三峽庫區(qū)水循環(huán)變化及歸因分析

李海鵬 李昊軒 袁雪梅 靳閃閃

（1、水利部珠江水利委員會技術(shù)咨詢中心，廣東 廣州510610 2、華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450046）

1 研究區(qū)域概況

三峽工程的興建給庫區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了千載難逢的機(jī)遇，然而受氣候變化和人類活動(dòng)的綜合影響，三峽庫區(qū)的產(chǎn)水特性及其伴生過程在不同時(shí)間尺度上表現(xiàn)出新的演變特征[1]。近些年來, 許多學(xué)者對三峽庫區(qū)的氣候變化進(jìn)行了研究，陳鮮艷[4]等利用監(jiān)測資料和數(shù)值模擬試驗(yàn)分析了水庫蓄水后對三峽庫區(qū)附近局地的天氣氣候的可能影響，張靜[3]，封瑞雪[2]等研究了三峽庫區(qū)相關(guān)氣候要素的變化情況, 并與前人的相關(guān)研究成果對比,探討其變化趨勢及變化原因。研究三峽庫區(qū)水循環(huán)變化及歸因分析對三峽庫區(qū)防洪和生態(tài)保護(hù)具有重要意義。

2 三峽庫區(qū)水循環(huán)模擬方案

圖1 農(nóng)業(yè)用水量、土壤濕度及其變化的空間分布圖

為了揭示人類活動(dòng)對陸面水文過程的影響，利用CLM-DWC 模型，考慮人類取水與不取水兩種情況，設(shè)計(jì)了2 組試驗(yàn)來進(jìn)行對照分析。因此，通過對照試驗(yàn)1 和2 結(jié)果，可以揭示人類取用水活動(dòng)對陸面水文過程各要素的影響。為了確保模型能有一個(gè)穩(wěn)定的初始狀態(tài)，將1990-2018 年的氣象數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)耦合模型，循環(huán)模擬5 遍共50 年以使模型的各項(xiàng)初始條件達(dá)到平衡，然后分別將兩組模型預(yù)熱時(shí)段末狀態(tài)保存，作為各自模擬的初始狀態(tài)。

3 水循環(huán)變化及歸因分析

3.1 土壤濕度變化及歸因分析

圖1 顯示了1990-2018 年多年平均表層土壤濕度及其變化和農(nóng)業(yè)用水量的空間分布圖。由圖（a）和（b）可知，三峽庫區(qū)庫腹和庫尾的耕地處土壤濕度較大，基本在0.28-0.38mm3/mm3之間；庫首海拔較高、濕度相對較低，從而土壤濕度較低，一般不超過0.26mm3/mm3。圖（d）是農(nóng)業(yè)用水量的多年平均分布圖，庫區(qū)農(nóng)業(yè)用水量并不大，絕大多數(shù)區(qū)域年均農(nóng)業(yè)用水量不超過30mm。模型在考慮了農(nóng)業(yè)灌溉用水后，明顯改變了土壤濕度狀態(tài)，如圖（c）所示，庫區(qū)內(nèi)絕大多數(shù)區(qū)域土壤濕度增加0-0.008mm3/mm3，在農(nóng)業(yè)用水量較大的區(qū)域，土壤濕度可增加0.02mm3/mm3以上，與圖（d）中的農(nóng)業(yè)用水量大的區(qū)域相對應(yīng)。然而，部分網(wǎng)格土壤濕度存在減少的現(xiàn)象，土壤底層以重力排水的形式對地下水的補(bǔ)給，是導(dǎo)致土壤濕度減少的主要原因。

3.2 蒸散發(fā)變化及歸因分析

圖2 是1990-2018 年多年平均蒸散發(fā)及其變化和總用水量的空間分布圖。由圖可知，三峽庫區(qū)年蒸散發(fā)呈現(xiàn)較為明顯的由庫首向庫尾遞減的分布特征，年蒸散發(fā)量在400-600mm 之間?？紤]人類取用水后，流域絕大多數(shù)區(qū)域蒸散發(fā)增加0-3mm，在用水量較大的區(qū)域蒸散發(fā)增加5mm 以上，大量的農(nóng)業(yè)灌溉導(dǎo)致進(jìn)入土壤表層的水分增加、土壤濕度增大，這是導(dǎo)致蒸散發(fā)增加的主要原因，除農(nóng)業(yè)用水外，工業(yè)用水中的輸水蒸發(fā)以及生態(tài)環(huán)境用水中的河湖水體蒸發(fā)同樣導(dǎo)致蒸散發(fā)增加。此外，與圖1（c）土壤濕度變化情況一致，部分地區(qū)由于表層土壤濕度的降低而導(dǎo)致蒸散發(fā)的減少。

圖2 總用水量、蒸散發(fā)及其變化的空間分布圖

3.3 徑流變化及歸因分析

圖3 朱沱站實(shí)測與2 組試驗(yàn)下模擬的年徑流變化趨勢

本研究認(rèn)為實(shí)測徑流的變化是氣候變化、土地利用變化和人類取用水活動(dòng)的綜合影響結(jié)果，試驗(yàn)1 模擬徑流的變化是氣候變化所導(dǎo)致的結(jié)果，而試驗(yàn)2 模擬徑流的變化是氣候變化和人類取用水的共同作用結(jié)果。因此，可以通過對比各組結(jié)果來分離出各項(xiàng)因素對徑流變化的貢獻(xiàn)率。表2 列出了各項(xiàng)因素對三峽庫區(qū)內(nèi)所有水文站點(diǎn)徑流變化的貢獻(xiàn)率，由于各站點(diǎn)實(shí)測資料系列長度不一，為了便于統(tǒng)一分析，將時(shí)間序列統(tǒng)一選定為1979-2012 年。

由表可知，對于朱沱和寸灘站，氣候變化和人類活動(dòng)導(dǎo)致徑流量減少,土地利用變化導(dǎo)致徑流量增加，其對徑流的變化也有著不可忽視的作用。對于萬縣站，氣候變化、人類活動(dòng)和土地利用變化均導(dǎo)致徑流量減少，其中氣候變化和土地利用變化的貢獻(xiàn)率大致相當(dāng)。需要說明的是，由于這3 個(gè)站點(diǎn)月徑流過程模擬相比于實(shí)測值整體偏低，導(dǎo)致這些站點(diǎn)的各項(xiàng)因素的變化及貢獻(xiàn)率存在一定的誤差，未來仍需改進(jìn)模型模擬效果，減小不確定性。

4 結(jié)論

本文以三峽庫區(qū)為例，利用CLM-DWC 模型進(jìn)行了2 組數(shù)值模擬試驗(yàn)，對水循環(huán)過程各要素的變化進(jìn)行了歸因分析，取得以下主要結(jié)論：

4.1 農(nóng)業(yè)灌溉用水導(dǎo)致大多數(shù)區(qū)域土壤濕度增加0-0.008mm3/mm3，但只有在農(nóng)業(yè)用水量大于20mm/year 的區(qū)域，農(nóng)業(yè)灌溉的增濕效果才能顯現(xiàn)出來。人類取用水同樣導(dǎo)致大多數(shù)區(qū)域蒸散發(fā)增加0-3mm，然而在總用水量小于40mm/year 的區(qū)域，人類取用水對蒸散發(fā)的影響幾乎可以忽略。

4.2 1979-2012 年間，三峽庫區(qū)3 個(gè)水文站點(diǎn)的年徑流均呈減少趨勢，氣候變化和土地利用變化是徑流變化的主要因素，其中，土地利用變化導(dǎo)致朱沱和寸灘站徑流量增加，而導(dǎo)致萬縣站徑流減少。