那 娜

(遼寧省撫順?biāo)木郑|寧 撫順 113015)

城市需水量隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展而不斷增大，并且流域徑流在氣候變化影響下表現(xiàn)出顯著的降低趨勢(shì)，進(jìn)一步加大了未來城市供水壓力。大伙房水庫(kù)為撫順市主要供水來源，近年來該流域年均徑流量表現(xiàn)出明顯的降低趨勢(shì)，并顯著影響著未來城市用水狀況。所以，有必要考慮氣候變化對(duì)未來水資源配置的影響作用。目前，徑流演變與氣候變化之間的影響作用分析已成為水文領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，氣候情景耦合模型通常為該領(lǐng)域研究常用的方法[1]。通常情況下，全球氣候模式法GCM和情景設(shè)置法為生成氣候變化情景的常用方法，情景設(shè)置法因人為假定而缺乏相應(yīng)的物理意義，而GCM法是根據(jù)海洋、陸地和大氣系統(tǒng)之間的物理過程和相互作用構(gòu)建的模型，因此在預(yù)估未來氣候要素方面該方法具有較強(qiáng)的適用性與可行性[2-3]。如祝雪萍[4]對(duì)碧流河水庫(kù)流域徑流量利用CMDD-CM、ACCESS1.0等模式進(jìn)行了預(yù)估，并給出了徑流量變化區(qū)間；在珠江、長(zhǎng)江、遼河等流域類似的方法也得到了一定的研究和發(fā)展[3，5]。不同區(qū)域的情景模式適用性通常存在較大差異，情景模式的選擇將直接決定著水文要素預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性與可行性。目前，利用科學(xué)的氣候變化情勢(shì)設(shè)置方法和GCM模式評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，仍為流域徑流和水文變化等方面研究的關(guān)鍵[6]。

據(jù)此，本文通過對(duì)不同氣候模式的降尺度處理，篩選出了3種典型氣候模式，并以大伙房水庫(kù)流域?yàn)槔謩e對(duì)不同模式下的降水和氣溫進(jìn)行模擬，對(duì)比分析了各個(gè)模式的模擬效果，然后對(duì)未來期流域徑流變化特征利用月尺度水文模型進(jìn)行的探討。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

大伙房水庫(kù)位于渾河流域中上游區(qū)域，入庫(kù)河流主要有社河、蘇子河和渾河，是一座兼供水、發(fā)電、灌溉、防洪等功能為一體的大型水利工程。流域面積11481km2，全長(zhǎng)415km，年均降水量約718.3mm，年蒸發(fā)量約為1805.4mm，年均徑流量為30.52億m3。排區(qū)內(nèi)屬于不對(duì)稱水系，東部坡陡谷深支流密集，而西部支流較少水量較低，其降雨規(guī)律為自東至西逐級(jí)遞減，徑流洪水受降雨量影響顯著，暴雨降雨較為集中并以7月和8月為主，短期暴雨是造成該流域洪水的主要原因[7-8]。

氣象數(shù)據(jù)資料主要包括逐日降水量、氣溫、日照時(shí)數(shù)等，分別來源于大伙房水庫(kù)流域雨量監(jiān)測(cè)站和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，其中氣溫主要有日平均、最高與最低溫度。流域范圍內(nèi)共有16個(gè)降雨監(jiān)測(cè)站、8個(gè)水文監(jiān)測(cè)站、5個(gè)蒸散發(fā)監(jiān)控站和6氣溫觀測(cè)站。

1.2 研究方法

采用應(yīng)用較為普遍的未來期和基準(zhǔn)期氣候變化劃分方法，為提高模型預(yù)估結(jié)果的準(zhǔn)確性與精度同時(shí)兼顧模型的率定與驗(yàn)證，將水文模型的基準(zhǔn)期、驗(yàn)證期和未來期分別選取為1980—2000年、2001—2015年、2016—2030年。通過降尺度處理全球氣候模型，選擇對(duì)大伙房水庫(kù)流域適用性和模擬效果較好的模式，然后分別對(duì)不同模式和排放情景下未來期該流域徑流量變化特征利用月尺度水文模型進(jìn)行探討。

目前，統(tǒng)計(jì)和動(dòng)力降尺度法為較為常用的方法，其中前者是依據(jù)多年歷史監(jiān)測(cè)資料，通過建立各氣候要素與流域監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，對(duì)氣候要素未來期變化情景進(jìn)行預(yù)估和分析，該方法計(jì)算靈活，計(jì)算簡(jiǎn)便；而后者是依據(jù)數(shù)理方程，通過模擬區(qū)域下墊面條件反映未來徑流變化特征，其運(yùn)算效率較低，計(jì)算工作量較大[9]。

轉(zhuǎn)換函數(shù)法、天氣分型法和天氣發(fā)生器為較為常用的統(tǒng)計(jì)降尺度方法，本研究降尺度方法選取LARS-WG天氣發(fā)生器法，該方法是對(duì)氣溫、日輻射量以及日降水量等氣候要素利用半經(jīng)驗(yàn)分布模型SED進(jìn)行模擬，可利用下式反映氣象要素v的發(fā)生概率Pi與其值vi之間的關(guān)系：

vi=min{v:P(vobs≤v)≥Pi}i=0,1,2,,n

(1)

式中，P()—觀測(cè)數(shù)據(jù){vobs}的發(fā)生概率；n—分布間隔數(shù)，本文選取為22。

通過輸入基準(zhǔn)期日輻射量、氣溫以及降水量等數(shù)據(jù)資料，并依據(jù)LARS-WG天氣發(fā)生器、未來氣候情景模式以及GCM輸出結(jié)果，可隨機(jī)生成任意長(zhǎng)度的未來氣候要素序列。

分別選取高、中、低三種不同的氣候排放情景，分別對(duì)應(yīng)于A2、A1B和B1，參考文獻(xiàn)資料提取另外其他氣候模式的基本信息見表1。

表1 不同氣候模式信息與模擬結(jié)果

為了對(duì)大伙房水庫(kù)流域在上述不同氣候模式下的使用狀況和模擬效果進(jìn)行評(píng)估，分別在LARS-WG中輸入流域基準(zhǔn)期的降水量、氣溫、日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)，從而隨機(jī)生成驗(yàn)證期的氣象數(shù)據(jù)，通過對(duì)比分析驗(yàn)證期各數(shù)據(jù)資料觀測(cè)值與模擬數(shù)值的Nash效率系數(shù)、相關(guān)性系數(shù)以及相對(duì)誤差等指標(biāo)，最終選擇模擬效果最好的氣候模式。

在獲取未來期不同排放情景和模式下的氣候要素之后，將其輸入所建立的水文模型從而得到徑流序列。本文選取月尺度ABCD集中式水文模型，通過輸入蒸散發(fā)與降水量等數(shù)據(jù)可模擬流域地下水、土壤水、徑流過程以及蒸散發(fā)等特征。模型適用性判別標(biāo)準(zhǔn)為Nash效率系數(shù)和相對(duì)誤差，模型參數(shù)的率定選取為遺傳算法，然后可對(duì)流域未來期徑流過程運(yùn)用其率定好的模型進(jìn)行推求。

2 氣候模式與未來期徑流預(yù)估

2.1 氣候模式的篩選

氣候模式適用性與準(zhǔn)確性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)選取為溫度相對(duì)誤差、降水量相關(guān)性系數(shù)、降水相對(duì)誤差以及Nash效率系數(shù)等指標(biāo)，各氣候模式下的指標(biāo)取值見表1。根據(jù)表1可知，驗(yàn)證期降水和氣溫模擬效果在不同氣候模式下存在較大的差異。為準(zhǔn)確預(yù)估流域徑流變化特征應(yīng)選取同時(shí)具有較好的溫度、降水模擬效果的氣候模式，參考已有研究成果可設(shè)定各模式選取標(biāo)準(zhǔn)為Nash效率系數(shù)大于0.80、降水相關(guān)性系數(shù)在0.90以上、溫度絕對(duì)誤差低于1.0℃、降水相對(duì)誤差小于10%，據(jù)此可判定符合上述條件的氣候模式為IPCM4、HADCM3和CNCM3。

大伙房水庫(kù)流域驗(yàn)證期多年平均溫度、季平均降水量模擬值與實(shí)測(cè)值，在3種不同氣候模式下對(duì)比結(jié)果，分別如圖1—2所示。

圖1 驗(yàn)證期多年月平均溫度對(duì)比分析圖

圖2 驗(yàn)證期多年季平均降水對(duì)比分析圖

由圖1—2可知，對(duì)該流域降水和溫度的模擬3種氣候模式均呈現(xiàn)出較高的可信度與準(zhǔn)確性。

2.2 未來期降水和氣溫變化預(yù)估

對(duì)未來期A2、A1B和B1三種排放情景下的天氣要素，分別利用LARS-WG法和上述選取的三種氣候模式進(jìn)行隨機(jī)生成，對(duì)比分析在不同排放情景下三種模式的氣溫、降水預(yù)測(cè)值以及變化特征，見表2。

表2 未來期降水和溫度變化特征

未來期月平均降水量、溫度在不同排放情景和3種氣候模式下的變化情況，見表3—4。

由表3可以看出，相對(duì)于基準(zhǔn)期的降水未來期在春季和冬季呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，該評(píng)價(jià)結(jié)果與已有文獻(xiàn)資料保持良好的一致性。農(nóng)業(yè)灌溉主要集中在5月份，此期間具有較大的需水量，由于5月份降水量的增多可在一定程度上緩解農(nóng)業(yè)灌溉用水，因此有利于錯(cuò)誤的生長(zhǎng)。雖然年降水量在多種氣候模式下均表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，但是由于夏、秋季節(jié)降水量的降低以及冬、春季節(jié)降水量的增大，可使得降水在年份分配更加均衡，徑流量在枯水期降水增大時(shí)呈現(xiàn)出略微的增加趨勢(shì)[10]。

根據(jù)表4可以看出，月平均溫度在不同氣候模式下均呈現(xiàn)出增大的變化趨勢(shì)，并以冬季的增大幅度最為明顯，而秋季變化幅度最低。溫度的提升可在一定程度上促進(jìn)蒸散發(fā)并降低流域徑流量，降水量在冬季存在有增大趨勢(shì)，但是因具有較大的溫度提升幅度，因此應(yīng)運(yùn)用水文模型預(yù)估河流的徑流量變化特征[11]。

3 未來徑流變化分析

3.1 模型的率定與驗(yàn)證

分別利用文中設(shè)定的率定期與驗(yàn)證期對(duì)模型進(jìn)行率定，對(duì)比分析模擬數(shù)值和月徑流序列觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，模擬的月徑流數(shù)值在12月、1月和2月份偏大，其原因?yàn)槎敬嬖诜e雪，而模型中并未設(shè)定積雪參數(shù)，因此造成實(shí)測(cè)值高于模擬值，對(duì)此可結(jié)合文獻(xiàn)資料進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?。修正后的模型在率定期與驗(yàn)證期的相對(duì)誤差分別為為-2.6%、3.0%，Nash系數(shù)分別為0.86、0.92。在率定與驗(yàn)證期模型的變化趨勢(shì)具有良好的一致性，由此表明在模擬流域月徑流過程中該模型具有較強(qiáng)的適用性與可靠性，可用于大伙房水庫(kù)流域未來期月徑流模擬。

表3 未來期月平均降水相對(duì)基準(zhǔn)期的相對(duì)變化情況

表4 未來期月平均溫度相對(duì)基準(zhǔn)期絕對(duì)變化情況

3.2 未來徑流變化預(yù)估

利用上述已經(jīng)率定和驗(yàn)證后的評(píng)估模型，分別對(duì)未來期不同排放情景下的徑流量進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，年均徑流量在基準(zhǔn)期為6.6×108m3，結(jié)果見表5。

由表5計(jì)算結(jié)果可知，在A2排放情景下PICM4氣候模式的年徑流量增大18.6%，而其他氣候模式均呈顯著不同程度的降低趨勢(shì)，變化幅度在-4.5%～-25.1%，這可能與該模式具有較大的降水增幅相關(guān)。年徑流量平均值在A2、A1B和B1排放情景下分別為6.0×108、4.7×108、5.5×108m3，該評(píng)價(jià)結(jié)果與已有研究結(jié)論節(jié)本相符。徑流量在汛期和非汛期分別呈現(xiàn)出降低與增大趨勢(shì)，并且在非汛期的增大程度要低于汛期降低程度。通過降水預(yù)估可以發(fā)現(xiàn)，雖然在HADCM3和IPCM4氣候模式下A2、B1排放情景的降水表現(xiàn)出增大的變化特征，然而因溫度的提升導(dǎo)致蒸散發(fā)量的增大，徑流量在蒸散發(fā)與降水的共同作用下整體呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，降水的補(bǔ)給作用低于蒸散發(fā)作用。

對(duì)比分析未來期月平均徑流量在不同排放情景和3種氣候模式下的變化情況可知，徑流量在冬季呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，而在春季逐漸降低，其原因?yàn)槎緩搅髁枯^低并對(duì)增大供水量的影響作用較低；徑流量在夏季表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，而在降水旺季的6、7月份呈增大趨勢(shì)，由此表明汛期存在提前的可能性，因此流域管理部門應(yīng)提前做好防洪準(zhǔn)備和預(yù)警工作，隨后因降水量的降低徑流量顯著減少，因此在此期間整體呈降低趨勢(shì)。徑流量在秋季呈現(xiàn)出一定程度的增大，并有利于緩解后期水庫(kù)的蓄水壓力[12]?？偠灾?，未來期徑流量應(yīng)溫度升高引起的蒸散發(fā)量增大，而呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，并可進(jìn)一步大伙房水庫(kù)供水壓力，加劇城市用水供需矛盾，未來應(yīng)加強(qiáng)該流域的水資源管理和配置。

4 結(jié)語

(1)模式選取標(biāo)準(zhǔn)為Nash效率系數(shù)大于0.80、降水相關(guān)性系數(shù)在0.90以上、溫度絕對(duì)誤差低于1.0℃、降水相對(duì)誤差小于10%，據(jù)此可判定符合上述條件的氣候模式為IPCM4、HADCM3和CNCM3。

表5 未來期年徑流、汛期、非汛期徑流量變化特征

(2)修正后的模型在率定期與驗(yàn)證期的相對(duì)誤差分別為為-2.6%，3.0%，Nash系數(shù)分別為0.86，0.92。在率定與驗(yàn)證期模型的變化趨勢(shì)具有良好的一致性，由此表明在模擬流域月徑流過程中該模型具有較強(qiáng)的適用性與可靠性，可用于大伙房水庫(kù)流域未來期月徑流模擬。

(3)未來期徑流量應(yīng)溫度升高引起的蒸散發(fā)量增大，而呈現(xiàn)出降低趨勢(shì)，并可進(jìn)一步大伙房水庫(kù)供水壓力，加劇城市用水供需矛盾，未來應(yīng)加強(qiáng)該流域的水資源管理和科學(xué)配置。