气候变化情景下洮河流域生态水文模拟分析

李 伟

(甘肃省水文站，甘肃 兰州 73000)

0 引言

研究发现，二氧化碳气体的增加是地球温室效应发生的主要元凶，其主要来自化石燃料。从上世纪初期开始，人类的经济活动日益频繁，矿石燃料被大量开采和使用，从而导致空气中的二氧化碳浓度快速加大，全球气温呈现逐年上升的态势,全球气候不断恶化，使得全球降水的空间格局与季节分配随之变化,从而对流域生态水文过程产生较大的影响。为了适应这一变化，植被的空间格局随之发生改变，最终影响到人类利用土地的方式。

学界主要通过两种途径对气候变化影响水文过程进行研究：(1)历史总结法，即研究者采用小波分析等统计方法,以历史气候数据为分析样本，对径流响应气候变化的信号进行检测；(2)未来预测法，即将目前的气候状况输入GCMs模型中，通过模拟得出经过一定比例增减的未来水文变化情景。这是一种预测性研究。该研究模型分为两种，一种是分布式水文模型，另一种是集总式模型。研究发现,在温度变化的敏感性方面，径流要弱于蒸散。因此，在气候变化的响应方面，二者也存在较大的差异，表现为前者对于气候变化的信号具有抑制作用，而后者往往具有放大作用。

生态水文模式能够对生态与水文过程二者之间的影响效应进行很好地描述，因此，常被学者用于气候变化和土地利用导致的水文变化情景以及生态系统对这一变化的响应情况研究。该模式以生态系统过程为研究视角，重点揭示气候变化作用于水文过程的途径，从而成为这一课题的研究热点。

本文采用生态水文模式对洮河流域气候变化对本流域生态水文过程的影响情况进行模拟，重点描述后者的响应方式和幅度。该模式将植被结构响应这一因素纳入考虑范畴，从而对气候变化与流域生态水文过程之间的关系进行探讨。

1 流域概况

洮河发源青陇交界处的西倾山，是青海东部重要的外流水系之一，全长673 km，流域面积2.55万 km2。其横穿临洮盆地，主要流经甘肃中部地区，最后注入黄河中段的刘家峡水库。根据沟门村站的水文记录，当地降雨主要集中在夏秋两季，年均流量172 m3/s，年径流量53亿 m3，而只有25%左右集中在每年的11月到来年的4月间。根据流域内气象站的记录，自上世纪80年代开始，当地气温逐年上升,气温增幅明显，主要表现为冬季增温幅度较大，夏季相对较小；年降水量较为稳定，但年际变化水平下降。

2 研究方法

VIP生态水文动力学模式包含了大气运动、土壤、径流以及植被等多个动态过程,其中，采用一维运动波方程模拟地表汇流过程，用可变土壤蓄水容量方法模拟产流过程。模型总体结构见图1。

每种植被的功能不同，该模式据此将它们划分为多个类型，每一类型都具有相应的生态特性。植被动态变化采用干物质累积方程描述，如下：

(1)

式中，i=l，r，s三者分别代表木本植物的叶、根和茎(草本植物无此项)。本研究流域的木本植物主要为玉米和小麦两种；M为干物质；Rg为生长呼吸；ai为各相应器官的光合产物分配系数；Pg为总光合作用量；Rm为维持呼吸；D为枯死率。

植被的光合产物分配受到众多因素的影响，包括其自身的类型、土壤水分以及物候期等因素。对于植被的叶层而言，其光合产物的分配系数如下:

a1=exp(-kLAI)

(2)

式中：LAI为叶面积指数。本文借鉴了Arora等研究方案,用下式表示植被的根和茎的光合产物的分配系数:

(3)

as=1-a1-ar

(4)

式中：L为光照因素，w为土壤含水量因素，k，Bp和Pw均为经验系数。

植被结构物质的衰老凋落用枯黄凋落率表示，其水平主要受到三个因素的影响，一是植被自身的周转周期，二是生长环境的温度，三是土壤水分含量情况。表示如下:

式中：τ为周转周期(d)；fd(T，0)为植物组织枯死的影响函数，是温度或土壤含水量单方或二者共同影响的表征。

3 模拟方案

本文选取的分析数据年份为1957-1997年，所有数据均为洮河流域气象站和雨量站的观测记录，此外还有部分数据来自周围地区气象站。这些数据为每日观测值，具有持续性和准确性的特点。笔者按8 km网格分辨率,通过距离平方反比法将样本数据内插到流域的各网格点上,从而对该流域水量变化与植被生产力之间的动态关系进行连续模拟，描述二者的变化过程。

本模型以1970-2000年的水文变化数据记录作为基础时间序列，然后加上一个变化量,以30 a为单位，对HadCM3大气环流模式预报的本世纪以来的气候变化情景进行均值计算，对洮河流域生态水文过程的响应情况进行模拟分析。根据计算结果，得到3个时间段的气候变化情况：第一阶段本世纪开始到2030年；第二阶段为2031-2060年；第三阶段为2061-2090年。具体见表1。

表1 HadCM3的未来气候变化情景

图1 模拟和实测流域年径流深对比

4 模式验证

有两种方法可以验证模型模拟的径流深：

(1)利用洮河流域出口站的记录数据来推求出流域的平均径流深。图1是该流域径流深实测值与模拟值的对比。图表显示,在1957-1997年间，径流深模拟值与实测均值相差在7%左右，前者为44 mma-1,后者为41 mma-1。并且，二者的偏差值与径流深度值存在明显的正向关系，即当年径的流深度值越小，两个值的偏差越小。反之越大。二者的偏差还与分析模式存在一定的关系，主要原因是样本所在区域为半干旱流域，因此在设计降雨与径流产生的参数时未包含降水强度，只采用了日降水量，由此引发径流深度模拟值的偏差。此外，本模式未考虑库坝蓄水产生的水面蒸发因素，也是加剧模拟值与实际值偏差的一个原因。

图2 1982-2000年模拟和实测农田根层土壤水分的逐旬变化过程

(2)利用流域附近气象站土壤含水量的观测验证模型。研究使用的是农田土壤水分含量旬变化记录数据，观测点为洮河流域气象观测站邻近，土质为粘性粉壤土,样本作物为夏玉米。根层分布深度不超过1 m，含水量最大值为250 mm，出现在夏季；最小值为100 mm,出现在春季。形成夏季补充,春季消耗的季节变化特征。年际土壤含水量主要与当年的降水量多少有着直接的关系，从而呈现正向波动。土壤蓄水量观测值与模拟值总体偏差不大。具体见图2。

图3 洮河流域土壤蓄水量变化

5 结果分析

5.1 气候波动对流域水文过程的影响

在样本研究周期内，洮河流域的年际降水量变化较大,变异系数达到0.23；日照因素的年际波动系数相对较小，分别为：日照时数为0.06，温度为0.07，Rn(净辐射)为0.03；Es(蒸发)、ET(蒸散)以及Ec(蒸腾)变异系数约为0.12,波动幅度较小，且无明显趋势特征。由于该流域降水量的年际变化较大，土壤水分总量变化明显，从而影响到植被的生长情况。为了适应这种变化，合理地利用土壤水分，植物不得不调整其耗水策略,以确保自身在降水集中期到来之前都有水分可以消耗，这就使得植被呈现出耗水过程的年际变化。通常而言，ET和Ec的作用受到两个因素的共同调节：一是净辐射能力；二是土壤的供水能力。同时，净辐射还会抑制ET对降水的响应。从历史数据来看，该流域的年ES和Ec值远低于降水量,波动幅度较小，这样能够增强土壤水库的调蓄能力，有利于植被更好地生存。由于水利工程截流和模式两个因素的影响，该流域的年总径流量(Q)的变异系数模拟值为0.36，而实际值为0.27,二者存在较大差异。但有一点是确定的，即在降水变化当中，径流具有放大作用，提升了这一变化的幅度。另外，模拟结果显示，该流域年总蒸散量占年降水量的0.91±0.19,其中，年径流和蒸腾分别占比为0.11±0.03、0.48±0.04。根据这一结果可以估计出水利工程蓄洪导致的径流损失占降水的比例在0.02左右。由此可以得出，土壤水分的周转周期为5 a。从图3可以看出，1990年的降水量明显低于之前的20 a，不到450 mm,土壤水分的调蓄幅度减小,出现了干化的趋势。

图4描绘了在本研究周期内洮河流域水循环分量的变化情况。可以看出，径流与蒸散的变化范围明显小于降水的变化范围，并且前二者的中值范围也有所不同，径流趋于低值端，而蒸散趋于高值端,与降水基本一致。可以认为，在降水的响应方面，径流具有延后性，蒸散则表现为直接响应。

图4 1958-1997年洮河流域年水平衡分量的均值、中值及范围

图5 1958-1997年洮河流域植被生产力各分量的均值、中值和范围

5.2 气候波动对流域植被生产力和水分利用效率的影响

在高原地区，无论哪个季节，根层土壤含水量通常都低于田间持水量,原因主要是植被普遍存在水分胁迫的情况。这就使得这类地区的植物叶片的光合生产力较弱，并且受气候年际波动的影响较大。从模拟结果看，在本研究周期内，样本流域的植被总初级生产力(GPP)均值为(361±37)gCm-2a-1,净初级生产力(NPP)为(171±22)gCm-2a-1,二者的比值为(0.47±0.02)(图5)。NPP的模拟值与观测值误差较小。

模拟结果显示，在同植被类型间，生产力最高的是农田,最低的是草地，林地居于二者中间，这完全符合它们的光合潜力最大值。根据图5可以得出GPP的斜率为1.6,r2=0.26，可见其处于持续上升状态，并且上升幅度较大，其原因是大气中二氧化碳气体的增加；NPP的斜率为0.6,r=0.10，其同样处于持续上升状态，但上升幅度较小，其原因是当地气温的上升加强了植被的呼吸作用,消耗掉一部分碳固定量。NPP与Ec的比值为(1.04±0.14)gCmmHom-2a-1,表明植物的水分利用效率有所提高。

5.3 生态水文过程对气候变化的响应

GCM对高原地区气候变化趋势的预测结果为：气温逐年上升，降水总量增加。表2是样本流域30年来水量平衡和生产力相对变化的平均值，其由表1情景模拟而来。按照增幅大小的排序各水文因素分别为：冠层截留水量增幅为70%，排名第一；Ec和径流的增幅十分明显，为降水增幅的1.6倍，而ET的增幅不及降水增幅；Rn增幅度最大为11.9%；Es的增幅最大为4.3%。在植被生产力变化方面,NPP的增幅约为39%，与二氧化碳的增幅相近；GPP的增幅高达72%左右。国内学者杨永辉等人以太行山区为研究案例，对该地区的气候变化及其对自然植被的影响进行了调研分析，并通过实验的方式来探究后者对前者的适应情况。研究发现，植被生产力与当地的气温和降水存在正向关系，具体为气温每上升2度、降水增加20%时,植被的生产力能够提升20%的水平。这一研究情景及其结果均与本文相似。Zhang等人以高原地区的农作物为研究对象，通过模型模拟的方式对其与土壤侵蚀的关系进行研究,发现样本地区本世纪末的径流和蒸散增幅明显，农作物的产量有大幅的提升。洮河流域位于高原地区，因此，其植被的变化符合上述研究结果，即覆盖水平将会不断提高,有利于当地的水土涵养。

表2 未来气候变化情景下,洮河流域水量平衡和生产力的响应 %

6 结语

(1)洮河流于地处我国的西北，生态环境较为脆弱,长期以来，当地的一大工作任务就是加强生态环境建设，重视水土涵养。本文以洮河流域为例，以其历史气候数据资料为样本，采用生态水文机理模式模拟了该流域近40年的生态水文演变特征,并对未来生态水文过程的响应情况进行了预测。模拟结果显示，在样本研究周期内，该流域降水量基本持平，年际波动幅度有所下降，地表蒸散量也保持在一个稳定的水平。但植被净生产力斜率约为0.6gCm-2a-1,表明提升较大，水分利用效率也有所提高。GCM预测，洮河流域到本世纪末气温和降水都有明显的增加，前者上升3K,后者增加25%。相对应的，地表径流、蒸散、植被NPP分别增加38%、23%和45%，植被水分利用效率将有着较大的提升。这表明，该流域生态系统对这一变化响应显著，而这种变化趋势有利于高原地区的水土保持。

(2)GCM模式的选择对于模拟的结果有着较大的影响，本文只用了HadCM3最近的一种模拟情景，因此，其预测结果与实际值会存在一定的偏差。必须进行更多的模拟和试验，才能提升研究的全面性，对样本流域生态水文过程对气候变化的区域响应情况进行可靠预测。