基于不同排放情景的浑河流域水资源演化研究

铁岭 112000)［摘要】人类活动与气候变化是影响流域水资源演化、水文循环规律的两大关键性因素。以浑河流域为例，

通过分析CMIP5公布的气候模式相关性和相似性，选取5种典型模式并分别计算不同排放情景下的降水和气温，建

立产汇流特性水文模型分析模拟浑河流域水资源及其演化规律。结果显示：在未来30年浑河流域水资源量呈现出

逐渐增大的趋势，并增加了汛期水量的提升概率；枯季水资源量在高排放情景下呈现出降低的变化趋势，浑河流域 水资源时程分配在未来更加不均衡，温室气体的排放将进一步加剧这种不均匀态势。［关键词］不同排放情景；水资源演化:CMPI5；浑河流域［中图分类号］TV211. 1* 1 ［文献标识码］A 全球气候变化评估报告表明，湿润区和干旱区的季节性

［文章编号］1004 -1184(2019)03 -0121 -04河流域水资源在不同排放情景下的演变趋势，本文选取了 5

降水对比在全球气候暖化的条件下更加显著，高纬度区域和 赤道太平洋地区的降水量将会增大，虽然局部地区会存在例 外；副热带和中纬度区域降水量继续减少，而在季风气候区

种典型模式并计算了不同温室气体排放模式的降水和气温，

通过构建产汇流特性水文模型解释了流域水资源演化规律，

以期为区域水资源调度与合理开发利用提供一定参考和决 策。的降水量持续及增强作用明显⑴。未来干旱区域的高温热

浪天气和干旱程度将会持续急剧，而在湿润区的极端天气和

降水将会不断变加。浑河流域东面属于富水区，西面处于少

水区，径流洪水受降雨量影响显著，降雨集中且短期暴雨是

1数据与方法1. 1 数据处理浑河流域共有长时间序列监测水文站26处，雨量观测站

造成该流域洪水的主要原因，汛期主要集中在7月和8月。

研究区域属于大陆性季风气候，冬季寒冷漫长，夏季多雨炎

100多处，时间序列长为1990 -2015年，分别作为降水量、气

温以及径流等数据资料的来源。流域栅格计算精度为l°x

热，季节性温差较大，降水时空分布不均匀主要表现为：东部

降水较多，西部较少，其降雨规律为自东至西逐级递减。该

1°,以月为单位作为数据处理时段，对全流域降水深利用降

水量距离反比插值法确定，并生成相应的栅格文件。按照差

流域东至清原，流经抚顺、沈阳、营口等市县，为典型的不对

称水系，主要有大伙房、沈阳、黄腊坨以及邢家窝棚等水文监

值法将径流与气温数据分配于相应的子流域。测站。近年来，浑河流域农业人口增长过快、区域经济快速 发展，从而导致农业灌溉以及各行业对需水量的急剧增加，

水资源供需矛盾突出并造成低枯水位明显下降，流域面积持 续萎缩，在枯水期河道断流等现象时有发生，水生态系统和

12排放情景模式的选择在CMIP5中共有60多个气候预报产品和29种模式组， 本文利用PCMDI发布的主要包括未来气候预测和历史气候

模拟的月均气温和降水量的产品模式，并结合浑河流域气温 和降水量模拟的相似性与独立性特征，选取了 5个典型气候

水环境问题日趋突出，已成为制约该区域经济发展与居民生

活质量提升的主要因素之一⑵。国际社会普遍关注的重大战略问题为气候变化对水资源

模式。为便于模拟分析，利用距离反比差值法将气温和降水 量的5个气候模式插值到1° X 1。的栅格范围。根据不同的情景模式，选取了 4种具有代表性的排放情

安全的影响作用，为实现流域内人水和谐相处和水资源可持

续利用，相关学者和组织机构已对流域水资源与气候变化之

景RCP8.5、RCP6.0、RCP4.5、RCP2.6,分别对应于地球表面

在2100年达到的辐射强迫为8.5、6.0、4.5、2.6 W/m',未来

间的作用关系开展了大量研究，如白桂华等⑶以大凌河流域 为例，利用相关理论和模型法对人类活动和气候变化对水资 源的影响进行了相关研究；张连鹏等⑷结合TOPMODLE模

典型浓度目标RCPs在各排放情景中的特征如表1所示。本文中温室气体排放高、中、低三种典型情景分别与

型并利用BUDYK0假设对人类活动和气候变化引起的径流

RCP8.5、RCP4.5、RCP2.6未来情景模型相对应，并利用产汇

流特性水模型预估分析了浑河流域水资源演化规律。改变开展研究；李志等⑸以黑河流域为例利用双累积曲线和

Mann - Kendall法对人类活动和气候变化引起的径流影响研 究，研究认为引起径流减少的决定性因素为人类活动；莫淑 红等⑻基于流域径流突变和序列变化趋势探讨了径流形式

与人类活动和气候变化之间的作用关系。为了定量分析浑

13研究方法浑河流域属于大陆性季风气候区，因此可将其水资源量

概化为细河、万泉河、蒲河、章党河的水量汇入和流域产水的

形成两大部分。为便于计算对降雨径流的概化为流域下垫

［收稿日期］2018-12 -08［作者简介］沈军(1990 -),男，青海海东人，助理工程师，主要从事水土保持、水资源、水库调度、水文预报等工作。121第41卷第3期面处于蓄满状态，以水量平衡为依据通过求解流域面降水量

减去蒸发量确定流域水资源量。地下水2019年5月式的不同也可使得降水、气温等模拟数据存在较大差异。很

多气候实验室在物力过程的数值化模拟中分享了相应的计

基于不同的气候模式和排放情景对浑河流域未来的气 算模块，并给出了部分计算假设和其他的分解模式，所以.有

必要评估气候模式的有效性与独立性，从而筛选出能够反映 流域整体状况的典型模式。模式的筛选方法和流程如下：温、降水量进行模拟预测，通过计算降雨径流得到耦合流域

水文模型，在输入水文模型前应将未来气温、降水等数据进

行气候模式订正和降尺度处理，从而生成适用于降雨径流模 拟的尺度和分辨率。通过对比检验不同气候模式与排放情景下的水资源量 实际状况和未来预估结果，从而实现对未来气候变化条件下 水资源的演化趋势分析。1) 对每个气候模式m和网格内每个格点n的模拟误差 进行求解，并得到其标准化处理形式为：e”.” = -o”)/o■” (1)(2)将e”.”转变为向量的形式可表示为：= (el.m,e2.m,-\eN.M)

表1 RCPs排放情景特征式中：e、f分别为标准化误差和模式模拟值；0、°分别为

未来情景排放特征高温室气体排放、无减排2100年辐射与CO2浓度辐射 8. 5 W/m2 , CO2浓度 1 370 ml/m3观测值及其标准误差；M、N分别为模型个数和网格数。2) 分别利用下式对标准化误差均值：进行求解，并得到

相应的误差向量d”：RCP8.5RCP6.0措施高温室气体排放、中减排辐射 6. 0 W/m2 , CO2浓度 850 ml/m3辐射 4. 5 W/m2 , CO2浓措施低温室气体排放、中低减排措施d” = e； - re

关系数；(•)*为标准化向量(4)RCP4.5RCP2.6式中：d”、r分别为误差向量和模式m与平均误差；的相

度 650 ml/m3低温室气体排放、高减排辐射 2. 6 W/m2 , CO2浓度 490 ml/m3措施3)根据下式对向量误差系数进行求解：r“ = corr(d”dj) (5)2气候模式的选择与降尺度订正2.1气候模式的选择CMIP5中具有大量的预测数据和气候模式，虽然基丁

利用上述方法和求解流程分别对各个季节的相关系数矩

阵进行计算，并层次聚类分析各个气候模式，最终得到浑河

流域水资源气候模式及模拟效果，结果见表2。2100年终端辐射强迫结果和相同的排放情景，但是因组合模

表2气候模式及模拟效果降水变化/%气候模式年气温变化/弋春季夏季秋季冬季年春季夏季秋季冬季MorESMI - M2.0-4.622.5-0.3-15.5-28.6-41.7-16.8-22.6-1.60.30.6-1.60.2-1. 1-2.5-3.00.30.2-2. 1FI0 - ESMCMCC-CMS4. 17.89.68.7- 15.06.542.3-42.52. 1-1.2-1.0-1.60.3-7.85.72.0-0.2-0.70. 11.00.81.7CCSM4CanESM212.0g.711.2-0.40. 1-9.2-20.4-2.02.2 降尺度订正衡量气候变化及其影响因素的主要方法为全球尺度的气

正未来产品序列。本文依据文献资料和已有研究成果，分别

对气候模式预报产品利用EDCDF法进行偏差修正，利用Be-

候模式，该模式可对地球系统特征根据数学方程组和物理定 律进行描述，通过巨型计算机运算和数值计算方法得到不同

时间尺度的洋流、环流、气温和降水等气候指标。虽然该模

ta分布法计算气温拟合，并将降水累计分布函数选取为跳跃

函数，具体的计算流程和公式参考相关资料，本文不做过多

的赘述。式具有较好的整体计算结果，但是在较小尺度区域时往往不 能取得理想的效果，尤其是在嵌套水文模型和气候模式降水

3浑河流域水资源演化分析31水资源计算方法浑河流域属于大陆性季风气候区，区域降水较为充足，

时，通常无法满足水文要素的具体要求。因此，即使在给出

气温、降水等气象要素的气候模式中，水文模型与时间、空间

尺度的匹配性问题仍不可忽视。所以，在气候变化影响评估

为便于计算对降雨径流可概化为流域下垫面处于蓄满状态， 然后通过水量平衡确定地表水资源量，即利用流域面降水量

减去蒸发量确定。根据径流资料和实测降水反推以及理论公式计算为确定

时，必须解决气象、陆地耦合的尺度问题，即对水文模型与气 候模式的接口匹配问题进行科学的处理。通过降尺度处理

气候变化情景预测结果，可将其转化为耦合模型所要求的空

间与时间尺度。对比分析实测数据与历史模拟数据为气候

流域蒸散发的主要方法，通常采用Blaney - Criddle法进行流 域蒸散发理论计算方法，表达式为：模式修正的主要思路，然后通过观察拟合差异规律和特点校

122第41卷第3期地下水2019年5月ET = kc xpx (0.46 - tmeln +0.80)

系数；P、t”。*”分别为白天时长百分比和月平均温度。(6)月均降水量P减去相应的蒸散发量得到水资源量，计算方法

式中：k。为与流域植被类型位置、季节相关的作物耗水

可通过实测水文资料并依据水量平衡原理对流域实际蒸 散发进行确定，主要流程为：首先利用距离反比差值法确定

为：WR = P-kcxpx(0.46 • —0.80)。3.2水资源量对比基准期选取为1990 - 2015年，预测期为2016 - 2045

年，然后对浑河流域未来各年水资源量利用上述方法进行求

雨量站实测月降水量数据的栅格节点，从而确定月均降水 解。为了更加准确、客观的分析水资源未来演进趋势，将预

测期又划分为 2016 - 2030 年(15aA )、2031 - 2045 年

量；然后通过还原计算流域岀口控制性水文断面月径流实测

水量，从而得到集水控制区月径流深度，并利用水量平衡原

理和公式ET = P - R得到月蒸散发，其中P、R分别为降水量

(15aB)o通过对比分析基准期与两个时段的水资源量，从而

得到不同排放情境下浑河流域水资源演化趋势。在不同气

与径流深；根据上述结果计算作物耗水系数，计算公式为： 候模式和温室气体排放情景下，未来水资源量相对于基准期 的变化偏差，如表3所示。kc = (P-R)/[px(0.46 • tmea„ +0.80)]；根据浑河流域各 子流域的划分结果分别得到未来月水资源量WR,即将未来

表3水资源未来变化偏差%RCP8. 5非汛期

未来情景RCP2.6全年RCP4.5非汛期统计时段汛期全年汛期全年汛期非汛期MlM263712-10185811312120652912-1566-65-415aAM3-819165- 10-10-5M4M5平均差

-76-794.8-2-74.015-1074.564.58125.0582. 117-7-4.5124.50.515Ml101621271111M215aB1091081222616-20M3M4M515-6223.5812-8—8881612.05119.0212139.2-515-315129.8109.016平均偏差7.011.8-1.5由表3可知，在不同气候模式下虽然气体排放存在较大 由表4可知，在高、中、低3种不同排放情景下水资源量 出现正向波动年份较大于基准期。在15aA时段的RCP2.6 情境下，水资源量正向波动大于基准期均值的全年、汛期和

的差异，但是在未来两个时段的水资源量整体呈现出增大的 趋势。相对于基准期未来水资源量增大的情景模式占

82.0%以上，特别是在15aB时段大部分情景模式的水资源 量均呈现出较为显著的增加趋势。并且，非汛期水资源量增

加模式占比随着温室气体排放量的增大而呈现出降低的变

非汛期模式分别为4、3、3个，由此表明低排放情境下的汛期 和全年，浑河流域水资源均在较大的正向波动概率，正向波

动在非汛期的概率较小；根据15aB可以看出，在各个统计时

段浑河流域水资源量均呈现出较大的正向波动概率。

化规律，在15aA和15aB两个时段的RCP8. 5情景模式的水

资源量减小模式的占比较大。RCP4.5情景与低排放情景具有相似的变化趋势，而在高排放 情景的RCP8.5下，水资源量在汛期和全年具有较大的正向

波动概率，而非汛期表现出相反的特征。针对水资源量在不同情景模式下的未来平均变化趋势可

知，在RCP2.6、RCP8.5情景下相对于基准期15aA时段的水

资源量增加为4. 5%和0.5% ,而在15aB时段的水资源增加

分别为9.8%和7.0%。非汛期大部分模式水资源量在高排

相对于正向波动年数，浑河流域水资源量出现负向波动

的年份相对较少，在低排放情景的RCP2.6下，水资源负向波

放情景RCP8.5下呈现出降低趋势，其中航15aA和15aB降 动在15aA时段时的全年和汛期模式占比分别为30.0%和

低幅度为4.5%与1.5%，由此表明水资源年内时程分配的

不均衡性在高排放情境下更加的突出。20.0% ,而在15aB时段全年出现福波动的模式为0。总而言之，在未来年份浑河流域水资源量岀现正向波动

3.3水资源量波动特征为了对不同气候模式和排放情境下的水资源量波动情况

的年份不断增大，并且在15aB时段更加显著。在RCP8. 5情

境下，非汛期出息正向波动的年份呈现出逐渐降低的趋势。

进行诊断和分析，分别选取正向、负向波动阀值为偏离基准 期的+20%和-20%为依据，对3种不同气候模式下各年份

的水资源波动情况进行统计分析，结果如表4所示。水资源负向波动结果显示，在数量整体变化较小的条件下3

种情景模式中只有RCP8.5、RCP2.6的负向波动年份低于基

准期。由此可进一步说明，浑河流域水资源在未来可呈现出123第41卷第3期增大趋势，而在短期内仍表现出水资源短缺的问题。地下水2019年5月表4水资源量正向、负向波动年份数量未来情景统计15aA15aB时段全年基准期Ml5310M2M3664M4212M5MlM2M37767M4M516415255106RCP2.6(正向)汛期非汛期

26255761246750949125687全年43743128868RCP4.5

(正向)汛期36464779654106258612非汛期

7352123521061012全年2668617RCP8.5(正向)汛期非汛期271011355563312全年011251002600500007000100RCP2.6(负向)汛期非汛期15121112304411040083全年00608750271021160062RCP4.5(负向)汛期22215非汛期10全年0002042200154005RCP8. 5(负向)汛期非汛期010611081856351543.4水资源量趋势检验利用M-K检验法对浑河流域水资源量进行检验，结果

显示，浑河流域在RCP2.6和RCP4. 8情景下的汛期、非汛期

数量整体变化较小的条件下3种情景模式中只有RCP8.5、

RCP2.6的负向波动年份低于基准期，浑河流域水资源在未

来可呈现出增大趋势，而在短期内仍表现岀水资源短缺的问 题。和全年水资源量整体呈现出增大的趋势，而在不同排放情景

和统计时段的增加幅度存在一定差异。相对于RCP8.5情

(3)浑河流域水资源总量在未来可呈现岀增大趋势，但

是随着温室气体排放的增大，水资源时程分配的不均衡性更 加突出。在RCP8.5情景，该流域水资源量的增大趋势更加

景，该流域水资源量的增大趋势更加显著，而在非汛期和汛

期呈现出相反的变化趋势.其中汛期为正向、非汛期为负向 变化，由此表明未来该流域可能出现极端的干旱和洪水事

显著，而在非汛期和汛期呈现出相反的变化趋势，其中汛期

为正向、非汛期为负向变化，由此表明未来该流域可能出现 极端的干旱和洪水事件。件。浑河流域水资源总量在未来可呈现出增大趋势，但是随

着温室气体排放的增大，水资源时程分配的不均衡性更加突

出。4结语本文通过选取3种不同排放情景和5种气候模式，建立

参考文献[1] 李正最，周慧，张莉，等.基于不同排放情景的洞庭湖流域水资源

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态毒理学报.2015. 10 ( 2) ： 394 -402.了降雨径流耦合模型并对浑河流域水资源演化规律进行了 研究分析，并得出主要结论：(1) 在不同气候模式下虽然气体排放存在较大的差异， 但是在未来两个时段的水资源量整体呈现出增大的趋势。

相对于基准期未来水资源量增大的情景模式占82.0%以上， 特别是在15aB时段大部分情景模式的水资源量均呈现出较 为显著的增加趋势。[3] 张连鹏.刘登峰.张鸿雪，等.气候变化和人类活动对北洛河径流

的影响[J].力发电学报.2016 ( 7) ： 55 -66.[4] 李志，刘文兆，郑粉莉，等.黄土嫄区气候变化和人类活动对径流

的影响[J].生态学报.2010.30 ( 9) : 2379 -2386.[5 ]莫淑红，王学凤，勾奎，等.气候变化和人类活动对濟河流域径流

情势的影响分析[J].力发电学报2016 (9) ： 7 -17.(2) 在未来年份浑河流域水资源量出现正向波动的年 份不断增大，并且在15aB时段更加显著。在RCP8. 5情境

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研究[J].水利规划与设计-2016. (4) : 66 -71.下，非汛期出息正向波动的年份呈现出逐渐降低的趋势，在

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