气候变化对未来水资源量的影响

摘要：为研究湖北省未来水资源量变化趋势，采用全球气候模式未来降雨数据，导入时变增益模型模拟湖北省未来水资源量。结合全国第三次水资源调查评价，应用１９５７～２０１６年湖北省实测降雨、径流数据，对时变增益模型进行率定、验证。并选用ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ、ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２三种全球气候模式，选取ＲＣＰ２．６与ＲＣＰ８．５两种典型浓度路径下的降雨数据，作为时变增益模型的输入。结果表明，三种气候模式下２０５０～２０８９年湖北省水资源量相对于２０２０～２０４９年总体呈上升趋势，ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ气候模式下ＲＣＰ８．５浓度路径下的湖北省水资源量总体上低于ＲＣＰ２．６浓度路径，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２气候模式则相反。

 

关键词：气候模式；时变增益模型；典型浓度路径；水资源量

 

1概况

 

湖北省位于长江中游，全省主要属于亚热带湿润季风气候，多数地区的年平均气温位于１５～１７℃之间。湖北省多年平均降雨量为１１７９．９ｍｍ，各地降雨量在７５０～２１００ｍｍ之间。全省面积为１８．５９×１０４ｋｍ２，省内河流众多、湖泊广布，长江自西向东横贯全省，过境水量丰富，全省多年平均入境水量为６３９４．６６×１０８ｍ３，水资源总量为１０３５．９×１０８ｍ３。多年平均径流深为５３５．４ｍｍ，各地在２００～１４００ｍｍ之间。研究气候变化下水资源的变化趋势对于未来水资源系统的规划管理有重要意义。本文结合全国第三次水资源调查评价，采用国际气候学界广泛使用的ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ和ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２三种气候模式下未来２０２０～２０８９年的降雨数据，作为时变增益水文模型（ＴＶＧＭ）的输入，模拟预测湖北省１４个水资源三级分区未来的水资源量，并分析湖北省未来水资源量的变化趋势。研究成果对进一步全面认识气候变化下湖北省水资源变化趋势、实现水资源可持续利用具有重要参考价值。

 

2方法与数据

 

2.1数据来源

 

数据来源包括：①湖北省雨量站、水文站１９５７～２０１６年月降雨、月径流序列，用于时变增益模型的率定与检验。②ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ和ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２三种气候模式ＲＣＰ２．６与ＲＣＰ８．５两种典型浓度路径下的未来２０２０～２０８９年降雨数据，作为时变增益模型的输入。三种气候模式的基本信息见表１。

 

2.2研究方法

 

时变增益模型（ＴＶＧＭ）是一种水文非线性系统模型［１］，其模型参数较少，结构简单［２］。模型认为降雨和径流呈非线性关系，流域产流阶段的增益因子与土壤湿度密切相关，土壤湿度的改变引起流域产流量发生相应改变。模型中的地表产流量过程Ｒｓ（ｔ）为：Ｒｓ（ｔ）＝Ｇｓ（ｔ）Ｘ（ｔ）地表产流因子Ｇｓ（ｔ）为时变增益因子，与土壤湿度有关。若缺乏土壤含水率资料，可用流域土壤前期影响雨量（Ａ（ｔ））作为替代。Ｇｓ（ｔ）与Ａ（ｔ）之间的简单关系可表示为：

 

3结果与分析

 

根据湖北省１４个水资源三级区１９５７～２０１６年月降雨序列和月径流量序列，选取１９５７～１９９6年为率定期，选择纳什效率系数（ＮＮＳＥ）作为目标，采用ＳＣＥ－ＵＡ优化算法［３，４］对ＴＶＧＭ模型参数进行率定，并用１９９７～２０１６年数据对模型参数进行检验，率定期与检验期结果见表２。由表２可知，通过ＴＶＧＭ模型模拟的湖北省各水资源分区径流序列在率定期和检验期的纳什效率系数均大于０．８，模型对于湖北省水资源三级区的月径流模拟效果较好。ＴＶＧＭ模型在季风气候影响下的半湿润半干旱地区和中小流域实际应用效果较好［５－７］，湖北省全省主要属于亚热带湿润季风气候，表明ＴＶＧＭ时变增益模型在湖北省具有较好的适用性。将三种全球气候模式下未来２０２０～２０８９年的网格点降雨数据插值到湖北省１４个水资源三级区，代入ＴＶＧＭ模型分别模拟三种气候模式下的湖北省水资源三级区未来水资源量。以丹江口以上、丹江口以下干流、唐白河和王家坝以上南岸为例，绘制水资源三级区２０２０～２０８９年每１０年地表水资源量均值的变化曲线，见图１。由图１可知，ＢＮＵ－ＥＳＭ气候模式下模拟出的地表水资源量最大，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２气候模式最小，ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１气候模式居中，且ＢＮＵ－ＥＳＭ和ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２两种气候模式下未来水资源量变化相对于ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１更加平缓。从ＲＣＰ２．６、ＲＣＰ８．５两种不同典型浓度路径来看，三种气候模式下ＲＣＰ２．６和ＲＣＰ８．５所对应的地表水资源量较接近，ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１和ＢＮＵ－ＥＳＭ模式下ＲＣＰ２．６对应地表水资源量在多数时期略大于ＲＣＰ８．５所对应的地表水资源量，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２模式则相反。以１９５７～２０１６年年径流量均值作为基准值，根据ＴＶＧＭ模型对湖北省各水资源分区未来年径流量的模拟结果，统计了三种气候模式下２０２０～２０４９、２０５０～２０８９年两个时段的年径流量均值相较于基准值的距平百分比，绘制各水资源分区的距平百分比图见图２。从时间角度看，三种气候模式下２０５０～２０８９年段地表水资源量均值相对于２０２０～２０４９年段有所增加。从地域角度看，鄂西北地区在三种气候模式下地表水资源量均呈增加趋势；鄂西南地区在ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１和ＦＧＯＡＬＳ－Ｇ２两种气候模式下地表水资源量均呈减少趋势，在ＢＮＵ－ＥＳＭ气候模式下澧水区域地表水资源量呈减少趋势，其余区域呈增加趋势；江汉平原地区在ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１和ＢＮＵ－ＥＳＭ气候模式下地表水资源量均呈增加趋势，在ＦＧＯＡＬＳ－Ｇ２气候模式下基本呈减少趋势且从北向南减少程度递增；鄂东北和鄂东南地区在ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１气候模式下，２０２０～２０４９年地表水资源量呈减少趋势，２０５０～２０８９年地表水资源量呈增加趋势，在ＢＮＵ－ＥＳＭ气候模式下地表水资源量均呈增加趋势，在ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２气候模式下地表水资源量均呈减少趋势。

 

4结论

 

ａ．通过时变增益模型模拟的湖北省各水资源分区径流序列在率定期和检验期的纳什效率系数均大于０．８，模拟效果较好，说明时变增益模型对于亚热带湿润季风气候的湖北省具有较好的适用性。ｂ．从湖北省地域分布来看，各地理分区未来水资源量相较于基准值的增加幅度按从大到小排序依次为鄂西北、江汉平原、鄂东北、鄂东南、鄂西南。ｃ．对比三种气候模式下的湖北省２０２０～２０４９、２０５０～２０８９年的水资源量均值距平百分比图可知，２０５９～２０８９年湖北省水资源量相对于２０２０～２０４９年总体呈上升趋势，且ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ气候模式下ＲＣＰ８．５浓度路径下的湖北省水资源量总体上低于ＲＣＰ２．６浓度路径下的水资源量，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２气候模式则相反。

 

参考文献：

 

［１］夏军，王纲胜，谈戈，等．水文非线性系统与分布式时变增益模型［Ｊ］．中国科学：Ｄ辑地球科学，２００４，３４（１１）：１０６２－１０７１．

 

［２］万蕙，夏军，张利平，等．淮河流域水文非线性多水源时变增益模型研究与应用［Ｊ］．水文，２０１５，３５（３）：１４－１９．

 

［３］宋星原，舒全英，王海波，等．ＳＣＥ－ＵＡ、遗传算法和单纯形优化算法的应用［Ｊ］．武汉大学学报（工学版），２００９，４２（１）：６－９，１５．

 

［４］ＤＵＡＮＱ，ＳＯＲＯＯＳＨＩＡＮＳ，ＧＵＰＴＡＶＫ．Ｏｐｔｉ－ｍａｌｕｓｅｏｆｔｈｅＳＣＥ－ＵＡｇｌｏｂａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇｗａｔｅｒｓｈｅｄｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｈｙ－ｄｒｏｌｏｇｙ，１９９４，１５８（３／４）：２６５－２８４．

 

［５］刘慧媛，夏军，邹磊，等．基于时变增益水文模型的实时预报研究［Ｊ］．中国农村水利水电，２０１９（６）：１６－２２．

 

［６］王强，夏军，佘敦先，等．时变增益模型在辽宁干旱半干旱流域的适用性研究［Ｊ］．南水北调与水利科技，２０１８，１６（４）：３５－４１．

 

［７］宋星原．时变增益水文模型的改进及实时预报应用研究［Ｊ］．武汉大学学报（工学版），２００２，３５（２）：１－４

 

作者：余樯 张翔 柯航 佘敦先 单位：武汉大学 海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室 湖北省水文水资源局