氣候變化對淮河徑流及洪峰流量的影響

吳安琪 石 朋,2 陸美霞 瞿思敏 田 丹林子珩 趙蘭蘭 紀小敏 崔彥萍

（1.河海大學 水文水資源學院, 南京 210098；2.河海大學 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,南京 210098；3.水利部信息中心, 北京 100053；4.江蘇省水文水資源勘測局, 南京 210029）

隨著社會的發展,人口快速增長,城市化進程加快,溫室氣體大量排放.2013年9月IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change, 政府間氣候變化專門委員會)公布第五次氣候變化評估報告《氣候變化2013：自然科學基礎》[1],報告指出：1880-2012年,全球海陸表面平均氣溫平均累積升高了0.85℃.日益突出的全球變暖問題導致全球不同尺度水資源的重新分配[2],全球氣溫升高使得大氣中水汽含量增加,水循環加快[3],區域性短歷時暴雨強度和極端強降水日數急劇增加[4-5],極端洪澇事件的發生日趨頻繁[6-7],氣候變化對流域徑流的影響已成為國內外水科學研究的熱點問題.水文模型是研究氣候變化對流域水循環影響的重要工具,其中SWAT模型是由美國農業部(USDA)開發的分布式流域尺度水文模型,對于客觀物理規律與水文要素時空分布差異性具有真實準確的描述,如Lee等運用SWAT模型研究了Namgang Dam流域氣候變化對水資源的影響[8]；李道峰等基于SWAT模型運用任意情景設置法模擬了黃河河源區在氣溫、降水改變時的徑流過程[9].

淮河流域是我國洪澇災害發生最頻繁的流域之一,且近50年全流域年平均氣溫升高趨勢明顯[10],在氣候變化情景下該流域的洪澇問題更加嚴峻[11].因此,研究氣候變化條件下淮河干流洪水演變趨勢對精準治淮顯得尤為重要.任意情景設置法是常用的氣候變化情景生成方法,操作簡單,可以反映出區域水文要素對氣候變化的敏感性.本文以淮河蚌埠(吳家渡)站以上集水區為研究區域,通過任意情景生成法設置氣候變化情景,利用SWAT模型對不同氣候情景進行徑流模擬,并分析研究區域徑流過程對氣溫變化的響應,以期對淮河流域未來的徑流變化趨勢做出預測,為流域防澇減災、保證當地用水安全提供參考.

1 資料與方法

1.1 研究區概況

淮河流域位于我國東部地區,位于東經111°55′～121°25′,北緯30°55′～36°36′之間,流域總面積為27萬km2.淮河發源于桐柏山太白頂北麓,自西向東流經河南、湖北、安徽、江蘇四省.淮河流域以廢黃河為界分為南北兩支,北支是沂沭泗水系,南支是淮河水系.蚌埠(吳家渡)站以上的淮河干流部分,位于東經112°～120°、北緯30°～36°之間,地勢西北高東南低,流域三分之一面積為山丘,其余為平原區；此外還分布有大量的湖泊與洼地,屬暖溫帶半濕潤季風氣候區,冬春干燥少雨、夏秋悶熱濕潤；全年氣候溫和,年平均氣溫為11～16℃；多年平均降水量約為920 mm,南多北少,東多西少；降雨年內分布不均,主要集中在7-9月.

圖1 研究區域地理位置及站點分布圖

1.2 SWAT模型構建

SWAT模型是美國農業部開發的分布式水文模型[12-13],它在SWRRB的基礎上經過30年的時間發展而來,可以在流域尺度上模擬徑流過程.伴隨著計算機技術以及空間分析技術RS和GIS的發展,SWAT的應用范圍越發廣泛,計算效率也大幅提升.

1.2.1 數據來源

為制備SWAT模型數據庫,選用地理空間數據(http：//www.gscloud.cn/)的DEM空間數據,分辨率為90 m×90 m,土地利用資料采用1990年數據,土壤數據采用FAO網站(http：//www.fao.org/nr/land/soil/harmonized-world-soil-databas e/en/)上下載的世界土壤數據庫(HWSD)的土壤數據,氣象數據選取了較完整的1975至2005年共31年的數據,其中采用蚌埠、寶豐、鼓室、鄭州站作為天氣發生器測站,降雨數據來源于38個雨量站的實測數據.

1.2.2 模型率定與驗證

在模型運行完成后,為了評價模擬結果與實際情況的符合程度,運用SWAT-CUP對模型參數進行敏感性分析、率定與驗證[14-15].選用息縣站、淮濱、蚌埠(吳家渡)3個水文站進行驗證.其中息縣站位于淮河干流上游,控制面積為10 240 km2；淮濱站位于淮河干流息縣站下游,控制面積為15 810 km2；蚌埠(吳家渡)站位于淮河干流下游,為研究區域出口,控制面積為121 800 km2.選用1988-2000年的實測流量數據進行驗證,其中1988-1989年進行預熱,1990-1995年進行率定,1996-2000年進行驗證.SWAT-CUP可對全局和單個參數分別進行敏感性分析,選取6個較為敏感的參數進行率定參數：分別為蒸發補償因子ESCO、徑流曲線數CN2、曼寧系數CH_N2、地下水滯后系數GW_DELAY、基流退水系數ALPHA_BF與水位閾值GWQMN.

選取SWAT-CUP自動計算的P因子、R因子、納什系數ENS和線性擬合系數R2作為評價指標.P因子值越接近1,R因子值越接近0,ENS值越接近1,R2值越接近1,模型模擬精度越高.率定期與驗證期評價指標計算結果見表1.

表1 率定期與驗證期評價指標

在蚌埠(吳家渡)、淮濱、息縣3個水文站的徑流模擬結果中,P因子都大于0.5,R因子都小于0.7,ENS值都大于0.7,R2值都大于0.7,表明所建的SWAT模型在本流域具有較好的適用性.

1.3 未來氣候情景生成

徑流過程受到自然與社會因素的共同影響,在自然因素中,降水可以引起徑流變化,改變洪水趨勢.氣溫的變化會影響流域地表水蒸發作用與植物蒸騰作用,同時也會對冰川融水過程產生重要影響.因此本文將關注降水與氣溫的變化對流域徑流的影響.目前國內外常用的氣候變化情景生成方法主要有4種：任意情景設置法、時空類比法、時間序列法及GCMs法[16-19].其中任意情景法操作簡單,且可以反映出區域水文要素對氣候變化的敏感性.

本文采用任意情景設置法,控制風速、太陽輻射量、濕度等氣象要素不變,人為設置氣溫與降水增量.據《第三次氣候變化國家評估報告》[20]表明：在未來的10年,我國平均氣溫將上升1.7℃.因此本文將設置氣溫增量分別為：0℃,0.5℃,1℃,1.5℃,2℃；降水情景分別設置為原降水量的80%,90%,1倍,1.1倍,1.2倍.共設置25組不同的氣候情景.

2 計算結果與分析

2.1 氣溫變化對研究區域徑流量變化的影響

保持降雨量不變,將氣溫在原數據的基礎上分別增加0℃,0.5℃,1℃,1.5℃,2℃,生成5種氣溫變化情景,代入建立好的SWAT模型中進行徑流模擬,結果如圖2所示.結果表明：降雨不變的情況下,氣溫增高2℃時,年徑流量減少了79 m2/s,變化率為-6.1%；氣溫增高1.5℃時,年徑流量減少了58 m2/s,變化率為-4.5%；氣溫增高1℃時,年徑流量減少了43 m2/s,變化率為-3.3%；氣溫增高0.5℃時,年徑流量減少了22 m2/s,變化率為-1.7%,即伴隨著氣溫的升高,年徑流量減少.擬合成氣溫與徑流量的趨勢公式為y=-19.4x+1 360.

圖2 不同氣溫變化情景下徑流量變化

2.2 降雨變化對研究區域徑流量變化的影響

保持溫度不變,降水情景分別設置為原降水量P的80%,90%,1倍,1.1倍,1.2倍,生成5種氣溫變化情景,代入建立好的SWAT模型中進行徑流模擬,結果如圖3所示.結果表明：氣溫不變的情況下,降雨量由P增加到1.2P時,年徑流量增加了546 m2/s,變化率為42.3%；降雨量由P增加到1.1P時,年徑流量增加了297 m2/s,變化率為23.0%；降雨量由P減少到0.9P時,年徑流量減少了316.3 m2/s,變化率為-24.5%；降雨量由P減少到0.8P時,年徑流量減少了601.1 m2/s,變化率為-46.5%.即伴隨著降雨的增加,年徑流量增加,當降雨量減少時,年徑流量也減少.擬合成降雨與徑流量的趨勢公式為y=290.75x+404.8.

圖3 不同降雨量情景下徑流量變化

2.3 氣溫與降雨變化對研究區域徑流量變化的影響

將生成的25種氣候變化情景分別代入建立好的SWAT模型中,以計算分析氣溫與降雨對淮河干流徑流量的共同影響.不同氣候變化情景模擬得到的年徑流量變化、變化率分別見表2、表3.

表2 不同氣候變化情景下徑流量變化(單位：m2·s-1)

表3 不同氣候變化情景下徑流量變化率(單位：%)

淮河流域年徑流量受到溫度和降水的共同影響.本文共設置了25種氣候變化情景.其中,當降雨量減少到0.8P,氣溫增加2℃時,年徑流量變化量最大,減少了660.1 m2/s,減少率為51.1%.當降雨保持不變,氣溫升高0.5℃時,年徑流量變化量最小,年徑流量減少了22 m2/s,變化率為1.7%.

淮河流域受降雨量變化的影響比氣溫變化的影響大,當氣溫不變時,降雨量每增加10%,年徑流量平均增加290.75 m2/s；當降雨不變時,氣溫每增加1℃,年徑流量平均減少19.4 m2/s.說明降雨是影響淮河流域年徑流量的主要因素.

2.4 氣候變化對研究區域洪峰流量變化的影響

統計25種氣候變化情景下模擬得到的1975-2005年洪峰流量,將不同氣候變化情景下得到的洪峰流量按大小排位計算其經驗頻率：

式中：Qm表示大于或等于Xm的經驗頻率,m表示樣本從大到小排列的項數,n為樣本容量.

通過目估適線法,用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線對數據進行適線擬合,得到不同氣候變化情景下,2年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇洪峰流量設計值.

由表4可以看出,淮河干流洪峰流量對氣候變化的響應十分敏感.2年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇洪峰流量均隨氣候條件的變化而變化.在降雨不變時,隨著氣溫的增加,流域蒸散發加大,淮河干流不同頻率洪峰流量均減少,但變化幅度較小.洪峰流量受降雨的影響變化顯著,在氣溫保持不變時,隨著降雨量的增加,極端暴雨量也有所增加,淮河干流不同頻率洪峰流量顯著增加.

表4 不同氣候變化情景下洪峰流量(單位：m2·s-1)

3 結論與展望

1)本文通過收集、整理地理、水文與氣象數據構建屬性與空間數據庫,對蚌埠(吳家渡)站以上流域進行SWAT建模,并使用息縣站、淮濱站與蚌埠(吳家渡)站1988-2000年實測徑流過程進行驗證.選取的參數有：徑流曲線數CN2,曼寧系數CH_N2,蒸發補償因子ESCO,基流退水系數ALPHA_BF,地下水滯后系數GW_DELAY,水位閾值GWQMN.結果顯示,率定期與驗證期P因子都大于0.5,R因子都小于0.7,ENS值都大于0.7,R2值都大于0.7,表示SWAT模型在淮河流域適用性較好.

2)通過人工設置25種氣候變化情景,帶入SWAT模型進行徑流模擬,分析研究區域徑流過程對氣候變化的響應.研究發現,伴隨著氣溫的升高,年徑流量與洪峰流量均減少；伴隨著降水的增多,年徑流量與洪峰流量均增加.淮河流域年徑流量與洪峰流量受到溫度和降水的共同影響.當降雨量減少到0.8P,氣溫增加2℃時,年徑流量變化量最大,并且在淮河流域,降雨對年徑流量與洪峰流量的影響比氣溫大.

本文分析了氣候變化情景下淮河干流年徑流量與洪峰流量的總體變化趨勢,在研究過程中假設下墊面條件不發生變化,但淮河流域地域廣闊,下墊面組成復雜,隨著人類活動的影響,未來情景下下墊面必然發生改變從而對洪水過程產生影響,如何綜合探討未來氣候與下墊面變化對洪水過程的影響,需要進一步的研究.