气候变化对淮河径流及洪峰流量的影响

吴安琪 石 朋,2 陆美霞 瞿思敏 田 丹林子珩 赵兰兰 纪小敏 崔彦萍

（1.河海大学 水文水资源学院, 南京 210098；2.河海大学 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,南京 210098；3.水利部信息中心, 北京 100053；4.江苏省水文水资源勘测局, 南京 210029）

随着社会的发展,人口快速增长,城市化进程加快,温室气体大量排放.2013年9月IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change, 政府间气候变化专门委员会)公布第五次气候变化评估报告《气候变化2013：自然科学基础》[1],报告指出：1880-2012年,全球海陆表面平均气温平均累积升高了0.85℃.日益突出的全球变暖问题导致全球不同尺度水资源的重新分配[2],全球气温升高使得大气中水汽含量增加,水循环加快[3],区域性短历时暴雨强度和极端强降水日数急剧增加[4-5],极端洪涝事件的发生日趋频繁[6-7],气候变化对流域径流的影响已成为国内外水科学研究的热点问题.水文模型是研究气候变化对流域水循环影响的重要工具,其中SWAT模型是由美国农业部(USDA)开发的分布式流域尺度水文模型,对于客观物理规律与水文要素时空分布差异性具有真实准确的描述,如Lee等运用SWAT模型研究了Namgang Dam流域气候变化对水资源的影响[8]；李道峰等基于SWAT模型运用任意情景设置法模拟了黄河河源区在气温、降水改变时的径流过程[9].

淮河流域是我国洪涝灾害发生最频繁的流域之一,且近50年全流域年平均气温升高趋势明显[10],在气候变化情景下该流域的洪涝问题更加严峻[11].因此,研究气候变化条件下淮河干流洪水演变趋势对精准治淮显得尤为重要.任意情景设置法是常用的气候变化情景生成方法,操作简单,可以反映出区域水文要素对气候变化的敏感性.本文以淮河蚌埠(吴家渡)站以上集水区为研究区域,通过任意情景生成法设置气候变化情景,利用SWAT模型对不同气候情景进行径流模拟,并分析研究区域径流过程对气温变化的响应,以期对淮河流域未来的径流变化趋势做出预测,为流域防涝减灾、保证当地用水安全提供参考.

1 资料与方法

1.1 研究区概况

淮河流域位于我国东部地区,位于东经111°55′～121°25′,北纬30°55′～36°36′之间,流域总面积为27万km2.淮河发源于桐柏山太白顶北麓,自西向东流经河南、湖北、安徽、江苏四省.淮河流域以废黄河为界分为南北两支,北支是沂沭泗水系,南支是淮河水系.蚌埠(吴家渡)站以上的淮河干流部分,位于东经112°～120°、北纬30°～36°之间,地势西北高东南低,流域三分之一面积为山丘,其余为平原区；此外还分布有大量的湖泊与洼地,属暖温带半湿润季风气候区,冬春干燥少雨、夏秋闷热湿润；全年气候温和,年平均气温为11～16℃；多年平均降水量约为920 mm,南多北少,东多西少；降雨年内分布不均,主要集中在7-9月.

图1 研究区域地理位置及站点分布图

1.2 SWAT模型构建

SWAT模型是美国农业部开发的分布式水文模型[12-13],它在SWRRB的基础上经过30年的时间发展而来,可以在流域尺度上模拟径流过程.伴随着计算机技术以及空间分析技术RS和GIS的发展,SWAT的应用范围越发广泛,计算效率也大幅提升.

1.2.1 数据来源

为制备SWAT模型数据库,选用地理空间数据(http：//www.gscloud.cn/)的DEM空间数据,分辨率为90 m×90 m,土地利用资料采用1990年数据,土壤数据采用FAO网站(http：//www.fao.org/nr/land/soil/harmonized-world-soil-databas e/en/)上下载的世界土壤数据库(HWSD)的土壤数据,气象数据选取了较完整的1975至2005年共31年的数据,其中采用蚌埠、宝丰、鼓室、郑州站作为天气发生器测站,降雨数据来源于38个雨量站的实测数据.

1.2.2 模型率定与验证

在模型运行完成后,为了评价模拟结果与实际情况的符合程度,运用SWAT-CUP对模型参数进行敏感性分析、率定与验证[14-15].选用息县站、淮滨、蚌埠(吴家渡)3个水文站进行验证.其中息县站位于淮河干流上游,控制面积为10 240 km2；淮滨站位于淮河干流息县站下游,控制面积为15 810 km2；蚌埠(吴家渡)站位于淮河干流下游,为研究区域出口,控制面积为121 800 km2.选用1988-2000年的实测流量数据进行验证,其中1988-1989年进行预热,1990-1995年进行率定,1996-2000年进行验证.SWAT-CUP可对全局和单个参数分别进行敏感性分析,选取6个较为敏感的参数进行率定参数：分别为蒸发补偿因子ESCO、径流曲线数CN2、曼宁系数CH_N2、地下水滞后系数GW_DELAY、基流退水系数ALPHA_BF与水位阈值GWQMN.

选取SWAT-CUP自动计算的P因子、R因子、纳什系数ENS和线性拟合系数R2作为评价指标.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,模型模拟精度越高.率定期与验证期评价指标计算结果见表1.

表1 率定期与验证期评价指标

在蚌埠(吴家渡)、淮滨、息县3个水文站的径流模拟结果中,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模型在本流域具有较好的适用性.

1.3 未来气候情景生成

径流过程受到自然与社会因素的共同影响,在自然因素中,降水可以引起径流变化,改变洪水趋势.气温的变化会影响流域地表水蒸发作用与植物蒸腾作用,同时也会对冰川融水过程产生重要影响.因此本文将关注降水与气温的变化对流域径流的影响.目前国内外常用的气候变化情景生成方法主要有4种：任意情景设置法、时空类比法、时间序列法及GCMs法[16-19].其中任意情景法操作简单,且可以反映出区域水文要素对气候变化的敏感性.

本文采用任意情景设置法,控制风速、太阳辐射量、湿度等气象要素不变,人为设置气温与降水增量.据《第三次气候变化国家评估报告》[20]表明：在未来的10年,我国平均气温将上升1.7℃.因此本文将设置气温增量分别为：0℃,0.5℃,1℃,1.5℃,2℃；降水情景分别设置为原降水量的80%,90%,1倍,1.1倍,1.2倍.共设置25组不同的气候情景.

2 计算结果与分析

2.1 气温变化对研究区域径流量变化的影响

保持降雨量不变,将气温在原数据的基础上分别增加0℃,0.5℃,1℃,1.5℃,2℃,生成5种气温变化情景,代入建立好的SWAT模型中进行径流模拟,结果如图2所示.结果表明：降雨不变的情况下,气温增高2℃时,年径流量减少了79 m2/s,变化率为-6.1%；气温增高1.5℃时,年径流量减少了58 m2/s,变化率为-4.5%；气温增高1℃时,年径流量减少了43 m2/s,变化率为-3.3%；气温增高0.5℃时,年径流量减少了22 m2/s,变化率为-1.7%,即伴随着气温的升高,年径流量减少.拟合成气温与径流量的趋势公式为y=-19.4x+1 360.

图2 不同气温变化情景下径流量变化

2.2 降雨变化对研究区域径流量变化的影响

保持温度不变,降水情景分别设置为原降水量P的80%,90%,1倍,1.1倍,1.2倍,生成5种气温变化情景,代入建立好的SWAT模型中进行径流模拟,结果如图3所示.结果表明：气温不变的情况下,降雨量由P增加到1.2P时,年径流量增加了546 m2/s,变化率为42.3%；降雨量由P增加到1.1P时,年径流量增加了297 m2/s,变化率为23.0%；降雨量由P减少到0.9P时,年径流量减少了316.3 m2/s,变化率为-24.5%；降雨量由P减少到0.8P时,年径流量减少了601.1 m2/s,变化率为-46.5%.即伴随着降雨的增加,年径流量增加,当降雨量减少时,年径流量也减少.拟合成降雨与径流量的趋势公式为y=290.75x+404.8.

图3 不同降雨量情景下径流量变化

2.3 气温与降雨变化对研究区域径流量变化的影响

将生成的25种气候变化情景分别代入建立好的SWAT模型中,以计算分析气温与降雨对淮河干流径流量的共同影响.不同气候变化情景模拟得到的年径流量变化、变化率分别见表2、表3.

表2 不同气候变化情景下径流量变化(单位：m2·s-1)

表3 不同气候变化情景下径流量变化率(单位：%)

淮河流域年径流量受到温度和降水的共同影响.本文共设置了25种气候变化情景.其中,当降雨量减少到0.8P,气温增加2℃时,年径流量变化量最大,减少了660.1 m2/s,减少率为51.1%.当降雨保持不变,气温升高0.5℃时,年径流量变化量最小,年径流量减少了22 m2/s,变化率为1.7%.

淮河流域受降雨量变化的影响比气温变化的影响大,当气温不变时,降雨量每增加10%,年径流量平均增加290.75 m2/s；当降雨不变时,气温每增加1℃,年径流量平均减少19.4 m2/s.说明降雨是影响淮河流域年径流量的主要因素.

2.4 气候变化对研究区域洪峰流量变化的影响

统计25种气候变化情景下模拟得到的1975-2005年洪峰流量,将不同气候变化情景下得到的洪峰流量按大小排位计算其经验频率：

式中：Qm表示大于或等于Xm的经验频率,m表示样本从大到小排列的项数,n为样本容量.

通过目估适线法,用皮尔逊Ⅲ型频率曲线对数据进行适线拟合,得到不同气候变化情景下,2年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇洪峰流量设计值.

由表4可以看出,淮河干流洪峰流量对气候变化的响应十分敏感.2年一遇、5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇洪峰流量均随气候条件的变化而变化.在降雨不变时,随着气温的增加,流域蒸散发加大,淮河干流不同频率洪峰流量均减少,但变化幅度较小.洪峰流量受降雨的影响变化显著,在气温保持不变时,随着降雨量的增加,极端暴雨量也有所增加,淮河干流不同频率洪峰流量显著增加.

表4 不同气候变化情景下洪峰流量(单位：m2·s-1)

3 结论与展望

1)本文通过收集、整理地理、水文与气象数据构建属性与空间数据库,对蚌埠(吴家渡)站以上流域进行SWAT建模,并使用息县站、淮滨站与蚌埠(吴家渡)站1988-2000年实测径流过程进行验证.选取的参数有：径流曲线数CN2,曼宁系数CH_N2,蒸发补偿因子ESCO,基流退水系数ALPHA_BF,地下水滞后系数GW_DELAY,水位阈值GWQMN.结果显示,率定期与验证期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模型在淮河流域适用性较好.

2)通过人工设置25种气候变化情景,带入SWAT模型进行径流模拟,分析研究区域径流过程对气候变化的响应.研究发现,伴随着气温的升高,年径流量与洪峰流量均减少；伴随着降水的增多,年径流量与洪峰流量均增加.淮河流域年径流量与洪峰流量受到温度和降水的共同影响.当降雨量减少到0.8P,气温增加2℃时,年径流量变化量最大,并且在淮河流域,降雨对年径流量与洪峰流量的影响比气温大.

本文分析了气候变化情景下淮河干流年径流量与洪峰流量的总体变化趋势,在研究过程中假设下垫面条件不发生变化,但淮河流域地域广阔,下垫面组成复杂,随着人类活动的影响,未来情景下下垫面必然发生改变从而对洪水过程产生影响,如何综合探讨未来气候与下垫面变化对洪水过程的影响,需要进一步的研究.