气候变化对黄河流域地表水资源量的影响评估

王永强，刘志明，袁 喆，鄢 波，李玉娟

（1．长江水利委员会 长江科学院，湖北 武汉 430010；2．流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，湖北武汉430010）

在以升温为主要特征的全球气候变化背景下，水循环加剧导致水资源的时空分布格局发生改变，进而影响人类社会的发展和生态环境。研究气候变化对区域地表水资源量的影响，主要是分析气候变化引起的区域气温、降水、蒸发等水文要素的变化对区域地表水资源量的影响，可反映大时空尺度下水循环主导特征和本构关系。评估气候变化对地表水资源的影响，可为水资源的规划管理、开发利用、效益挖潜以及生态环境保护等提供科学依据，是当前全球变化和水资源领域研究的热点之一［1-3］。

气候变化对水资源的影响评估遵循“气候情景—水文模拟—影响评估”的思路。分布式水文模型是当前用于评估气候变化对水资源影响的重要工具，但在建模过程中，需要翔实的气象、水文、下垫面条件、社会经济等数据资料，难以在大尺度上进行推广和应用，且需要率定的参数较多，存在异参同效的问题；此外，分布式水文模型多适用于月尺度和日尺度的模拟，并不适用于年与多年尺度均值的模拟。如何构建气候变化背景下流域年尺度地表水资源模拟模型，是评估／预估气候变化对地表水资源影响的关键。

水热平衡方程［4-5］从宏观角度阐述区域降水、蒸发和能量之间关系，国内外专家学者结合该方程开展了大量相关研究［7-9］。基于Budyko曲线的水热平衡方程因简单实用而备受关注，从20世纪50年代至今，很多学者致力于完善Budyko假设研究［9-12］。我国气候学家傅抱璞［10］提出了Budyko方程的微分形式，并给出了解析表达式，引起了国际同行的关注［11］。杨大文等［3］基于水热平衡方程，指出实际蒸发量与降雨量和潜在蒸发量的同步性关系密切，提出能用于任意时间尺度上的水热耦合平衡方程并进行了验证［13］。相关学者基于下垫面因素的Budyko水热耦合平衡假设，依据不同流域的长系列径流数据，分别构建了气候变化和人类活动对径流变化影响的经验公式［15-16］，定量分析了气候变化和人类活动对径流量的作用程度［17-18］等。上述研究表明，水热平衡模型可用于分析气候变化对区域水资源量的影响，改变了以往区域水资源评估中将气候变化与下垫面条件割裂的情况，能够从较大的时空尺度分析水资源演变的宏观规律。因此，本文基于Budyko曲线的水热平衡模型对黄河花园口以上流域水资源量进行模拟，分析近50 a来该区域的气象水文演变规律，从宏观视角分析气候变化引起的降水和气温变化对水资源量的影响，以期为研究区域水资源规划、挖潜、利用以及生态环境保护提供参考。

1 基于水热耦合平衡的区域地表水资源量模拟及气候变化影响评估

1．1 水量平衡和能量平衡

依据水量平衡原理，对于某一区域（流域），其水文气候特征存在如下关系：

式中：P为降水量；E为蒸发量；R为径流量；ΔS为区域（流域）蓄水量的变化量，对于较长时间尺度而言，ΔS接近于0。

苏联著名气候学家Budyko的研究结果表明：式（1）中的蒸发量（E）主要由水分和能量之间的平衡决定［10］。 基于此，用降水量和潜在蒸发量（E0）来表征水分条件和能量条件，并用经验关系曲线来描述区域（流域）降水量、潜在蒸散发量和实际蒸散发量之间的定量关系（见图1）。由图1可知，在极端干旱条件下（E0／P→∞），全部降水量都将转化为蒸发量（E／P→1）；在极端湿润条件（E0／P→0）下，可用于蒸散发的能量都将转化为潜热（E／E0→1）。

图1 Budyko曲线

Budyko曲线表达式为

式中：E0为蒸发能力，即潜在蒸发量。

我国气候学家傅抱璞［10］对Budyko假设的曲线形式进行了推导，得到的解析表达式为

式中：ω为经验参数，与土地利用类型有关。

1．2 Budyko水热耦合平衡模型

在水文学研究中，通常采用水量平衡分析法和能量平衡法构建水均衡模型以模拟流域水循环规律。将式（3）代入式（1）中，可以得到基于Buydko曲线的水热耦合平衡模型：

式中E0可采用联合国粮农组织（FAO）推荐的Penman-Monteith方法计算，参数ω的值可通过给定时段的径流（R）、降水（P）和潜在蒸发（E0）数据率定得到。采用判定系数（R2）、Nash-Sutcliffe效率系数（NSE）［19］和相对误差（RE）3 个指标对模型模拟效果进行评价：

式中：qobs（t）和qsim（t）分别为月径流量的实测值和模分别为月径流量实测值的平均值和模拟值的平均值。

当R2和NSE越接近于1、RE越接近于0时，模拟效果越优；当 NSE≥0．75时，模型模拟效果较优；当0．36＜NSE＜0．75 时，模型模拟效果基本满意；当 NSE≤0．36 时，模型模拟效果较差［20］。

1．3 气候变化对地表径流影响评估

利用式（4）可评估不同气候条件下降水和气温变化对地表径流量的影响，即假设降水和气温按一定幅度变化，形成假定的气候变化情景。气候变化对地表径流影响评估的表达式为

式中：ΔP和 ΔT分别为降水和气温的变化幅度；δ（ΔP，ΔT）为气候变化对地表径流的影响；f为降水、蒸发和径流之间的关系，即式（4）中的水热耦合平衡模型。

2 实例分析

选取黄河流域花园口以上区域（见图2）进行研究。径流数据来源于花园口水文站观测的1961—2011年逐月天然径流量，该站控制流域面积为73．0万km2，占黄河流域总面积的91．9%；气象水文数据来源于国家气象科学数据共享服务平台（http：／／data．cma．cn），包括流域内和周边127个气象站1961—2011年的降水量、最高气温、最低气温、太阳辐射、风速和相对湿度等观测资料。

图2 研究区地理位置

2．1 近50 a来黄河花园口以上区域气象水文演变规律

采用反距离加权法（IDW）对气象站降水和气温数据进行空间插值，获取黄河流域降水和气温数据系列，见图3。从图3可看出：1961—2011年，黄河流域年降水量呈减小趋势，年降水量变化倾向率为0．756 mm／a，未通过Mann-Kendall显著性检验；气温呈明显上升趋势，上升速率为 0．029℃／a，通过了 Mann-Kendall显著性检验（显著性水平α＝0．01）。

从空间上看，1961—2011年除黄河上游地区年降水量呈现出增大趋势外，大部分地区降水量均表现出减小的态势（见图4（a））；黄河上中游地区升温幅度较大，尤其是黄河龙羊峡以上与下河沿—河口镇地区，温升幅度在 0．030 ℃ ／a以上（见图 4（b））。

图5为花园口站1961—2011年年径流深变化情况，可以看出，黄河花园口以上区域年径流深呈显著的下降趋势（α＝0．01），近50 a来径流深变化倾向率为0．527 mm／a。 1986—2011 年年均天然径流深为 62．5 mm，比1961—1985年的年均值79．0 mm 减小20．9%。

2．2 基于水热耦合平衡的区域地表水资源量评估模拟

图3 黄河花园口以上区域降水与气温年际变化

图4 1961—2011年黄河花园口以上区域降水与气温变化倾向率空间分布

图5 黄河花园口以上区域年径流深变化曲线

采用双累积曲线法（DMC）对1961—2011年黄河花园口以上区域降雨—径流资料进行一致性分析（见图6），结果表明：双累积曲线的平均坡度在1985年之前较陡，在1985年之后较缓，即降水—径流关系在1985年发生变化。进一步对1985年之前和1985年之后两个时段的降水—径流关系进行分析可知，1985年之后的径流系数为0．15，比1985年之前的减小了15．9%。鉴于1985年为水文系列的分界点，分别对1961—1985年和1986—2011年两个时段建立水热耦合平衡模型。由于本研究所构建的水热耦合平衡模型适用于多年平均条件，因此对于模型的率定和校验采用5 a滑动平均系列。

图6 黄河花园口以上区域降水—径流双累积曲线和降水—径流关系

采用1963—2009年黄河流域5 a滑动平均径流深系列对模型进行率定和验证。图7为地表径流深模拟值与实测值，水文系列变异前，率定得到的参数ω值为2．145，率定期NSE和R2在0．8以上，验证期NSE和R2在0．6以上，水量平衡误差不超过2%；水文系列变异后，率定得到的参数ω值为2．233，率定期NSE和R2在 0．8 以上，验证期NSE和R2在 0．55 以上，水量平衡误差（RE）不超过3%（见表1）。模拟结果表明，应用流域尺度水热耦合平衡模型进行黄河花园口以上区域地表径流深模拟是可行的，适用于后续评估研究。

图7 黄河花园口以上区域地表径流深模拟值与实测值对比

表1 流域尺度水热耦合平衡模型模拟效果评价结果

2．3 气候变化对地表水资源量的影响评估

为评估黄河花园口以上区域地表水资源量对降水和气温变化的响应，假定降水相对于基准期（1961—1990年）分别变化±30%、±20%和±10%，气温分别变化±3℃、±2℃和±1℃，得到49种假设气候变化情景（见表 2）。

表2 黄河花园口以上区域气候变化情景

利用1961—2011年黄河花园口以上区域月均气温（Tm）数据和逐月潜在蒸发量（ET0）数据，建立Tm—ET0之间的统计关系。结果表明：1—6月Tm—ET0近似符合线性关系，7—12月Tm—ET0则近似符合指数关系（见图8）。根据表2设置的假定气候变化情景，基于Tm—ET0统计关系，可得到不同情景下的潜在蒸发量（见图9）。

图8 月均气温与潜在蒸发量之间的关系

图9 不同温度条件下潜在蒸发量变化情况

根据表2与图9，结合所构建的地表水资源量模拟模型，评估不同假设气候变化情景下黄河流域地表径流深变化，结果见图10。从图10可看出，随着气温升高，更多的降水转化为蒸发，径流量减小；降水越丰沛蒸发量越大，地表径流深减小幅度越大，在降水量增大30%的情景下，气温每升高1℃，地表径流深减小11．2%，而在降水减小30%的情景下，气温每升高1℃，地表径流深减小3．3%；降水量与地表径流深存在明显的非线性关系，随着降水增多，降水转化为径流的比例逐步增大。按照近似的线性关系估算，在降水量不变的情况下，气温每升高1℃，地表径流深减小6．8%；在气温不变的情况下，降水量每增大10%，地表径流深增大21．3%。

图10 气温、降水量变化对地表径流深的影响

3 结 语

在对黄河流域近50 a气象水文要素进行分析的基础上，构建了基于水热耦合平衡的区域地表水资源量模拟模型，识别了研究区对不同降水量和气温变化条件的响应。气候变化影响评估结果表明：在黄河花园口以上区域，若降水条件不变，气温每升高1℃，地表径流深减小6．8%；若气温条件保持不变，降水量每增大10%，地表径流深增大21．3%。

基于流域年尺度的水量平衡与能量平衡原理，建立降水、蒸发、下垫面要素和径流量的函数表达式，是以年尺度上的简化形式来描述流域水循环，所采用模型结构简单、输入参数少，忽略流域地表-土壤-地下调蓄过程，易于推广和应用。由于人类活动对水资源影响具有复杂性和不确定性，因此本文未考虑取用水和下垫面变化等人类活动因素对地表水资源量的影响，有待下一步深化研究。