长江流域径流历史演变特征及未来预估_翟然.pdf
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1、水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.6翟然,刘志武,戴会超,等.长江流域径流历史演变特征及未来预估J.水利水电技术(中英文),2023,54(6):87-97.ZHAI Ran,LIU Zhiwu,DAI Huichao,et al.Characteristic and prediction of runoff change in the Yangtze River BasinJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2
2、023,54(6):87-97.长江流域径流历史演变特征及未来预估翟 然1,刘志武1,戴会超2,梁犁丽1,蒋定国1,徐 志1,殷兆凯1,杨 恒1,吕振豫1(1.中国长江三峡集团有限公司 科学技术研究院,北京 100038;2.中国长江三峡集团有限公司,湖北 武汉 430010)收稿日期:2022-09-26;修回日期:2022-11-07;录用日期:2022-11-11;网络出版日期:2022-11-21基金项目:国家自然科学基金项目(U2040212,42201050);中国长江三峡集团有限公司科研项目(202103584,202003251)作者简介:翟 然(1992),女,工程师,博士,
3、主要从事气候变化对水文水资源的影响评价研究。E-mail:zhai_ran 通信作者:刘志武(1977),男,正高级工程师,博士,主要从事水文预报与水库调度研究。E-mail:liu_zhiwu Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】气候变化和人类活动导致径流在年际、年内均发生变化,为分析历史时期长江流域径流变化规律,并对于未来时期长江流域径流进行预估,【方法】利
4、用统计方法,分析 19502019 年以来长江干流屏山、朱沱、寸滩、宜昌、汉口、大通等 6 个典型水文站年径流、季节径流、极端径流的变化;采用分布式水文模型 VIC(Variable Infiltration Capacity)对于巴黎协定增温目标下未来长江流域格网尺度的径流进行模拟,并分析年径流、季节径流、极端径流的变化。【结果】结果显示:(1)19502019 年期间,长江干流 6 个典型水文站的年均流量均呈下降趋势。各水文站的流量整体呈丰水期(夏季、秋季)下降与枯水期(春季、冬季)上升的趋势。枯水极值总体呈现上升趋势,丰水极值在 1980 s 或 1990 s 达到峰值后下降。(2)在增
5、温 1.5 情景下,长江流域平均年径流量、各季节径流量、丰水极值相对于基准时期总体呈现上升趋势,部分地区枯水极值相对于基准时期呈现下降趋势;在增温 2.0 情景下,长江流域平均年径流量、春季径流量、夏季径流量、丰水极值相对于基准时期总体呈现上升趋势,而秋季径流量、冬季径流量、枯水极值相对于基准时期总体呈现下降趋势。【结论】结果表明:相对于增温 1.5 情景,在增温 2.0 情景下,长江流域平均年径流量、各季节径流量、枯水极值均减少,丰水极值在长江上游地区下降明显,流域内有更多的地区将同时遭受干旱和洪水灾害的影响,长江流域将面临更为严峻的水资源问题。关键词:径流变化;气候变化;长江流域;巴黎协定
6、;分布式水文模型DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.06.008开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:P339文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)06-0087-11Characteristic and prediction of runoff change in the Yangtze River BasinZHAI Ran1,LIU Zhiwu1,DAI Huichao2,LIANG Lili1,JIANG Dingguo1,XU Zhi1,YIN Zhaokai1,YANG Heng1,LYU Zhenyu1(1.Science and
7、Technology Research Institute,China Three Gorges Corporation,Beijing 100038,China;2.China Three Gorges Corporation,Wuhan 430010,Hubei,China)Abstract:Objective Climate change and human activities have led to changes in the inter-annual and intra-annual runoff.In or-der to analyze the characteristic o
8、f runoff change in the Yangtze River basin in the past,and to estimate changes in runoff in the 78翟 然,等/长江流域径流历史演变特征及未来预估水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期Yangtze River basin in the future,Methods changes in annual runoff,seasonal runoff and extreme runoff of six typical hydrologi-cal stations on the mai
9、n streams of the Yangtze River,including Pingshan,Zhutuo,Cuntan,Yichang,Hankou and Datong,from 1950 to 2019 are analyzed through statistical methods.The distributed hydrological model VIC(Variable Infiltration Capacity)is used to simulate the grid-scale runoff in the Yangtze River basin in the futur
10、e under the warming target stipulated by the Paris Agreement,and changes in annual runoff,seasonal runoff,and extreme runoff are analyzed based on the simulation results.Results The results show that:(1)From 1950 to 2019,the annual discharge of the six typical hydrological stations on the main strea
11、ms of the Yangtze River decreased.Generally,discharge of each hydrological station decreased in the wet seasons(summer and autumn)and increased in the dry seasons(spring and winter).Extreme low runoff of each hydrological station increased,and extreme high runoff decreased since 1980 s or 1990 s aft
12、er reaching its peak;(2)Under the 1.5 warming scenario,annual run-off,seasonal runoff,extreme high runoff are projected to increase generally,and extreme low runoff are projected to decrease in parts of the Yangtze River basin,relative to the baseline period.Under the 2.0 warming scenario,annual run
13、off,spring runoff,summer runoff and extreme high runoff are projected to increase generally,and autumn runoff,winter runoff and extreme low runoff are projected to decrease generally in the Yangtze River basin,relative to the baseline period.Conclusion In general,compared with the 1.5 warming scenar
14、io,under the 2.0 warming scenario,annual runoff,seasonal runoff,and extreme low runoff are projected to decrease in the Yangtze River basin,extreme high runoff is projected to decrease significantly in the upper reaches of the Yangtze River Basin,more droughts and floods are projected to happen conc
15、urrently.These mean that when global warming target increases from 1.5 to 2.0,the Yangtze River basin will face more severe water resources problems.Keywords:runoff change;climate change;Yangtze River basin;Paris Agreement;distributed hydrological model 0 0 引引 言言 近百年来,受自然因素和人类活动的共同影响,世界正经历着以全球变暖为主要表
16、现的气候变化,给自然生态系统和人类社会的可持续发展带来了严峻挑战,气候变化引起的效应对地区及国家的可持续发展具有举足轻重的作用1。我国是全球气候变化的敏感区和影响显著区。在气温方面,19512020 年,我国地表年平均气温每 10 a 升高 0.26,升温速率明显高于全球平均水平。近年来,极端高温事件明显增多。在降水方面,19612020 年,我国平均年降水量呈增加趋势,极端强降水事件增多,降水变化具有明显的空间差异性2。水循环是全球变化影响的核心问题之一,受气候变化影响显著。近些年来,我国“南多北少”的水资源分布格局进一步加剧。洪涝、干旱等灾害事件及其对社会带来的不利影响已经引起广泛关注。河
17、川径流变化特征是流域管理者和水文学者关注和研究的核心问题3。长江发源于亚洲水塔区,水资源丰富,是中华民族的母亲河。近年来,长江流域径流在人类活动和气候变化的影响下发生着变化4。诸多学者对于长江流域典型水文站点的径流变化特征进行了研究,总体而言,长江流域的河川径流在过去几十年内发生了不同程度的变化,总体呈现减少的趋势5-7,对水资源开发和利用带来了新的挑战。全球变暖会加剧全球水循环8,气候变化对未来水文水资源的影响已成为全世界的研究热点,其中径流对气候变化的响应被广泛关注9-10。随着现代技术的发展,全球气候模式(Global Circulation Models;GCMs)因可对大尺度气候因素
18、进行模拟,被广泛用于作为气象驱动数据对于未来径流变化趋势进行模拟评估。定量评估未来气候变化对径流变化的影响有多种方法,包括基于经验的方法和基于物理的方法。基于经验的方法通过构建径流与流域特征之间的关系来估算径流,所需数据较少,相对简单,但缺乏考虑实际物理水文过程11。基于物理的方法通过对水循环过程中各物理过程(例如截流、蒸散发)的概念性理解来估算径流,但需使用包括气象、植被、土地利用/覆盖类型、土壤在内的大量时空数据驱动模型。比如SWAT(Soil and Water Assessment Tool)、VIC(Variable Infiltration Capacity)等考虑降雨和下垫面空间
19、分布不均匀性的分布式水文模型。其中,VIC 适宜在大尺度范围内开展模拟,已被成功应用于多个国家或流域12-15。郑巍斐等15基于第五次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project,Phase 5;CMIP5)提供的 GCMs 数据驱动 VIC 模型,对长江上游流域的径流过程变化趋势进行了预测,结果表明,20062099 年间,长江上游流域中部偏西以及东部的径流量呈明显上升趋势,中部区域径流量的变化趋势不明显,源头的径流量呈明显下降趋势。受限于基础数据的获取及计算资源,目前利用分布式水文模型研究长江流域径流对气候变化的响应时,研究区集中88翟 然,
20、等/长江流域径流历史演变特征及未来预估水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期 图 1 研究区地理位置示意Fig.1 Geographical map of the study area在寸滩站以上或局部地区16。巴黎协定于2015 年通过,该协定为2020 年后全球应当如何应对气候变化进行了规划。巴黎协定的主要目标是将本世纪全球平均气温上升幅度控制在相对于工业化之前时期 2.0 以内,并争取将全球平均气温升幅限定在 1.5,为实现这一目标,社会各部门需采取快速、深远和空前的变革17。尽管国内外研究人员在气候变化影响评估方面取得了重大进展,但定量评估巴黎协定的增温目标下气候变
21、化对长江流域径流变化影响的研究仍较欠缺。本文首先收集长江干流自上游向下游 6 个典型水文站点(屏山、朱沱、寸滩、宜昌、汉口、大通)19502019 年的流量数据,对于流量的年际变化、年内分布变化及极端流量变化等指标进行分析。而后通过构建 VIC模型,对于增温 1.5 及 2.0 情景下长江流域年均径流、季节径流、极端径流等指标相对于基准时期的变化进行分析。研究成果可为长江流域水资源规划和管理提供有利支撑,对于推进长江流域绿色可持续发展具有重要意义。1 1 研研究究区区及及数数据据来来源源1.1 研究区概况 本项目研究区为长江流域。长江(2430 N3545N,9033 E12225E)发源于青
22、藏高原,干流流经我国 11 个省、自治区、直辖市,全长约6 300 km,面积约180 万 km2;干流宜昌以上为上游,宜昌到湖口为中游,湖口至长江入海口为下游。长江流域地势西高东低,上游干流河段流经地势高峻、山峦起伏的高山峡谷区,海拔高、气温低,为高原山地气候;中下游地区位于秦岭-淮河以南,属于亚热带季风气候,气候温和,降雨丰沛。在对于长江流域径流历史演变特性进行分析时,选取长江干流屏山、朱沱、寸滩、宜昌、汉口、大通 6 个主要水文控制站(见图 1)的流量数据来反映长江流域径流的变化。其中,屏山、朱沱、寸滩、宜昌站位于长江上游,汉口站位于中游,大通站位于下游。1.2 数据来源 实测流量数据来
23、源于流域水资源管理部门,本研究所使用的各水文站点数据年限为:屏山(19502019 年)、朱沱(19542019 年)、寸滩(19502019年)、宜昌(19502019 年)、汉口(19522019 年)、大通(19512019 年)。受向家坝水库蓄水影响,20122019 年屏山站流量资料采用向家坝站的流量资料。历史时期气象驱动数据集来自于 WATCH(Wa-ter and Global Change)项目18,该数据集的空间分辨率为 0.50.5,时间分辨率为逐日,时间尺度为19012001 年。未来气象数据采用 HAPPI(Half a de-gree Additional warmi
24、ng,Prognosis and Projected Im-pacts)项目提供的 GCMs 数据集19,该数据集已经过偏差矫正,空间分辨率为 0.50.5,时间分辨率为逐日。该数据集共有 4 个 GCMs,包括 ECHAM6-3-LR、MIROC5、NorESM1-HAPPI、CAM4-2degree,由于设置了不同的初始状态,每个 GCM 中又包含了1020 个集合(见表 1)。该数据集提供了相对于工业化之前时期增温 1.5 和 2.0 情景下的未来(21062115 年)气 象 预 测 数 据,以 及 基 准 时 期(20062015 年)的气象预测数据,用于评价气候变化及其影响。集合数
25、目的增加可以减少模型模拟的不确定性,但会产生巨大的数据量,故采用 KKZ(Kat-savounidis-Kuo-Zhang)方法在每个 GCM 中选择出 5 个具有代表性的集合进行模拟,具体过程参考 ZHAI等20。土地利用类型数据采用马里兰大学研制发展的全球 1 km 植被覆盖数据集21。该数据集共分为 14 种土地利用类型。土壤数据参考 NIJSSEN 等22-23提供的全球 VIC 模型输入数据集。2 2 研研究究方方法法2.1 VIC 水文模型VIC 模型是一个大尺度、分布式水文模型,由华盛顿大学和普林斯顿大学的研究人员共同研制开发24-25,并且在不断的完善和改进。基于格网的 VIC
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