摘要：為研究湖北省未來水資源量變化趨勢，采用全球氣候模式未來降雨數(shù)據(jù)，導入時變增益模型模擬湖北省未來水資源量。結合全國第三次水資源調查評價，應用１９５７～２０１６年湖北省實測降雨、徑流數(shù)據(jù)，對時變增益模型進行率定、驗證。并選用ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ、ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２三種全球氣候模式，選?。遥茫校玻杜cＲＣＰ８．５兩種典型濃度路徑下的降雨數(shù)據(jù)，作為時變增益模型的輸入。結果表明，三種氣候模式下２０５０～２０８９年湖北省水資源量相對于２０２０～２０４９年總體呈上升趨勢，ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下ＲＣＰ８．５濃度路徑下的湖北省水資源量總體上低于ＲＣＰ２．６濃度路徑，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２氣候模式則相反。

 

關鍵詞：氣候模式；時變增益模型；典型濃度路徑；水資源量

 

1概況

 

湖北省位于長江中游，全省主要屬于亞熱帶濕潤季風氣候，多數(shù)地區(qū)的年平均氣溫位于１５～１７℃之間。湖北省多年平均降雨量為１１７９．９ｍｍ，各地降雨量在７５０～２１００ｍｍ之間。全省面積為１８．５９×１０４ｋｍ２，省內河流眾多、湖泊廣布，長江自西向東橫貫全省，過境水量豐富，全省多年平均入境水量為６３９４．６６×１０８ｍ３，水資源總量為１０３５．９×１０８ｍ３。多年平均徑流深為５３５．４ｍｍ，各地在２００～１４００ｍｍ之間。研究氣候變化下水資源的變化趨勢對于未來水資源系統(tǒng)的規(guī)劃管理有重要意義。本文結合全國第三次水資源調查評價，采用國際氣候學界廣泛使用的ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ和ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２三種氣候模式下未來２０２０～２０８９年的降雨數(shù)據(jù)，作為時變增益水文模型（ＴＶＧＭ）的輸入，模擬預測湖北?。保磦€水資源三級分區(qū)未來的水資源量，并分析湖北省未來水資源量的變化趨勢。研究成果對進一步全面認識氣候變化下湖北省水資源變化趨勢、實現(xiàn)水資源可持續(xù)利用具有重要參考價值。

 

2方法與數(shù)據(jù)

 

2.1數(shù)據(jù)來源

 

數(shù)據(jù)來源包括：①湖北省雨量站、水文站１９５７～２０１６年月降雨、月徑流序列，用于時變增益模型的率定與檢驗。②ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ和ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２三種氣候模式ＲＣＰ２．６與ＲＣＰ８．５兩種典型濃度路徑下的未來２０２０～２０８９年降雨數(shù)據(jù)，作為時變增益模型的輸入。三種氣候模式的基本信息見表１。

 

2.2研究方法

 

時變增益模型（ＴＶＧＭ）是一種水文非線性系統(tǒng)模型［１］，其模型參數(shù)較少，結構簡單［２］。模型認為降雨和徑流呈非線性關系，流域產流階段的增益因子與土壤濕度密切相關，土壤濕度的改變引起流域產流量發(fā)生相應改變。模型中的地表產流量過程Ｒｓ（ｔ）為：Ｒｓ（ｔ）＝Ｇｓ（ｔ）Ｘ（ｔ）地表產流因子Ｇｓ（ｔ）為時變增益因子，與土壤濕度有關。若缺乏土壤含水率資料，可用流域土壤前期影響雨量（Ａ（ｔ））作為替代。Ｇｓ（ｔ）與Ａ（ｔ）之間的簡單關系可表示為：

 

3結果與分析

 

根據(jù)湖北省１４個水資源三級區(qū)１９５７～２０１６年月降雨序列和月徑流量序列，選?。保梗担贰保梗?年為率定期，選擇納什效率系數(shù)（ＮＮＳＥ）作為目標，采用ＳＣＥ－ＵＡ優(yōu)化算法［３，４］對ＴＶＧＭ模型參數(shù)進行率定，并用１９９７～２０１６年數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進行檢驗，率定期與檢驗期結果見表２。由表２可知，通過ＴＶＧＭ模型模擬的湖北省各水資源分區(qū)徑流序列在率定期和檢驗期的納什效率系數(shù)均大于０．８，模型對于湖北省水資源三級區(qū)的月徑流模擬效果較好。ＴＶＧＭ模型在季風氣候影響下的半濕潤半干旱地區(qū)和中小流域實際應用效果較好［５－７］，湖北省全省主要屬于亞熱帶濕潤季風氣候，表明ＴＶＧＭ時變增益模型在湖北省具有較好的適用性。將三種全球氣候模式下未來２０２０～２０８９年的網(wǎng)格點降雨數(shù)據(jù)插值到湖北?。保磦€水資源三級區(qū)，代入ＴＶＧＭ模型分別模擬三種氣候模式下的湖北省水資源三級區(qū)未來水資源量。以丹江口以上、丹江口以下干流、唐白河和王家壩以上南岸為例，繪制水資源三級區(qū)２０２０～２０８９年每１０年地表水資源量均值的變化曲線，見圖１。由圖１可知，ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下模擬出的地表水資源量最大，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２氣候模式最小，ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１氣候模式居中，且ＢＮＵ－ＥＳＭ和ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２兩種氣候模式下未來水資源量變化相對于ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１更加平緩。從ＲＣＰ２．６、ＲＣＰ８．５兩種不同典型濃度路徑來看，三種氣候模式下ＲＣＰ２．６和ＲＣＰ８．５所對應的地表水資源量較接近，ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１和ＢＮＵ－ＥＳＭ模式下ＲＣＰ２．６對應地表水資源量在多數(shù)時期略大于ＲＣＰ８．５所對應的地表水資源量，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２模式則相反。以１９５７～２０１６年年徑流量均值作為基準值，根據(jù)ＴＶＧＭ模型對湖北省各水資源分區(qū)未來年徑流量的模擬結果，統(tǒng)計了三種氣候模式下２０２０～２０４９、２０５０～２０８９年兩個時段的年徑流量均值相較于基準值的距平百分比，繪制各水資源分區(qū)的距平百分比圖見圖２。從時間角度看，三種氣候模式下２０５０～２０８９年段地表水資源量均值相對于２０２０～２０４９年段有所增加。從地域角度看，鄂西北地區(qū)在三種氣候模式下地表水資源量均呈增加趨勢；鄂西南地區(qū)在ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１和ＦＧＯＡＬＳ－Ｇ２兩種氣候模式下地表水資源量均呈減少趨勢，在ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下澧水區(qū)域地表水資源量呈減少趨勢，其余區(qū)域呈增加趨勢；江漢平原地區(qū)在ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１和ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下地表水資源量均呈增加趨勢，在ＦＧＯＡＬＳ－Ｇ２氣候模式下基本呈減少趨勢且從北向南減少程度遞增；鄂東北和鄂東南地區(qū)在ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１氣候模式下，２０２０～２０４９年地表水資源量呈減少趨勢，２０５０～２０８９年地表水資源量呈增加趨勢，在ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下地表水資源量均呈增加趨勢，在ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２氣候模式下地表水資源量均呈減少趨勢。

 

4結論

 

ａ．通過時變增益模型模擬的湖北省各水資源分區(qū)徑流序列在率定期和檢驗期的納什效率系數(shù)均大于０．８，模擬效果較好，說明時變增益模型對于亞熱帶濕潤季風氣候的湖北省具有較好的適用性。ｂ．從湖北省地域分布來看，各地理分區(qū)未來水資源量相較于基準值的增加幅度按從大到小排序依次為鄂西北、江漢平原、鄂東北、鄂東南、鄂西南。ｃ．對比三種氣候模式下的湖北?。玻埃玻啊玻埃矗?、２０５０～２０８９年的水資源量均值距平百分比圖可知，２０５９～２０８９年湖北省水資源量相對于２０２０～２０４９年總體呈上升趨勢，且ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下ＲＣＰ８．５濃度路徑下的湖北省水資源量總體上低于ＲＣＰ２．６濃度路徑下的水資源量，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２氣候模式則相反。

 

參考文獻：

 

［１］夏軍，王綱勝，談戈，等．水文非線性系統(tǒng)與分布式時變增益模型［Ｊ］．中國科學：Ｄ輯地球科學，２００４，３４（１１）：１０６２－１０７１．

 

［２］萬蕙，夏軍，張利平，等．淮河流域水文非線性多水源時變增益模型研究與應用［Ｊ］．水文，２０１５，３５（３）：１４－１９．

 

［３］宋星原，舒全英，王海波，等．ＳＣＥ－ＵＡ、遺傳算法和單純形優(yōu)化算法的應用［Ｊ］．武漢大學學報（工學版），２００９，４２（１）：６－９，１５．

 

［４］ＤＵＡＮＱ，ＳＯＲＯＯＳＨＩＡＮＳ，ＧＵＰＴＡＶＫ．Ｏｐｔｉ－ｍａｌｕｓｅｏｆｔｈｅＳＣＥ－ＵＡｇｌｏｂａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇｗａｔｅｒｓｈｅｄｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｈｙ－ｄｒｏｌｏｇｙ，１９９４，１５８（３／４）：２６５－２８４．

 

［５］劉慧媛，夏軍，鄒磊，等．基于時變增益水文模型的實時預報研究［Ｊ］．中國農村水利水電，２０１９（６）：１６－２２．

 

［６］王強，夏軍，佘敦先，等．時變增益模型在遼寧干旱半干旱流域的適用性研究［Ｊ］．南水北調與水利科技，２０１８，１６（４）：３５－４１．

 

［７］宋星原．時變增益水文模型的改進及實時預報應用研究［Ｊ］．武漢大學學報（工學版），２００２，３５（２）：１－４

 

作者：余檣 張翔 柯航 佘敦先 單位：武漢大學 海綿城市建設水系統(tǒng)科學湖北省重點實驗室 湖北省水文水資源局