中的二氧化碳濃度快速加大，全球氣溫呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢(shì),全球氣候不斷惡化，使得全球降水的空間格局與季節(jié)分配隨之變化,從而對(duì)流域生態(tài)水文過程產(chǎn)生較大的影響。為了適應(yīng)這一變化，植被的空間格局隨之發(fā)生改變，最終影響到人類利用土地的方式。

學(xué)界主要通過兩種途徑對(duì)氣候變化影響水文過程進(jìn)行研究：(1)歷史總結(jié)法，即研究者采用小波分析等統(tǒng)計(jì)方法,以歷史氣候數(shù)據(jù)為分析樣本，對(duì)徑流響應(yīng)氣候變化的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；(2)未來預(yù)測(cè)法，即將目前的氣候狀況輸入GCMs模型中，通過模擬得出經(jīng)過一定比例增減的未來水文變化情景。這是一種預(yù)測(cè)性研究。該研究模型分為兩種，一種是分布式水文模型，另一種是集總式模型。研究發(fā)現(xiàn),在溫度變化的敏感性方面，徑流要弱于蒸散。因此，在氣候變化的響應(yīng)方面，二者也存在較大的差異，表現(xiàn)為前者對(duì)于氣候變化的信號(hào)具有抑制作用，而后者往往具有放大作用。

生態(tài)水文模式能夠?qū)ι鷳B(tài)與水文過程二者之間的影響效應(yīng)進(jìn)行很好地描述，因此，常被學(xué)者用于氣候變化和土地利用導(dǎo)致的水文變化情景以及生態(tài)系統(tǒng)對(duì)這一變化的響應(yīng)情況研究。該模式以生態(tài)系統(tǒng)過程為研究視角，重點(diǎn)揭示氣候變化作用于水文過程的途徑，從而成為這一課題的研究熱點(diǎn)。

本文采用生態(tài)水文模式對(duì)洮河流域氣候變化對(duì)本流域生態(tài)水文過程的影響情況進(jìn)行模擬，重點(diǎn)描述后者的響應(yīng)方式和幅度。該模式將植被結(jié)構(gòu)響應(yīng)這一因素納入考慮范疇，從而對(duì)氣候變化與流域生態(tài)水文過程之間的關(guān)系進(jìn)行探討。

1 流域概況

洮河發(fā)源青隴交界處的西傾山，是青海東部重要的外流水系之一，全長673 km，流域面積2.55萬 km2。其橫穿臨洮盆地，主要流經(jīng)甘肅中部地區(qū)，最后注入黃河中段的劉家峽水庫。根據(jù)溝門村站的水文記錄，當(dāng)?shù)亟涤曛饕性谙那飪杉?，年均流?72 m3/s，年徑流量53億 m3，而只有25%左右集中在每年的11月到來年的4月間。根據(jù)流域內(nèi)氣象站的記錄，自上世紀(jì)80年代開始，當(dāng)?shù)貧鉁刂鹉晟仙?氣溫增幅明顯，主要表現(xiàn)為冬季增溫幅度較大，夏季相對(duì)較??；年降水量較為穩(wěn)定，但年際變化水平下降。

2 研究方法

VIP生態(tài)水文動(dòng)力學(xué)模式包含了大氣運(yùn)動(dòng)、土壤、徑流以及植被等多個(gè)動(dòng)態(tài)過程,其中，采用一維運(yùn)動(dòng)波方程模擬地表匯流過程，用可變土壤蓄水容量方法模擬產(chǎn)流過程。模型總體結(jié)構(gòu)見圖1。

每種植被的功能不同，該模式據(jù)此將它們劃分為多個(gè)類型，每一類型都具有相應(yīng)的生態(tài)特性。植被動(dòng)態(tài)變化采用干物質(zhì)累積方程描述，如下：

(1)

式中，i=l，r，s三者分別代表木本植物的葉、根和莖(草本植物無此項(xiàng))。本研究流域的木本植物主要為玉米和小麥兩種；M為干物質(zhì)；Rg為生長呼吸；ai為各相應(yīng)器官的光合產(chǎn)物分配系數(shù)；Pg為總光合作用量；Rm為維持呼吸；D為枯死率。

植被的光合產(chǎn)物分配受到眾多因素的影響，包括其自身的類型、土壤水分以及物候期等因素。對(duì)于植被的葉層而言，其光合產(chǎn)物的分配系數(shù)如下:

a1=exp(-kLAI)

(2)

式中：LAI為葉面積指數(shù)。本文借鑒了Arora等研究方案,用下式表示植被的根和莖的光合產(chǎn)物的分配系數(shù):

(3)

as=1-a1-ar

(4)

式中：L為光照因素，w為土壤含水量因素，k，Bp和Pw均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

植被結(jié)構(gòu)物質(zhì)的衰老凋落用枯黃凋落率表示，其水平主要受到三個(gè)因素的影響，一是植被自身的周轉(zhuǎn)周期，二是生長環(huán)境的溫度，三是土壤水分含量情況。表示如下:

式中：τ為周轉(zhuǎn)周期(d)；fd(T，0)為植物組織枯死的影響函數(shù)，是溫度或土壤含水量單方或二者共同影響的表征。

3 模擬方案

本文選取的分析數(shù)據(jù)年份為1957-1997年，所有數(shù)據(jù)均為洮河流域氣象站和雨量站的觀測(cè)記錄，此外還有部分?jǐn)?shù)據(jù)來自周圍地區(qū)氣象站。這些數(shù)據(jù)為每日觀測(cè)值，具有持續(xù)性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)。筆者按8 km網(wǎng)格分辨率,通過距離平方反比法將樣本數(shù)據(jù)內(nèi)插到流域的各網(wǎng)格點(diǎn)上,從而對(duì)該流域水量變化與植被生產(chǎn)力之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系進(jìn)行連續(xù)模擬，描述二者的變化過程。

本模型以1970-2000年的水文變化數(shù)據(jù)記錄作為基礎(chǔ)時(shí)間序列，然后加上一個(gè)變化量,以30 a為單位，對(duì)HadCM3大氣環(huán)流模式預(yù)報(bào)的本世紀(jì)以來的氣候變化情景進(jìn)行均值計(jì)算，對(duì)洮河流域生態(tài)水文過程的響應(yīng)情況進(jìn)行模擬分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到3個(gè)時(shí)間段的氣候變化情況：第一階段本世紀(jì)開始到2030年；第二階段為2031-2060年；第三階段為2061-2090年。具體見表1。

表1 HadCM3的未來氣候變化情景

圖1 模擬和實(shí)測(cè)流域年徑流深對(duì)比

4 模式驗(yàn)證

有兩種方法可以驗(yàn)證模型模擬的徑流深：

(1)利用洮河流域出口站的記錄數(shù)據(jù)來推求出流域的平均徑流深。圖1是該流域徑流深實(shí)測(cè)值與模擬值的對(duì)比。圖表顯示,在1957-1997年間，徑流深模擬值與實(shí)測(cè)均值相差在7%左右，前者為44 mma-1,后者為41 mma-1。并且，二者的偏差值與徑流深度值存在明顯的正向關(guān)系，即當(dāng)年徑的流深度值越小，兩個(gè)值的偏差越小。反之越大。二者的偏差還與分析模式存在一定的關(guān)系，主要原因是樣本所在區(qū)域?yàn)榘敫珊盗饔?，因此在設(shè)計(jì)降雨與徑流產(chǎn)生的參數(shù)時(shí)未包含降水強(qiáng)度，只采用了日降水量，由此引發(fā)徑流深度模擬值的偏差。此外，本模式未考慮庫壩蓄水產(chǎn)生的水面蒸發(fā)因素，也是加劇模擬值與實(shí)際值偏差的一個(gè)原因。

圖2 1982-2000年模擬和實(shí)測(cè)農(nóng)田根層土壤水分的逐旬變化過程

(2)利用流域附近氣象站土壤含水量的觀測(cè)驗(yàn)證模型。研究使用的是農(nóng)田土壤水分含量旬變化記錄數(shù)據(jù)，觀測(cè)點(diǎn)為洮河流域氣象觀測(cè)站鄰近，土質(zhì)為粘性粉壤土,樣本作物為夏玉米。根層分布深度不超過1 m，含水量最大值為250 mm，出現(xiàn)在夏季；最小值為100 mm,出現(xiàn)在春季。形成夏季補(bǔ)充,春季消耗的季節(jié)變化特征。年際土壤含水量主要與當(dāng)年的降水量多少有著直接的關(guān)系，從而呈現(xiàn)正向波動(dòng)。土壤蓄水量觀測(cè)值與模擬值總體偏差不大。具體見圖2。

圖3 洮河流域土壤蓄水量變化

5 結(jié)果分析

5.1 氣候波動(dòng)對(duì)流域水文過程的影響

在樣本研究周期內(nèi)，洮河流域的年際降水量變化較大,變異系數(shù)達(dá)到0.23；日照因素的年際波動(dòng)系數(shù)相對(duì)較小，分別為：日照時(shí)數(shù)為0.06，溫度為0.07，Rn(凈輻射)為0.03；Es(蒸發(fā))、ET(蒸散)以及Ec(蒸騰)變異系數(shù)約為0.12,波動(dòng)幅度較小，且無明顯趨勢(shì)特征。由于該流域降水量的年際變化較大，土壤水分總量變化明顯，從而影響到植被的生長情況。為了適應(yīng)這種變化，合理地利用土壤水分，植物不得不調(diào)整其耗水策略,以確保自身在降水集中期到來之前都有水分可以消耗，這就使得植被呈現(xiàn)出耗水過程的年際變化。通常而言，ET和Ec的作用受到兩個(gè)因素的共同調(diào)節(jié)：一是凈輻射能力；二是土壤的供水能力。同時(shí)，凈輻射還會(huì)抑制ET對(duì)降水的響應(yīng)。從歷史數(shù)據(jù)來看，該流域的年ES和Ec值遠(yuǎn)低于降水量,波動(dòng)幅度較小，這樣能夠增強(qiáng)土壤水庫的調(diào)蓄能力，有利于植被更好地生存。由于水利工程截流和模式兩個(gè)因素的影響，該流域的年總徑流量(Q)的變異系數(shù)模擬值為0.36，而實(shí)際值為0.27,二者存在較大差異。但有一點(diǎn)是確定的，即在降水變化當(dāng)中，徑流具有放大作用，提升了這一變化的幅度。另外，模擬結(jié)果顯示，該流域年總蒸散量占年降水量的0.91±0.19,其中，年徑流和蒸騰分別占比為0.11±0.03、0.48±0.04。根據(jù)這一結(jié)果可以估計(jì)出水利工程蓄洪導(dǎo)致的徑流損失占降水的比例在0.02左右。由此可以得出，土壤水分的周轉(zhuǎn)周期為5 a。從圖3可以看出，1990年的降水量明顯低于之前的20 a，不到450 mm,土壤水分的調(diào)蓄幅度減小,出現(xiàn)了干化的趨勢(shì)。

圖4描繪了在本研究周期內(nèi)洮河流域水循環(huán)分量的變化情況?？梢钥闯?，徑流與蒸散的變化范圍明顯小于降水的變化范圍，并且前二者的中值范圍也有所不同，徑流趨于低值端，而蒸散趨于高值端,與降水基本一致。可以認(rèn)為，在降水的響應(yīng)方面，徑流具有延后性，蒸散則表現(xiàn)為直接響應(yīng)。

圖4 1958-1997年洮河流域年水平衡分量的均值、中值及范圍

圖5 1958-1997年洮河流域植被生產(chǎn)力各分量的均值、中值和范圍

5.2 氣候波動(dòng)對(duì)流域植被生產(chǎn)力和水分利用效率的影響

在高原地區(qū)，無論哪個(gè)季節(jié)，根層土壤含水量通常都低于田間持水量,原因主要是植被普遍存在水分脅迫的情況。這就使得這類地區(qū)的植物葉片的光合生產(chǎn)力較弱，并且受氣候年際波動(dòng)的影響較大。從模擬結(jié)果看，在本研究周期內(nèi)，樣本流域的植被總初級(jí)生產(chǎn)力(GPP)均值為(361±37)gCm-2a-1,凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)為(171±22)gCm-2a-1,二者的比值為(0.47±0.02)(圖5)。NPP的模擬值與觀測(cè)值誤差較小。

模擬結(jié)果顯示，在同植被類型間，生產(chǎn)力最高的是農(nóng)田,最低的是草地，林地居于二者中間，這完全符合它們的光合潛力最大值。根據(jù)圖5可以得出GPP的斜率為1.6,r2=0.26，可見其處于持續(xù)上升狀態(tài)，并且上升幅度較大，其原因是大氣中二氧化碳?xì)怏w的增加；NPP的斜率為0.6,r=0.10，其同樣處于持續(xù)上升狀態(tài)，但上升幅度較小，其原因是當(dāng)?shù)貧鉁氐纳仙訌?qiáng)了植被的呼吸作用,消耗掉一部分碳固定量。NPP與Ec的比值為(1.04±0.14)gCmmHom-2a-1,表明植物的水分利用效率有所提高。

5.3 生態(tài)水文過程對(duì)氣候變化的響應(yīng)

GCM對(duì)高原地區(qū)氣候變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)結(jié)果為：氣溫逐年上升，降水總量增加。表2是樣本流域30年來水量平衡和生產(chǎn)力相對(duì)變化的平均值，其由表1情景模擬而來。按照增幅大小的排序各水文因素分別為：冠層截留水量增幅為70%，排名第一；Ec和徑流的增幅十分明顯，為降水增幅的1.6倍，而ET的增幅不及降水增幅；Rn增幅度最大為11.9%；Es的增幅最大為4.3%。在植被生產(chǎn)力變化方面,NPP的增幅約為39%，與二氧化碳的增幅相近；GPP的增幅高達(dá)72%左右。國內(nèi)學(xué)者楊永輝等人以太行山區(qū)為研究案例，對(duì)該地區(qū)的氣候變化及其對(duì)自然植被的影響進(jìn)行了調(diào)研分析，并通過實(shí)驗(yàn)的方式來探究后者對(duì)前者的適應(yīng)情況。研究發(fā)現(xiàn)，植被生產(chǎn)力與當(dāng)?shù)氐臍鉁睾徒邓嬖谡蜿P(guān)系，具體為氣溫每上升2度、降水增加20%時(shí),植被的生產(chǎn)力能夠提升20%的水平。這一研究情景及其結(jié)果均與本文相似。Zhang等人以高原地區(qū)的農(nóng)作物為研究對(duì)象，通過模型模擬的方式對(duì)其與土壤侵蝕的關(guān)系進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)樣本地區(qū)本世紀(jì)末的徑流和蒸散增幅明顯，農(nóng)作物的產(chǎn)量有大幅的提升。洮河流域位于高原地區(qū)，因此，其植被的變化符合上述研究結(jié)果，即覆蓋水平將會(huì)不斷提高,有利于當(dāng)?shù)氐乃梁B(yǎng)。

表2 未來氣候變化情景下,洮河流域水量平衡和生產(chǎn)力的響應(yīng) %

6 結(jié)語

(1)洮河流于地處我國的西北，生態(tài)環(huán)境較為脆弱,長期以來，當(dāng)?shù)氐囊淮蠊ぷ魅蝿?wù)就是加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境建設(shè)，重視水土涵養(yǎng)。本文以洮河流域?yàn)槔云錃v史氣候數(shù)據(jù)資料為樣本，采用生態(tài)水文機(jī)理模式模擬了該流域近40年的生態(tài)水文演變特征,并對(duì)未來生態(tài)水文過程的響應(yīng)情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)。模擬結(jié)果顯示，在樣本研究周期內(nèi)，該流域降水量基本持平，年際波動(dòng)幅度有所下降，地表蒸散量也保持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。但植被凈生產(chǎn)力斜率約為0.6gCm-2a-1,表明提升較大，水分利用效率也有所提高。GCM預(yù)測(cè)，洮河流域到本世紀(jì)末氣溫和降水都有明顯的增加，前者上升3K,后者增加25%。相對(duì)應(yīng)的，地表徑流、蒸散、植被NPP分別增加38%、23%和45%，植被水分利用效率將有著較大的提升。這表明，該流域生態(tài)系統(tǒng)對(duì)這一變化響應(yīng)顯著，而這種變化趨勢(shì)有利于高原地區(qū)的水土保持。

(2)GCM模式的選擇對(duì)于模擬的結(jié)果有著較大的影響，本文只用了HadCM3最近的一種模擬情景，因此，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值會(huì)存在一定的偏差。必須進(jìn)行更多的模擬和試驗(yàn)，才能提升研究的全面性，對(duì)樣本流域生態(tài)水文過程對(duì)氣候變化的區(qū)域響應(yīng)情況進(jìn)行可靠預(yù)測(cè)。