气候变化下海河流域未来水资源演变趋势

金君良， 王国庆， 刘翠善， 刘艳丽， 鲍振鑫

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029)



气候变化下海河流域未来水资源演变趋势

金君良1,2， 王国庆1,2， 刘翠善1,2， 刘艳丽1,2， 鲍振鑫1,2

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；2.水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029)

气候变化将对水资源产生重要影响，评估气候变化对水资源的影响可为区域可持续发展提供重要依据。海河流域是我国水资源供需矛盾最为突出的地区之一。本研究的目标是评估气候变化对海河流域未来2021—2050年水资源的可能影响。基于IPCC AR5的7个全球气候模式在3种排放情景(RCP2.6、RCP4.5及RCP8.5)下的资料驱动可变下渗容量模型，模拟了海河流域未来水资源的变化情势。结果表明：可变下渗容量模型在海河流域具有较好的适应性，率定期和检验期的水量相对误差Er都控制在±5%以内，各站月径流过程的Nash-Sutcliffe模型效率系数NSE达到0.70以上，日径流过程的NSE达到0.60以上；与1961—1990年基准期相比，未来2021—2050年海河流域水资源将呈现略微增加的趋势，其中流域北部水资源的增加趋势更为明显，滦河及冀东沿海和海河北系的增幅分别为1.52%～10.40%和2.72%～10.62%，徒骇马颊河水系在不同情景下预估的水资源各有增减，预估结果的不确定性较大。未来海河流域水资源短缺的问题尚不能得到根本性改变，仍需通过加强水资源综合管理来应对。

气候变化；海河流域；气候情景；水资源变化；VIC模型

以全球变暖为主要特征的气候变化已对农业、生态和水资源等产生了重要影响。政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)第四次评估报告指出，近100年(1906—2005年)地球表面气温上升了(0.74±0.18)℃。气候变化引起极端灾害事件增多、增强，对区域水资源、防洪等造成了巨大影响，已引起了世界各国的高度关注。科学地预估未来气候变化趋势，及早提出应对措施是当前适应气候变化的重要工作[1]。

全球气候模式(也称一般环流模式，General Circulation Model,GCM)是气候变化影响评价中的重要工具。丛振涛等[2]根据IPCC提供的SRA1B情景分析了气候变化背景下中国的主要作物需水。张建云等[3]采用设定情景与水文模拟相结合的途径，评估了不同区间河川径流量对气候变化的响应。丁相毅等[4]利用WEP-L(Water and Energy transfer Processes in Large river basins)模型和多模式平均气候情景评估了海河流域未来30年降水、径流等主要水文循环要素的变化规律，提出了气候变化对海河流域水资源的可能影响。袁飞等[5]应用大尺度陆面水文模型可变下渗能力模型VIC(Variable Infiltration Capacity)与区域气候变化影响研究模型PRECIS(Providing REgional Climates for Impacts Studies)对气候变化情景下海河流域水资源的变化趋势进行了预测。目前,国内外研究的众多成果大多是基于第四次评估报告的SRES(Special Report on Emission Scenarios)情景。随着IPCC第五次评估报告结果的公布，耦合模式对比计划第五阶段(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5,CMIP5)的重要工作之一就是采用RCPs(Representative Concentration Pathways)进行数值模拟实验，并提出了未来气候变化的预估趋势。

本文基于最新的CMIP5的7个全球气候模式资料以及可变下渗容量模型，初步评估了海河流域未来的水文水资源变化情势。

1　资料与方法

1.1海河流域概况

海河流域是中国六大水系之一，介于112°～120°E和35°～43°N之间。海河流域东临渤海，西倚太行，南界黄河，北接蒙古高原。流域总面积31.82万km2，占全国总面积的3.3%。海河流域包括海河北系、海河南系、滦河和徒骇马颊河等四大水系、七大河系、十条骨干河流。其中，海河水系是主要水系，由北部的蓟运河、潮白河、北运河、永定河和南部的大清河、子牙河、漳卫河组成；滦河水系包括滦河及冀东沿海诸河；徒骇马颊河水系位于流域最南部，为单独入海的平原河道。

综合考虑水文气象资料系列长度、水文站点分布等因素，在海河流域及其周边选取56个国家基础气象站和847个水文部门雨量站，收集1951—2012年的气温、降水等资料，用于海河流域水文水资源影响评价研究。图1为海河流域水系及水文气象站点分布情况，海河流域共有空间分辨率0.5°×0.5°的正交网格170个。

图1　海河流域水系及主要水文站点分布

1.2气候变化影响评价模型

选用VIC模型来构建气候变化对水文水资源的影响评价模型。VIC模型由美国华盛顿大学开发，也称可变下渗容量模型。模型考虑了大气—植被—土壤之间的水分及能量交换过程，弥补了传统水文模型对能量过程描述的不足。在每个计算单元内考虑了裸地及11种不同植被的覆盖类型。采用Penman-Monteith联合方程计算实际蒸发，分别考虑了冠层截留蒸发、植被蒸腾和裸土蒸发。模型需定义的参数包括气候地理参数、植被参数、土壤参数等。气候地理参数包括网格点中心的经纬度、网格平均高程等，主要用于计算辐射；植被参数包括下垫面植被类型及对应的叶面积指数、反照率等，这些参数与蒸散发计算有关；土壤参数库中包含53个变量，有饱和水力传导度、临界含水量及凋萎含水量等。土壤参数库中还包含8个与水文过程直接相关的参数，除了基流非线性增长指数(C)和表层土壤厚度(d1)通常分别取值2.0和0.1 m外，其余6个参数需要利用观测站点的实测流量过程进行参数率定。Liang等在文献[6]中对模型原理有更详细的介绍，模型曾在国内外不同尺度流域广泛应用于径流模拟、气候变化影响等研究中[7-10]。

1.3气候变化模式及情景

本文所采用的CMIP5的7个气候模式的基本情况见表1。国家气候中心将7个气候模式进行了统计降尺度，降尺度后的空间分辨率为0.5°×0.5°。主要包括RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5这3种排放情景下的降水、最高气温、最低气温、辐射、风速等气候要素，数据的时间长度为1905—2100年。

表1　文中采用的GCMs基本信息

2　结果与讨论

2.1径流过程模拟

采用距离反比插值方法将降水和气温资料插值到流域空间分辨率为0.5°×0.5°的网格上驱动模型，逐个网格计算蒸散发和产流过程，汇流后得到各站出口断面流量。

模型参数率定采用Rosenbrock算法与人工干预相结合的方法[11]。人工干预就是结合各参数的物理意义及流域特性确定参数的初始值，对优化结果进行合理性判断和最终参数选择。选用水文科学中常用的Nash-Sutcliffe模型效率系数(简称NSE)和总量相对误差Er(%)为目标函数进行参数率定，Er越接近于0%，同时NSE越接近于1，说明模拟效果越好[12]。

在海河流域选取了12个水文站的径流过程作为典型进行模型的适应性分析。控制站点的集水面积为3 480～37 200 km2。站点的分布分别为海河南系8个，滦河及冀东沿海水系1个，海河北系3个。其中，集水面积最大的为南运河的南陶站，最小的为大清河的中唐梅站。由于海河流域河道水量受人类取用水影响剧烈，为客观地分析模型在海河流域的适应性，选取人类活动对河川径流量影响相对较小的1970年以前的实测径流资料作为模型检验的数据基础。

经参数率定得到的海河流域子流域各站径流模拟结果如图2所示，模型性能统计指标见表2。由图2和表2可以看出，VIC模型对海河各子流域控制站的径流过程模拟较好，率定期和检验期的水量相对误差都控制在5%以内，模拟月径流过程的NSE达到0.70以上，最小的为0.72，最大的为0.86，12个子流域控制站的月径流过程模拟的NSE平均值为0.76，日径流过程模拟的NSE平均值也达到了0.60。因此，可以认为VIC模型在半干旱地区的海河流域具有较好的适应性，能较好地模拟海河流域的水文过程，可以以此为基础来开展气候变化对海河流域水文水资源的影响的评价工作。

图2　海河流域典型站点月径流过程模拟结果

水系站名经度/(°)纬度/(°)集水面积/km2年均降水/mm年均气温/℃日效率系数月效率系数相对误差/%海河南系中唐梅114．88338．88333480496．95．90．520．76-5．10淇门114．30035．50008427577．312．30．620．72-5．20小觉113．71738．383314000508．65．70．550．722．30微水114．13338．03335387528．19．70．520．75-4．90北郭村115．38338．31678550574．99．20．620．725．10观台114．08336．333317800548．98．70．520．81-1．60南陶115．31736．533337200553．710．20．560．735．20石梁113．31736．46679652555．912．70．710．81-2．30滦河及冀东沿海水系三道河子117．70040．966717100414．02．70．730．860．62海河北系张家坟116．78340．61678506457．65．40．620．812．60响水堡115．18340．570014507391．45．30．580．713．38固定桥113．48139．875915803437．84．70．630．75-3．90平均值13264　550．37．90．600．76-0．57

2.2未来水资源变化趋势

王国庆等[13]基于多模式分析了未来海河流域气温和降水的变化趋势。本文在RCP2.6、RCP4.5和RCP8.5 3种排放情景下，以7个气候模式预测不同气温和降水为基础，分别驱动气候变化对水文水资源的影响评价模型，模拟海河流域未来水资源的可能变化。流域内网格的模型参数采用其附近网格的参数来移用获取，得出了未来海河流域共21种可能的水资源变化情景。

表3为7个模式预估的2021—2050年海河流域各水系径流深较基准期(1961—1990年)的相对变化。图3为3种排放情景下多气候模式平均情况下的海河流域2021—2050年径流深相对基准期的变化情况。由表3和图3可以看出：从多模式预估结果的平均值来看，未来海河流域北部水资源将更有可能呈现增加趋势，滦河及冀东沿海和海河北系的增幅分别为1.52%～10.40%和2.72%～10.62%；而南部的徒骇马颊河水系水资源在RCP2.6和RCP8.5情景下将有可能呈减少态势，减少幅度分别为-2.69%和-4.98%；在RCP4.5情景下，海河流域各二级区水资源均呈增加态势，增幅为2.40%～10.62%。

表3　7个气候模式预估2021—2050年海河流域各水系径流深较基准期的相对变化　%

图3　多模式平均情况下海河流域2021—2050年径流深较基准期变化的空间分布

由于各种模式的预估结果并不一致，为了分析各模式及情景所带来的预估结果的不确定性。以3种排放情景下海河流域7个模式预估的未来变化为基础，采用四分位法分析给出的海河流域各二级区(Ⅰ:海河北系，Ⅱ：海河南系，Ⅲ：滦河及冀东沿海，Ⅳ：徒骇马颊河)未来2021—2050年的径流深的变化情况。图4分别给出了RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5及平均情况下的流域各二级区最大(Max)、最小(Min)、75%、50%及25%分位点排序情况下的径流变化情况。图4中上、下两条线段分别表示排序情况下最大值和最小值的评价结果，两条线段之间的距离越大，则表示各情景下评价结果的差异越大，若两者距离较小，则说明不同情景下的评价结果和趋势较为一致。

由图4可以看出：RCP4.5情景下的水资源评价结果较其他情景下高、低值之间差异更大，结果更为分散，因此说明各模式的评价结果很不一致，评价结果之间的差异性较大，结果具有较大的不确定性；在RCP8.5情景下，各模式的评价结果则相对较为集中，预估的趋势相对更为一致。从图4(a)—(d)不同排放情景下各区域的50%的分位数来看，各二级区中海河北系(Ⅰ)和滦河及冀东沿海(Ⅲ)这2个区域的50%分位点基本都位于零轴以上，说明这2个区域的水资源很有可能呈增加趋势，这与图3中多模式平均情况下的评价结果也相互一致；而对徒骇马颊河(Ⅳ)来说，在RCP8.5排放情景下(图4(c))水资源呈现减少趋势，而在RCP2.6(图4(a))、RCP4.5(图4(b))和平均(图4(d))情况下，其水资源变化不大，但相应结果的最大值和最小值之间差异较大，说明在不同情景下该区域未来水资源变化评价结果较为不一致，预估结果不确定性较大。

图4　未来不同情景下海河流域二级区2021—2050年径流深较基准期(1961—1990年)的变化情况

3　结语

1)可变下渗容量模型能较好地模拟海河流域典型站点的水文过程。通过12个站点的适应性研究表明，率定期及检验期的水量相对误差都在5%以内，月径流过程的NSE达到0.70以上，日径流过程的NSE达到0.60，模型能较好地适应海河流域的水文过程模拟。

2)利用CMIP5项目中的7个全球气候模式在3种排放情景下的资料，耦合气候变化影响评价模型得到的结果表明：与1961—1990年基准期相比，未来2021—2050年海河流域北部水资源将更有可能呈现增加趋势，滦河及冀东沿海和海河北系的增幅分别为1.52%～10.40%和2.72%～10.62%；而南部的徒骇马颊河水系水资源在RCP2.6和RCP8.5情景下将有可能呈减少态势，减少幅度分别为-2.69%和-4.98%；RCP4.5情景下，海河流域各二级区水资源都呈增加态势，增幅为2.40%～10.62%。

3)采用四分位法的分析结果表明:海河北系和滦河及冀东沿海的水资源很有可能呈增加趋势;而徒骇马颊河水系在不同经济发展情景下未来水资源变化趋势不一致，预估结果的不确定性较大。

致谢：感谢国家气候中心提供CMIP5的气候情景数据。

[1]IPCC.Climate Change 2007:The Physical Science Basis[M].Cambridge,UK：Cambridge University Press,2007.

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(责任编辑：乔翠平)

Future Evolution Trends of Water Resources in Haihe River Basin under the Climate Change

JIN Junliang1,2, WANG Guoqing1,2, LIU Cuishan1,2, LIU Yanli1,2, BAO Zhenxin1,2

(1.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China；2.Research Center for Climate Change, MWR, Nanjing 210029, China)

Climate change will have an important impact on water resources, and assessing the impact of climate change on water resources can provide an important basis for regional sustainable development. Haihe River Basin is the most prominently region in contradiction between water supply and demand. The objective of this paper is to assess the probable impact of climate change on water resources from 2021 to 2050 in Haihe River Basin. Based on the data of 7 GCMs with three emissions scenarios (RCP2.6, RCP4.5 and RCP8.5) from IPCC AR5 and variable infiltration capacity (VIC) model, the situation changes of water resources in the future over Haihe River Basin are simulated and analyzed. The results show that VIC model has a good ability to simulate the hydrological process over Haihe River Basin. The monthly discharge process are effectively simulated by the VIC model, and the water balance errors between simulated and recorded discharges for typical hydrometric stations are less than 5%, while Nash-Sutcliffe coefficients of daily and monthly discharge simulation are beyond 0.60 and 0.70 respectively. Compared with the base period from 1961 to 1990, the water resources of the coastal of Luanhe and Jidong and the north of Haihe River Basin from 2021 to 2050 may increase by 1.52%～10.40% and 2.72%～10.62%. The resources of Tuhaimajia River Basin show different change results under different emission scenarios with a big uncertainty. Water shortage in Haihe River Basin will still exist in the future. Water intergrade management should be enhanced continually in this region in order to adapt the various climate and human activity.

climate change; Haihe River Basin; climate scenarios; water resources change; VIC model

2016-07-05

全球变化及应对国家重点研发计划(2016YFA0601501)；国家自然科学基金项目(41401024，41401026，41330854，41371063)；中国工程院重大咨询项目(2015-ZD-07)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(Y511008，Y514004，Y515009)联合资助。

金君良(1982—)，男，浙江金华人，高级工程师，主要从事水文学、水资源及气候变化影响等方面的研究。E-mail：jljin@nhri.cn。

王国庆(1971—),男，山东成武人，教授，博导，主要从事气候变化和水文水资源方面的研究。E-mail：gqwang@nhri.cn。

10.3969/j.issn.1002-5634.2016.05.001

TV11；P467

A

1002-5634(2016)05-0001-06