氣候變化對金沙江干流徑流的影響分析

侯 麗 娜

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，武漢 430010)

近幾十年以來，全球氣候都在發(fā)生難以忽視的變化，全球變暖已是不爭的事實。自1988年IPCC成立以來，已經(jīng)完成了5次關(guān)于全球氣候變化的評估報告[1-3]，其中第5次評估報告指出：1880-2012年間全球平均地表溫度升高了0.85 ℃；未來21世紀(jì)中期和末期與1986-2005年相比，全球平均氣溫仍會上升1.0～2.0和1.0～3.7 ℃[3,4]。根據(jù)國內(nèi)近百年觀測成果，20世紀(jì)中國平均地表氣溫上升了0.5～0.8 ℃[5]，與全球變暖趨勢一致。氣候變化將對多個領(lǐng)域產(chǎn)生影響，也將改變?nèi)蛩h(huán)的現(xiàn)狀，導(dǎo)致水資源的時空分布的重新分配[6,7]，相應(yīng)的對河川徑流產(chǎn)生影響[8-12]。

金沙江是長江上游河段的重要組成部分，是我國西部重要的水電基地，同時也是南水北調(diào)、滇中引水等重要調(diào)水工程的取水水源，因此分析氣候變化對其徑流的影響，對金沙江流域的水文水資源及其應(yīng)用具有重要的價值和意義。近年來，盧璐[7]、田永麗[13]、陳媛[14]等對金沙江近40～60年氣候和徑流變化進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明，金沙江流域氣溫、年降水量和徑流均呈上升趨勢。

本研究以金沙江干流為研究對象，采用率定后的RS模型，對未來氣候情景下金沙江流域水文循環(huán)過程進(jìn)行模擬，分析未來近期(2021-2050年)和遠(yuǎn)期(2070-2099年)兩個時期內(nèi)金沙江干流徑流變化特點，為流域水資源及其應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

金沙江流域位于我國青藏高原、云貴高原和四川盆地的西部邊緣，東經(jīng)90°23′～104°37′，北緯24°28′～35°46′之間，跨越青海、西藏、四川、云南、貴州5個省(自治區(qū))，流域面積約50 萬km2，金沙江源頭至宜賓干流全長約3 500 km，總落差5 100 m。金沙江干流以青海省直門達(dá)至云南省石鼓斷面為上游，以石鼓斷面至四川省屏山縣新市鎮(zhèn)為中游，以新市鎮(zhèn)至宜賓市城區(qū)合江門為下游，金沙江干流全長2 316 km，流域面積33.55 萬km2。

本研究收集了流域內(nèi)及周圍共計55個氣象站、6個重點控制站和300多個雨量站1961-2010年降水和氣溫資料，以及73個水文站徑流資料。從上至下分別選擇直門達(dá)、石鼓、攀枝花和屏山4個干流水文站(斷面)為統(tǒng)計斷面，分析未來氣候變化對金沙江干流徑流的影響。

2 模型率定

采用RS模型為水文預(yù)報模型，對金沙江流域水文循環(huán)過程進(jìn)行模擬。該模型可用于短期、中期和長期水文預(yù)報預(yù)測，以及未來氣候情景下的水資源情勢評估。建模過程中，以雨量站和個水文站實測數(shù)據(jù)為輸入源，對模型的參數(shù)進(jìn)行率定并進(jìn)行檢驗。對比主要水文站2010-2015年期間的模擬值與實測值可知，模型在研究區(qū)的平均納西效率系數(shù)為0.58，其中直門達(dá)、石鼓、攀枝花、屏山斷面納西效率系數(shù)分別為0.77、0.89、0.66和0.83，說明模型能較好地模擬金沙江流域及干流主要斷面的徑流過程，可用于水文預(yù)報及后續(xù)的氣候變化影響分析。

3 氣候變化情景

以1981-2010年條件為現(xiàn)狀情景(以下簡稱基準(zhǔn)情景或baseline)。

未來氣候情景設(shè)定方法包括類別情景、慣性情景、增量情景和GCM情景[15]，其中增量情景和GCM情景為較為常用情景設(shè)定方法[15,16]。本研究以IPCC第5次評估報告給出的排放情景和GCM情景為基礎(chǔ)，選擇適合研究區(qū)且適當(dāng)?shù)呐欧徘榫昂蜌夂蚰Ｊ竭M(jìn)行組合，最終形成近期(2021-2050年，NF)8種、遠(yuǎn)期(2070-2099年，F(xiàn)F)16種共計24種未來氣候變化情景(見表1)。

表1 氣候變化情景組合表Tab.1 Climate change scenarios adopted

4 影響分析

4.1 年徑流變化分析

表2給出了基準(zhǔn)情景、未來近期和遠(yuǎn)期金沙江主要斷面多年平均徑流量，圖1給出了近期、遠(yuǎn)期各斷面多年平均徑流量較基準(zhǔn)情景下的變化率。結(jié)果表明：①與基準(zhǔn)情景相比，金沙江干流主要斷面的多年平均徑流量未來整體呈現(xiàn)增加趨勢，其中近期各斷面年徑流量增加在2.1%～8.2%，遠(yuǎn)期各斷面增加在4.0%～8.4%；②干流各斷面年徑流量增加率自上而下減小，即上游斷面增加比例高于中游、中游高于下游，說明自上而下對氣候變化的敏感度逐漸降低；③從不同時期分析，上游多年平均徑流量近期、遠(yuǎn)期增加率相近，而中下游多近期增加率明顯低于遠(yuǎn)期；④遠(yuǎn)期情景較近期情景成果相比，指標(biāo)的變異性(均方差)更大，因此其具有更高的不確定性。

此外，表2也給出了不同時期內(nèi)年徑流序列從大到小排列的10和90百分位數(shù)值(R10和R90)，分別表示不同時期內(nèi)偏豐年和偏枯年徑流量。其結(jié)果表明：未來隨著氣候變化，金沙江偏豐年和偏枯年徑流量整體均呈增加趨勢，與多年平均徑流量趨勢一致。

表2 不同時期各斷面年徑流均值和百分位值 億m3

注：表中近期和遠(yuǎn)期值，為近期8種和遠(yuǎn)期16種氣候變化情景下相應(yīng)年徑流均值和百分位值的平均值。

圖1 不同時期各斷面多年平均徑流量變化率Fig.1 Change rate of annual runoff during different period of each section

4.2 月徑流變化分析

表3給出了基準(zhǔn)情景、近期和遠(yuǎn)期平均月徑流的最大和最小極值比；圖2給出了未來氣候變化情景下，近期和遠(yuǎn)期月徑流與基準(zhǔn)情景相比的平均變化率成果；圖3給出了基準(zhǔn)情景和未來氣候變化情境下，各斷面月徑流占比情況。

表3 不同時期月徑流極值比Tab.3 Extreme value ratio of monthly runoff

圖2 不同時期各斷面月徑流變化率Fig.2 Change rate of monthly runoff during different period of each section

圖3 不同時期各斷面月徑流占比Fig.3 Scale drawing of monthly runoff during different period of each section

根據(jù)圖2、圖3和表3呈現(xiàn)的結(jié)果表明：①在不同的氣候情景下，各斷面的月徑流變化呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性特征，春、冬季節(jié)普遍呈現(xiàn)下降趨勢，而夏、秋季節(jié)則呈現(xiàn)普遍的增加趨勢；②從汛期和非汛期看，金沙江干流汛期來水量普遍增加，非汛期來水量普遍下降；③從極值比分析，近期和遠(yuǎn)期各斷面極值比均有所上升，但近期和遠(yuǎn)期極值比差別不大；④總體而言，雖然徑流的年內(nèi)分配的不均勻性將有所增加，但并未顯著改變徑流的月分配過程。

4.3 日流量變化分析

除對年徑流、月徑流進(jìn)行分析外，本研究還對日徑流變化進(jìn)行分析。統(tǒng)計各斷面日流量系列從大到小排列的10和90百分位數(shù)值(Q10和Q90)，分別表示系列中的偏豐流量和偏枯流量，圖4和圖5分別給出了未來氣候變化情境下各斷面Q10和Q90較基準(zhǔn)情景的變化率。結(jié)果表明：①近期情境下，各斷面指標(biāo)變化趨勢具有較好的一致性，Q10呈增大趨勢，平均增大2.0%～7.2%，Q90呈減小趨勢，平均下降4.6%～12.6%；②遠(yuǎn)期情境下，指標(biāo)變化趨勢與近期一致，Q10平均增大4.2%～7.1%，Q90平均減少1.7%～11.7%；但與近期相比，指標(biāo)的均方差更大，變異性和不確定性更高；③上游指標(biāo)變化相比中下游更為明顯，對氣候變化的敏感程度要高于中下游；④總體而言，在未來氣候變化趨勢下，金沙江干流豐水流量呈增加趨勢、枯水流量呈下降趨勢。

圖4 氣候變化情境下各斷面Q10較基準(zhǔn)情景變化率箱形圖Fig.4 Change rate box plot of climate change scenarios compared with baseline (Q10 index)

圖5 氣候變化情境下各斷面Q90較基準(zhǔn)情景變化率箱形圖Fig.5 Change rate box plot of climate change scenarios compared with baseline (Q90 index)

5 結(jié) 語

本文選擇金沙江為研究區(qū)域，以IPCC第5次評估報告給出的排放情景和GCM情景相組合的方式設(shè)置氣候變化情景，選擇直門達(dá)、石鼓、攀枝花和屏山為分析斷面，探討未來氣候變化對金沙江干流徑流可能產(chǎn)生的影響，并得出如下結(jié)論。

(1)隨著未來氣候變化，金沙江干流多年平均徑流量呈現(xiàn)增加趨勢，上游至下游其增加比例逐漸減小；偏豐年和偏枯年徑流量變化趨勢與多年平均徑流量一致，呈增加趨勢。

(2)隨著未來氣候變化，金沙江干流徑流年內(nèi)分配不均勻性將有所增強(qiáng)，夏秋季來水增加、春冬季來水減少，汛期來水增加、非汛期來水減少，但并未顯著改變徑流的年內(nèi)分配過程。

(3)隨著未來氣候變化，金沙江干流豐水流量呈增加趨勢、枯水流量呈下降趨勢，這也將進(jìn)一步引起干流的洪水和干旱變化，對水資源應(yīng)用產(chǎn)生一定的不利影響。

(4)在設(shè)定的未來兩個時期內(nèi)，與近期情景相比，遠(yuǎn)期情景具有更高的不確定性。

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參考文獻(xiàn)：

[1] 水利部應(yīng)對氣候變化研究中心.氣候變化權(quán)威報告----IPCC報告[J].中國水利,2008,(2):38-40.

[2] 劉春蓁.自然氣候變異與人為氣候變化對徑流影響研究進(jìn)展[J].氣候變化研究進(jìn)展,2008,(3):133-139.

[3] IPCC. Working group i contribution to the IPCC fifth assessment report, climate change 2013: the physical science basis: summary for policymakers[R/OL]. http:∥www.climatechange2013.org/images/uploads/WGIAR5SPM_Approved27Sep2013.pdf, 2013-10-28.

[4] 沈永平,王國亞.IPCC第一工作組第五次評估報告對全球氣候變化認(rèn)知的最新科學(xué)要點[J].冰川凍土,2013,(5):1 068-1 076.

[5] 秦大河,丁一匯,蘇紀(jì)蘭, 等.中國氣候與環(huán)境演變評估(Ⅰ):中國氣候與環(huán)境變化及未來趨勢[J].氣候變化研究進(jìn)展,2005,(1):4-9.

[6] 陳劍池,金蓉玲,管光明.氣候變化對南水北調(diào)中線工程可調(diào)水量的影響[J].人民長江,1999,(3):9-10,16.

[7] 盧 璐,王 瓊,王國慶, 等.金沙江流域近60年氣候變化趨勢及徑流響應(yīng)關(guān)系[J].華北水利水電大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,(5):16-21.

[8] 王苓如,薛聯(lián)青,王思琪, 等.氣候變化條件下洪澤湖以上流域水資源演變趨勢[J].水資源保護(hù),2015,(3):57-62.

[9] 何自立,史 良,馬孝義.氣候變化對漢江上游徑流特征影響預(yù)估[J].水利水運工程學(xué)報,2016,(6):37-43.

[10] 周曉曦,阿布都熱合曼·哈力克.氣候變化對和田河徑流的影響研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2017,(3):21-25.

[11] 唐芳芳,徐宗學(xué),左德鵬.黃河上游流域氣候變化對徑流的影響[J].資源科學(xué),2012,(6):1 079-1 088.

[12] 劉蘇峽,丁文浩,莫興國, 等.瀾滄江和怒江流域的氣候變化及其對徑流的影響[J].氣候變化研究進(jìn)展,2017,(4):356-365.

[13] 田永麗,張 超,戴 敏, 等.近44年金沙江中下游徑流變化及其對氣候變化的響應(yīng)[C]∥ 第31屆中國氣象學(xué)會年會,2014:1-10.

[14] 陳 媛,王順久,王國慶, 等.金沙江流域徑流變化特性分析[J].高原山地氣象研究,2010,(2):26-30.

[15] 郝振純,李 麗,王加虎, 等.氣候變化對地表水資源的影響[J].地球科學(xué)(中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報),2007,(3):425-432.

[16] 賈仰文,高 輝,牛存穩(wěn), 等.氣候變化對黃河源區(qū)徑流過程的影響[J].水利學(xué)報,2008,(1):52-58.