气候变化对汉江流域水文水资源的影响研究实例

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：汉江是长江中下游最大的支流，水文水资源量较为丰富，丹江口水库是解决华北地区严重缺水的南水北调中线的水源工程，研究气候变化对汉江流域水文水资源的影响具有重要的现实意义。图14.3气温、相对水汽压关系图结果表明，汉江流域现状气温升高1℃时，流域蒸散发能力约增加5%。气候变化对水资源的影响的定量评价，在很大程度上取决

汉江是长江中下游最大的支流，水文水资源量较为丰富，丹江口水库是解决华北地区严重缺水的南水北调中线的水源工程，研究气候变化对汉江流域水文水资源的影响具有重要的现实意义。

14.2.6.1　气候变化情景

依据IPCC给出的未来大气中的CO2浓度加倍，即相当于2030年的气候，作为未来可能出现的气候变化情景。GCMs模型给出的气候因子的变化亦只能视为一种可能的气候变化情景。中科院大气所用7个GCMs模型给出了在未来CO2浓度加倍的情景下北半球各网格点上的气候变化值，见表14.3。可见未来汉江流域年平均气温将升高0.925℃，降水增加0.1%～3.8%，7个模型的平均情况为气温升高0.735～1.115℃，降水增加1.6%。

14.2.6.2　气温与流域蒸散发的关系

目前GCMs模型仅能给出气温、降水的情景值，而流域蒸散发是流域水文模型中的重要环节，因此有必要研究气温和流域蒸散发能力的关系。影响流域蒸散发的主要气候因素有太阳总辐射、气温、水汽饱和差和风速等。

表14.3　汉江流域气候变化情景

根据汉江流域资料分析，下述关系曲线拟合最佳（图14.3）。

式中：e为蒸发能力；es为大气饱和水汽压；ei为相对水汽压；t为气温；e和（es－ei）的相关系数r为0.93。

图14.3　气温、相对水汽压关系图

结果表明，汉江流域现状气温升高1℃时，流域蒸散发能力约增加5%。

14.2.6.3　月水量平衡模型

现有的GCMs模型仅能给出大尺度、长时段（季、年）的气候变化情景，其所给的水文变量非常简单和粗略，难以满足水文水资源评价模型的需要，因此有必要应用流域水文模型来估算气候变化对水文水资源的影响。

（1）基本资料。在汉江流域选择数个较为典型、雨量站分布较为均匀、人类活动等影响较少、产汇流条件较为一致的小流域建立流域水文模型。丹江口以上地区建立的流域水文模型选用了50个雨量站、6个蒸发站资料作为该地区的面雨量和蒸发量计算依据，径流分析选用了丹江口水库入库天然径流系列。资料见表14.4。

表14.4　汉江流域基本资料情况表

（2）月水量平衡模型的原理和结构。流域水文模型的形式很多，模拟时段有月、日、时等，时段划分越细，所需资料越多，流域产汇流划分过于复杂，参数不易稳定。因此根据汉江流域特点选用了一种广泛使用的湿润地区月水量平衡模型，该模型概念清楚、结构简单、易于使用。其原理和结构简述如下。

1）流域蒸散发量。流域蒸散发由流域水面蒸发能力乘以蒸发折减系数K来计算。

2）土壤含水量。设S0为最大土壤含水量，当流域降水量Pi＞Ei时

当Pi＜Ei时，则从上一时段土壤取水蒸发，使本月土壤含水量减少

3）径流与地下水库蓄水量。流域的径流量由地表、壤中流和地下径流组成，当某月土壤含水量Si＞S0时，流域开始产流，总产流量为Si－S0，其中超渗部分为地面径流QSi

其中一部分形成壤中流K1×WSi，其余部分将渗入地下含水层，补充地下蓄水，假定按地下线性水库形成基流并滞后一个时段K2×Gi－1

式中：S0为土壤层的平均最大蓄水能力（最大土壤含水量）；K为蒸发折减系数；C为流域蓄满后的有效产流面积；K1为壤中流系数；K2为地下线性水库调蓄系数；Pi为流域平均降水量；Ei为流域平均蒸发量；E601为流域平均蒸发能力。

除参数S0外，其余4个参数变化范围在0～1。

（3）模型参数的率定和检验。模型输入流域平均降水、蒸发、径流，输出模拟径流和土壤含水量。计算时一般将系列分成预热期、率定期和检验期3个时段，预热期使模型参数不受初值影响，检验期有助于提高精度。模型的目标函数有两个。

1）模型的效率函数R

2）模拟与实测径流的多年平均径流量相对误差RE。模型优化的方法为：根据流域自然地理条件、暴雨洪水特性、产汇流特点，初步假定模型参数的初值，同时把模型参数限定在一合理变化范围内，采用带约束的可变容差法自动优选模型参数。模型优化时，以效率系数最大为主，同时适当考虑模拟与实测径流多年平均误差最小，以满足水量平衡原理。模型优化参数见表14.5。

表14.5　月水量平衡模型的参数模拟结果

可见模型模拟效果尚好，个别流域检验期水量相对误差较大，经分析发现其检验期平均流量较率定期平均流量偏小较多，即检验期在多年系列中处于一相对枯水年组。

14.2.6.4　气候变化对水文水资源的影响

（1）气候变化对汉江水资源量的影响。根据现状条件下气温、降水和蒸发资料，由月水量平衡模型可计算出径流系列模拟值，将气候变化后气温、降水、蒸发量变幅与现状条件下实测系列相加，可得出气候变化后的气温、降水、蒸发系列，因气温、降水、蒸发的变幅较小，可认为水量平衡模型的参数不随气候变化而变。将气候变化后的系列代入月水量平衡模型可得气候变化后的模拟月径流系列，进而求得气候变化的水资源量，见表14.6。不同的GCMs模型对径流量和土壤含水量的影响有一定的差异，对径流量减少最多的是LLNL模型，对丹江口以上地区的径流量全年减少7.7%；对径流量增加最多的是OSU模型，全年径流增加4.4%；代表平均情况的是UKMOL模型，全年径流减少2.6%。根据7个GCMs模型对汉江流域气候变化的预测值的平均情况，汉江流域气温升高0.925℃，降水增加1.6%时，丹江口入库水量减少3.0%，汛期减少3.1%，枯期减少2.7%，土壤含水量则减少0.7%。

表14.6　气候变化对汉江流域径流量、土壤含水量的影响　单位：%

从4个小流域计算结果看，径流系数小的流域气候变化对径流量的影响较大，径流系数大的流域影响较小，地处丹江口以上地区的铁锁关、蜀河、后会流域气候变化对径流量的增减比例的平均值与丹江口的相应结果极为相近，说明用丹江口以上地区月水量平衡模型来评价气候变化对汉江上游的水资源的影响是合适的。

（2）敏感性分析。气候变化对水文水资源的影响的敏感性是指其一个或几个气候变量的较小变化对水文要素产生的放大效应。气候变化对水资源的影响的定量评价，在很大程度上取决于气候情景的定量和水资源供需平衡关系预测的可靠度。因此有必要对其进行敏感性分析。

假定以下几组不同的气候变化情景，气温增加0℃、1℃、2℃、3℃，降水变幅为0%，±10%，±20%，其对径流的影响见表14.7和图14.4。可知，降水的变化较气温变化对水资源的影响更为敏感；从图14.3中气温、降水敏感性变化曲线簇看，上部稀，下部密，说明降水增加对气温较为敏感，降水减少时对温度的敏感性稍差；气温、降水与土壤含水量间的关系如图14.5所示，可见土壤含水量对不利条件（气温升高，降水减少）较为敏感，对降水增多则不甚敏感，这与汉江流域属温和湿润地区相适应。

表14.7　气候变化对丹江口以上地区径流量的影响（相对误差%）

14.2.6.5　气候变化对南水北调中线可调水量的影响

由丹江口以上地区月水量平衡模型模拟计算的气候变化对丹江口年（月）径流的影响程度，结合汉江流域未来的需水预测，对模拟系列进行调节计算，可得不同气候情景下丹江口水库的可调水量变化情况。按7个气候模型的平均情况考虑，丹江口水库2020年可调水量减少3.5%；若考虑南水北调中线远期规模，渠化丹江口—兴隆河段，兴建引江济汉工程，可调水量将减少2.2%，见表14.8。可见，气候变化对汉江流域水文水资源及南水北调中线可调水量的影响较小。

图14.4　气温、降水、径流变化关系图

图14.5　气温、降水、土壤含水量变化关系图

表14.8　气候变化对丹江口水库可调水量的影响

气候变化对汉江流域水文水资源的影响研究实例

相关推荐