黄河流域径流变化与趋势预测

第1章概述 1.1研究背景 随着气候变暖和人类活动影响加剧，全球水资源发生重大变化，有关水资源演变的研究已成为世界水文水资源研究领域的热门课题。黄河是我国北方重要的河流，河川径流量占全国的2%，却承载了全国15%的人口、15%的耕地和14%的GDP，其水资源变化不仅直接关系到流域内的水安全，对周边区域的可持续发展也具有重要影响。研究表明，近几十年来，受气候变化和大规模水利水保工程建设等活动影响，黄河流域实测径流量呈显著下降趋势，且下游比上游衰减更显著，其中人类活动是主要影响因素。除了实测径流量以外，根据历次黄河流域水资源评价成果，黄河流域水资源量也呈下降趋势，减少的原因除了气候变化以外，还有影响巨大的取用水和水土保持等人类活动。由于高强度人类活动影响下的流域水循环具有“自然-社会”二元属性，从流域“自然-社会”二元水循环系统中分离出天然河川径流量十分困难，所以目前有关黄河实测径流量衰减定量解析的研究成果较多，针对天然河川径流量历史演变和未来趋势开展的定量研究还不够深入，这种情况不利于黄河流域水资源的认知、保护和利用。 1.2国内外研究现状 1.2.1流域水循环演变规律与归因研究进展 近年来，气候变化及其对水资源分布及径流过程的影响受到越来越多的关注(Held and Soden，2006)。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次评估报告指出，近百年全球气候变暖毋庸置疑，人类对气候系统的影响是明确的，而且这种影响在不断增强；观测表明，在许多区域，降水变化和冰雪融化正在改变水文系统，影响水资源和水质，且随着温度上升，气候变化对水资源造成的风险将显著增加(IPCC，2013a)。不仅地球气候系统本身正经历着显著的变化，与其紧密相关的水资源系统也呈现出新的特点，水循环及其伴生过程的演变规律发生改变，体现在水分运移的水平通量和垂直通量、径流性水资源的构成、污染物运移以及生态演替等方面，由此带来的资源、环境和生态问题也日益突出(Wang，2013a)。除了地球气候系统和水资源系统，依赖且又影响二者的人类社会经济系统也发展迅速，其影响日益加深，三大系统彼此之间存在着直接或间接的相互影响和双向反馈机制。在这个综合系统中，开展变化环境下的水循环要素演变规律研究、归因分析及未来趋势预测，对多时空尺度的水循环演变进行动态模拟和变异分析，解析气候变化及人类活动等对水循环变异的影响机理和贡献率，是当前水科学研究的热点(Allen and Ingram，2002；Oki and Kanae，2006；Barnett et al.，2008；Piao et al.，2010；Bao et al.，2012)。 水循环要素时空演变规律主要采用统计学方法(Zhang et al.，2007；Burn and Elnur，2002)，如用于趋势检验的线性回归方法、Mann-Kendall秩次相关检验(Yue et al.，2002)、趋势变异分级法(谢平等，2014)等，用于突变性检验的Pettitt方法(Pettit，2011)、Hurst系数(Koutsoyiannis，2003)、R/S分析(谢平等，2010)，以及用于周期性检验的周期图检验法(桑燕芳和王栋，2008)、谱分析(赵利红，2007)、小波分析(郝春沣等，2010)等。水循环要素时空演变规律及归因分析的研究主要包括水循环表征要素的时空变异检验。 水循环影响要素的成因机理解析通常基于水文模拟(水文模型法)及数理统计(统计分析法)，或者选取除影响因子外的其他自然地理和水文特征较为相似的参证流域，通过试验观测获得不同气候条件或水资源开发利用方式下参证流域的径流过程，也可以直接观测本流域在不同环境下的径流变化(试验流域法)，进而采用指纹检测或者差值比较来对比影响要素分离前后的数据系列及其特征值，量化因变量各影响要素的贡献率，国际上的相关研究多集中在气候变化的归因分析(Stott et al.，2010)以及气候变化和人类活动两个因素对径流量影响的归因分析(Hidalgo et al.，2009；Mondal and Mujumdar，2012；Wang et al.，2013a)。在国内的相关研究中，谢平等(2012)使用实际降雨、径流资料对“基准期”和“措施期”分别建立回归方程估算“措施期”天然径流量，得出乌力吉木仁河流域人类活动影响的贡献率为76%。Gao P等(2011，2013)使用降水、径流双累积曲线法定量分析了黄河流域以及渭河流域人类活动和气象要素变化对径流和泥沙产生量的影响，结果表明，人类活动是主要影响因素。Bao等(2012)采用基于单元网格的可变下渗能力(variable infiltration capacity，VIC)模型对中国北方海河流域和滦河流域的三个子流域径流变化进行了归因分析，定量确定了气候变异和人类活动对流域径流衰减的贡献率。陈利群和刘昌明(2007)利用SWAT模型和VIC模型分别模拟分析了黄河河源区土地覆被变化和气候变化对径流的影响。王国庆等(2006，2008)使用SIMHYD模型分离计算了汾河流域和三川河流域径流变化中气候变化和人类活动的影响量，研究表明人类活动影响是径流减少的主要原因。丁相毅(2010)对气候模式输出结果进行降尺度并用于水文模型模拟，采用指纹分析法，探索了多因素变化对地表水资源的影响。刘佳嘉(2013)在变化环境下渭河流域水循环分布式模拟的基础上，提出了多因素归因分析方法，考虑气象要素、水土保持、农业灌溉取水以及工业生活取水等影响因子，完成了渭河流域水循环演变的多因素归因分析。谢瑾博等(2016)利用考虑地下水取用水与灌溉影响的全球陆-气耦合模式进行数值模拟，基于*优指纹法分析探讨中国东部季风区黄河、淮河、海河、珠江、长江、松花江流域水循环变化(地表温度、降水、径流、蒸散发)及归因。赵天保等(2016)基于观测资料和国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)多模式的历史试验(考虑所有驱动因子)以及单因子强迫气候归因试验结果，估算了温室气体、气溶胶、土地利用及自然因素等外强迫在中国区域气候变化中的相对贡献。Jia等(2012)基于WEP模型，采用基于指纹的归因方法，考虑自然变异和人类活动等因素，完成了海河流域1961～2000年径流显著衰减的归因分析，认为人类活动在海河流域径流变化中占有60%的贡献率。 在诸多归因方法中，统计分析法对水文气象观测资料要求较高，应用相对简单，局限于中小尺度流域，对于大尺度流域归因分析比较困难；试验流域法有利于揭示土壤-植被-大气相互作用的机理，但试验周期长，难于实施，不适合大尺度流域；水文模型法是基于物理过程模拟量化驱动因子的贡献率，物理概念清晰，分析精度较高，但模型不确定性问题比较突出。 1.2.2流域分布式水文模型研究进展 流域分布式水文模型是随着数据资料描述精细程度以及模拟应用要求而不断发展和完善的。从*早的经验模型到概念性模型再到半分布式和基于物理机制的分布式模型，从只关注流域出口径流过程到综合考虑区域蒸发、下渗、土地利用影响等多因素，流域分布式水文模型对地形、植被、气候等资料的要求越来越细致，对水文物理过程描述也越来越接近客观世界。由于计算机功能的加强和地理信息系统（geographic information system，GIS）等相关技术的发展，分布式水文模型得到了迅速发展。Hewlett和Nutter(1970)提出了森林流域的变源面积模拟模型(VSAS)，以分块和分层的形式分别模拟地表径流和地下径流。Beven和Kirkby(1979)提出的TOPMODEL模型则能够反映地形的空间变化对产汇流过程的影响，且模型中的参数均具有明确的物理意义。SHE模型是基于水动力学方程的首个分布式水文模型(Abbott et al.，1986)，是由丹麦水力研究所、英国水文研究所和法国SOGREAH公司等联合开发的，该模型不仅考虑了流域地形的细致划分，还包括降雨截留、蒸散发、坡面汇流、融雪以及地下水地表水交换等水文过程。Mike-SHE模型则是在SHE模型基础上进行改进(Zheng，2008)，它可以模拟多种陆地水文过程：水流运动、泥沙运动和水质变化，该模型也因为具有很高的综合性而被广泛采用。随后还出现了针对小流域水文模拟的SWAM模型(Decoursey，1982)以及暴雨洪水管理模型SWMM模型等(Huber and Dickinson，1998)。SWAT模型(Arnold and Allen，1992；Arnotd et al.，1995)是美国农业部农业研究所开发的一套适用于复杂大流域的水文模型，该模型物理机制明确，结合GIS和遥感（remote sensing，RS）技术可以进行复杂流域模拟以及长系列模拟。此外，在吸取前人经验基础上，新的分布式水文模型不断涌现，如Liang和Lettenmaier(1994)开发的VIC模型、Berstrom(1995)开发的HBV模型、美国陆军工程兵团水文工程中心（Hydrologic Engineering Center，United States Army Corps of Engineers，USACE-HEC）(2006)开发的HEC-HMS模型等。 国内分布式水文模型的发展相对国外起步较晚，但发展较快。国内学者对分布式水文模型的研究开始于对国外模型的应用，其中SWAT模型和TOPOMODEL模型应用较为广泛。随后，国内学者的研究开始向自主开发更适用于国内的分布式水文模型发展，其中应用较为广泛的模型有：贾仰文等开发的WEP模型，该模型强化了对植物耗水与热输送过程的模拟，以及在此基础上发展的适用于大流域水文模拟的二元水循环模型WEP-L(Jia et al.，2006)；杨大文开发的基于流域地貌特征的分布式GBHM模型（Yang et al.，1998）；郭生练等（2000）开发的基于DEM的分布式水文物理模型，该模型引入植物蓄积容量来描述植物截留过程；任立良(2000)基于DEM开发的分布式新安江模型；夏军等(2003)在建立的基于DEM的分布式时变增益水文模型，该模型将水文系统非线性理论同水文模拟相结合；刘志雨开发的以DEM为平台，应用数值分析建立相邻网格单元时空关系的分布式水文模型YOPKAPI模型(Liu，2002)；雷晓辉等（2014）开发的流域综合分布式水文模拟——EasyDHM模型。国内分布式水文模型的研究主要是在研究学习国外相关模型的基础上进行深入发展的。本质而言，国内外分布式水文模型描述流域水循环过程所采用的方程大体相似，在模型构建方面相差不大。国内模型的优势在于国内模型在模型参数以及模型结构方面更加适合国内流域水循环过程的模拟。 目前关于流域水土保持措施影响的研究较多，这些研究大多都集中在坡面试验，在模型中往往采用经验公式进行模拟。虽然陆面点尺度的试验研究成果比较多，但水文过程存在着时空尺度效应，流域层面的减水效果并不是点尺度减水效果的简单累加，相关机理研究不足，从而导致水循环过程中水土保持措施效应模拟不精确。此外，采用经验公式并不能反映水土保持措施对局部微地形的改变作用，以及其同其他驱动因子(如降雨、人工取水)之间不同时间尺度的耦合作用。因此，为了准确模拟气候变化、水土保持措施、用水调控、下垫面变化对流域水循环的影响，需要综合考虑多种因子耦合影响下的水循环过程，这也是本书的研究重点和突破点。通过本书研究，预期能够提出一种多因子耦合驱动的分布式水文模型，用于反映水土保持措施建设对黄河水循环过程的影响，从而提高流域水循环径流过程模拟预测精度，预测未来流域径流过程。 1.2.3未来气候预估研究进展 全球气候模式(global climate model，GCM)是进行气候变化预估的重要工具，但由