瑪納斯河流域未來氣候變化對水資源量影響分析

丁文學

(烏魯木齊水文勘測局，新疆 烏魯木齊 830000)

從1951年到2012，全球平均地表溫度上升了0.72℃，其中近一半的上升是由人類活動排放的溫室氣體增加和其他人類活動造成[1]。過去三十年，溫室氣體不斷增加和人為氣溶膠的排放，使得地表溫度以0.2℃/10a的速率持續上升[1- 2]，大氣環流發生變化，水文循環變得更加活躍，大氣層持水量增加，降水和大氣濕度也隨之增加。研究顯示，全球變暖和降水差異擴大導致全球干旱嚴重性增加，干旱影響范圍擴大，加之人類用水需求增加，加劇了水資源壓力[3- 4]。與此同時，極端氣候事件的頻發又進一步加劇了水資源和干旱問題[5- 6]。

干旱區內綠洲面積僅占總面積的3%～5%，卻承載了90%以上的人口，創造了95%以上的工農業產值。而綠洲的可持續發展依靠可利用水資源[7]。瑪納斯河是天山北坡最大內流河，季節性融雪水是其徑流的重要補給來源[8- 9]。利用氣候變化數據和水文模型可以量化氣候變化和人類活動情境對水文過程的影響。與統計方法相比，水文模型模擬方法基于一定物理意義，模擬結果貼近現實，可避免不合理情景的過大系統誤差[10]。

瑪納斯河流域是天山北坡經濟帶重要水源地，是經濟帶重要農業區，也是“一帶一路”核心建設節點。流域總人口28萬人，流域包括瑪納斯縣、石河子市、沙灣縣和克拉瑪依市小拐鄉。擁有國家濕地公園、中國碧玉之都公園、中國碧玉之都和國際葡萄酒莊等稱號，石河子市被譽為“共和國軍墾名城”，GDP超過700億，對水資源的依賴程度高。因此，流域未來水資源變化情況對水資源管理有著重要的作用。

1 瑪納斯流域概況

瑪納斯河發源于新疆準噶爾盆地南緣依連哈比尕山，是天山北坡最大的一條融雪性內陸河流。流域內有清水河等多條支流，出山口建有肯斯瓦特水庫，經過綠洲后最終注入瑪納斯湖[11]。流域面積2.70×104km2，河道長約400km，流域內分布有山地、綠洲、荒漠和冰川等多種自然景觀[12]。冰川面積約為608km2，水資源總量約為39×109m3[13]。雪冰融水補給占46%，降雨占26%，降雪占18%，形成的瑪納斯河綠洲是我國第4大灌區[12]。

2 模型建模

本文利用SRM模型進行融雪和降雨徑流模擬。其將當日的降水和融雪水加到前一天的退水上，計算公式如下[13]：

(1)

式中，Q—日平均徑流量，m3/s；C—雨雪的徑流系數，代表了降雨或融雪水最終進入河道的百分比，其中Cs—代表融雪徑流系數，CR—降雨徑流系數；a—度日系數，cm/℃d；T—度日，℃day；ΔT—高程分帶定義的溫度直減率，℃/m；S—高程分帶中積雪面積占總面積的比值；P—降水，cm，該變量受到溫度閾值Tcrit的影響，低于溫度閾值則會被識別為雪并被存儲在已有的積雪中，當條件滿足時則會發生融化；A—流域或者高程分帶的面積，km2；k—退水系數，指在沒有發生降雨或者融雪的情況下衡量流量退水情況的系數。

3 數據來源

本研究使用的CMIP6數據來自IPCC項目，包括46個世界各國氣候模式。SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM數據提供的30m分辨率。流域面積為5190.07km2，海拔范圍約為809～5216m。以500m高程進行分帶，全流域共分9個高程帶。肯斯瓦特水文站作為流域出水口提供模擬必須的徑流數據[14]。氣象水文資料包括流域模擬需要使用的常規氣象水文觀測項目，包括了日均氣溫、日降水和日均流量。高程帶溫度遞減率設定為0.065℃/m；日降水數據采用3個氣象站觀測數據平均值。使用MOD10A2積雪面積產品作為模型輸入計算積雪面積比例(SCA)。

4 流域水文建模

本文參考了瑪納斯河及天山北坡的相關研究成果，分析了積雪密度和度日因子研究成果[15- 18]，設置度日因子An的范圍0.14～0.47。退水系數K由x與y兩個參數，采用2011年4月25日—7月6日的洪水過程做散點圖后提取下包絡線，得到x和y。每一天的退水系數K與流量關系以及與x/y換算關系如下：

Kn+1=Qn+1/Qn

(2)

其余參數如融化閾值Tcrit、滯時LagTime、融雪和降雨的徑流系數Cs和Cr則參考了相關研究并考慮了隨時間和高程分帶的變化趨勢。

結合MOD10A2八日合成積雪覆蓋數據與站點實測水文、氣象數據，對瑪納斯河2011年4月底—7月初進行了融雪徑流的模擬。日模擬徑平均流量為58.010m3/s，日實測平均徑流量為57.334m3/s。其NSE、PBIAS和R2分別為0.83、-1.18%和0.81，基本達到了應用要求。

5 未來氣候變化趨勢

根據CIMP6模式未來預估數據對照歷史氣候觀測數據，計算未來氣候相對歷史期間的變化率。其中歷史階段相對1990—2014年各點平均值，近期指2020—2045年，中期指2045—2070年，遠期指2070—2100年。分別檢驗了理想狀態的SSP126情景和現實可行狀態的SSP370情景。

在未來SSP126情景下，近期氣溫呈現降低趨勢，降幅從0.14℃/10a到0.70℃/10a之間，降幅呈現南北差異，北部降溫幅度大于南部。中期氣溫呈現差異性，總體增幅從-0.25℃/10a到0.16℃/10a，南部增溫明顯，北部降溫明顯，中部呈現混合型存在。遠期氣溫同樣存在差異性，增幅從-0.14℃/10a到0.49℃/10a，總體上仍然存在南增北減的空間格局，但是中部混合型區域減少。近期的這種全局降溫趨勢或許是由于該情景與歷史模擬全強迫情景間的輻射強迫梯度太大導致的。在未來SSP370情景下，近期氣溫呈現南北差異，總體增幅從-0.48℃/10a到0.25℃/10a之間，南增北減格局明顯。中期氣溫呈現增加趨勢，增幅從0.16℃/10a到0.56℃/10a之間，南部增溫幅度大于北部。遠期氣溫呈現增加趨勢，增幅從0.42℃/10a到0.68℃/10a之間，南部增溫幅度大于北部。變暖趨勢在這種趨勢下是不可逆且速率增加的。如圖1所示。

圖1 瑪納斯河流域未來氣溫(第一行)和降雨(第二行)在SSP126(第一列)和SSP370(第二列)的變化率

在未來SSP126情景下，三期降水都呈現增加趨勢，近期增幅從11.4%/10a到13.5%/10a，中期增幅從6.1%/10a到7.3%/10a，遠期增幅從4.9%/10a到5.8%/10a，均呈現明顯南北差異性，南方增幅高于北方。從三期增幅降低的趨勢可以發現降水的增加逐漸減緩甚至減少，因此降水增加是不可持續的。在未來SSP370情景下，三期降水都呈現減少趨勢，近期降幅從3.3%/10a到5.9%/10a，中期降幅從1%/10a到2.3%/10a，遠期降幅從0.5%/10a到1.4%/10a，均呈現明顯南北差異性，南方降幅低于北方。從三期增幅降低的趨勢可以發現降水的減少逐漸減緩，或許跟同情景下氣溫增幅增加導致水汽補給增加有關。

6 結論

本文利用MODIS MOD10A2積雪面積產品數值產品和站點觀測數據建立了SRM融雪降雨徑流模型，通過分析CMIP6數據并代入SRM模型，經過數值模擬計算，發現在未來長時間時段中，瑪納斯河冰川和積雪融水在未來預估時段整體上呈現減小趨勢；近期處于小幅下降趨勢，中期呈現較快減少趨勢，遠期融冰雪將小于歷史平均水平。由于遠期較大降水增量補充了總體耗散增加情況，使得兩種情景下水資源總量相似。計算顯示，未來流域水資源總量減少3億左右，這將對流域水資源管理提出了嚴峻的考驗。