若尔盖湿地流域径流变化及其对气候变化的响应

赵娜娜，王贺年，张贝贝，刘 佳，徐卫刚，于一雷

(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.中国林科院湿地研究所湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京 100091；3.环境保护部环境工程评估中心，北京 100012)

全球气候变化影响流域水循环过程，而湿地由于独特复杂的生态系统特性，其水文循环机理对全球气候变化具有更高的敏感性。若尔盖高原湿地位于青藏高原东北部，属于典型的高寒沼泽湿地生态系统，同时也是黄河上游最重要的水源涵养区，素有“高原水塔”之称，其水循环过程对气候变化响应更为敏感[1-3]。近年来，由于气候变化和人类活动的影响，若尔盖湿地面临一系列问题，如水位下降、湿地快速萎缩退化、湿地沙化、生态功能减弱以及生物多样性减少等[3-9]。湿地水文过程和水循环机理发生了变化，湿地水源涵养能力削弱，对区域乃至下游流域水资源管理和社会经济发展产生深远影响。

气候变化是导致湿地退化的重要原因之一。20世纪90年代后黄河源区气温明显上升，区域蒸散发量增加，径流量明显减少[10]。Niu等[11]通过遥感影像分析了中国近年来湿地的变化趋势，发现1978—2008年中国湿地减少了33%，其中70%是由土地复垦造成的；1978—1990年青藏高原湿地减少了66%，而在1990—2008年青藏高原湿地减少率降低为6%，这主要是因为高原区域冰川和多年冻土消融新生成了大约6 000 km2的湿地面积。由于区域气候变化，气温上升，20世纪90年代后若尔盖湿地蒸发皿蒸发量呈现出明显的上升趋势[12]，实际蒸散发也呈缓慢增加趋势[13]，Liu等[14]分析了黄河流域的年蒸发皿蒸发量变化规律，认为若尔盖高原湿地蒸发量增加与太阳辐射的变化密切相关。陈利群等[15]则通过分布式水文模型对黄河源区气候变化和土地覆被变化对径流的影响进行分析，发现气候变化是径流减少的主要原因。此外，人类活动也必然会影响湿地流域的水文过程。Li等[16]分析了若尔盖湿地气候变化和人类活动对湿地径流的贡献率，结果表明气候变化对湿地径流的影响大概在55%～64%，人类活动影响的贡献约为36%～45%，气候变化占主导地位。而Li等[17]也采用分布式水文模型进行研究，发现影响若尔盖湿地水量减少最主要的因素为归一化植被指数，其次，区域地质断层也对湿地水量损失有着不可忽视的作用。对未来气候变化的影响和预测方面的研究主要集中在不同气候模式、不同情景下的径流变化。郝振纯等[10]分析了不同气候模式下未来100年黄河河源区水循环对气候变化的响应，发现不同模式下黄河河源区的径流都有不同程度的下降。张永勇等[18]利用SWAT水文模型分析了2010—2039年黄河源区径流变化，发现径流量与现状年相比明显减少。其他学者也得出了相似的结论[19-20]。目前，国内外对变化环境下高原寒区沼泽湿地水文过程的研究机理尚不完善，特别是对于典型高寒沼泽湿地水文循环各要素的基本特征及其对气候变化的响应尚不十分清楚。因此，开展青藏高原若尔盖湿地水文过程变化及对气候变化的响应等研究，对明晰高寒湿地水文循环机理和青藏高原水循环演变机理，以及对区域水资源管理等具有十分重要的意义。

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

若尔盖高原湿地位于青藏高原的东北隅，是青藏高原湿地的典型代表，也是世界上海拔最高、面积最大的高原泥炭沼泽的主要分布区之一。平均海拔3 500 m，沼泽总面积约4 903 km2，隶属四川省若尔盖县、红原县、阿坝县以及甘肃省的玛曲县和碌曲县[21]。若尔盖高原湿地为起伏平缓的丘状高原区，主要地貌类型有低山、丘陵、阶地、河漫滩、宽谷和湖群洼地等[4]。湿地内的主要河流为黄河及其支流黑河和白河(图1)，黑河和白河自南向北流入黄河，为黄河上游流量较大、流速较小而水位十分平稳的两条支流。同时由于黄河和支流的改道，区域内小河流和湖泊星罗棋布，主要的湖泊有哈丘湖、错拉坚湖和花湖。

图1 若尔盖湿地水系分布概况

研究区域的气候为大陆性高原气候，寒冷湿润，霜冻期长，日温差大。多年平均气温1℃左右，年日照时数约25 000 h，全年降水量约600～800 mm，雨季主要分布在5—10月，约占全年降水量的90%[13]。区内植物以沼泽植被和草甸植被为主，优势种有木里苔草(Carexmuliensis)、乌拉苔草(Carexmeyeriana)和藏蒿草(Kobresiatibetica)等[22]。研究区以吉迈站作为流域入口，玛曲站作为流域出口，流域总面积约41 086 km2。流域水系分布及湿地沼泽分布见图1。

1.2 数据来源

收集的基础资料包括：DEM(1∶24 000)、土地利用(1∶1 000 000)、土壤类型(1∶4 000 000)、河网水系、植被、土壤、气象站点、水文站等GIS数据；1960—2011年达日、久治、红原、若尔盖、玛曲、马尔康、松潘、河南、班玛和玛沁等10个气象站点的日降水、最高气温、最低气温、风速、相对湿度等气象资料，玛曲站(1964—2011年)、唐克站(1990—2011年)以及若尔盖站(1990—2011年)的月径流过程。研究区域内的气象站网和水文站分布见图1。此外，为了分析未来不同气候变化情景下湿地径流的变化，还收集了HadGEM2-ES气候模式下高排放情景RCP8.5、中排放情景RCP4.5和低排放情景RCP2.6 3种情景的日气象资料。其中，RCP8.5为最高温室气体排放情景，辐射强度达到8.5 W/m2，2100年后CO2质量浓度达到1.37×10-3mg/L；RCP4.5为低端排放基准和中等减缓措施，辐射强度稳定在4.5 W/m2，2100年后CO2质量浓度稳定在6.5×10-4mg/L；RCP2.6为最低端的排放情景，采取严格的限排等应对气候变化政策。全球平均温度上升限制在2℃以内，辐射强度在2100年前达到峰值，到2100年下降至2.6 W/m2，CO2质量浓度峰值约为4.9×10-4mg/L,之后呈下降趋势，2100年CO2质量浓度4.0×10-4mg/L[23]。

1.3 模型构建

选择SWAT(soil and water assessment tool)模型进行区域径流模拟和预测。SWAT模型是具有一定物理机制的半分布式水文模型，模型可以预测复杂流域内不同的气候条件、土地覆被变化等对水量、水质以及作物产量等的长期影响[24]。此外，该模型也考虑了融雪和冻土对水文循环的影响[25]，模型也在许多国家的寒冷地区得以广泛应用[26-27]。在中国，SWAT模型在黑河[28]、黄河源区[29]、三江源区[18-19]等寒冷区域的径流模拟、气候变化等影响评估方面取得了很好的模拟和应用效果。这说明SWAT模型可以用来模拟和预测寒冷区域的降雨径流过程，分析区域水循环机理和评估气候变化对水循环过程的影响。

由于缺乏若尔盖湿地入口处水文站的径流观测资料，本研究在构建模型时以湿地上游吉迈站为入口径流观测站，以玛曲站为出口(称为吉迈-玛曲流域)，根据研究区的DEM、土壤和土地利用分布，进行流域划分，吉迈-玛曲流域范围见图1，流域面积41 086 km2。若尔盖湿地流域则主要是由以若尔盖水文站作为控制站的黑河流域(7 848 km2)、以唐克站作为控制站的白河流域(5 478 km2)以及玛曲流域(10 579 km2)组成，流域面积23 905 km2(图1)。吉迈-玛曲流域总共划分了237个子流域，水文响应单元的划分阈值为20%的土地利用类型和20%的土壤类型。

2 结果分析

2.1 参数敏感性分析

SWAT模型参数较多，本研究选取对湿地径流过程影响比较大的13个参数，用SWAT-CUP中的SUFI-2优化算法进行参数率定和敏感性分析[30-31]。通过5次迭代运算(每次运行50次)获得模拟结果。在SWAT-CUP中，SUFI-2算法采用的全局敏感性分析，参数敏感性主要取决于拉丁超立方生产的参数与目标函数值之间的多元回归系数[32]。T检验用来确定每个参数的敏感性，t绝对值越大，参数越敏感；而P值则决定了敏感性的显著性，P值越接近于0，参数敏感性越显著。表1为模拟中一部分参数的敏感性分析和率定结果。由表1看出，若尔盖湿地流域径流过程模拟中，基流α因子(V_ALPHA_BF)最为敏感，其次分别为土层有效含水量(R_SOL_AWC)，产生回归流所需的浅层含水层水位阈值(V_GWQMN)、土壤密度(R_SOL_BD)、河道曼宁系数(V_CH_N2)、地下水revap系数(V_GW_REVAP)和土壤蒸散发补偿因子(V_ESCO)，这7个参数在模型中对该区域的径流模拟过程较为敏感。

2.2 SWAT模型率定及验证

根据实测水文数据系列，选取玛曲站、唐克站和若尔盖站3个水文站的月径流数据系列进行参数的校准和率定，其中唐克站位于白河流域，若尔盖站位于黑河流域，玛曲站位于黄河主干流。由于唐克站和若尔盖站建站时间比较短，资料系列相对较短，主要以玛曲站资料为主对SWAT模型进行率定和验证。唐克站和若尔盖站校准期为1990—2000年，验证期为2001—2011年；玛曲站校准期为1964—1985年，验证期为1986—2011年。在模型率定和验证过程中，选取1964—1968年为模型预热期，以消除初始状态的影响。

表1 参数敏感性分析和率定结果

模型参数率定采用SWAT-CUP自动校准和人工优选结合的方式使得模型拟合度Nash效率系数NSCE以及决定系数R2达到最大。其中用SWAT-CUP进行参数校准时选择SUFI2优化算法。在采用SUFI-2优化算法进行模型参数率定时，Pfactor和Rfactor主要用来衡量模型参数的不确定性程度[33]，一般用Pfactor接近于1和Rfactor接近于0的程度来判断校准的效果。Rfactor越大，Pfactor也会越大，因此通常情况下，必须两者达到平衡，取得Pfactor和Rfactor的相对最佳值。通过实测数据和模拟值之间的R2和NSCE进一步量化拟合度。NSCE的计算公式为

(1)

模型率定和验证结果见表2。玛曲、唐克及若尔盖水文站月径流过程模拟见图2。由表2和图2可见，模型模拟效果较好，模拟径流与实测径流过程基本一致，校准期的模拟精度较高，验证期3个测站的NSCE均稍有降低，但总体来说，率定的参数可以用于若尔盖湿地流域的水文过程模拟。

表2 模型率定和验证结果

2.3 模型参数不确定性分析

采用SUFI-2优化算法进行参数优化和率定时，同时也将模型输入数据、模型结构、参数以及观测数据等一系列不确定性因素考虑在内，可以通过率定后的参数范围反映出来[34]。一般情况下，参数率定的95%置信水平(95PPU)的不确定性区间上会包含大部分观测数据。本研究采用默认的2.5%(L95PPU)和97.5%(U95PPU)上的累积分布得到95%置信水平上模拟结果总的不确定性，不确定性区间见图2中的95PPU。由表2可知，模型校准期和验证期Pfactor值在0.73以上，即在3个水文测站中至少73%以上的观测数据均包含在95%的置信区间内。Rfactor值表征95PPU区间的平均宽度，在校准期Rfactor为0.87～0.96，在验证期Rfactor略高，为0.98～1.27，可见验证期95PPU宽度较窄，样本分布相对集中。总体上，3个水文站在校准期和验证期的径流模拟不确定性相对较小。

2.4 未来不同气候情景下的湿地径流变化

由于HadGEM2-ES模式是GCM模式中较为通用的一种，能够反映全球尺度上的生态系统和水文过程变化，并且无须进行通量修正[35]，在我国黄河河源和上游区域的适用性较好[36-37]。因此，采用HadGEM2-ES模式下3种排放情景(高排放情景RCP8.5、中排放情景RCP4.5和低排放情景RCP2.6)的模式输出气象数据(降水、气温、风速、辐射以及相对湿度)。通过统计降尺度方法，将不同分辨率的气候模式输出结果，用双线性插值方法插值到0.5°×0.5°的网格上进行数据统计。在SWAT模型中以气象数据作为模型驱动，基于现状土地利用情况，对2010—2050年若尔盖湿地流域水文变化过程进行模拟和预测。同时采用基于TFPW预处理的非参数Mann-Kendall趋势分析方法[38]对径流变化趋势进行分析检验，根据SEN法[39]计算径流变化趋势的坡度值：

(2)

式中：βj为坡度值；xj、xk为样本中第j、k个数据。取n个坡度值的中值为样本的坡度。βj的正或负分别反映了序列的上升或下降的趋势。

图3为2020—2050年玛曲、唐克和若尔盖站在不同排放情境下的径流变化过程。可见未来气候变化的高(RCP8.5)、中(RCP4.5)、低(RCP2.6)排放情景下，若尔盖湿地流域玛曲站、唐克站以及若尔盖站径流量在2020—2050年均呈下降趋势。尤其是RCP8.5情景下，3个水文站的径流量在汛期和非汛期以及年平均阶段的下降趋势更为明显(显著水平为0.05)(表3)。2020—2050年3种气候变化情景下，玛曲站径流减少幅度相对较大。RCP8.5情景下，玛曲站非汛期的径流量减少率为6.07 m3/a左右(显著水平为0.01)，减少幅度最大，其余情景下径流减少趋势不明显。RCP8.5情景下，唐克站和若尔盖站的径流则呈现明显下降趋势(显著水平为0.05)，汛期径流下降幅度高于非汛期；RCP2.6和RCP4.5情景下，若尔盖站和唐克站径流量变化均呈下降趋势，但并未达到显著水平。黑河和白河作为流经若尔盖湿地的两条主要支流，在3种气候变化情景下的径流均呈下降趋势。尤其是RCP8.5情景下两条支流的径流下降趋势明显，说明在未来气候变化情景下，流经若尔盖湿地的河川径流量减少，在一定程度上也可能使得湿地补给水量减少，导致若尔盖湿地水位下降，破坏湿地生态系统稳定性，加剧湿地的退化和萎缩，不利于湿地保护和生态系统的稳定。

(a)玛曲

(b)唐克

(c)若尔盖

表3 2020—2050年不同情景下的各水文站径流变化趋势坡度值

注：*表示显著水平为0.05，**表示显著水平为0.01。

以1990—2010年若尔盖湿地各水文站径流量作为基准，分析若尔盖湿地未来3种情景下2020s、2030s、2040s的径流变化率(表4)。玛曲、唐克和若尔盖3站的年平均径流量、非汛期径流量在3种情景下与基准年相比均呈减少趋势，其中玛曲站径流量减少幅度最大。在未来3种情景下，玛曲站年平均径流、汛期以及非汛期径流量均呈明显减少趋势，尤其是非汛期径流在RCP8.5情景下，减少比率较大，达到50.1%(2040s)。唐克站年均径流和非汛期径流减少幅度相对较小，并且3种情景下汛期径流均略有增加。若尔盖站径流量变化与唐克站基本相似。总体上，在未来气候变化情景下，若尔盖湿地径流量呈减少趋势，尤其是非汛期径流量减少率在25% 以上，结论与张永勇等[18-19,40-41]在黄河源区的研究结果基本一致。气温升高，水面蒸发量增大，而降水增加趋势并不显著，可能是导致该区域径流量减少的主要原因之一[18]。

未来气候变化情景下，2020—2050年若尔盖湿地流域径流量不断减少，而非汛期径流量的锐减可能会对若尔盖湿地保护以及黄河流域中游和下游区域的水资源管理等产生影响。这种变化可能会加剧未来若尔盖湿地面积的退化和萎缩，引起黄河中下游区域的干旱、水资源亏缺等一系列问题。这种情况下，若尔盖湿地未来如何应对气候变化是需要考虑的关键问题。

(a)玛曲

(b)唐克

(c)若尔盖

站 点阶 段基准期径流量/(m3·s-1)RCP2.6下径流变化率/%2020s2030s2040sRCP4.5下径流变化率/%2020s2030s2040sRCP8.5下径流变化率/%2020s2030s2040s年平均402.9-18.9-15.7-15.4-25.0-23.0-23.5-17.2-29.3-23.0玛 曲非汛期202.6-40.0-43.3-43.3-47.0-43.6-48.0-41.4-49.8-50.1汛 期683.4-10.2-4.2-3.8-15.9-14.5-13.3-7.1-20.7-11.8年平均56.6-8.0-4.7-9.6-19.2-15.4-14.6-6.8-22.5-15.8唐 克非汛期24.7-20.8-22.3-28.5-31.9-28.5-32.3-18.3-31.4-32.9汛 期88.510.316.010.9-2.62.04.611.1-7.83.0年平均24.5-0.25.7-0.3-18.1-13.1-10.4-2.3-22.1-11.2若尔盖非汛期13.5-24.8-27.4-31.9-39.9-36.8-40.0-30.0-39.6-40.3汛 期402.911.521.514.7-7.8-1.83.711.0-13.72.7

3 结 论

a. 采用SWAT水文模型对若尔盖高寒湿地流域的唐克站、若尔盖站以及玛曲站的月径流过程进行模拟，模拟精度较好。模型考虑了冻土和融雪对水文循环的影响，能够对降雨-融雪-径流过程进行较好的刻画，模型可以用来分析若尔盖湿地流域径流变化过程及其气候变化的影响。

b. 未来3种(高排放情景RCP8.5、中排放情景RCP4.5和低排放情景RCP2.6)气候变化情景下，2020—2050年若尔盖湿地流域径流量呈下降趋势。RCP8.5情景下，若尔盖湿地的两条主要河流——白河流域(唐克站)以及黑河流域(若尔盖站)径流量下降趋势显著，在一定程度上可能导致湿地可补给水资源量减少，湿地水位下降。

c. 未来3种情景下2020s和2030s，2040s的年径流变化与基准年相比均呈减少趋势，非汛期径流量减少幅度明显高于汛期，径流减少比率大部分在25%以上。非汛期径流量的锐减可能会对若尔盖湿地保护以及黄河流域中游和下游区域的水资源管理等产生影响。