海河流域河川径流对气候变化的响应机理

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2021-12-29 09:25 热度：

　　摘要: 利用可变下渗容量( Variable Infiltration Capacity，VIC) 模型，在海河流域选取了 6 个典型流域来率定 VIC 模型的参数。通过模型参数移植技术，建立了全流域的径流模拟平台。根据假定的气候变化情景，分析了海河流域河川径流对气候变化的响应机理。结果表明: 在年平均气温升高 2℃ 时，海河流域的径流量将减少 6. 5% ; 当年降水量增加或者减少 10% 时，海河流域的径流量将分别增加 26% 和减少 23% ; 当汛期降水占年降水量的比例分别增加或者减少 10% 时，全流域的径流量将会增加 12% 或者减少 7% ; 在空间上，在年平均气温升高和年降水量变化的情景下，海河流域西北部的河川径流比东南部更敏感; 在降水年内分配变化的情景下，海河流域东南部的河川径流比西北部更敏感。总体上，年降水量越大，径流量对降水量的敏感性越小，对平均气温的敏感性也越小，而对降水年内分配的敏感性越大。

　　关键词: 河川径流; 气候变化; 响应; 海河流域

　　以气温升高和降水变化为主要特征的全球气候变化对地球系统产生了深远的影响，其中水文过程是受气候变化影响最直接和最重要的领域之一[1-2]。气候变暖将加剧水文循环过程，影响降水、蒸散发、土壤含水量和河川径流等的时空分布特征，并且影响区域水资源的状况，从而影响到国家中长期发展战略。海河流域经济发达，人口众多，水资源短缺，是中国政治文化中心和人水矛盾最为突出的地区[3]。更为严峻的是，近几十年来，在气候变化与下垫面变化等因素的影响下，观测到海河流域的河川径流量呈现出显著的下降趋势[4-5]。有效应对气候变化成为中国中长期科学和技术发展的需要，而研究河川径流对气候变化的响应机理是有效应对气候变化的重要基础工作，不仅可以在很大程度上增强对海河流域水文循环过程机理的认识，同时对于未来气候变化背景下的水资源规划及管理等具有重要意义，从而能够促进海河流域的社会经济发展，改善区域生态环境，实现水资源的可持续性开发利用。

　　河川径流对气候变化的响应是指流域的径流对可能的气候变化情景或者设定的气候变化情景的响应程度，即对气候变化的敏感性。在相同的气候变化情景下，响应的程度越大，河川径流越敏感，反之则不敏感。根据响应机理的定义，水文学者在全球很多典型流域中研究了水文要素对气候变化的响应。例如 Lopez 等[6]利用原型流域模拟方法，分别在城市覆盖、植被覆盖以及混合区域的 3 种下垫面条件下，研究了径流和泥沙对气候变化敏感性的差异。Jones 等[7]利用了 SIMHYD 模型、AWBM 模型和一个经验的水文模型估计了澳大利亚 22 个流域的年径流对降水和潜在蒸发变化的敏感性，结果表明降水变化 1% 会导致径流变化 2. 1% ～ 2. 5% ，而潜在蒸发变化 1% 会引起径流变化 0. 5% ～ 1. 0% 。Legesse 等[8]利用美国地质调查局的降水径流模拟系统分析了埃塞俄比亚 Meki 河的径流对气温和降水的敏感性，结果表明降水增加或者减少20% ，会导致径流增加 80% 或者减少 60% ; 而气温增加 1. 5℃会引起蒸散发增加 6% ，径流减少 13% 。贾仰文等[9]利用 WEP-L 模型分析了黄河源区径流对气温和降水的敏感性，指出气温升高会导致年径流减少，尤其以 5 ～ 10 月份最明显，但是 11 月 ～ 次年的 4 月份由于融雪的影响，径流会增加，同时由降水变化引起的径流变化幅度大于降水本身变化的幅度。王国庆等[10]利用月水量平衡模型分析了位于中国不同气候区的河川径流量对气候变化的敏感性，结果表明: 黄河以北干旱半干旱地区的径流量对气温和降水变化最敏感，其次为华中、华南半湿润区和湿润区，而西部高寒山区径流对气候变化的响应最弱。Dan 等[11]利用 VIC 模型分析了黄淮海平原区径流、蒸散发和土壤含水量对平均气温和降水变化的响应，结果表明气温升高导致径流下降的程度从南到北依次递减，并且当地水文循环要素对降水增加 15% ～ 30% 的响应要大于气温增加 2 ～ 5℃。

　　以往在研究海河流域的气候变化对河川径流的影响时，主要在典型流域中开展，然而在大区域中河川径流对气候变化响应的研究成果较少，主要由于在典型流域中水文模型的参数很容易率定，而大区域的水文模拟一直是困扰水文学家的一个难题。本文针对这一问题，以整个海河流域为研究对象，分析河川径流对气候变化的响应机理及其空间分布特征。

　　1 研究区域与资料

　　1. 1 研究区概况

　　图 1 海河流域概况及子流域位置 Fig. 1 The Haihe River basin and the location of six sub-catchments 海河流域位于中国北方，东经 112° ～ 120°，北纬 35° ～ 43°之间，西以山西高原与黄河流域接界，北以蒙古高原与内陆河流域接界，南靠黄河，东临渤海( 图 1) 。海河流域面积约 31. 8 万 km2 ，占全国总面积的 3. 3% 。流域属于温带东亚季风气候区，年平均气温为 0 ～ 14. 5℃，年平均降水量为 535. 0 mm，是中国东部沿海降水最少的地区，属半湿润半干旱地带，年平均陆面蒸发量为 470. 0 mm，水面蒸发量为 1 073. 0 mm。年平均气温与年降水量基本上从东南向西北依次递减，但在流域西部和东北部山区迎风坡前有两个年降水量极值中心。流域内人均总水资源占有量为 276 m3 ，仅为全国平均的 13% ，远低于人均 1 000 m3 的国际水资源紧缺标准; 亩均水资源量 213 m3 ( 1 亩 = 667 m2 ) ，为全国平均水平的 15% 。在全国各大流域中，海河流域的人均、亩均水资源量最低。海河流域人口密集，大中城市众多，是中国重要的工业基地和高新技术产业基地，在中国政治经济中占有重要地位。

　　1. 2 资料情况

　　在流域内的不同位置选取了 6 个水文站，基本可代表全流域的空间特征( 图 1) 。这 6 个水文站从南到北基本覆盖了整个海河流域，能够很好地反映海河流域不同区域的属性。6 个水文站的日流量资料来源于水利部水文局发布的水文年鉴，大多数资料都超过了 50 年。选取了海河流域内的 37 个气象站，包括 1951—2010 年日过程的平均气温、最高气温、最低气温和降水量资料。这些气象资料由中国气象局发布，具有很好的科学性和准确性。此外还有水文部门的 300 多个雨量站的日雨量资料。收集了 1956—2010 年，第二次全国水资源评价和水资源公报中发布的根据还原计算得到的海河流域地表水资源评价成果。流域内的植被资料来源于 Maryland 大学发布的全球1 km × 1 km 土地覆盖数据，共分为 14 种土地覆盖类型[12]。土壤质地数据来源于联合国粮农组织发布的全球 10 km × 10 km 的土壤质地数据，共分为 16 种土壤质地，有上下两层，上层为 0 ～ 30 cm，下层为 30 ～ 100 cm。

　　2 研究方法

　　2. 1 响应机理分析方法

　　以流域水文模型作为工具，根据河川径流对气候变化响应的定义，首先利用观测的水文气象数据来确定水文模型参数，然后假定降水和气温的变化来产生未来的气候变化情景，再利用假定的气候情景来驱动率定好的水文模型，最后通过比较水文模型模拟的未来情景下的河川径流量和基准期的河川径流量来分析河川径流对气候变化的响应[13]。这里气候变化主要考虑 3 个方面: 年降水量的变化、年平均气温的变化和降水年内分配( 用汛期降水量( 6 ～ 9 月) 占年降水量的百分比来表示) 的变化。

　　2. 2 VIC 模型

　　简介本文选用可变下渗容量( Variable Infiltration Capcity，VIC) 模型作为分析工具。VIC 模型是一个基于正交网格划分的大尺度分布式水文模型，它能够同时模拟地表间的能量平衡和水量平衡[14-15]。模型最主要的特点有: 同时考虑蓄满和超渗两种产流机制，基于正交网格的流域划分，多种土地覆盖类型的利用，三层土壤的划分，土壤下渗能力空间分布的不均匀性描述和非线性的地下径流产生机理等。在模型计算时，首先分别在每个网格内独立进行降水-蒸发-产流过程的计算，然后再统一汇流到流域出口断面形成流量过程。出于对地表间水文过程相对精细和准确的描述，VIC 模型在世界上很多流域都得到了广泛应用，并且获得了很好的模拟结果。

　　VIC 模型的总径流( R) 主要由两部分组成: 上两层土壤产生的地表径流( Rs) 和第 3 层土壤产生的基流 ( Rb ) 。VIC 模型采用了类似于新安江模型中的蓄水容量曲线来描述土壤下渗能力的空间分布不均匀性。从而利用下渗能力来计算地表径流。基流部分( Rb ) 采用 Arno 模型中的原理来计算，即当土壤含水量在某一阈值以下时，基流是线性消退的; 而高于此阈值时，基流过程是非线性的。

　　VIC 模型中共有 6 个参数需要利用观测的流量资料来进行率定。包括控制基流的 3 个参数: Dm、Ws和 Ds; 描述土壤蓄水容量曲线的形状参数 b、第 2 层和第 3 层的土层厚度 d2和 d3。这里根据土壤属性直接计算控制基流的 3 个参数，另外 3 个参数由流量资料来率定[16]。模型参数的率定主要考虑两个目标函数: NashSutcliffe 效率系数( CNS ) 和相对误差( ER) 。CNS反映了模拟的流量过程和观测的流量过程之间的吻合程度; ER是一个水量平衡指标，反映了模拟总径流和观测总径流之间的相对误差。CNS的值越接近 1，同时 ER的值越接近 0，则表示模拟效果越好。

　　2. 3 模型参数移植方法

　　VIC 模型的参数只能在海河流域的 6 个典型流域中率定，而其他地区的模型参数需要通过参数移植的方法来确定。这里选用相似流域法来计算整个海河流域的模型参数[17]。主要是利用物理相似和空间相近的方法来判别相似流域，然后将相似流域的模型参数直接移植到目标流域上。对于每个目标流域而言，相似流域的权重由物理距离和空间距离的组合来估计。选用流域的 9 个自然属性来判别相似流域，包括: 年降水量，年平均气温，干旱指数，叶面积指数，植物根系深度，上下层土壤的饱和水力传导度，上下层土壤田间含水量占饱和含水量的比例。

　　3 结果分析

　　3. 1 大尺度径流模拟结果

　　近几十年来，尤其是 1980 年以后，海河流域的水文循环过程受人类活动干扰十分明显。因此主要选取 20 世纪六七十年代的径流资料来率定模型参数。首先，将整个海河流域划分成 615 个 0. 25° × 0. 25°的正交网格。利用反距离权重法将站点的降水和气温数据插值到划分的网格点上。根据土壤属性直接计算每个网格中的基流参数。然后，在 6 个典型流域中率定模型参数，再利用参数移植技术计算 615 个网格中的模型参数，从而构建海河流域的大尺度径流模拟模型，进行整个海河流域的径流模拟。首先对比在典型流域中分别通过参数移植和参数率定模拟的径流过程与实测过程的相似程度，其结果见图 2 和表 1。总体而言，由相似流域法构建的大尺度影响评价模型模拟径流的 CNS较高，但是相对误差较大。例如，在三道河子和桃林口流域，参数率定得到的 CNS ( ER ) 为 0. 82( - 6. 80% ) 和 0. 92( 3. 67% ) ; 由相似流域法计算得到的 CNS ( ER ) 为 0. 8( 11. 2% ) 和 0. 8( 14. 0% ) 。两种方法模拟的径流过程和观测值都吻合较好。其次对比整个海河流域模拟的地表水资源量与水资源评价结果中还原的天然径流的吻合程度( 图 3) 。可见，构建的海河流域大尺度影响评价模型对于径流过程有较好的模拟结果，可以用作气候变化的影响评价工具。

　　3. 2 河川径流对气候变化的响应

　　根据河川径流对气候变化响应的定义，利用构建的海河全流域水文模型，分析全流域径流对气候变化的响应机理。根据 IPCC 的评估报告，未来平均气温的升高具有很大的可信度，假定年平均气温升高 2℃ ; 而降水的变化具有很大的不确定性，假定年降水量增加或者减少 10% ，以及汛期降水占年降水的比例增加或者减少 10% 。共设定了 9 种气候变化情景，详见表 2。分析得到全流域径流对这 9 种气候变化情景的响应见表 2 和图 4。

　　(1) 对年平均气温变化的响应。在年平均气温升高 2℃时，海河流域的径流量将减少 6. 5% 。同时径流量对气候变化响应的空间差异性也较大。流域西北部径流对年平均气温的升高更敏感，径流量最大减少了 15% ; 而流域东南部对年平均气温升高的敏感性较弱，最小的变幅仅为 - 1% 。

　　(2) 对降水量变化的响应。当年降水量增加或者减少 10% 时，海河流域的径流量将分别增加 26% 和减少 23% 。径流对年降水量变化响应的空间分布较复杂，总体上，流域北部、西北部和西南部山区对年降水的敏感性较大，而东部平原区对降水的敏感性较弱。

　　( 3) 对平均气温与降水量组合变化的响应。在年平均气温升高 2℃ 的前提下，年降水量增加或者减少 10% 会引起海河流域径流量增加 18% 或者减少 28% 。当年平均气温升高 2℃ 同时年降水量增加 10% 时，径流的敏感性从流域东南部向流域西北部递减。当年平均气温升高 2℃同时年降水量减少 10% 时，径流敏感性的空间分布较乱，总体上西部山区的敏感性较大。

　　( 4) 对降水年内分配变化的响应。在年降水量不变的前提下，当汛期降水占年降水量的比例分别增加或者减少 10% 时，全流域的径流量将会增加 12% 或者减少 7% 。当汛期降水占年降水量的比例增加 10% 时，流域东部和东北部的径流增加幅度最大达到了 24% ，而流域西部山区的径流量几乎没有发生变化。当汛期降水占年降水量的比例减少 10% 时，流域东部的径流减少程度最大为 - 19% ，而流域西部的径流量呈增加趋势。

　　( 5) 对平均气温与降水年内分配组合变化的响应。在年平均气温升高 2℃的背景下，当年降水量不变而汛期降水占年降水量的比例分别增加和减少 10% 时，全流域的径流量将分别增加 5% 和减少13% 。当年平均气温升高 2℃同时汛期降水占年降水比例增加 10% 时，流域大部分地区的径流量呈现增加趋势，其中幅度最大的位于流域东部达到了 17% ，而流域西部有些网格的径流量呈现减少趋势。当年平均气温升高 2℃同时汛期降水占年降水比例减少 10% 时，流域东北部的径流减少程度最大达到了 24% ，而流域西部和南部的敏感性较小，最小的为 0。

　　3. 3 讨 论

　　总体而言，在年平均气温升高和年降水量变化的情景下，海河流域西北部的河川径流比东南部更敏感; 在降水年内分配变化的情景下，海河流域东南部的河川径流比西北部更敏感。首先以降水量为例，分析径流对降水敏感性的空间分布特征，这与海河流域的年降水量空间分布特征相反( 图 5) 。即年降水量越大的地方，径流量对气候变化越不敏感; 相反的年降水量越小，径流量对气候变化越敏感。这与王国庆等[10]的结论相一致。下面分析产生这一现象的机理。

　　4 结 论

　　( 1) 在假定气候变化情况下，年平均气温升高 2℃时，海河流域的径流量将减少 6. 5% ; 当年降水量增加或者减少 10% 时，海河流域的径流量将分别增加 26% 和减少 23% ; 当汛期降水占年降水量的比例分别增加或者减少 10% 时，全流域的径流量将会增加 12% 或者减少 7% 。

　　( 2) 在年平均气温升高和年降水量变化的情景下，海河流域西北部的河川径流比东南部更敏感; 在降水年内分配变化的情景下，海河流域东南部的河川径流比西北部更敏感。气候变化与水文过程是一个复杂的问题，涉及到多学科的交叉和融合。就目前的认知水平，评估气候变化对水文水资源的影响具有非常大的不确定性。如何定量估计并减少这种不确定性是未来需要着重研究的方向之一。——论文作者：贺瑞敏1，2 ，张建云1，2 ，鲍振鑫1，2 ，严小林1，2 ，王国庆1，2 ，刘翠善1，2

　　参考文献:

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文章名称：海河流域河川径流对气候变化的响应机理

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