气候变化下石羊河流域上游产流区的径流响应研究

郭 静，王 宁，粟晓玲

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 721200)



气候变化下石羊河流域上游产流区的径流响应研究

郭 静，王 宁，粟晓玲

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 721200)

【目的】 分析西北典型干旱区石羊河流域上游产流区径流对未来气候变化的响应，为石羊河流域未来水资源的规划利用提供参考。【方法】 应用可变下渗能力模型(VIC)模拟水文过程，基于模型参数率定，利用统计降尺度模型(SDSM)对全球气候模式(GCMs)中HadCM3模式下A2、B2情景进行降尺度处理，分析A2、B2情景下石羊河流域上游产流区气候要素的变化，以预估的未来气候情景数据作为验证后VIC模型的输入，分析未来气候变化下石羊河流域的水文响应。【结果】 VIC模型的效率系数在率定期(1990-1994年)和检验期(1995-1996年)分别为0.769和0.690，相关系数分别为0.955和0.894，表明VIC模型能够较好地描述流域大尺度水文过程；在未来2020s(2010-2039年)和2050s(2040-2069年)，研究区多年平均最高气温在A2情景下分别较现状升高1.3和2.8 ℃，B2情景下分别较现状升高1.3和2.5 ℃；在2个时期的2种气候情景下，多年平均最低气温均升高0.1 ℃左右；在A2情景下2020s和2050s多年平均降水量分别较现状减少7.6%和15.2%，B2情景下2个年代的多年平均降水量分别减少8.7%和13.1%；2020s多年平均径流量在A2和B2情景下分别较现状减少2.8%和1.4%，2050s多年平均径流量在A2和B2情景下分别减少13.2%和8.3%。【结论】 石羊河流域径流在未来A2、B2气候模式下的不同时期内均会呈减少趋势。

石羊河流域；气候变化；径流响应；VIC水文模型；统计降尺度模型

由气候变化引发的水文循环过程的改变在不同地区表现各异，多数河流的径流对大气降水和气温变化非常敏感，水资源系统对气候变化的承受能力十分脆弱。气候变化对水资源数量和质量的影响使充足供水及水质安全问题的解决变得更加困难，特别是在由于径流减少和人口增长导致用水压力剧增的地区。未来全球气候变化可能直接影响到水资源稀缺地区的可持续发展[1-3]。以流域水文模型为基础，结合大气环流模型输出的气候变化情景分析气象要素、径流量的变化规律以及气象要素对径流的影响，可以为流域水资源规划与管理决策的制定提供一定的参考，为流域气候、水资源和生态环境的可持续发展策略制定提供一定的风险预测分析依据[4-8]。气候变化对水资源系统的影响研究越加广泛，以流域水文模型为基础，结合大气环流模型输出的气候变化情景进行研究成为发展趋势和方向之一。其中可变下渗容量模型(Variable Infiltration Capacity，VIC)[9]是由华盛顿大学、加利福尼亚大学伯克利分校以及普林斯顿大学的研究者共同研制的基于空间分布网格化的大尺度分布式水文模型，其网格化特性便于同气候模式和水资源模型嵌套以评价气候变化对水资源的影响。目前该模型主要的应用领域有干旱监测和预报、陆面同化研究、气候变化对水的影响研究等[10-12]。如Maurer等[13]利用VIC模型研究了美洲中部Rio Lempa流域气候变化对水文系统的影响，分析评估了历史观测和未来情境下水库入流对当地水文系统的影响。在国内，VIC模型也在全国各个流域得到了应用，如宋星原等[14]在白莲河流域使用VIC模型进行径流模拟，金君良等[15]将其应用于黑河莺落峡流域。

我国西北内陆河流域深居欧亚大陆腹地，气候干燥，降水稀少，水资源短缺，生态环境脆弱，是我国最干旱的地区。在气候变化和人类活动双重影响下，石羊河流域出山径流总量出现减少趋势，下游地区已经出现河道断流、天然植被大面积退化沙化现象[5,16]。本研究以西北典型干旱区石羊河流域上游产流区为对象，将VIC水文模型应用于石羊河流域上游地区并率定模型参数和验证模拟效果；选取HadCM3模式中A2、B2作为代表情景，利用统计降尺度模型(Statistical Downscaling Model，SDSM)对全球气候模式(Global Climate Models，GCM)进行降尺度处理，分析未来气候要素包括降水和最高最低气温的变化，以预估的未来气候情景作为验证后VIC模型的驱动，分析未来变化环境的石羊河流域的水文响应，进而为石羊河流域未来水资源的规划利用提供参考。

1 研究方法

1.1 VIC模型原理

VIC 模型[9-10]为典型的大尺度分布式陆面水文模型，采用可变下渗能力土壤的空间分布特性表示，主要考虑大气-植被-土壤间的物理交换过程。模型包括基于温度指数的积雪、融雪模型，用于模拟积雪的动态变化特性，考虑了积雪、融雪及土壤冻融等过程，并在每个计算网格内考虑了裸土及多种植被覆盖类型。模型的蒸发计算考虑了植被冠层截留、植被和裸土3种蒸发形式。每个网格内土层间的水分交换、蒸散发及产流由不同的植被类型决定，通过每种植被类型的叶面积指数(LAI) 、植被阻抗和植被根系在上下层土壤中的比例来计算。在模型中，网格内总的蒸散发通过对各种地表覆盖类型上的蒸散发进行面积加权平均计算，蒸散发潜力由Penman-Monteith公式计算。

1.2 VIC模型标度与检验

模拟效果的检验使用效率系数Ce、相关系数r和相对误差Er3个指标。Ce和r反映模型模拟值与观测值之间的吻合程度，其值越接近1，过程拟合越好，模拟精度越高；Er反映总量模拟的精度，用于评价平均观测值与平均模拟值之间的偏离程度，其值越小，模拟精度越好。

1.3 SDSM降尺度模拟未来气候变化情景

采用SDSM对气象要素进行降尺度处理并生成未来不同情景下的气候要素，采用反距离权重插值法(Inverse Distance Weighting，IDW)对气象要素进行空间插值。SDSM是解决空间尺度不匹配问题的有效工具，它使气候变化响应研究能在区域尺度上展开[17-18]。其研究步骤为：首先，建立区域或站点尺度预报量(站点气候要素时间序列)与大尺度预报因子(大气环流因子，NCEP再分析资料)之间的统计关系。第二，经过检验之后，运用这种统计关系，将GCM输出的未来气候情景(HadCM3在A2和B2情景下的大气变量)降尺度到区域的古浪、山丹、乌鞘岭、武威、永昌、门源各气象站点，生成各站点未来气候变量(包括气温和降水)序列。本研究使用SDSM建立石羊河上游及周边地区6个气象观测站点的气温和降水量的预报方程，以1961-1990年为率定期，以1991-2000年为验证期，检验模型的模拟效果，并模拟生成各站点未来2020s(2010-2039年)和2050s(2040-2069年)2个时期的气温、降水情景，分析未来的气候变化趋势。

2 研究区概况与数据

2.1 研究区概况

石羊河流域[5]地处甘肃省河西走廊东部，总面积4.16万km2，流域水系集水面积大于300 km2的河流有8条，从西到东依次为西大河、东大河、西营河、金塔河、黄羊河、杂木河、古浪河和大靖河(图1)。8大河流发源于祁连山区，从山区流出后，进入流域南盆地即武威、永昌盆地，河水大部分被农业灌溉引用，其入渗补给所形成的出露泉水及河道洪水汇入石羊河，向北流入红崖山水库。本研究区为石羊河流域南部祁连山区，该区气温低，蒸发量少，降水较多，有利于地表径流的形成，是石羊河流域的产流区，产流面积为1.1万km2。河流补给来源主要为大气降水, 冰川积雪融水占3.6%[5]。该区多年平均径流量14.54亿m3，多年平均气温4.9 ℃，多年平均降水量491.62 mm，多年平均潜在蒸发量831.5 mm。

图 1 石羊河流域8大河流产流区示意图

2.2 模型输入数据

2.2.1 气象数据 驱动VIC模型的气象输入数据主要有日降水量、日最高气温和日最低气温。数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://www.nmic.gov.cn/web/index.htm)，为石羊河上游及周边地区的古浪、山丹、乌鞘岭、武威、永昌和门源共6个气象站1961-2000年的日观测资料。考虑高程对气温的影响，按高程每增加100 m气温约下降0.65 ℃，采用反距离加权平均法将气象站点的气温输入数据插值到流域网格上，再对网格内同一高度场上的气温进行插值计算[19]。

2.2.2 土壤数据 采用世界粮农组织(FAO)提供的1∶100万土壤数据(HWSD，http://www.fao.org/nr/land/soils/harmonized-world-soil-database/)，该数据提供了0～30和30～l00 cm土层的土壤理化性质，包括土壤中黏粒、沙粒、砾石的含量及有机碳含量、盐度等，依据FAO90土壤分类标准，该地区的土壤类型分布如图2所示。

GRh.普通灰色森林土Haplic greyzems；CHl.淋溶黑钙土Luvic chernozems；PHg.潜育森林草原土Gleyic phaeozems；CHh.普通黑钙土Haplic chernozems；CHk.石灰性黑钙土Calcic chernozems ；KSl.淋溶栗钙土Luvic kastanozems；KSh.普通栗钙土Haplic kastanozems；KSk.石灰性栗钙土Calcic kastanozems；CLh.普通钙积土Haplic calcisols；HSs.堆垫有机土Terric histosols；HSf.纤维有机土Fibric histosols；LPi.冰冻浅层土Gelic leptosols；CMi.冰冻始成土Gelic cambisols；LPm.松软浅层土Mollic leptosols； LPe.饱和浅层土Eutric leptosols

图 2 石羊河流域上游8大河流产流区的土壤类型图

Fig.2 Soil classification in upstream of Shiyang River basin

2.2.3 土地利用数据 土地利用类型数据是基于Maryland大学提供的全球1 km分辨率的土地覆盖图，该数据来自AVHRR卫星获得的1981-1994年影像(http://glcf.umd.edu/data/landcover/data.shtml)，共分为14种土地覆盖类型，包括11种植被覆盖类型以及水域、裸地和城市用地。本研究区土地利用类型主要有常绿针叶林、灌丛、林地、草原、林地草原、耕地、密灌丛及裸地8种，以上8种类型占研究区面积的比例分别为0.1%，18.6%，10.4%，35.6%，21.4%，2.6%，1.8%和9.5%，产流区1981-1994年平均土地利用类型图如图3所示。

图 3 石羊河流域上游8大河流产流区1981-1994年平均土地利用类型图

Fig.3 Land use classification in upstream of Shiyang River basin between 1981 and 1994

2.2.4 径流数据 实测径流量包括石羊河流域8条大河流、11条小沟小河径流量及浅山区径流量之和，同时根据调研所得上游人类活动用水量对径流进行了还原。采用1990-1994年的月径流实测资料进行模型参数率定，用1995-1996年的资料作为模型的检验期。该径流资料来源于甘肃省水文水资源勘测局，并已经过三性审查，因而可直接用于计算分析。

3 石羊河流域气候及水资源变化预测

3.1 模型参数率定

VIC模型的水文参数率定结果如表1所示，径流模拟结果如图4所示，表2和图5给出了VIC模型在率定期和检验期内的模拟精度评价结果。

表 1 石羊河流域上游VIC模型参数率定的结果

图 4 VIC模型在石羊河流域上游的径流模拟结果(1990-1996年)

精度指标Accuracyindex率定期(1990-1994年)Calibrationperiod(1990-1994)验证期(1995-1996年)Validationperiod(1995-1996)全序列(1990-1996年)Wholeperiod(1990-1996)效率系数(Ce)Efficiencycoefficient0．7690．6900．749相对误差(Er)Relativeerror0．3200．2180．291相关系数(r)Correlationcoefficient0．9550．8940．940

从模拟结果(图4)可以看出，VIC模型在石羊河流域上游的径流模拟效果较好，基本上反映了月径流的变化趋势，洪峰出现频率较吻合。模型的效率系数在率定期和检验期分别为0.769和0.690，相关系数分别为0.955和0.894，这表明模型能够较好地描述研究区的水文过程(表2)。

图 5 率定期(1990-1994)(A)和检验期(1995-1996)(B)石羊河流域上游径流量模拟值与实测值关系拟合结果

3.2 未来气候预测

采用SDSM模型进行降尺度后生成各站点未来2020s和2050s两个时期的气温和降水结果(表3)。由表3可知，2020s和2050s两个时期在A2、B2两种情景下，除山丹和永昌站的最低气温外，其余各站的最低和最高气温都高于现状年。除2020s山丹站外，其余各站降水量都呈现减少趋势，以乌鞘岭、武威和门源站下降最为显著。从2020s到2050s，气温和降水要素变幅都呈增大趋势。

表 3 石羊河流域上游地区各气象站点未来气温、降水的变化量

3.3 未来径流响应

将上述未来情景下的气温与降水模拟结果作为VIC模型的气象驱动，运行模型得到未来A2和B2气候情景下石羊河流域上游地区的径流变化(图6)，通过与当前的实际径流数据进行对比，统计结果见表4。从表4可以看出，在A2情景下， 2020s和2050s石羊河流域多年平均最高气温分别比现状升高1.3和2.8 ℃，B2情景下两个年代分别比现状升高1.3和2.5 ℃；多年平均最低气温的变化量不明显，都只升高0.1 ℃左右；从多年平均降水量来看，在A2情景下2020s和2050s分别比现状减少7.6%和15.2%，B2情景下两个年代分别减少8.7%和13.1%；径流的变化总体为减少，且与降水和气温一样在年代间存在差异。2020s的径流减少量比2050s小得多，而且从图6中可以看到，在2050年前后几年间出现了明显的连续枯水期，2050s多年平均径流量在A2和B2情景下分别减少13.2%和8.3%。说明未来气候变化会引起石羊河流域径流的明显减少。

图 6 未来(2010-2069年)A2、B2气候情景下石羊河流域上游地区径流量的变化

情景Scenario时期Period最低气温/℃Mintemperature最高气温/℃Maxtemperature降水量/%Precipitation径流量/%StreamflowA22020s0．01．3-7．6-2．82050s0．12．8-15．2-13．2B22020s0．11．3-8．7-1．42050s0．12．5-13．1-8．3

4 讨 论

本研究将VIC水文模型应用于石羊河流域上游区，结果表明VIC模型在该流域有一定的适用性。分析未来气候情景下径流的响应，可为该流域气候变化下水资源和生态环境可持续发展策略的制定提供一定的风险预测分析依据。但本研究还存在如下一些问题值得继续研究改进：

1)VIC模型需要大量的水文气象参数资料，由于本文中降水、气温数据的来源气象站点稀少，以及数据插值中带来的误差，使输入的降水和气温数据资料无法良好地反映出研究区的具体情况，从而导致模拟径流值的相对误差偏大。在未来的研究过程中可进一步收集详细资料，提高输入数据的精准性。

2)在VIC模型的参数率定过程中，许多参数由相关算法模型模拟得出，同时本研究采用手动调参方式，对结果有一定的影响。将来可以针对调参模块编写程序代码并应用一定的参数优选计算方法，使模型的模拟精度进一步提高。

3)未来可考虑最新的气候模式预测未来气候变化，并结合水文模型进行径流模拟，分析预测未来不同气候模式情景下的径流响应，以反映气候变化对径流影响的不确定性。

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Response of runoff to climate change in upstream generation area of Shiyang River basin

GUO Jing,WANG Ning,SU Xiaoling

(College of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Yangling,Shaanxi 712100,China)

【Objective】 The response of runoff to future climate change was analyzed in the upstream generation area of Shiyang River basin,which is a typical arid basin in northwest China,to provide information for future planning and utilization of water resources in the basin.【Method】 Variable infiltration capacity (VIC) model was applied to simulate the hydrological cycle in this basin.Based on parameters calibration,projected climate data under A2 and B2 scenarios produced with HadCM3 of global climate models (GCMs) was downscaled using statistical downscaling model (SDSM).Different meteorological elements from A2 and B2 scenarios were analyzed in the upstream generation area of Shiyang River basin,and the projected scenarios were chosen as the input data for verified VIC model to simulate the influence of future climate change on runoff,to analyze the response of runoff to futrue climate change in Shiyang River basin.【Result】 The hydrological cycle in Shiyang River basin was well described by VIC model with efficiency coefficients of 0.769 and 0.690 and correlation coefficients of 0.955 and 0.894 in calibration and verification periods,respectively.Average maximum temperatures in 2020s and 2050s under A2 scenario were 1.3 and 2.8 ℃ higher than current status,and the temperatures would rise by 1.3 ℃ and 2.5 ℃ in these two periods under B2 scenario.Average minimum temperatures would rise by about 0.1 ℃ in the two periods under either A2 or B2.Precipitation would reduce by 7.6% and 15.2% in the 2020s and 2050s under A2 scenario compared to current status,and reduce by 8.7% and 13.1% under B2 scenario.Runoff would decrease by 2.8% and 1.4% in 2020s under A2 and B2 scenarios and by 13.2% and 8.3% in 2050s under A2 and B2 scenarios,respectively.【Conclusion】 The runoff in Shiyang River basin would reduce in different future periods under A2 and B2 scenarios.

Shiyang River basin;climate change;runoff response;VIC hydrological model;statistical downscaling model

时间:2016-10-20 16:37

10.13207/j.cnki.jnwafu.2016.12.029

2015-08-18

国家自然科学基金项目(51279166)；西北农林科技大学中央高校基本科研业务费科技创新重点项目(QN201168)

郭 静(1989-)，女，重庆奉节人，在读博士，主要从事流域水文模拟及水文分析新技术研究。 E-mail:zhongforever2oo9@nwsuaf.edu.cn

粟晓玲 (1968-)，女，四川开江人，教授，博士，主要从事水资源规划与流域水文模拟研究。 E-mail:xiaolingsu@nwsuaf.edu.cn

S273.29;P333

A

1671-9387(2016)12-0211-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20161020.1637.058.html