若爾蓋濕地流域徑流變化及其對氣候變化的響應(yīng)

趙娜娜，王賀年，張貝貝，劉 佳，徐衛(wèi)剛，于一雷

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.中國林科院濕地研究所濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；3.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評估中心，北京 100012)

全球氣候變化影響流域水循環(huán)過程，而濕地由于獨(dú)特復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)特性，其水文循環(huán)機(jī)理對全球氣候變化具有更高的敏感性。若爾蓋高原濕地位于青藏高原東北部，屬于典型的高寒沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)也是黃河上游最重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，素有“高原水塔”之稱，其水循環(huán)過程對氣候變化響應(yīng)更為敏感[1-3]。近年來，由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響，若爾蓋濕地面臨一系列問題，如水位下降、濕地快速萎縮退化、濕地沙化、生態(tài)功能減弱以及生物多樣性減少等[3-9]。濕地水文過程和水循環(huán)機(jī)理發(fā)生了變化，濕地水源涵養(yǎng)能力削弱，對區(qū)域乃至下游流域水資源管理和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

氣候變化是導(dǎo)致濕地退化的重要原因之一。20世紀(jì)90年代后黃河源區(qū)氣溫明顯上升，區(qū)域蒸散發(fā)量增加，徑流量明顯減少[10]。Niu等[11]通過遙感影像分析了中國近年來濕地的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)1978—2008年中國濕地減少了33%，其中70%是由土地復(fù)墾造成的；1978—1990年青藏高原濕地減少了66%，而在1990—2008年青藏高原濕地減少率降低為6%，這主要是因?yàn)楦咴瓍^(qū)域冰川和多年凍土消融新生成了大約6 000 km2的濕地面積。由于區(qū)域氣候變化，氣溫上升，20世紀(jì)90年代后若爾蓋濕地蒸發(fā)皿蒸發(fā)量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢[12]，實(shí)際蒸散發(fā)也呈緩慢增加趨勢[13]，Liu等[14]分析了黃河流域的年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化規(guī)律，認(rèn)為若爾蓋高原濕地蒸發(fā)量增加與太陽輻射的變化密切相關(guān)。陳利群等[15]則通過分布式水文模型對黃河源區(qū)氣候變化和土地覆被變化對徑流的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)氣候變化是徑流減少的主要原因。此外，人類活動(dòng)也必然會影響濕地流域的水文過程。Li等[16]分析了若爾蓋濕地氣候變化和人類活動(dòng)對濕地徑流的貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明氣候變化對濕地徑流的影響大概在55%～64%，人類活動(dòng)影響的貢獻(xiàn)約為36%～45%，氣候變化占主導(dǎo)地位。而Li等[17]也采用分布式水文模型進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)影響若爾蓋濕地水量減少最主要的因素為歸一化植被指數(shù)，其次，區(qū)域地質(zhì)斷層也對濕地水量損失有著不可忽視的作用。對未來氣候變化的影響和預(yù)測方面的研究主要集中在不同氣候模式、不同情景下的徑流變化。郝振純等[10]分析了不同氣候模式下未來100年黃河河源區(qū)水循環(huán)對氣候變化的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同模式下黃河河源區(qū)的徑流都有不同程度的下降。張永勇等[18]利用SWAT水文模型分析了2010—2039年黃河源區(qū)徑流變化，發(fā)現(xiàn)徑流量與現(xiàn)狀年相比明顯減少。其他學(xué)者也得出了相似的結(jié)論[19-20]。目前，國內(nèi)外對變化環(huán)境下高原寒區(qū)沼澤濕地水文過程的研究機(jī)理尚不完善，特別是對于典型高寒沼澤濕地水文循環(huán)各要素的基本特征及其對氣候變化的響應(yīng)尚不十分清楚。因此，開展青藏高原若爾蓋濕地水文過程變化及對氣候變化的響應(yīng)等研究，對明晰高寒濕地水文循環(huán)機(jī)理和青藏高原水循環(huán)演變機(jī)理，以及對區(qū)域水資源管理等具有十分重要的意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域概況

若爾蓋高原濕地位于青藏高原的東北隅，是青藏高原濕地的典型代表，也是世界上海拔最高、面積最大的高原泥炭沼澤的主要分布區(qū)之一。平均海拔3 500 m，沼澤總面積約4 903 km2，隸屬四川省若爾蓋縣、紅原縣、阿壩縣以及甘肅省的瑪曲縣和碌曲縣[21]。若爾蓋高原濕地為起伏平緩的丘狀高原區(qū)，主要地貌類型有低山、丘陵、階地、河漫灘、寬谷和湖群洼地等[4]。濕地內(nèi)的主要河流為黃河及其支流黑河和白河(圖1)，黑河和白河自南向北流入黃河，為黃河上游流量較大、流速較小而水位十分平穩(wěn)的兩條支流。同時(shí)由于黃河和支流的改道，區(qū)域內(nèi)小河流和湖泊星羅棋布，主要的湖泊有哈丘湖、錯(cuò)拉堅(jiān)湖和花湖。

圖1 若爾蓋濕地水系分布概況

研究區(qū)域的氣候?yàn)榇箨懶愿咴瓪夂颍錆駶櫍獌銎陂L，日溫差大。多年平均氣溫1℃左右，年日照時(shí)數(shù)約25 000 h，全年降水量約600～800 mm，雨季主要分布在5—10月，約占全年降水量的90%[13]。區(qū)內(nèi)植物以沼澤植被和草甸植被為主，優(yōu)勢種有木里苔草(Carexmuliensis)、烏拉苔草(Carexmeyeriana)和藏蒿草(Kobresiatibetica)等[22]。研究區(qū)以吉邁站作為流域入口，瑪曲站作為流域出口，流域總面積約41 086 km2。流域水系分布及濕地沼澤分布見圖1。

1.2 數(shù)據(jù)來源

收集的基礎(chǔ)資料包括：DEM(1∶24 000)、土地利用(1∶1 000 000)、土壤類型(1∶4 000 000)、河網(wǎng)水系、植被、土壤、氣象站點(diǎn)、水文站等GIS數(shù)據(jù)；1960—2011年達(dá)日、久治、紅原、若爾蓋、瑪曲、馬爾康、松潘、河南、班瑪和瑪沁等10個(gè)氣象站點(diǎn)的日降水、最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、相對濕度等氣象資料，瑪曲站(1964—2011年)、唐克站(1990—2011年)以及若爾蓋站(1990—2011年)的月徑流過程。研究區(qū)域內(nèi)的氣象站網(wǎng)和水文站分布見圖1。此外，為了分析未來不同氣候變化情景下濕地徑流的變化，還收集了HadGEM2-ES氣候模式下高排放情景RCP8.5、中排放情景RCP4.5和低排放情景RCP2.6 3種情景的日氣象資料。其中，RCP8.5為最高溫室氣體排放情景，輻射強(qiáng)度達(dá)到8.5 W/m2，2100年后CO2質(zhì)量濃度達(dá)到1.37×10-3mg/L；RCP4.5為低端排放基準(zhǔn)和中等減緩措施，輻射強(qiáng)度穩(wěn)定在4.5 W/m2，2100年后CO2質(zhì)量濃度穩(wěn)定在6.5×10-4mg/L；RCP2.6為最低端的排放情景，采取嚴(yán)格的限排等應(yīng)對氣候變化政策。全球平均溫度上升限制在2℃以內(nèi)，輻射強(qiáng)度在2100年前達(dá)到峰值，到2100年下降至2.6 W/m2，CO2質(zhì)量濃度峰值約為4.9×10-4mg/L,之后呈下降趨勢，2100年CO2質(zhì)量濃度4.0×10-4mg/L[23]。

1.3 模型構(gòu)建

選擇SWAT(soil and water assessment tool)模型進(jìn)行區(qū)域徑流模擬和預(yù)測。SWAT模型是具有一定物理機(jī)制的半分布式水文模型，模型可以預(yù)測復(fù)雜流域內(nèi)不同的氣候條件、土地覆被變化等對水量、水質(zhì)以及作物產(chǎn)量等的長期影響[24]。此外，該模型也考慮了融雪和凍土對水文循環(huán)的影響[25]，模型也在許多國家的寒冷地區(qū)得以廣泛應(yīng)用[26-27]。在中國，SWAT模型在黑河[28]、黃河源區(qū)[29]、三江源區(qū)[18-19]等寒冷區(qū)域的徑流模擬、氣候變化等影響評估方面取得了很好的模擬和應(yīng)用效果。這說明SWAT模型可以用來模擬和預(yù)測寒冷區(qū)域的降雨徑流過程，分析區(qū)域水循環(huán)機(jī)理和評估氣候變化對水循環(huán)過程的影響。

由于缺乏若爾蓋濕地入口處水文站的徑流觀測資料，本研究在構(gòu)建模型時(shí)以濕地上游吉邁站為入口徑流觀測站，以瑪曲站為出口(稱為吉邁-瑪曲流域)，根據(jù)研究區(qū)的DEM、土壤和土地利用分布，進(jìn)行流域劃分，吉邁-瑪曲流域范圍見圖1，流域面積41 086 km2。若爾蓋濕地流域則主要是由以若爾蓋水文站作為控制站的黑河流域(7 848 km2)、以唐克站作為控制站的白河流域(5 478 km2)以及瑪曲流域(10 579 km2)組成，流域面積23 905 km2(圖1)。吉邁-瑪曲流域總共劃分了237個(gè)子流域，水文響應(yīng)單元的劃分閾值為20%的土地利用類型和20%的土壤類型。

2 結(jié)果分析

2.1 參數(shù)敏感性分析

SWAT模型參數(shù)較多，本研究選取對濕地徑流過程影響比較大的13個(gè)參數(shù)，用SWAT-CUP中的SUFI-2優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)率定和敏感性分析[30-31]。通過5次迭代運(yùn)算(每次運(yùn)行50次)獲得模擬結(jié)果。在SWAT-CUP中，SUFI-2算法采用的全局敏感性分析，參數(shù)敏感性主要取決于拉丁超立方生產(chǎn)的參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)值之間的多元回歸系數(shù)[32]。T檢驗(yàn)用來確定每個(gè)參數(shù)的敏感性，t絕對值越大，參數(shù)越敏感；而P值則決定了敏感性的顯著性，P值越接近于0，參數(shù)敏感性越顯著。表1為模擬中一部分參數(shù)的敏感性分析和率定結(jié)果。由表1看出，若爾蓋濕地流域徑流過程模擬中，基流α因子(V_ALPHA_BF)最為敏感，其次分別為土層有效含水量(R_SOL_AWC)，產(chǎn)生回歸流所需的淺層含水層水位閾值(V_GWQMN)、土壤密度(R_SOL_BD)、河道曼寧系數(shù)(V_CH_N2)、地下水revap系數(shù)(V_GW_REVAP)和土壤蒸散發(fā)補(bǔ)償因子(V_ESCO)，這7個(gè)參數(shù)在模型中對該區(qū)域的徑流模擬過程較為敏感。

2.2 SWAT模型率定及驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)測水文數(shù)據(jù)系列，選取瑪曲站、唐克站和若爾蓋站3個(gè)水文站的月徑流數(shù)據(jù)系列進(jìn)行參數(shù)的校準(zhǔn)和率定，其中唐克站位于白河流域，若爾蓋站位于黑河流域，瑪曲站位于黃河主干流。由于唐克站和若爾蓋站建站時(shí)間比較短，資料系列相對較短，主要以瑪曲站資料為主對SWAT模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。唐克站和若爾蓋站校準(zhǔn)期為1990—2000年，驗(yàn)證期為2001—2011年；瑪曲站校準(zhǔn)期為1964—1985年，驗(yàn)證期為1986—2011年。在模型率定和驗(yàn)證過程中，選取1964—1968年為模型預(yù)熱期，以消除初始狀態(tài)的影響。

表1 參數(shù)敏感性分析和率定結(jié)果

模型參數(shù)率定采用SWAT-CUP自動(dòng)校準(zhǔn)和人工優(yōu)選結(jié)合的方式使得模型擬合度Nash效率系數(shù)NSCE以及決定系數(shù)R2達(dá)到最大。其中用SWAT-CUP進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)時(shí)選擇SUFI2優(yōu)化算法。在采用SUFI-2優(yōu)化算法進(jìn)行模型參數(shù)率定時(shí)，Pfactor和Rfactor主要用來衡量模型參數(shù)的不確定性程度[33]，一般用Pfactor接近于1和Rfactor接近于0的程度來判斷校準(zhǔn)的效果。Rfactor越大，Pfactor也會越大，因此通常情況下，必須兩者達(dá)到平衡，取得Pfactor和Rfactor的相對最佳值。通過實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬值之間的R2和NSCE進(jìn)一步量化擬合度。NSCE的計(jì)算公式為

(1)

模型率定和驗(yàn)證結(jié)果見表2。瑪曲、唐克及若爾蓋水文站月徑流過程模擬見圖2。由表2和圖2可見，模型模擬效果較好，模擬徑流與實(shí)測徑流過程基本一致，校準(zhǔn)期的模擬精度較高，驗(yàn)證期3個(gè)測站的NSCE均稍有降低，但總體來說，率定的參數(shù)可以用于若爾蓋濕地流域的水文過程模擬。

表2 模型率定和驗(yàn)證結(jié)果

2.3 模型參數(shù)不確定性分析

采用SUFI-2優(yōu)化算法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化和率定時(shí)，同時(shí)也將模型輸入數(shù)據(jù)、模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及觀測數(shù)據(jù)等一系列不確定性因素考慮在內(nèi)，可以通過率定后的參數(shù)范圍反映出來[34]。一般情況下，參數(shù)率定的95%置信水平(95PPU)的不確定性區(qū)間上會包含大部分觀測數(shù)據(jù)。本研究采用默認(rèn)的2.5%(L95PPU)和97.5%(U95PPU)上的累積分布得到95%置信水平上模擬結(jié)果總的不確定性，不確定性區(qū)間見圖2中的95PPU。由表2可知，模型校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期Pfactor值在0.73以上，即在3個(gè)水文測站中至少73%以上的觀測數(shù)據(jù)均包含在95%的置信區(qū)間內(nèi)。Rfactor值表征95PPU區(qū)間的平均寬度，在校準(zhǔn)期Rfactor為0.87～0.96，在驗(yàn)證期Rfactor略高，為0.98～1.27，可見驗(yàn)證期95PPU寬度較窄，樣本分布相對集中。總體上，3個(gè)水文站在校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期的徑流模擬不確定性相對較小。

2.4 未來不同氣候情景下的濕地徑流變化

由于HadGEM2-ES模式是GCM模式中較為通用的一種，能夠反映全球尺度上的生態(tài)系統(tǒng)和水文過程變化，并且無須進(jìn)行通量修正[35]，在我國黃河河源和上游區(qū)域的適用性較好[36-37]。因此，采用HadGEM2-ES模式下3種排放情景(高排放情景RCP8.5、中排放情景RCP4.5和低排放情景RCP2.6)的模式輸出氣象數(shù)據(jù)(降水、氣溫、風(fēng)速、輻射以及相對濕度)。通過統(tǒng)計(jì)降尺度方法，將不同分辨率的氣候模式輸出結(jié)果，用雙線性插值方法插值到0.5°×0.5°的網(wǎng)格上進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。在SWAT模型中以氣象數(shù)據(jù)作為模型驅(qū)動(dòng)，基于現(xiàn)狀土地利用情況，對2010—2050年若爾蓋濕地流域水文變化過程進(jìn)行模擬和預(yù)測。同時(shí)采用基于TFPW預(yù)處理的非參數(shù)Mann-Kendall趨勢分析方法[38]對徑流變化趨勢進(jìn)行分析檢驗(yàn)，根據(jù)SEN法[39]計(jì)算徑流變化趨勢的坡度值：

(2)

式中：βj為坡度值；xj、xk為樣本中第j、k個(gè)數(shù)據(jù)。取n個(gè)坡度值的中值為樣本的坡度。βj的正或負(fù)分別反映了序列的上升或下降的趨勢。

圖3為2020—2050年瑪曲、唐克和若爾蓋站在不同排放情境下的徑流變化過程。可見未來氣候變化的高(RCP8.5)、中(RCP4.5)、低(RCP2.6)排放情景下，若爾蓋濕地流域瑪曲站、唐克站以及若爾蓋站徑流量在2020—2050年均呈下降趨勢。尤其是RCP8.5情景下，3個(gè)水文站的徑流量在汛期和非汛期以及年平均階段的下降趨勢更為明顯(顯著水平為0.05)(表3)。2020—2050年3種氣候變化情景下，瑪曲站徑流減少幅度相對較大。RCP8.5情景下，瑪曲站非汛期的徑流量減少率為6.07 m3/a左右(顯著水平為0.01)，減少幅度最大，其余情景下徑流減少趨勢不明顯。RCP8.5情景下，唐克站和若爾蓋站的徑流則呈現(xiàn)明顯下降趨勢(顯著水平為0.05)，汛期徑流下降幅度高于非汛期；RCP2.6和RCP4.5情景下，若爾蓋站和唐克站徑流量變化均呈下降趨勢，但并未達(dá)到顯著水平。黑河和白河作為流經(jīng)若爾蓋濕地的兩條主要支流，在3種氣候變化情景下的徑流均呈下降趨勢。尤其是RCP8.5情景下兩條支流的徑流下降趨勢明顯，說明在未來氣候變化情景下，流經(jīng)若爾蓋濕地的河川徑流量減少，在一定程度上也可能使得濕地補(bǔ)給水量減少，導(dǎo)致若爾蓋濕地水位下降，破壞濕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，加劇濕地的退化和萎縮，不利于濕地保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

(a)瑪曲

(b)唐克

(c)若爾蓋

表3 2020—2050年不同情景下的各水文站徑流變化趨勢坡度值

注：*表示顯著水平為0.05，**表示顯著水平為0.01。

以1990—2010年若爾蓋濕地各水文站徑流量作為基準(zhǔn)，分析若爾蓋濕地未來3種情景下2020s、2030s、2040s的徑流變化率(表4)。瑪曲、唐克和若爾蓋3站的年平均徑流量、非汛期徑流量在3種情景下與基準(zhǔn)年相比均呈減少趨勢，其中瑪曲站徑流量減少幅度最大。在未來3種情景下，瑪曲站年平均徑流、汛期以及非汛期徑流量均呈明顯減少趨勢，尤其是非汛期徑流在RCP8.5情景下，減少比率較大，達(dá)到50.1%(2040s)。唐克站年均徑流和非汛期徑流減少幅度相對較小，并且3種情景下汛期徑流均略有增加。若爾蓋站徑流量變化與唐克站基本相似。總體上，在未來氣候變化情景下，若爾蓋濕地徑流量呈減少趨勢，尤其是非汛期徑流量減少率在25% 以上，結(jié)論與張永勇等[18-19,40-41]在黃河源區(qū)的研究結(jié)果基本一致。氣溫升高，水面蒸發(fā)量增大，而降水增加趨勢并不顯著，可能是導(dǎo)致該區(qū)域徑流量減少的主要原因之一[18]。

未來氣候變化情景下，2020—2050年若爾蓋濕地流域徑流量不斷減少，而非汛期徑流量的銳減可能會對若爾蓋濕地保護(hù)以及黃河流域中游和下游區(qū)域的水資源管理等產(chǎn)生影響。這種變化可能會加劇未來若爾蓋濕地面積的退化和萎縮，引起黃河中下游區(qū)域的干旱、水資源虧缺等一系列問題。這種情況下，若爾蓋濕地未來如何應(yīng)對氣候變化是需要考慮的關(guān)鍵問題。

(a)瑪曲

(b)唐克

(c)若爾蓋

站 點(diǎn)階 段基準(zhǔn)期徑流量/(m3·s-1)RCP2.6下徑流變化率/%2020s2030s2040sRCP4.5下徑流變化率/%2020s2030s2040sRCP8.5下徑流變化率/%2020s2030s2040s年平均402.9-18.9-15.7-15.4-25.0-23.0-23.5-17.2-29.3-23.0瑪 曲非汛期202.6-40.0-43.3-43.3-47.0-43.6-48.0-41.4-49.8-50.1汛 期683.4-10.2-4.2-3.8-15.9-14.5-13.3-7.1-20.7-11.8年平均56.6-8.0-4.7-9.6-19.2-15.4-14.6-6.8-22.5-15.8唐 克非汛期24.7-20.8-22.3-28.5-31.9-28.5-32.3-18.3-31.4-32.9汛 期88.510.316.010.9-2.62.04.611.1-7.83.0年平均24.5-0.25.7-0.3-18.1-13.1-10.4-2.3-22.1-11.2若爾蓋非汛期13.5-24.8-27.4-31.9-39.9-36.8-40.0-30.0-39.6-40.3汛 期402.911.521.514.7-7.8-1.83.711.0-13.72.7

3 結(jié) 論

a. 采用SWAT水文模型對若爾蓋高寒濕地流域的唐克站、若爾蓋站以及瑪曲站的月徑流過程進(jìn)行模擬，模擬精度較好。模型考慮了凍土和融雪對水文循環(huán)的影響，能夠?qū)涤?融雪-徑流過程進(jìn)行較好的刻畫，模型可以用來分析若爾蓋濕地流域徑流變化過程及其氣候變化的影響。

b. 未來3種(高排放情景RCP8.5、中排放情景RCP4.5和低排放情景RCP2.6)氣候變化情景下，2020—2050年若爾蓋濕地流域徑流量呈下降趨勢。RCP8.5情景下，若爾蓋濕地的兩條主要河流——白河流域(唐克站)以及黑河流域(若爾蓋站)徑流量下降趨勢顯著，在一定程度上可能導(dǎo)致濕地可補(bǔ)給水資源量減少，濕地水位下降。

c. 未來3種情景下2020s和2030s，2040s的年徑流變化與基準(zhǔn)年相比均呈減少趨勢，非汛期徑流量減少幅度明顯高于汛期，徑流減少比率大部分在25%以上。非汛期徑流量的銳減可能會對若爾蓋濕地保護(hù)以及黃河流域中游和下游區(qū)域的水資源管理等產(chǎn)生影響。