氣候變化背景下洺河流域徑流變化研究

趙明妍

(河北省保定水文勘測研究中心，河北 保定 071000)

1 研究區概況和數據來源

1.1 概況

洺河的發源地為河北省武安市的小摩天嶺，經過多市縣最終匯入北澧河。洺河東部、西部、北部和南部分別為流壘河、漳河、沙河、滏陽河，洺河流域的面積達3200 km2，其中，山區面積為2200 km2，平原面積為1000 km2。洺河流域的地形地貌較為復雜，包含山區、丘陵、平原等地貌類型，流域地勢呈現南高北低[1-2]。

洺河流域的緯度位置和地理位置決定了其為暖溫帶大陸性氣候，具有雨熱同期的特點，因此，本文分別研究分析溫度和降雨對流域徑流的影響。根據洺河流域多年的降雨量數據可發現降雨規律：一是年內降雨存在季節性差異，在7、8月汛期的降雨量達到全年降雨量的75%，而其他月份的降雨量較少，計算多年的年平均降水量為545.52 mm；二是同一時期降雨分布不均，由于洺河流域的地勢較為復雜，有山地與丘陵，降雨云受山地阻擋，從而導致山的兩坡存在較大的降雨量差異。西部太行山的迎風坡將暖氣團抬升最終形成降雨，而背風坡則降雨量少，此外，平原地區的降雨分布較均勻，但降雨量與山區相比則較少；三是降水量年變化較大，枯水年和豐水年的降水量差異較大，1960—2021年中的最大降水量是最小降水量的五倍。洺河流域自1960年后共修建了5座中型水庫。總控制流域面積為1465 km2，可全面控制流域水資源。各水庫修建情況見表1。

表1 流域中型水庫修建情況

1.2 數據來源

通過收集洺河流域的臨洺關水文站的逐日徑流和降水信息，研究分析洺河流域的水資源變化情況；為了研究雨量，收集了洺河流域雨量站的降水資料，同時，向周邊的市和縣請求獲取各氣象站的氣象資料，研究1960年至今洺河流域降水、徑流變化情況。其他的氣象數據主要來自國家氣象科學數據中心。

2 研究方法

徑流和降雨均受到人類活動和氣候的限制，通過相關專業知識可知降水、氣溫及蒸發量相互作用造成區域的水資源量改變，從而改變徑流和降雨，降雨量和徑流量呈現正相關性。平均和最高及最低氣溫、濕度、風速、日照等數據綜合形成潛在蒸散發，但該參數與徑流量呈現負相關性。為了展現氣候變化引起的徑流量改變詳情，本文以洺河流域作為參考，構建相應的SWAT模型，通過設置相關的參數模擬洺河流域的真實情況，動態展示徑流量的變化。

人類活動過度使用流域的水資源，使流域下墊面發生變化。此外，人類的生產發展，大量使用土地，建設大規模的水利工程，但同時又植樹造林，增加地表綠化面積，以改善生態，穩固水資源，流域由于受到這兩方面的影響，水文循環處于不穩定狀態。為了掌握土地使用方式對徑流的影響，通過SWAT模型，模擬流域的土地使用方式，同時模擬流域的氣候和其他參數，以真實還原徑流的變化詳情。

通過從各氣象臺和雨量站獲取的氣象數據，設置模型中的各參數，并采用水文模型，以全面模擬各種氣候下的徑流，驗證氣候變化對徑流的影響。由于模型無法模擬人類活動對徑流的影響，因此，根據某年的土地利用圖示表，設定相應的模擬參數，以真實還原天然徑流的氣候變化，驗證結果表明，流域天然徑流與氣溫和降水存在一定的關聯[3]。

3 徑流對氣候變化響應分析

3.1 徑流量的年際變化

洺河流域在7—9月屬于豐水期，徑流量達到年徑流量的50%，而12月—次年2月屬于枯水期，其徑流量占年總徑流量的6.3%，洺河流域的枯水期和豐水期的月徑流量相差較大，其中，最大月徑流量是最小月徑流量的10倍。洺河流域的水資源來源于降雨、土壤水分以及融雪，每年的徑流量分布較為穩定，但年際不穩定，如圖1所示。豐水期月徑流量在7月與9月出現高峰。由于徑流量每月的來源方式不同，造成月徑流量出現較大的差異。年內徑流量主要來源于地下水補給，主要為凍土水，造成年內徑流量不斷波動。由于洺河流域的緯度位置較高，季節性凍土大量存在于研究區，其深度可達到2.6 m。每年5月后，氣溫快速升高，但由于每年寒冷季節長達7個月，凍土覆蓋面積較大，每年凍土的融化時間需持續4個月。

圖1 1969—2019年月峰值指數α變化

1969—2019年的月徑流量峰值指數和變化趨勢如圖1所示，干濕指數變化趨勢如圖2所示。由圖可知，月徑流量的峰值全部呈現上升趨勢，但上升的幅度不大，表明季節性融水和雨水主要影響洺河流域的年徑流總量。而干濕指數的年際變化不顯著，表明枯水期和豐水期的徑流量比值隨時間并無明顯浮動，地下水穩定補給洺河流域。1969—2017年年徑流量變化顯示M-K檢驗結果變化趨向，并得出突變點位0.05，在圖中出現兩次突變點。根據圖像及其分析結果可知，1959年后的季節融水補給量主要呈現上升趨勢，對徑流量的影響力逐漸增大[4]。

圖2 1959—2019年月干濕指數β變化

累積平均能反應年平均徑流量隨時間的變化，通過圖3可知年平均徑流量呈現趨于穩定的趨勢，但1969—1995年，年徑流量的平均值處于不斷增加的狀態，1996—2019年，年徑流量的平均值則開始不斷減少，2011年的年徑流量平均值為39.55×108m3。經上述分析可知：1969—2019年的徑流量具有代表性，可真實的反映出徑流量年際的變化特征。滑動平均曲線減少了其他曲線的波動性，同時使較為顯著的差異的波動更加明顯。

由圖3可得，1969—1990年的年徑流量出現上升趨勢，但后期出現顯著的下降趨勢，因此，洺河流域的年徑流量變化較為顯著。由圖4可知，M-K檢驗的閾值T=1.96，其顯著性小于0.05，E值第一次超過可靠線后，逐漸處于較為穩定的狀態。在兩條可靠性線間E和F的交點稱為突變點，當交叉點所處位置<0時，徑流量則處于減少的狀態，當>0時，則處于增加的狀態。由圖可知，1969—2019年間出現3個突變點，分別為1971年、2009年以及2015年，使得洺河流域40年內的徑流量變化較大，影響區域水資源的供求。

圖3 1969—2019年徑流序列的累進平均和滑動平均曲線

圖4 1969—2017年年徑流量變化的M-K曲線

3.2 氣溫對年徑流的影響

通過第一組模擬試驗模擬溫度變化對洺河流域徑流量的影響，可知試驗結果見圖5。當降雨量不變時，隨著氣溫增加1～3 ℃，徑流的減少率呈現負增大的趨勢，因此，氣溫的升高會使徑流量不斷減少；隨氣溫降低1～3 ℃，徑流增加率呈現不斷增大的趨勢，因此，氣溫降低會使徑流量增加，由此可得氣溫和徑流量呈負相關關系。從兩者的影響程度來看，氣溫的增加幅度和氣溫的減小幅度相同時，徑流量的減少率小于徑流量的增加率，因此，徑流因氣溫降低的影響更加劇烈。整體來看，氣溫造成徑流量發生的波動較小，在氣溫變化±3 ℃范圍內，徑流量的變化不明顯[5]。

圖5 氣溫變化情景下流域徑流相對變化率(降水±0%)

3.3 降水對年徑流的影響

第二組模擬試驗為氣溫恒定，降水發生變化，其試驗結果如圖6。當降水增加，徑流的增加量逐漸增大，降雨減少，則徑流處于不斷減少的狀態。由此可知，降水和徑流量呈現正相關關系。從影響程度來看，氣溫相同時，降水的增加量與降水減少量相同時，降雨增加的影響力大于降水減少的影響力。與氣溫因素相比，徑流對降水的敏感程度更高，降水的變化只要在±30%范圍內，徑流的變化率遠超于氣溫變化因素下的徑流變化率。

圖6 降水變化情景下流域徑流相對變化率(氣溫±0 ℃)

4 結 論

(1)年均徑流對氣候變化的響應：降水恒定的情況下，徑流和氣溫呈現正比；氣溫恒定的情況下，徑流和降水呈現反比，從影響程度方面觀察，徑流對氣溫的敏感程度明顯低于徑流對降水的敏感程度。當降水和氣溫組合變化時，徑流的變化主要受到降水量的限制，進一步驗證了徑流對降水的敏感程度高于氣溫。

(2)年內徑流對氣候變化的響應：當降水不變時，徑流和氣溫在汛期呈正比，而在非汛期時呈反比，同時氣溫變化對年徑流量的影響相同。各月徑流量因氣溫降低發生的變化程度明顯高于徑流因氣溫升高發生的變化程度。