灤河流域氣候變化的水文響應研究

史曉亮, 楊志勇, 呂 杰, 劉 峰

(1.西安科技大學 測繪科學與技術學院, 西安 710054; 2.中國水利水電科學研究院 水資源研究所, 北京 100038)

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灤河流域氣候變化的水文響應研究

史曉亮1, 楊志勇2, 呂 杰1, 劉 峰1

(1.西安科技大學 測繪科學與技術學院, 西安 710054; 2.中國水利水電科學研究院 水資源研究所, 北京 100038)

以灤河流域為研究區，基于未來氣候變化研究成果建立了16種氣候變化情景，結合SWAT分布式水文模型模擬了不同氣候變化情景下的水文過程，對灤河流域氣候變化的水文響應進行了分析。結果表明：SWAT模型可以較好地模擬灤河流域的月流量過程，在研究區具有較好的適用性；流域氣溫升高將會導致蒸發量增加、徑流減少。在以升溫為主、降水變化存在很大不確定性的情況下，灤河流域徑流量可能進一步衰減。在未來降水增加的情況下，流域年均地表徑流增加趨勢的空間差異顯著，尤其是流域下游的遷西縣等地增加幅度超過12 mm，研究結果將為變化環境下灤河流域的水資源管理提供參考。

氣候變化; SWAT模型; 徑流; 灤河流域

在全球氣候變暖背景下，近100 a來中國平均氣溫升高0.5～0.8℃[1]，以全球變暖為主要特征的氣候變化已是不爭的事實[2]，并已成為全球變化的重要內容之一。氣溫升高將加快水循環過程，引起水資源在時空上的重新分配，可能加劇水文極端事件發生的頻率和強度，進而對流域和區域生態、水資源管理產生影響[3-4]。

海河流域是中國水資源最為緊張的地區，隨著全球氣候變化和人類活動影響的加劇，1980年以來海河流域水資源量大幅度衰減[5]。楊志勇等[5]以海河流域中受人類活動影響較小的伊遜河流域為對象，對氣候變化對伊遜河流域水資源量的影響分析后認為，在以升溫為主，降水變化存在很大不確定的情況下，伊遜河流域天然徑流量可能將進一步衰減。袁飛等[6]通過對氣候變化情景下海河流域水資源的變化趨勢預測后認為，未來氣候情景下，即使海河流域降水量增加，年平均徑流量仍將可能減少，海河流域的水資源將十分短缺。丁相毅等[7]將全球氣候模式與分布式水文模型WEP-L耦合分析了氣候變化對海河流域水資源的影響，結果表明流域徑流量呈減少趨勢，未來氣候變化條件下海河流域水資源管理將面臨更加嚴峻的挑戰。灤河是海河流域的四大水系之一，該區經濟發達，人口稠密，用水量大，水資源系統適應氣候變化的能力較低，是我國水資源系統最脆弱的地區之一[8]，未來氣候變化將可能加劇灤河流域水資源短缺情勢。因此，深入分析灤河流域水文過程對氣候變化的響應規律，對于流域水資源管理和開發利用具有重要意義。

目前多采用氣候模式與水文模型耦合的方法來研究氣候變化對水文的影響。通常遵從“未來氣候情景設計—水文模型—影響研究”的模式[9]。SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國農業部農業研究服務中心(USDA-ARS)于20世紀90年代早期開發的面向大中流域、長時間尺度的分布式水文模型[10]，目前已被國內外學者廣泛應用于流域水文過程模擬，以及流域氣候/土地利用變化的水文響應等方面[8,11]。因此，本文以灤河流域為研究區，綜合考慮流域地形、土地利用和土壤等因素，構建SWAT分布式水文模型；根據已有氣候觀測成果，建立未來氣候變化情景，進而應用SWAT模型分析不同氣候變化情景下水文響應結果，以期為水資源管理部門提供參考依據。

1　研究區概況

灤河是海河流域的四大水系之一，發源于河北省張家口地區的巴彥古爾圖山北麓，流經河北省、內蒙古自治區以及遼寧省的25個市縣區后，于河北省樂亭縣兜網鋪注入渤海灣。灤河全長888 km，流域面積44 750 km2，主要支流有伊遜河、武烈河、老牛河、瀑河、青龍河等。

灤河流域位于華北平原東北部，屬典型的溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨，春秋干旱少雨，冬季寒冷干燥。流域年均氣溫5～12℃，多年平均降雨量為400～700 mm，降水量年內主要集中在6—9月，占全年降水總量的67%～76%。流域多年平均徑流量為46.94億m3，但年內分配不均，年際豐枯變化懸殊，常出現連續豐水年和枯水年的異常現象。流域主要土地覆被類型為林地，占總面積的40%左右，其次為草地和耕地。主要土壤類型為棕壤和褐土。

2　數據來源與研究方法

2.1數據來源

本研究所用DEM為美國地質調查局的SRTM數據，分辨率為90 m。土地利用數據來源于中國土地利用/覆被數據集，采用的是1985年，2000年的1∶10萬數據。為保證本研究土地利用分類系統與SWAT模型一致，對獲取的土地利用數據進行重分類，將其轉換為SWAT模型能夠識別的土地利用類型代碼。

土壤類型分布數據根據1∶100萬土壤圖矢量化獲得。屬性數據包括物理屬性和化學屬性數據庫，由于本文主要針對徑流量模擬，不涉及水質問題，所以主要確定土壤物理屬性數據。通過查閱河北省土種志，以及采用美國農業部開發的土壤水特性計算程序SPAW等方式獲取各土壤物理屬性參數[12]。

氣象數據采用流域內及周邊的多倫、圍場、豐寧、承德、遵化、青龍、樂亭7個氣象站1970—2010年的逐日最高和最低氣溫、相對濕度、平均風速和日照時數，數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http:∥cdc.nmic.cn)。日太陽輻射量根據童成立等建立的基于站點位置和日照時數的模擬方法估算得到[13]。

由于流域內83個雨量站實測降雨數據序列較短(1970—1988年)，在一定程度上限制了該流域長時間尺度的分布式水文模擬。本文結合7個氣象站點逐日降雨資料，利用反距離加權平均法，估算得到各雨量站1989—2010年的逐日降雨量[14]。

水文數據選取三道河子(灤河)、韓家營(伊遜河)、承德(武烈河)、下板城(老牛河)和灤縣(灤河)5個水文站1970—2000年的月還原徑流數據用于模型率定和驗證。

2.2模型參數率定

SWAT模型對子流域的劃分基于最小集水面積閾值，本文中最小集水面積取150 km2，將灤河流域劃分為174個子流域。本研究地表徑流估算采用SCS徑流曲線數法，潛在蒸散發選擇Penman-Monteith法，河道匯流演算采用變動存儲系數法。

考慮到灤河流域內分布有許多大中型水庫，以及引灤入津等調水工程，而本文旨在研究氣候變化條件下自然產流過程的響應，為剔除水利工程的影響，本研究采用了1970—2000年的月還原徑流對模型進行率定和驗證。其中1970—1972年作為模型的初始條件形成期，選取1973—1988年5個水文站的月還原徑流數據進行模型率定，以1985年土地利用數據作為輸入；采用率定后的參數，應用1989—2000年水文氣象數據進行模型驗證，以2000年土地利用數據為輸入。本文采用常用的決定系數(R2)、Nash-Sutcliffe效率系數(Ens)和相對誤差(ER)3個指標評價模型在研究區的適用性。一般認為，R2越高，Ens越大，|ER|越小，表明模擬效果越好，當R2>0.6，Ens>0.5，|ER|<15%時，即認為模型在研究區適用[8,15,16]。

本文通過敏感性分析得到影響灤河流域徑流模擬精度的7個重要參數并對其進行率定，分別為徑流曲線數(CN2)、土壤蒸發補償系數(ESCO)、基流消退系數(ALPHA_BF)、淺層地下水再蒸發系數(REVAPMN)、主河道河床有效的水力傳導度(CH_K2)、土壤可利用有效水量(SOL_AWC)、土壤飽和導水率(SOL_K)。參數率定過程中遵循先上游后下游，先調整水量平衡，再調整過程的原則[8]。首先采用瑞士聯邦水生物科學與技術研究院開發的SWAT-CUP中的SUFI-2(Sequential Uncertainty Fitting Version 2) 優化算法進行自動校準，進而結合手動校準進行模型參數優化。

2.3氣候變化情景

國內外常用的氣候變化情景設定主要有2種方法。一是增量情景，即根據區域未來氣候可能的變化，人為任意給定降水量、氣溫等氣候要素的變化值，或者不同要素變化的組合[17-19]。另一種是基于GCMs(大氣環流模型)來模擬不同溫室氣體排放情景下輸出的氣候情景。盡管GCM模型能夠模擬復雜的物理過程，將地球輻射平衡與大氣環流和水文循環聯系起來，并能夠較準確的模擬氣候因子，但是各種GCM模型對相同的CO2增量方案，對氣溫和降水的預測結果差異很大，特別是對降水的增減預測可能是完全相反的結果，氣候變化預測具有很多不確定性[20]。

眾多學者對海河流域氣候變化的預測結果一般認為，未來氣溫將持續升高，具體的升溫幅度有一定差別，相比2000年2030年升溫在1.0～2.8℃，2050年升溫約2.3～3.3℃；而關于降水變化趨勢與幅度的預測則存在分歧，一般認為到2050年海河流域降水會有所增加，幅度在3%～7%，但是2030年降水可能減少，也可能增加，變化幅度在-1%～3%[5]。因此，綜合多位學者對海河流域氣候變化的預測成果，本文采用增量情景法建立灤河流域未來氣候變化情景，具體設置為：降水量(P)變化-1%，+3%，+5%和不變；氣溫(T)分別在原來的基礎上增加1℃，2℃，3℃和不變，共生成16種氣候情景組合。

3　結果與分析

3.1SWAT模型在灤河流域徑流模擬中的適用性分析

表1為各水文站徑流模擬的評價結果，可以看出，率定期各水文站均達到模擬精度的要求，除三道河子站外，其他水文站R2和Ens均大于0.8，反映了模型對徑流趨勢的模擬能力較好。韓家營、承德和下板城3個主要支流水文站的月徑流模擬結果小于實測值，而三道河子與灤縣水文站的模擬結果略微偏高，但各站的相對誤差均不超過±5%。由于1988年之后缺少雨量站降雨資料，本研究采用了基于氣象站資料的降雨插補值，但是由于在部分年份無法有效描述流域降雨的高值信息，導致驗證期各站模擬值均小于實測值，且R2和Ens有所降低，但結果均達到了模擬精度的要求，月徑流擬合結果較好(圖1)。模擬結果表明應用SWAT模型進行灤河流域的徑流模擬是可行的，適用于研究區氣候變化的水文響應研究。

表1　模型月徑流模擬結果評價

圖1　灤縣站月徑流模擬值和實測值對比

3.2灤河流域氣候變化的水文過程響應分析

以1970—2010年的歷史系列為基準，根據16種氣候變化情景生成不同的氣候系列數據，均采用2000年的土地利用數據，基于已經過校驗的SWAT模型模擬各種氣候情景下灤河流域水文過程，將不同情景下模擬得到的平均徑流深、蒸發量等主要水文要素與現狀氣候條件下的模擬結果進行對比，進而分析氣候變化對灤河流域水文過程的影響。

從表2和表3可以看出，灤河流域未來的徑流深和蒸發量變化存在較大的不確定性，在設定的不同情景下灤河流域徑流深的變化幅度為-11.53%～14.68%，蒸發量的變化幅度為-0.48%～5.20%，不同氣候變化情景下徑流和蒸發量變化差異明顯。徑流增加最多的氣候情景是溫度不變，降水增加5%，此時徑流量比現狀氣候條件下增加14.68%；實際蒸發增加最多的氣候情景是溫度增加3℃，降水增加5%，此時蒸發量比現狀氣候條件下增加5.20%。表明未來氣候情景下氣溫升高，降水變化將會導致灤河流域水資源量的重新分配。在降水量不變的情況下，氣溫升高將使降水更多的轉化為蒸發，增加幅度為0.65%～2.35%，而形成的徑流將減少2.59%～14.68%。而在氣溫保持不變時，降水的增加將使徑流和蒸發均有所增加，增加幅度分別為8.66%～9.09%和1.49%～2.47%，徑流變化幅度明顯大于實際蒸發。由以上分析可以看出，灤河流域氣溫升高將會導致蒸發量增加、徑流減少。在以升溫為主、降水變化存在很大不確定性的情況下，灤河流域徑流量可能進一步衰減。

此外，當降水保持不變，氣溫增加3℃，徑流減少9.09%；而當氣溫保持不變，降水增加5%，徑流將增加14.68%。因此，降水對徑流的影響要大于溫度，表明灤河流域未來降水的變化是影響水資源變化的主要因素。

表2　不同氣候變化下的平均徑流深變化　%

注：P表示降水，角標表示變化幅度(%)，下表同。

3.3灤河流域地表徑流對于氣候變化的空間響應特征

為進一步從空間尺度上分析流域未來氣候變化對地表徑流的影響，本研究以子流域為分析單元，分別計算了徑流變化最顯著的氣候情景(P+5，T)與現狀氣候條件兩種情景下1973—2010年的年均地表徑流，得到兩種氣候情景下年均地表徑流變化的空間分布(圖2)。

表3　不同氣候變化下的平均月實際蒸發變化　%

從圖2可以看出，未來降水增加將導致整個流域年均地表徑流發生不同程度的增加。其中流域上游的多倫縣、沽源縣，中游的圍場縣等地的年均地表徑流增加幅度相對較小。分析原因在于上述地區的主要土地利用類型為林地和草地，由于冠層截留部分降水，以及枯枝落葉層的影響，導致增加的降水轉化為地表產流的比例較小，因此地表徑流增加幅度相對較小。而除此之外的流域其他大部分地區人類活動影響顯著，主要土地利用類型為耕地和建設用地。相對于林草地，耕地和建設用地的下層土壤相對緊實，入滲率較低，從而增加了土壤保水性，使得降水在土壤剖面能夠更快的飽和[21]，產流能力較強，使得由于氣候變化增加的降水轉化為地表徑流的比例增大，從而導致年均地表徑流增加幅度較大，尤其是流域下游的遷西縣以及遷安縣等地增加幅度更為顯著。

圖2　灤河流域年均地表徑流變化空間分布

4　結 論

(1) 灤河流域SWAT模型在率定期模擬效果較好，但是由于1988年之后缺少詳細的雨量站降雨信息，使得驗證期部分水文站的模擬精度有所下降，但均達到了模擬精度的要求，月徑流模擬結果可以應用于氣候變化的水文響應分析。

(2) 在流域降水量不變的情況下，氣溫升高將使蒸發增加幅度為0.65%～2.35%，而徑流將減少2.59%～9.09%。在氣溫保持不變時，降水增加將導致徑流和蒸發均有所增加，增加幅度分別為8.66%～14.68%和1.49%～2.47%。因此，灤河流域氣溫升高將會導致蒸發量增加、徑流減少。在以升溫為主、降水變化存在很大不確定性的情況下，灤河流域徑流量可能進一步衰減。

(3) 在未來降水增加的情況下，灤河流域年均地表徑流均呈增加趨勢，且空間差異顯著，尤其是流域下游的土地利用類型以耕地和建設用地為主，使得增加的降水轉化為地表徑流的比例增大，從而導致年均地表徑流增加幅度較大，尤其是流域下游的遷西縣以及遷安縣等地增加幅度更為顯著。

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Hydrological Response to Climate Change in Luanhe River Basin

SHI Xiaoliang1, YANG Zhiyong2, Lü Jie1, LIU Feng1

(1.College of Geomatics, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China;2.DepartmentofWaterResources,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100038,China)

Taking the Luanhe River Basin as the research area, we constructed a total of sixteen climate change scenarios on the basis of the previous studies in the context of future climate change in Haihe River Basin. With the distributed hydrological model of SWAT (Soil and Water Assessment Tool), the monthly streamflow in the study area was simulated, and the hydrological response to climate change was evaluated. The results showed that the calibrated SWAT model was able to well simulate the monthly flows and thus extensively applicable in the Luanhe River Basin. Besides, temperature rising might resulted in increased evaporation and decreased runoff. Therefore, the runoff in the Luanhe River Basin could be further deteriorating under the changing climate that is characterized by rising in temperature and the uncertainty in precipitation trends. Under the climate scenario with increased precipitation, the increase trend of average annual surface runoff had significantly spatial variability, especially in the downstream of the basin, including Qianxi County etc. The results would be greatly helpful for providing some

for water resources management under the changing environment in Luanhe River Basin.

climate change; SWAT model; runoff; Luanhe River Basin

2015-04-08

2015-05-01

國家自然科學基金資助項目(51409204)；陜西省教育廳科學研究計劃資助項目(15JK1473)；西安科技大學博士啟動金資助項目(2014QDJ039)

史曉亮(1985—),男,陜西寶雞人,講師,研究方向:遙感與地理信息系統在水文學中的應用。E-mail:s_xiaoliang@126.com

楊志勇(1979—),男,湖南常德人,高級工程師,主要從事水文水資源、分布式水文模擬,氣候變化對水資源影響等基礎研究。E-mail:yangzy@iwhr.com

P339; P467

A

1005-3409(2016)02-0123-05