氣候變化背景下洺河流域徑流變化研究

趙明妍

(河北省保定水文勘測研究中心，河北 保定 071000)

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 概況

洺河的發(fā)源地為河北省武安市的小摩天嶺，經(jīng)過多市縣最終匯入北澧河。洺河?xùn)|部、西部、北部和南部分別為流壘河、漳河、沙河、滏陽河，洺河流域的面積達(dá)3200 km2，其中，山區(qū)面積為2200 km2，平原面積為1000 km2。洺河流域的地形地貌較為復(fù)雜，包含山區(qū)、丘陵、平原等地貌類型，流域地勢呈現(xiàn)南高北低[1-2]。

洺河流域的緯度位置和地理位置決定了其為暖溫帶大陸性氣候，具有雨熱同期的特點(diǎn)，因此，本文分別研究分析溫度和降雨對流域徑流的影響。根據(jù)洺河流域多年的降雨量數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)降雨規(guī)律：一是年內(nèi)降雨存在季節(jié)性差異，在7、8月汛期的降雨量達(dá)到全年降雨量的75%，而其他月份的降雨量較少，計(jì)算多年的年平均降水量為545.52 mm；二是同一時期降雨分布不均，由于洺河流域的地勢較為復(fù)雜，有山地與丘陵，降雨云受山地阻擋，從而導(dǎo)致山的兩坡存在較大的降雨量差異。西部太行山的迎風(fēng)坡將暖氣團(tuán)抬升最終形成降雨，而背風(fēng)坡則降雨量少，此外，平原地區(qū)的降雨分布較均勻，但降雨量與山區(qū)相比則較少；三是降水量年變化較大，枯水年和豐水年的降水量差異較大，1960—2021年中的最大降水量是最小降水量的五倍。洺河流域自1960年后共修建了5座中型水庫。總控制流域面積為1465 km2，可全面控制流域水資源。各水庫修建情況見表1。

表1 流域中型水庫修建情況

1.2 數(shù)據(jù)來源

通過收集洺河流域的臨洺關(guān)水文站的逐日徑流和降水信息，研究分析洺河流域的水資源變化情況；為了研究雨量，收集了洺河流域雨量站的降水資料，同時，向周邊的市和縣請求獲取各氣象站的氣象資料，研究1960年至今洺河流域降水、徑流變化情況。其他的氣象數(shù)據(jù)主要來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心。

2 研究方法

徑流和降雨均受到人類活動和氣候的限制，通過相關(guān)專業(yè)知識可知降水、氣溫及蒸發(fā)量相互作用造成區(qū)域的水資源量改變，從而改變徑流和降雨，降雨量和徑流量呈現(xiàn)正相關(guān)性。平均和最高及最低氣溫、濕度、風(fēng)速、日照等數(shù)據(jù)綜合形成潛在蒸散發(fā)，但該參數(shù)與徑流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性。為了展現(xiàn)氣候變化引起的徑流量改變詳情，本文以洺河流域作為參考，構(gòu)建相應(yīng)的SWAT模型，通過設(shè)置相關(guān)的參數(shù)模擬洺河流域的真實(shí)情況，動態(tài)展示徑流量的變化。

人類活動過度使用流域的水資源，使流域下墊面發(fā)生變化。此外，人類的生產(chǎn)發(fā)展，大量使用土地，建設(shè)大規(guī)模的水利工程，但同時又植樹造林，增加地表綠化面積，以改善生態(tài)，穩(wěn)固水資源，流域由于受到這兩方面的影響，水文循環(huán)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。為了掌握土地使用方式對徑流的影響，通過SWAT模型，模擬流域的土地使用方式，同時模擬流域的氣候和其他參數(shù)，以真實(shí)還原徑流的變化詳情。

通過從各氣象臺和雨量站獲取的氣象數(shù)據(jù)，設(shè)置模型中的各參數(shù)，并采用水文模型，以全面模擬各種氣候下的徑流，驗(yàn)證氣候變化對徑流的影響。由于模型無法模擬人類活動對徑流的影響，因此，根據(jù)某年的土地利用圖示表，設(shè)定相應(yīng)的模擬參數(shù)，以真實(shí)還原天然徑流的氣候變化，驗(yàn)證結(jié)果表明，流域天然徑流與氣溫和降水存在一定的關(guān)聯(lián)[3]。

3 徑流對氣候變化響應(yīng)分析

3.1 徑流量的年際變化

洺河流域在7—9月屬于豐水期，徑流量達(dá)到年徑流量的50%，而12月—次年2月屬于枯水期，其徑流量占年總徑流量的6.3%，洺河流域的枯水期和豐水期的月徑流量相差較大，其中，最大月徑流量是最小月徑流量的10倍。洺河流域的水資源來源于降雨、土壤水分以及融雪，每年的徑流量分布較為穩(wěn)定，但年際不穩(wěn)定，如圖1所示。豐水期月徑流量在7月與9月出現(xiàn)高峰。由于徑流量每月的來源方式不同，造成月徑流量出現(xiàn)較大的差異。年內(nèi)徑流量主要來源于地下水補(bǔ)給，主要為凍土水，造成年內(nèi)徑流量不斷波動。由于洺河流域的緯度位置較高，季節(jié)性凍土大量存在于研究區(qū)，其深度可達(dá)到2.6 m。每年5月后，氣溫快速升高，但由于每年寒冷季節(jié)長達(dá)7個月，凍土覆蓋面積較大，每年凍土的融化時間需持續(xù)4個月。

圖1 1969—2019年月峰值指數(shù)α變化

1969—2019年的月徑流量峰值指數(shù)和變化趨勢如圖1所示，干濕指數(shù)變化趨勢如圖2所示。由圖可知，月徑流量的峰值全部呈現(xiàn)上升趨勢，但上升的幅度不大，表明季節(jié)性融水和雨水主要影響洺河流域的年徑流總量。而干濕指數(shù)的年際變化不顯著，表明枯水期和豐水期的徑流量比值隨時間并無明顯浮動，地下水穩(wěn)定補(bǔ)給洺河流域。1969—2017年年徑流量變化顯示M-K檢驗(yàn)結(jié)果變化趨向，并得出突變點(diǎn)位0.05，在圖中出現(xiàn)兩次突變點(diǎn)。根據(jù)圖像及其分析結(jié)果可知，1959年后的季節(jié)融水補(bǔ)給量主要呈現(xiàn)上升趨勢，對徑流量的影響力逐漸增大[4]。

圖2 1959—2019年月干濕指數(shù)β變化

累積平均能反應(yīng)年平均徑流量隨時間的變化，通過圖3可知年平均徑流量呈現(xiàn)趨于穩(wěn)定的趨勢，但1969—1995年，年徑流量的平均值處于不斷增加的狀態(tài)，1996—2019年，年徑流量的平均值則開始不斷減少，2011年的年徑流量平均值為39.55×108m3。經(jīng)上述分析可知：1969—2019年的徑流量具有代表性，可真實(shí)的反映出徑流量年際的變化特征。滑動平均曲線減少了其他曲線的波動性，同時使較為顯著的差異的波動更加明顯。

由圖3可得，1969—1990年的年徑流量出現(xiàn)上升趨勢，但后期出現(xiàn)顯著的下降趨勢，因此，洺河流域的年徑流量變化較為顯著。由圖4可知，M-K檢驗(yàn)的閾值T=1.96，其顯著性小于0.05，E值第一次超過可靠線后，逐漸處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。在兩條可靠性線間E和F的交點(diǎn)稱為突變點(diǎn)，當(dāng)交叉點(diǎn)所處位置<0時，徑流量則處于減少的狀態(tài)，當(dāng)>0時，則處于增加的狀態(tài)。由圖可知，1969—2019年間出現(xiàn)3個突變點(diǎn)，分別為1971年、2009年以及2015年，使得洺河流域40年內(nèi)的徑流量變化較大，影響區(qū)域水資源的供求。

圖3 1969—2019年徑流序列的累進(jìn)平均和滑動平均曲線

圖4 1969—2017年年徑流量變化的M-K曲線

3.2 氣溫對年徑流的影響

通過第一組模擬試驗(yàn)?zāi)M溫度變化對洺河流域徑流量的影響，可知試驗(yàn)結(jié)果見圖5。當(dāng)降雨量不變時，隨著氣溫增加1～3 ℃，徑流的減少率呈現(xiàn)負(fù)增大的趨勢，因此，氣溫的升高會使徑流量不斷減少；隨氣溫降低1～3 ℃，徑流增加率呈現(xiàn)不斷增大的趨勢，因此，氣溫降低會使徑流量增加，由此可得氣溫和徑流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。從兩者的影響程度來看，氣溫的增加幅度和氣溫的減小幅度相同時，徑流量的減少率小于徑流量的增加率，因此，徑流因氣溫降低的影響更加劇烈。整體來看，氣溫造成徑流量發(fā)生的波動較小，在氣溫變化±3 ℃范圍內(nèi)，徑流量的變化不明顯[5]。

圖5 氣溫變化情景下流域徑流相對變化率(降水±0%)

3.3 降水對年徑流的影響

第二組模擬試驗(yàn)為氣溫恒定，降水發(fā)生變化，其試驗(yàn)結(jié)果如圖6。當(dāng)降水增加，徑流的增加量逐漸增大，降雨減少，則徑流處于不斷減少的狀態(tài)。由此可知，降水和徑流量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。從影響程度來看，氣溫相同時，降水的增加量與降水減少量相同時，降雨增加的影響力大于降水減少的影響力。與氣溫因素相比，徑流對降水的敏感程度更高，降水的變化只要在±30%范圍內(nèi)，徑流的變化率遠(yuǎn)超于氣溫變化因素下的徑流變化率。

圖6 降水變化情景下流域徑流相對變化率(氣溫±0 ℃)

4 結(jié) 論

(1)年均徑流對氣候變化的響應(yīng)：降水恒定的情況下，徑流和氣溫呈現(xiàn)正比；氣溫恒定的情況下，徑流和降水呈現(xiàn)反比，從影響程度方面觀察，徑流對氣溫的敏感程度明顯低于徑流對降水的敏感程度。當(dāng)降水和氣溫組合變化時，徑流的變化主要受到降水量的限制，進(jìn)一步驗(yàn)證了徑流對降水的敏感程度高于氣溫。

(2)年內(nèi)徑流對氣候變化的響應(yīng)：當(dāng)降水不變時，徑流和氣溫在汛期呈正比，而在非汛期時呈反比，同時氣溫變化對年徑流量的影響相同。各月徑流量因氣溫降低發(fā)生的變化程度明顯高于徑流因氣溫升高發(fā)生的變化程度。