南水北調(diào)中線工程水源區(qū)21世紀水資源響應過程研究

南水北調(diào)中線工程水源區(qū)21世紀水資源響應過程研究

1氣候變化情景氣候變化對水資源的影響和適應性是國際社會最普遍的全球問題。氣候變化對我國各地區(qū)水資源影響的時空格局變化,尤其是對水資源工程和規(guī)劃的影響,將是氣候變化影響評估的重要內(nèi)容。未來氣候變暖背景下我國水資源面臨著很多不確定性,將給水資源可持續(xù)利用和管理及社會經(jīng)濟系統(tǒng)帶來新的巨大挑戰(zhàn)。氣候變化對水文水資源影響的研究方法已經(jīng)從過去的采用假定的氣候變化值,或由大氣環(huán)流模型(GeneralCirculationModels,GCMs)輸出的大氣二氧化碳濃度加倍達到穩(wěn)定狀態(tài)時的氣候情景值,由此構(gòu)建的氣候平均態(tài)變化驅(qū)動水文模型,發(fā)展到聯(lián)合國政府間氣候變化專家委員會(TheIntergovernmentalPanelonClimateChange,IPCC)第三、四次評估報告期間開始采用排放情景(SpecialReportonEmissionsScenarios,SRES)和眾多氣候模型來研究。在氣候變化研究中,各個模式對不同地區(qū)的模擬效果不盡相同,單一GCM的模擬預測值輸入到水文模型中,會引起徑流雜亂無章的變化。許多科學家的研究證明,多個模式的平均效果優(yōu)于單個模式的效果。近年來,為減少氣候模型對降水模擬的不確定性,開始采用多個氣候模型集合平均的方法。南水北調(diào)中線工程從漢江丹江口水庫引水(近期),連通長江、淮河、黃河、海河四大流域,北上自流到北京、天津,它對緩解京津及華北地區(qū)水資源短缺,改善受水區(qū)生態(tài)環(huán)境,促進華北地區(qū)經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。水源區(qū)為漢江流域丹江口以上地區(qū),集水面積9.52萬km2,屬于北亞熱帶季風氣候,具有北亞熱帶和暖溫帶兩種氣候特征,氣候溫和,雨量較為豐沛,多年平均降水量為819.5mm,多年平均氣溫為14.6℃,多年平均徑流量是368.7億m3。未來水源區(qū)的地表水資源變化將直接影響調(diào)水工程的可靠性,是跨流域水資源調(diào)配與管理運行的重要依據(jù)。為此本文以南水北調(diào)中線工程水源區(qū)為研究流域,基于數(shù)字高程模型、土地利用和土壤類型等資料,建立了SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)分布式水文模型,驗證了SWAT模型在該流域的適用性;根據(jù)第四次報告(theFourthAssessmentReport,AR4)多模式GCMs輸出結(jié)果,分析了IPCCSRES情景下21世紀降水、氣溫、徑流和蒸發(fā)量的響應過程。結(jié)果將可南水北調(diào)中線工程的實施和運行提供相應的科學依據(jù),對于保證南水北調(diào)中線工程未來調(diào)水的運行管理和流域社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要參考價值。2數(shù)據(jù)和方法2.1數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)來源(1)站點觀測數(shù)據(jù)。氣象站點數(shù)據(jù)來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng),包括南水北調(diào)中線工程水源區(qū)流域的9個氣象站點的數(shù)據(jù)序列,包括日最高氣溫、日最低氣溫、逐日太陽輻射、逐日相對濕度、逐日相對風速、日降水量。另外逐日降雨量數(shù)據(jù)還包括來自流域內(nèi)195個雨量站。逐月徑流量為流域控制站黃家港水文站1980—1990年天然徑流量值(圖1)。(2)GCMs模式數(shù)據(jù)。本文采用的數(shù)據(jù)是世界氣候研究計劃(WorldClimateResearchProgramme,WCRP)的耦合模式比較計劃——階段3的多模式數(shù)據(jù),是國家氣候中心對參與IPCC第四次評估報告的20多個不同分辨率的全球氣候系統(tǒng)模式的模擬結(jié)果經(jīng)過插值降尺度計算,將其統(tǒng)一到同一分辨率(1°×1°)下,對其在東亞地區(qū)的模擬效果進行檢驗,進行多模式集合的結(jié)果。未來氣候情景預估采用IPCC第四次評估報告中假定的注重經(jīng)濟增長的區(qū)域發(fā)展情景(A2,高排放)、注重經(jīng)濟增長的全球共同發(fā)展情景(A1B,中等排放)和注重全球可持續(xù)發(fā)展情景(B1,低排放)。(3)流域數(shù)字化資料。本文使用的DEM數(shù)據(jù)資料從美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提供的GTOPO30公共域中獲取,該數(shù)字高程資料分辨率為500m×500m,從中提取流域DEM(圖2),再提取流域河網(wǎng)和進行子流域劃分(圖1)。土壤空間分布資料(圖3)來源于中國科學院南京土壤研究所土壤數(shù)據(jù)庫,并按照中國資源與環(huán)境數(shù)據(jù)庫中土地資源與環(huán)境大類下土壤小類進行描述。土地利用空間分布資料(圖4)來源于國家測繪總局提供的30m國家土地覆蓋分幅TIF圖,并參照SWAT模型自帶的美國土地利用參數(shù)庫,將其分為12類。2.2中國天氣發(fā)生器由于采用的SWAT分布式水文模型需要輸入日數(shù)據(jù)資料,由此本文通過天氣發(fā)生器對資料進行了時間上的降尺度處理。天氣發(fā)生器采用的是北京氣候中心聯(lián)合瑞典哥德堡大學地球科學中心區(qū)域氣候研究小組(RegionalClimateGroupattheUniversityofGothenburg)共同研究開發(fā)的適用于中國廣大地區(qū)的中國天氣發(fā)生器BCCRCG-WG3.00。經(jīng)過檢驗表明該天氣發(fā)生器模擬日降水量的年平均降水量、各月平均降水日數(shù)及各月雨日平均降水量與實測值的統(tǒng)計結(jié)果非常接近,相關(guān)性很好。3ws模式對南北工程水源區(qū)流量模擬的適用性研究3.1模型性能全面提高SWAT模型研制于20世紀90年代初期,是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)服務中心(ARS)研制開發(fā)的。目前較為成熟的版本為SWAT2003,其主要的技術(shù)優(yōu)勢是基于Arcview平臺的AVSWAT2000模塊基礎(chǔ)上,加入了參數(shù)自動敏感性分析和參數(shù)自動優(yōu)化模塊,提高了模型效率。SWAT模型是具有一定時段的適用于較大流域尺度的分布式水文模型,它具有很強的物理基礎(chǔ),適用于具有不同的土壤類型、不同的土地利用方式和管理水平的復雜流域,并能在資料缺乏的地區(qū)建模,在加拿大和北美寒區(qū)具有廣泛的應用。從模型結(jié)構(gòu)上看,SWAT屬于第二類分布式水文模型,即在每一子流域上應用傳統(tǒng)概念性模型推求凈雨,再進行匯流演算,最后求得出口斷面流量。SWAT模型偏重于水文模擬,能夠做時間連續(xù)的模擬,主要模擬不同土地利用和多種農(nóng)業(yè)管理措施對流域的水、泥沙、化學物質(zhì)的長期影響,也能夠響應降水、蒸發(fā)等氣候因素和下墊面因素的空間變化以及人類活動對流域水文循環(huán)的影響。到目前為止,SWAT模型已被國內(nèi)外的學者們廣泛應用于模擬流域的水文過程以及流域在不同的氣候變化、土地利用變化下的水文響應,評價人類活動等對流域的生態(tài)環(huán)境影響,以及區(qū)域水資源的規(guī)劃和管理等方面。3.2ly-表面蒸散法由于只有日降水觀測資料,故徑流模擬方法選擇“日降雨數(shù)據(jù)/SCS徑流曲線數(shù)方法/以日為時間單位”進行徑流演算。潛在蒸發(fā)量的模擬方法選擇Priestly-Taylor方法,該方法由Priestley&Taylor根據(jù)濕潤表面感熱通量與潛熱通量的關(guān)系,以平衡蒸散思想為基礎(chǔ),給出的在低平流條件中(low-advectiveconditions)潛在蒸散發(fā)的計算公式,方法中使用了太陽輻射量,土壤感熱通量、氣溫和相對濕度等氣候要素,國內(nèi)外的一些研究說明了該方法適用于濕潤地區(qū)的潛在蒸發(fā)量的計算。河道演算采用馬斯京根法。徑流模擬的時間尺度為月,參數(shù)率定也是以月徑流效率系數(shù)為評價指標。3.3參數(shù)率定及管理SWAT模型參數(shù)眾多,可分為兩類,第一類可根據(jù)參數(shù)的物理意義直接標定,如土壤物理屬性參數(shù)、土地利用/植被覆被屬性參數(shù)的取值主要利用SWAT模型自帶的數(shù)據(jù)庫中的參數(shù)值確定。本文側(cè)重于流域的徑流模擬研究,因而第二類參數(shù)主要是流量參數(shù)的率定,率定的參數(shù)分別有徑流曲線數(shù)(CN)、土壤有效含水量(SOL_AWC)、土壤蒸發(fā)補償系數(shù)(ESCO)、地下水蒸發(fā)系數(shù)(GW_REVAP)和基流消退系數(shù)(ALPHA-BF)。參數(shù)率定過程中遵循先上游后下游;先調(diào)整水量平衡,再調(diào)整過程;先調(diào)整地表徑流,再調(diào)整土壤水、蒸發(fā)和地下徑流的原則?？紤]到SWAT模型結(jié)構(gòu)的復雜性,本文采用自動優(yōu)選與手工優(yōu)選相結(jié)合的方法優(yōu)選第二類參數(shù)。3.4模擬結(jié)果回收率研究中采用1980—1987年日資料進行模型參數(shù)率定,1988—1990年進行模型檢驗。模擬期和檢驗期模型評價結(jié)果見表1和圖5。由表1可以看出,在模擬期Nash效率系數(shù)達到0.87,相關(guān)系數(shù)為0.93,相對誤差0.25%;檢驗期Nash效率系數(shù)達到0.76,相關(guān)系數(shù)為0.88,相對誤差2.03%。結(jié)果表明在南水北調(diào)中線工程水源區(qū),應用分布式水文模型SWAT進行徑流模擬是完全可行的,為在此基礎(chǔ)上的流域水資源對氣候變化響應研究奠定了基礎(chǔ)。4水文循環(huán)響應過程根據(jù)WCRP的耦合模式比較計劃——階段3的多模式數(shù)據(jù)結(jié)果,選取1961—1990年作為氣候基準期,分析南水北調(diào)中線工程水源區(qū)未來降水和氣溫的變化。然后根據(jù)上述多模式數(shù)據(jù),利用天氣發(fā)生器將月資料降解為日資料,并輸入至SWAT模型中,模擬A2、A1B和B1情景下南水北調(diào)中線工程水源區(qū)2011—2099年的水文循環(huán)響應過程。為了便于分析,將未來2011—2099年劃分為3個時期:2020s(2011—2040年)、2050s(2041—2070年)和2080s(2071—2099年),對各年代的降水、氣溫、蒸發(fā)和徑流的年際變化、年代際變化和年內(nèi)變化進行比較分析。4.1種氣候變化情景年降水量的趨勢檢驗A2、A1B和B1情景下南水北調(diào)中線工程水源區(qū)未來2011—2099年降水量變化如圖6所示。可以看出3種氣候情景下未來降水量變化趨勢總體一致,較基準期都呈現(xiàn)出增加趨勢,年變化率分別為1.59%、1.41%和0.65%,A2和A1B情景下降水量增加趨勢明顯。從未來各年代平均降水量相對基準期的變化表(表2)中看出,3種情景下各年代降水量大都呈增加趨勢,A2、A1B和B1情景下年平均降水量在2020s分別較基準期變化2.45%、-0.145%和2.91%,在2050s分別較基準期增加7.60%、6.24%和5.13%,在2080s分別較基準期增加11.69%、8.45%和6.68%,其中只有A1B情景下2021—2040年降水量較基準期是減少的。降水量在2020sB1情景下增幅最大,在2050s和2080sA2情景下增幅最大。A1B情景下降水是先減少后增大,轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在21世紀30—40年代,這和文獻中的預測結(jié)果基本一致。運用M-K趨勢檢驗法對3種氣候變化情景下2011—2099年各月降水量進行趨勢檢驗,如圖7所示。A2情景下除了2、11月份降水量呈現(xiàn)出不顯著的降幅外,其他各月份都呈現(xiàn)出增加趨勢,其中1、3、4月份降水量增幅顯著。A1B情景下除了4、11月份降水量呈現(xiàn)出微小的降幅外,其他各月份都呈現(xiàn)出增加趨勢,其中2月份降水量增幅顯著。B1情景下2、10月降水量呈現(xiàn)出減小趨勢,但不顯著,其他月份都呈現(xiàn)增加趨勢,其中3、11月份增幅顯著。按情景分析,A2和A1B情景下月降水量增加的幅度較大,而B1情景月降水量的變幅較小。4.2年生平均氣溫特征A2、A1B和B1情景下南水北調(diào)中線工程水源區(qū)未來2011—2099年平均氣溫變化如圖8所示?？梢钥闯?種氣候情景下未來年平均氣溫較基準期都呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢,分別增加0.433℃、0.378℃和0.219℃,A2情景下年平均氣溫增幅最大,B1情景下增幅最小。從未來各年代平均氣溫相對基準期的變化表(表3)中看出,在2020s時期A2、A1B和B1情景下年平均氣溫分別較基準期增加0.971℃、1.038℃和0.886℃;在2050s時期A1B情景下增溫最為明顯,較基準期增加2.316℃,A2情景下增溫趨勢次之,為2.039℃,B1情景下增溫略緩,為1.584℃;在2080s時期A2情景下增溫最顯著,較基準期增加3.596℃,A1B情景下次之,增加了3.299℃,B1情景下增溫最小,為2.227℃。運用M-K趨勢檢驗法對3種氣候變化情景下2011—2099年各月平均氣溫進行趨勢檢驗,如圖9所示。3種氣候情景下全年12個月平均氣溫呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢,總體來看,2、3、4月份的增溫幅度略小于其他月份。按情景分析,A2和A1B情景下各月氣溫增加趨勢較B1情景更為劇烈。4.3年—未來徑流量變化分析A2、A1B和B1情景下南水北調(diào)中線工程水源區(qū)未來2011—2099年徑流量變化如圖10所示。可以看出3種氣候情景下21世紀水源區(qū)年徑流量變化趨勢一致,較基準期都呈現(xiàn)出隨時間增加的趨勢,增加率分別為0.32%、0.22%和0.23%,A2情景下徑流量變化幅度相對A1B、B1情景較大。從未來各年代平均徑流量相對基準期的變化表(表4)中看出,3種情景下各年代徑流量較基準期都出現(xiàn)先減少后增大的態(tài)勢。在2020s時期A2、A1B和B1情景下年徑流量較基準期減少,減少量分別為3.583%、6.445%、4.966%;21世紀40年代A2、B1情景下年徑流量開始較基準期增加,A1B情景下年徑流量仍較基準期減少9.633%;在2050s時期3種情景下年徑流量較基準期表現(xiàn)為一致增加的趨勢,增幅分別為5.941%、10.334%、9.776%;在2080s時期分別較基準期增加13.889%、7.347%、9.593%。年平均徑流量在2050sA1B情景下增幅最大,在2080sA2情景下增幅最大。運用M-K趨勢檢驗法對3種氣候變化情景下2011—2099年各月徑流量進行趨勢檢驗,如圖11所示。A2情景下除了2月份徑流量呈現(xiàn)出微弱的降幅外,其他各月份都呈現(xiàn)出增加趨勢,其中1、3、4、8、9、10、11月份徑流量增幅顯著。A1B情景下5、6月份徑流量呈現(xiàn)出一定的降幅,其他月份呈現(xiàn)增加趨勢,其中1、2、3、8、9、10、11月份增幅顯著。B1情景下除了6月份徑流量呈現(xiàn)出微弱的降幅外,其他各月份都呈現(xiàn)出增加趨勢,其中1、7、11、12月份徑流量增幅顯著?？偟膩砜?未來秋季徑流量增幅最大,夏季增幅最小。4.4典型情景蒸發(fā)量變化趨勢A2、A1B和B1情景下南水北調(diào)中線工程水源區(qū)未來2011—2099年蒸發(fā)量變化如圖12所示。可以看出3種氣候情景下21世紀水源區(qū)年蒸發(fā)量變化趨勢一致,較基準期都呈現(xiàn)出增加,但隨時間減少的趨勢,減幅分別為1.94%、2.45%和1.14%,A1B情景下蒸發(fā)量變化幅度最大,A1B情景次之,B1情景最小。從未來各年代平均蒸發(fā)量相對基準期的變化表(表5)中看出,3種情景下各年代蒸發(fā)量較基準期都出現(xiàn)增大的態(tài)勢。在2020s時期A2、A1B和B1情景下年蒸發(fā)量較基準期增幅最大,增幅分別為5.339%、4.381%和4.995%;以后蒸發(fā)量增幅開始逐年代減少,在2050s時期3種情景下年均蒸發(fā)量較基準期增幅分別為3.974%、4.406%和4.268%;在2080s時期增幅分別為3.928%、3.839%和4.715%。各年代3種情景下年平均蒸發(fā)增幅變化不大。隨著南水北調(diào)中線工程水源區(qū)A2、A1B和B1情景下未來21世紀氣溫不斷升高,降水不斷增加,實際蒸發(fā)量未來各時期較基準期增加顯著,但是后期增加比率減小,呈現(xiàn)出隨時間減小的趨勢。采用Priestly-Taylor方法模擬計算1960—2000年的南水北調(diào)中線工程水源區(qū)潛在蒸發(fā)量也呈現(xiàn)出下降趨勢(圖略)。這表明實際蒸發(fā)的增加過程不是線性上升,而是逐漸向?qū)嶋H蒸發(fā)的最大值—蒸發(fā)能力靠近。運用M-K趨勢檢驗法對3種氣候變化情景下2011—2099年各月蒸發(fā)量進行趨勢檢驗,如圖13所示。A2、A1B情景下7、8、9月份蒸發(fā)量呈現(xiàn)出顯著的降幅,其他月份蒸發(fā)量均出現(xiàn)增加的趨勢,其中1、2、3、4、5、12月份增幅顯著。B1情景下8、9、10、11月份蒸發(fā)量呈現(xiàn)出減少趨勢,8、9月份下降幅度顯著,其他各月份都呈現(xiàn)出增加趨勢,其中3、4、5月份蒸發(fā)量增幅顯著?？偟膩砜?未來7、8、9月份蒸發(fā)量減幅明顯,春季(3、4、5月)增幅顯著。5水源區(qū)徑流發(fā)展趨勢本文針對南水北調(diào)中線工程水源區(qū),建立了水源區(qū)SWAT分布式水文模型,采用1980—1987年和1988—1990年數(shù)據(jù)分別進行了模型參數(shù)率定和驗證,取得了很好的模擬效果,Nash效率系數(shù)大于0.87,相對誤差小于3%,表明在南水北調(diào)中線工程水源區(qū)利用分布式水文模型SWAT進行徑流模擬是完全可行的。在此基礎(chǔ)上選取1961—1990年作為基準期,根據(jù)WCRP的耦合模式比較計劃—階段3的多模式數(shù)據(jù)結(jié)果,分析了IPCCSRES—A2、A1B、B1情景下水源區(qū)21世紀降水、氣溫、徑流和蒸發(fā)的響應過程。研究結(jié)果表明,在IPCCSRES—A2、A1B、B1情景下南水北調(diào)中線工程水源區(qū)21世紀氣溫將持續(xù)增高,年降水量將增加,徑流量較基準期將出現(xiàn)先減少后增大的趨勢,21世紀40年代年徑流量開始較基準期增加,預示著水源區(qū)的水資源在21