气候变化对南水北调中线受水区径流量影响研究
梁钟元
梁钟元（1979-），男（朝鲜族），吉林人，工程师，主要从事分布式流域水文模型方面的研究。
南水北调工程设计管理中心，北京 100038
王海潮
北京市水利科学研究所，北京 100048
雷晓辉
中国水利水电科学研究院，北京 100048
为了分析气候变化对未来南水北调水源区需调水量的影响，论文从需求侧出发，以南水北调中线受水区为研究对象，采用WCRP的CMIP3数据，运用WEP-L分布式水文模型计算气候变化情景对南水北调中线受水区径流量的影响。论文成果对于南水北调中线工程通水后水源区需调水量研究提供了重要借鉴，对于研究气候变化对径流量的影响提供了一种可靠的方法，对于分析气候变化对水循环的影响奠定了重要的基础。
在地球历史中，全球气候经历了冷暖交替的自然过程，近百年来全球气候正在经历一场以变暖为主要特征的显著变化。IPCC第四次评估报告指出：自1750年以来，大气中温室气体的浓度明显增加，全球气候主要在人类活动的影响下总体上呈增暖趋势。最近100年（1906—2005年）全球平均地表温度上升了0.74（0.56～0.92）℃，比第三次评估报告得出的结果0.6（0.4～0.8）℃（1901—2000年）高出0.14℃。分析表明，近50年的气候变化主要是由人类活动造成的。IPCC第四次评估报告将这种结论的可信度由第三次评估报告中的66%提高到当前的90%[1]。
南水北调中线工程从汉江丹江口水库陶岔渠首闸引水，经长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿黄淮海平原西部边缘开挖渠道，在郑州以西孤柏咀处通过隧洞穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津[2]。南水北调中线工程受水区（以下简称受水区）指规划由中线工程补水，进行水资源供需分析的计算范围。根据自然条件、行政区划并考虑与南水北调东线和安徽省引江济淮线规划的补水范围衔接。规划的中线工程受水区为唐白河平原及黄淮海平原的西中部，构成南北向逾1000km、东西向局部超过300km的条带状范围，包括北京市和天津市的全部，以及河北省、河南省的部分地区，总面积15.1万km2。由于受水区横跨海河流域、黄河流域、淮河流域，使得受水区径流量的形成极易受到气候变化的影响，从而侧面影响水源区调水量的需求情况。为了定量计算未来情景下水源区需调水量，论文从需求侧出发，选取受水区为研究对象，在分析受水区气候变化事实的基础上，计算气候变化情景下受水区径流量的变化，以期为南水北调中线工程通水后水源区需调水量研究提供了重要借鉴。
1 受水区气候变化事实
对受水区范围内东、南、西、北4个方向选择赤峰站、大同站、东营站、老河口站1961—2005年系列年平均气温进行分析，各站年平均气温均有增高的趋势，结果如图1～图4所示。受水区年平均气温变化情况如图5所示。
图1 赤峰站年平均气温变化情况
图2 大同站年平均气温变化情况
图3 东营站年平均气温变化情况
图4 老河口站年平均气温变化情况
图5 中线受水区年平均气温变化情况
总体看来，近50年受水区气温呈现增高的趋势，增高幅度1℃左右。
2 受水区未来气候变化情景
气候变化预估是科学家、公众和政策制定者共同关心的问题，目前气候模式是进行气候变化预估的最主要工具。在气候变化研究中，各个模式对不同地区的模拟效果不尽相同。许多科学家的研究证明，多个模式的平均效果优于单个模式的效果。因此，本文选用“WCRP的耦合模式比较计划-阶段3的多模式数据”，简称为CMIP3数据[3]。
通过分析，得到受水区2001—2030年系列及2031—2050年系列年平均气温及年降水量较1901—2000年系列年的变化情况，见表1。
表1 受水区气温、降水变化情况
GCM模拟的水文要素有两个主要的局限性[4]：一是水文参数化很简单，常常不能提供详细的对水资源管理必需的信息；二是空间分辨率太粗，不能提供水文学方面关心的典型尺度上的水文信息。这种变化基本上反映大气温室气体浓度达到某一水平后，气候可能发生的升温和降水的变化而引起水循环的改变，基本上没有考虑人类作用于下垫面引起水循环的变化[5]。
另外，GCM模拟的水文要素时间尺度、空间尺度与分布式水文模型不一致，也是导致气候模式的结果不能直接用于分布式水文模型的原因之一。因此，本文在CMIP3数据输出结果的基础上，给出如下气候变化情景，见表2。
表2 气候变化情景
3 气候变化对受水区径流量影响研究
3.1 受水区分布式水文模型构建
3.1.1 受水区水文模拟特点
受水区分布式水文模拟具有以下特点：①南水北调中线受水区分布式水文模拟为跨流域、跨区域，流域与区域相结合的水文模拟，是典型的区域分布式水文模拟；②中线受水区的范围大部分都是平原区，而平原区的主要产流主要来自上游的山区。因此要精确模拟受水区的水循环过程，就要保证上游山区的产流模拟精确，或者研究区域的入口点水文资料足够精确。
由以上分析，受水区的水文模拟的范围不能只严格地按照受水区县边界划定，但又不能无限范围地扩大。在综合考虑中线受水区的边界、其上游产流区和相关水文站的位置等因素的前提下，最终确定研究区域的上边界为海河流域的流域边界，下边界为长江流域界。左边界分为三部分：海河流域界、黄河流域的一部分（通过入口点确定）、淮河流域界。右边界分为三部分：海河流域为地市界、黄河流域通过出口点确定、淮河流域为扩大的地市界。由于单独对汉江流域进行了分布式水文模拟，因此本文研究区域不包括长江流域部分。
3.1.2 受水区分布式水文模型构建
（1）模型构建。鉴于受水区范围的广阔性，本文采用WEP-L模型进行分布式水文模型构建[6]。模型的输入数据包括水文气象、地表高程信息、河网、土地利用/覆被、土壤信息、水文地质、水保工程以及社会经济供用水信息（受水区气象站分布如图6所示）。模型建立包括模拟水系提取、子流域划分、参数分区划分、气象信息空间展布四部分，将受水区共划分为3089个子流域，12617个子流域套等高带的计算单元，根据38个水文站，25个出口点，共划分出63个参数分区。参数分区描述了每个水文站、出口点所独立控制的子流域的全集。划分参数分区好处有：①可以根据水文站的径流过程分片进行参数调整；②可以只对参数分区内的子流域进行计算，从而大大提高模拟参数敏感性分析、率定的效率；③当上游有控制站的时候，在进行下游参数分区计算时候，会自动读入上游参数分区的计算结果。
图6 受水区气象站分布
（2）参数敏感性分析。WEP-L模型的参数可分为三类：第一类是地表面及河道系统参数；第二类是植被参数；第三类是土壤与含水层参数，所有参数均有物理意义。理论上讲，可根据观测实验数据和遥感数据进行推算而无需率定。但由于这些参数在每个计算单元内具有空间变异性，模拟计算时往往使用其单元内平均参数或称有效参数，因此，通常仍根据流量过程线对一些关键参数进行适当调整。WEP-L模型参数敏感性分析的10个关键参数见表3。
表3 参数敏感性分析参数抽样范围
以下几个有代表性的水文站参数敏感性分析结果见表4。
表4 敏感性分析结果
（3）模型率定与验证。根据实测资料情况，模型验证选取了1961—1970年系列年进行模型率定，选取1971—1988年系列年进行模型验证，结果见表5。
表5 模型率定和验证结果
从以上结果看出，6个站的Nash效率系数都在0.5以上，而且大部分都在0.8以上，相关系数都在0.9以上，而径流量误差最大在30%，说明模型模拟效果好，精度较高。
3.2 气候变化对受水区径流量影响研究
根据气候情景中的气温变化值及降雨变化值模拟出年1956—2005年50年系列年各个参数分区的年径流量变化比例。各参数分区平均径流变化比例见表6。
表6 气候变化情景下参数分区径流变化比例
总体看来，气温变化后，径流的增加减少与气温的升高降低呈现相反的趋势，径流变化率基本与温度变化率相同；降水变化后，径流的变化与降水的变化呈现一致的趋势，变化比例较降水变化比例偏大，径流变化率基本与降水变化率相同。
4 结论
变化环境下的水循环研究关注地球生物圈、全球变化以及人类活动对水循环的影响，是国际水文学与水资源学科及地理、生态等众多学科交叉的前沿性问题。论文分析了受水区长系列气温变化趋势，科学地给出了受水区8个气候变化情景，计算了气候变化对受水区径流量的影响，本文成果对于气候变化对水循环的影响分析具有重要的理论价值，对于研究未来情景下受水区需调水量具有重要的现实意义。
参考文献
[1]秦大河，陈振林，罗勇，等.气候变化科学的最新认知[J].气候变化研究进展，2007，3（2）：63-73.
[2]长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.南水北调中线一期工程项目建议书[R].2004.
[3]国家气候中心.中国地区气候变化预估数据集Version 1.0使用说明[Z].2008.