氣候變化對南水北調中線受水區徑流量影響研究

梁鐘元

南水北調工程設計管理中心，北京 100038

王海潮

北京市水利科學研究所，北京 100048

雷曉輝

中國水利水電科學研究院，北京 100048

在地球歷史中，全球氣候經歷了冷暖交替的自然過程，近百年來全球氣候正在經歷一場以變暖為主要特征的顯著變化。IPCC第四次評估報告指出：自1750年以來，大氣中溫室氣體的濃度明顯增加，全球氣候主要在人類活動的影響下總體上呈增暖趨勢。最近100年（1906—2005年）全球平均地表溫度上升了0.74（0.56～0.92）℃，比第三次評估報告得出的結果0.6（0.4～0.8）℃（1901—2000年）高出0.14℃。分析表明，近50年的氣候變化主要是由人類活動造成的。IPCC第四次評估報告將這種結論的可信度由第三次評估報告中的66%提高到當前的90%^[1]。

南水北調中線工程從漢江丹江口水庫陶岔渠首閘引水，經長江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，沿黃淮海平原西部邊緣開挖渠道，在鄭州以西孤柏咀處通過隧洞穿過黃河，沿京廣鐵路西側北上，可基本自流到北京、天津^[2]。南水北調中線工程受水區（以下簡稱受水區）指規劃由中線工程補水，進行水資源供需分析的計算范圍。根據自然條件、行政區劃并考慮與南水北調東線和安徽省引江濟淮線規劃的補水范圍銜接。規劃的中線工程受水區為唐白河平原及黃淮海平原的西中部，構成南北向逾1000km、東西向局部超過300km的條帶狀范圍，包括北京市和天津市的全部，以及河北省、河南省的部分地區，總面積15.1萬km²。由于受水區橫跨海河流域、黃河流域、淮河流域，使得受水區徑流量的形成極易受到氣候變化的影響，從而側面影響水源區調水量的需求情況。為了定量計算未來情景下水源區需調水量，論文從需求側出發，選取受水區為研究對象，在分析受水區氣候變化事實的基礎上，計算氣候變化情景下受水區徑流量的變化，以期為南水北調中線工程通水后水源區需調水量研究提供了重要借鑒。

1 受水區氣候變化事實

對受水區范圍內東、南、西、北4個方向選擇赤峰站、大同站、東營站、老河口站1961—2005年系列年平均氣溫進行分析，各站年平均氣溫均有增高的趨勢，結果如圖1～圖4所示。受水區年平均氣溫變化情況如圖5所示。

總體看來，近50年受水區氣溫呈現增高的趨勢，增高幅度1℃左右。

2 受水區未來氣候變化情景

氣候變化預估是科學家、公眾和政策制定者共同關心的問題，目前氣候模式是進行氣候變化預估的最主要工具。在氣候變化研究中，各個模式對不同地區的模擬效果不盡相同。許多科學家的研究證明，多個模式的平均效果優于單個模式的效果。因此，本文選用“WCRP的耦合模式比較計劃-階段3的多模式數據”，簡稱為CMIP3數據^[3]。

通過分析，得到受水區2001—2030年系列及2031—2050年系列年平均氣溫及年降水量較1901—2000年系列年的變化情況，見表1。

GCM模擬的水文要素有兩個主要的局限性^[4]：一是水文參數化很簡單，常常不能提供詳細的對水資源管理必需的信息；二是空間分辨率太粗，不能提供水文學方面關心的典型尺度上的水文信息。這種變化基本上反映大氣溫室氣體濃度達到某一水平后，氣候可能發生的升溫和降水的變化而引起水循環的改變，基本上沒有考慮人類作用于下墊面引起水循環的變化^[5]。

另外，GCM模擬的水文要素時間尺度、空間尺度與分布式水文模型不一致，也是導致氣候模式的結果不能直接用于分布式水文模型的原因之一。因此，本文在CMIP3數據輸出結果的基礎上，給出如下氣候變化情景，見表2。

3 氣候變化對受水區徑流量影響研究

3.1 受水區分布式水文模型構建

3.1.1 受水區水文模擬特點

受水區分布式水文模擬具有以下特點：①南水北調中線受水區分布式水文模擬為跨流域、跨區域，流域與區域相結合的水文模擬，是典型的區域分布式水文模擬；②中線受水區的范圍大部分都是平原區，而平原區的主要產流主要來自上游的山區。因此要精確模擬受水區的水循環過程，就要保證上游山區的產流模擬精確，或者研究區域的入口點水文資料足夠精確。

由以上分析，受水區的水文模擬的范圍不能只嚴格地按照受水區縣邊界劃定，但又不能無限范圍地擴大。在綜合考慮中線受水區的邊界、其上游產流區和相關水文站的位置等因素的前提下，最終確定研究區域的上邊界為海河流域的流域邊界，下邊界為長江流域界。左邊界分為三部分：海河流域界、黃河流域的一部分（通過入口點確定）、淮河流域界。右邊界分為三部分：海河流域為地市界、黃河流域通過出口點確定、淮河流域為擴大的地市界。由于單獨對漢江流域進行了分布式水文模擬，因此本文研究區域不包括長江流域部分。

3.1.2 受水區分布式水文模型構建

（1）模型構建。鑒于受水區范圍的廣闊性，本文采用WEP-L模型進行分布式水文模型構建^[6]。模型的輸入數據包括水文氣象、地表高程信息、河網、土地利用/覆被、土壤信息、水文地質、水保工程以及社會經濟供用水信息（受水區氣象站分布如圖6所示）。模型建立包括模擬水系提取、子流域劃分、參數分區劃分、氣象信息空間展布四部分，將受水區共劃分為3089個子流域，12617個子流域套等高帶的計算單元，根據38個水文站，25個出口點，共劃分出63個參數分區。參數分區描述了每個水文站、出口點所獨立控制的子流域的全集。劃分參數分區好處有：①可以根據水文站的徑流過程分片進行參數調整；②可以只對參數分區內的子流域進行計算，從而大大提高模擬參數敏感性分析、率定的效率；③當上游有控制站的時候，在進行下游參數分區計算時候，會自動讀入上游參數分區的計算結果。

（2）參數敏感性分析。WEP-L模型的參數可分為三類：第一類是地表面及河道系統參數；第二類是植被參數；第三類是土壤與含水層參數，所有參數均有物理意義。理論上講，可根據觀測實驗數據和遙感數據進行推算而無需率定。但由于這些參數在每個計算單元內具有空間變異性，模擬計算時往往使用其單元內平均參數或稱有效參數，因此，通常仍根據流量過程線對一些關鍵參數進行適當調整。WEP-L模型參數敏感性分析的10個關鍵參數見表3。

以下幾個有代表性的水文站參數敏感性分析結果見表4。

（3）模型率定與驗證。根據實測資料情況，模型驗證選取了1961—1970年系列年進行模型率定，選取1971—1988年系列年進行模型驗證，結果見表5。

從以上結果看出，6個站的Nash效率系數都在0.5以上，而且大部分都在0.8以上，相關系數都在0.9以上，而徑流量誤差最大在30%，說明模型模擬效果好，精度較高。

3.2 氣候變化對受水區徑流量影響研究

根據氣候情景中的氣溫變化值及降雨變化值模擬出年1956—2005年50年系列年各個參數分區的年徑流量變化比例。各參數分區平均徑流變化比例見表6。

總體看來，氣溫變化后，徑流的增加減少與氣溫的升高降低呈現相反的趨勢，徑流變化率基本與溫度變化率相同；降水變化后，徑流的變化與降水的變化呈現一致的趨勢，變化比例較降水變化比例偏大，徑流變化率基本與降水變化率相同。

4 結論

變化環境下的水循環研究關注地球生物圈、全球變化以及人類活動對水循環的影響，是國際水文學與水資源學科及地理、生態等眾多學科交叉的前沿性問題。論文分析了受水區長系列氣溫變化趨勢，科學地給出了受水區8個氣候變化情景，計算了氣候變化對受水區徑流量的影響，本文成果對于氣候變化對水循環的影響分析具有重要的理論價值，對于研究未來情景下受水區需調水量具有重要的現實意義。

參考文獻

[1]秦大河，陳振林，羅勇，等.氣候變化科學的最新認知[J].氣候變化研究進展，2007，3（2）：63-73.

[2]長江水利委員會長江勘測規劃設計研究院.南水北調中線一期工程項目建議書[R].2004.

[3]國家氣候中心.中國地區氣候變化預估數據集Version 1.0使用說明[Z].2008.

[4]Gleick P H.Climate Change，Hydrology and Water Resources[J].Reviews of Geophysics，1989，27（3）：329-344.

[5]劉春蓁.氣候變異與氣候變化對水循環影響研究綜述[J].水文，2003，23（4）：1-7.

[6]賈仰文，王浩，倪廣恒，等.分布式流域水文模型原理與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2005.