氣候變化和都市化雙重驅(qū)動下流域未來水文響應

朱雙　李建慶　羅顯剛　雷曉輝　王超　胡國豐

摘要：近年來，受氣候變化和人類活動的共同影響，流域的氣候和水文狀況發(fā)生了顯著改變，分析變化環(huán)境下未來水資源演化格局成為當前國內(nèi)外學者關(guān)注的重點研究內(nèi)容之一。以柘溪水庫流域為研究區(qū)域，利用人文因素和自然因素作為土地利用變化的驅(qū)動因子構(gòu)建土地利用模型，采用MIROC5氣候模式多個情景作為未來氣候典型代表，利用分布式水文模型分析了氣候變化和都市化雙重驅(qū)動下的流域未來水文響應。結(jié)果表明：都市化發(fā)展明顯增加了流域地表徑流，減少了地下徑流;而氣候變化對水文響應驅(qū)動力比都市化對水文響應的驅(qū)動作用更強。

關(guān)鍵詞：水文響應; 分布式水文模型; 氣候變化; 未來情景模擬; 土地利用; 柘溪水庫流域

中圖法分類號： P333

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.014

0引 言

在全球變暖、土地利用劇烈變化、極端氣候事件頻發(fā)的大背景下，解決當下水資源危機，預測未來水資源變化態(tài)勢，是當前國內(nèi)外關(guān)注的重點之一。變化環(huán)境下的水文響應仍然是當前水文科學研究熱點之一。目前，國內(nèi)外很多學者研究了關(guān)于氣候變化對水文循環(huán)的影響，并結(jié)合統(tǒng)計學原理分析了氣象要素如氣溫、降水和水文要素在時間尺度上的周期性和突變性，或者構(gòu)建了水文要素與降水之間的關(guān)系模型，定量分析水文循環(huán)和氣候變化之間的聯(lián)系[1-2]。

在研究未來氣候變化對水文循環(huán)的影響時，通過設置一定的未來氣候變化情景，再將模擬得到的未來氣候情景輸入到水文模型中，模擬未來氣候情景下的水文響應[3]。王苗等[4]分析了RCP2.6，RCP4.5和RCP8.5三種氣候情景下洪湖流域水資源的變化過程，結(jié)果表明：3種情景下的降雨和溫度逐漸增加，地表徑流、地下徑流和蒸散發(fā)量也隨之增加。Tamm等[5]以波羅的海流域為研究區(qū)，采用RACMO和HIRHAM5兩種區(qū)域氣候模式研究流域未來氣候變化對水文過程的影響，發(fā)現(xiàn)該流域年均徑流量相對于歷史時期分別增長了10%和26%。

都市化進程主要體現(xiàn)在土地利用類型的轉(zhuǎn)變，如耕地、林地轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO用地。由于每種土地利用類型的蓄水能力不同，因此土地利用變化能對水文循環(huán)造成影響[6]。目前國內(nèi)外對于土地利用變化對水文水資源的研究主要分為兩個方向：①根據(jù)歷史土地利用變化趨勢，利用統(tǒng)計分析方法模擬得到未來一段時間內(nèi)土地利用情景[7];②采用極端土地利用法，假設研究區(qū)內(nèi)某一種土地類型直接被另外一種取代，分析單一土地利用類型變化對水文循環(huán)的影響[8-9]。

評估未來土地利用變化和氣候變化模式對流域水文生態(tài)環(huán)境的綜合影響，對于流域水資源管理規(guī)劃以及可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。預測未來幾十年甚至一個世紀的土地利用類型狀態(tài)和氣候條件，并研究兩者綜合作用下的水文響應，比前人單一研究土地利用或者氣候變化的水文響應更具有實際參考價值。而當今社會經(jīng)濟快速發(fā)展背景下，土地利用類型的演化并不是呈現(xiàn)簡單的線性變化，而是受社會經(jīng)濟、人口、路網(wǎng)等因素綜合影響，具有復雜轉(zhuǎn)變機理[10]。為此，本文首先研究未來氣候變化情景下的流域水文響應，并利用人文因素和自然因素作為土地利用變化的驅(qū)動因子構(gòu)建土地利用模擬模型，分析氣候變化和都市化雙重驅(qū)動的流域未來水文響應，研究成果可為水資源精細化管理和未來土地規(guī)劃提供依據(jù)。

1研究流域與數(shù)據(jù)來源

1.1柘溪水庫流域

柘溪水庫流域位于湖南省西南部及廣西省東北部區(qū)域，地理坐標為東經(jīng)110°12′～112°30′，北緯25°36′～28°42′，流域總面積22 108 km2。流域范圍涉及益陽市、婁底市、邵陽市的安化縣、新化縣、冷水江市、新邵縣、隆回縣、洞口縣、邵陽縣、邵東縣、武岡市、邵陽市、綏寧縣、新寧縣及桂林市的資源縣。柘溪水庫流域?qū)儆跂|亞季風熱帶暖濕氣候，夏季溫度高，濕度大，且多雨，冬季寒冷干燥。流域內(nèi)年均氣溫在16.8～17.3 ℃之間，年均降水量約1 462 mm，年均流量為586 m3/s。流域內(nèi)主要有耕地、森林、草地、水體、城市用地5種土地利用類型，森林分布面積最廣，為13 736 km3，占總面積的62.08%，其次是耕地，面積為6 934 km3，占總面積的31.3%。草地、水體、城市用地面積分別為833，288，338 km3，占流域總面積的3.7%，1.2%，1.5%。柘溪流域地理位置及范圍如圖1所示。

1.2數(shù)據(jù)資料

研究所需要的DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：∥www.gscloud.cn/），其空間分辨率為30 m×30 m;歷史土地利用數(shù)據(jù)（2005年和2015年）來源于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（http：∥www.resdc.cn），數(shù)據(jù)基于Landsat8遙感影像，通過人工目視解譯生成，其空間分辨率是1 km×1 km[11];土壤數(shù)據(jù)來源于世界土壤數(shù)據(jù)庫（HWSD），其空間分辨率為30m×30m。研究流域內(nèi)羅家廟、黃橋、新寧、隆回、筱溪、柘溪、坪口7個主要水文站2004～2014年月徑流數(shù)據(jù)來源于長江水利委員會（http：∥www.cjw.gov.cn/）;流域內(nèi)27個站點2004～2014年日降雨數(shù)據(jù)來源于國家氣象站（http：∥data.cma.cn/）。

2研究方法

2.1水文模型

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的分布式水文模型，具有很強的物理基礎，適用于不同土壤類型、不同土地利用方式的復雜流域[12]。SWAT模型模擬的整個水文循環(huán)過程遵循水量平衡規(guī)律，其公式如下：

2.2未來氣候情景

未來全球和區(qū)域氣候變化的預測主要是根據(jù)人口增長速度、科技發(fā)展水平、經(jīng)濟發(fā)展速度等一系列的驅(qū)動因子進行人為場景假設，分析出未來溫室氣體排放情景，再計算大氣濃度，得到響應輻射強迫后，輸入到氣候驅(qū)動模式中預估未來氣候變化。

IPCC第五次評估報告（AR5）中第一工作組報告評估了全球耦合模式比較項目第五階段（CMIP5）的46個地球系統(tǒng)模式和15個中等復雜地球系統(tǒng)模式[14]。國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心提供的基于RegCM 4.6的多情景多模型未來氣候預測數(shù)據(jù)，對多種GCM模式（CanEMS2，GFDL-ESM3M，HadGEM2-ES，MIROC5，NorESM1-M，IPSL-CM5A-LR）進行動力降尺度，得到21套中國全境未來氣候數(shù)據(jù)。本次研究采用的是MIROC 5氣候模式的RCP 2.6（低等排放情景）和RCP 8.5情景（高等排放情景）。

2.3未來土地利用變化模擬

FLUS（Future Land Use Simulation）模型用于模擬人類活動與自然條件影響下的土地利用變化以及未來土地利用情景的模型[15]。該模型的原理源自元胞自動機（Cellular Automata，CA），并在傳統(tǒng)元胞自動機的基礎上做了較大改進。

FLUS模型2個主要模塊是基于神經(jīng)網(wǎng)絡的適宜性概率計算模塊（ANN-based Suitability Probability Estimation）和基于自適應慣性機制的元胞自動機模塊（Self Adaptive Inertia and Competition Mechanism CA）?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡的適宜性概率計算模塊是根據(jù)用戶輸入的自然、交通、社會經(jīng)濟等土地利用變化驅(qū)動力因子，計算得到研究區(qū)域內(nèi)每種土地利用類型出現(xiàn)在像元上的適宜性概率?；谧赃m應慣性機制的元胞自動機模塊將根據(jù)輸入的土地利用數(shù)據(jù)、土地利用類型的適應性概率數(shù)據(jù)等得到最終的未來土地利用分布。每個像元的土地利用類型還受到鄰域范圍、自適應慣性系數(shù)、轉(zhuǎn)換成本限制矩陣和土地利用類型間競爭關(guān)系的影響。

2.4SWAT模型校準與驗證

SWAT模型模擬的結(jié)果是否可靠，需要根據(jù)實測徑流與模擬徑流之間的對比結(jié)果進行分析。對比結(jié)果可以通過模型適用性評價指標來表現(xiàn)。通過ENS（納什效率系數(shù)），R2（相關(guān)系數(shù)）和PBIAS（百分比偏差）來評估模型在研究流域的性能。其中，ENS是一種歸一化的統(tǒng)計量，廣泛用于水文模型的評估，ENS的變化區(qū)間為（-∞，1）。R2代表預測值與模擬值之間的擬合程度。PBIAS用于評估模型的平均偏差，最理想的值為0，若PBIAS>0，則代表模擬值比觀測值偏小;若PBIAS<0，則表示模擬值比觀測值偏大。若R2>0.6，ENS>0.5并且|PBIAS|≤10，則認為SWAT模型能適用于該流域，模型的模擬結(jié)果是可靠的。

圖2是采用SWAT水文建模方法的柘溪水文站徑流校準與驗證過程結(jié)果對比。從圖2可以看出，月徑流預測數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)基本吻合，在校準期中，ENS為0.83，R2為0.86，PBIAS為0.2;在驗證期內(nèi)，ENS為0.91，R2為0.93，PBIAS為9.2，因此SWAT模型能高精度地模擬研究流域的徑流過程。PBIAS為正值，表明實際觀測值被低估了，從圖中也可以看出在一些峰值時期，模型模擬的徑流值比實際觀測值要小，其原因可能與降雨的空間變異性有關(guān)，氣象站周圍降雨可能與其他地方的降雨不同。而其他水文站的評估結(jié)果來看，評價指標ENS和R2均大于0.8，PBIAS的絕對值均小于10。另外從圖2可以得知，降雨量的峰值與徑流的峰值大致對應，表明徑流峰值受氣候變化尤其是降雨影響較大。因此SWAT模型在研究流域的模擬精度較高，模型模擬的整體評估因子都滿足要求，SWAT模型能夠用于模擬研究流域的水文過程。

3模擬結(jié)果

3.1未來氣候變化分析

本次研究采用MIROC 5氣候模式的RCP 2.6（低等排放情景）和RCP 8.5情景（高等排放情景）分析未來不同氣候情景對水文過程的影響。將研究流域基準期內(nèi)（2004～2014年）的27個氣象站1～12月的月平均降雨量與RCP 2.6和RCP 8.5情景下的月平均降雨量進行對比，如圖3所示。分析對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：在1～5月份時，2種情景的月均降雨量均大于基準期的月均降雨量，基準期在6月份達到降雨峰值，2種情景則在5月中旬達到峰值，但2種情景下的月均降雨比基準期的要低，該流域在6月份有強降雨出現(xiàn)，隨后在8月份出現(xiàn)一個小波峰，RCP 2.6和RCP 8.5情景也出現(xiàn)與基準期一樣的波峰。從月均降雨量的變化趨勢來看，兩種氣候情景與基準期的變化趨勢基本一致，說明兩種氣候情景能較好反映該研究流域的氣候特征情況。

圖4是RCP 2.6和RCP 8.5情景下最低溫度變化趨勢。從整體情況來看，RCP 8.5情景溫度上升趨勢比較明顯，RCP 2.6情景下溫度變化趨勢平緩。在研究期間，RCP 2.6情景下的最低溫度最小值為12.34 ℃，最大值為14.59 ℃，增長幅度為18.23%;而RCP 8.5情景下，最低溫度最小值為12.29 ℃，最大值為17.34 ℃，增長幅度為41.09%。

圖5是RCP 2.6和RCP 8.5情景下最高溫度的變化趨勢。和最低溫度變化趨勢相似，RCP 2.6情景下的最高溫度變化平緩，RCP 8.5情景下變化劇烈，上升態(tài)勢明顯。在研究期間，RCP 2.6情景下最高溫度的最小值為19.24 ℃，最大值為21.77 ℃，增長幅度為13.15%;在RCP 8.5情景中最高溫度的最小值為19.46 ℃，最大值為24.98 ℃，增長幅度為28.36%。

3.2氣候變化驅(qū)動的水文響應

基于2005年的土地利用數(shù)據(jù)，將RCP 2.6，RCP 8.5兩種情景下的日最低氣溫（Tmin）、最高氣溫（Tmax）和日降雨用于參數(shù)率定后的SWAT模型，得到兩種氣候情景下的水文要素月平均變化，其結(jié)果如圖6所示。RCP 8.5情景下的水文要素月平均值在整體上都比RCP 2.6情景下的要高，并且都在6月份達到峰值，這與月均降雨量在6月份達到峰值相吻合。兩種情景下的月流量與產(chǎn)水量在1～6月內(nèi)基本上相同，而在后半年內(nèi)，RCP 8.5情景下的徑流量始終比RCP 2.6情景高。地表徑流變化曲線與月均降雨量變化曲線基本一致，在6月份和8月份均出現(xiàn)一個峰值，表明兩種氣候情景對地表徑流的影響較大。壤中流在多個月份交叉波動，并且兩者無明顯差別，主要是因為壤中流容易同時受到降雨和氣溫的影響。

3.3氣候變化和都市化驅(qū)動的水文響應

利用FLUS模型依據(jù)2005年的土地利用分布，并將多種人文因素和自然因素作為驅(qū)動力因子，預測2050年和2100年的未來土地利用情景。人類活動因子主要有人口分布、GDP、公路網(wǎng)、鐵路網(wǎng)以及城市分布，自然因子主要有高程、坡度、坡向、河流分布，將各個因子輸入到模型中后對其進行歸一化處理，每個因子的取值范圍為0～1。FLUS模型在預測未來土地利用變化前，需要將同一時期實際的土地利用分布與預測得到的土地利用數(shù)據(jù)進行對比，評估模型在研究流域的適用性。本研究采用Kappa系數(shù)方法來驗證模型的可靠性，Kappa值越大，即越接近于1，表明模擬精度越高。利用2005年的土地利用分布來預測2015年的土地利用情況，并與2015年實際的土地利用分布進行柵格計算。Kappa系數(shù)為0.93，表明FLUS模型在研究流域的模擬比較成功，具有較高的可信度和較強的解釋能力，因此可用于研究區(qū)域的未來土地利用情景預測。

將歷史土地利用變化2005，2015年以及預測的未來土地利用變化2050，2100年記為情景L1，L2，L3，L4，如圖7所示。4種不同土地情景中，森林面積最廣泛;其次是耕地，主要分布于研究流域中坡度較小的區(qū)域;草地主要集中在流域的南部區(qū)域，城市用地分布比較集中。2005年耕地面積占比為31.35%，到2015年下降到30.79%;森林面積占比從2005年的62.55%減少到2015年的62.34%;城市用地面積增加幅度較大，從2005年的1.07%到2015年的1.85%。依據(jù)該變化趨勢，預計耕地到2050年將下降到28.2%，到2100年為25.08%，森林面積占比到2050年和2100年將減少至60.54%和58.34%。草地和水體在整個研究期間變化都比較小，因此主要是耕地和森林向城市用地的轉(zhuǎn)換，并且耕地的轉(zhuǎn)換比例比森林要大。

將未來氣候情景與未來土地利用情景聯(lián)系起來，可為未來水文過程研究提供一個更綜合的情景。氣候情景和土地利用情景組成了4種組合，分別為2050年土地利用情景+RCP 2.6氣候情景（G1）、2050年土地利用情景+RCP 8.5氣候情景（G2）、2100年土地利用情景+RCP 2.6氣候情景（G3）、2100年土地利用情景+RCP 8.5氣候情景（G4）。

4種組合情景（G1，G2，G3，G4）下的未來徑流年際變化模擬結(jié)果如圖8所示。對比同一氣候情景、不同土地利用情景發(fā)現(xiàn)，G3和G1模式下的未來徑流幾乎一致，G4和G2模式下的未來徑流幾乎一致，說明在該研究流域內(nèi)長時間尺度下土地利用變化對徑流的影響程度比氣候變化影響小。G2和G4情景下流量峰值比G1和G3情景下的要高，并且G2和G4情景下徑流谷值比G1和G3情景下的要低，說明RCP8.5情景下容易發(fā)生強降雨和降雨量較小的極端氣象事件。

進一步分析了各水文要素的月均值，如圖9所示。受土地利用變化和氣候變化的共同影響，水文要素的變化與單一土地利用變化和氣候變化影響下水文要素變化有所不同。4種情景下流量、產(chǎn)水量和壤中流的變化差別不大，變化曲線幾乎相同且3種水文要素值遠遠大于歷史基準時期。4種情景下各水文要素的年均值變化如表1所列，其中地表徑流的年平均值依次為G4（128.25 mm）>G2（114.92 mm）>G3（110.58 mm）>G1（97.96 mm）。地表徑流變化趨勢在某些月份差別較為明顯，在圖9（b）中，月徑流變化尤其是在6月份，地表徑流有明顯差異，表明RCP 8.5氣候情景下地表徑流比RCP 2.6氣候情景下的多，且2100年土地利用情景下的地表徑流比2050年土地利用的多，地表徑流最多的綜合情景是RCP 8.5氣候情景疊加2100年土地利用情景。4種場景中，G3和G4情景下的實際蒸發(fā)相差明顯，推測是RCP 2.6情景和RCP 8.5情景溫度差距較大導致的。在地下徑流方面，在豐水季，4種場景地下徑流值為G1>G3>G2>G4，表明RCP 2.6氣候情景（S1）下地下徑流比RCP 8.5氣候情景（S2）的多，且2050年土地利用情景（L3）下地下徑流比2100年土地利用情景（L4）的多?？傮w上，氣候變化對水文響應驅(qū)動力比都市化對水文響應的驅(qū)動作用強，都市化的發(fā)展會明顯增加地表徑流，減少地下徑流。

4結(jié) 論

本文以柘溪水庫流域為研究區(qū)域，充分利用DEM數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)，構(gòu)建SWAT模型。利用人文因素和自然因素作為土地利用變化的驅(qū)動因子輸入到FLUS模型中，預測未來土地利用變化情景（2050年和2100年），同時利用區(qū)域氣候模式MIROC5的低濃度排放情景RCP 2.6和高濃度排放情景RCP 8.5構(gòu)建未來氣候情景，最后利用未來土地利用情景和未來氣候情景構(gòu)建未來組合情景，分析組合情景下的水文響應以及預測未來徑流變化趨勢。研究結(jié)果表明：RCP 8.5情景下的水文要素月平均值在整體上都比RCP 2.6情景下的要高，兩種氣候情景對地表徑流的影響較大，對壤中流影響較小。都市化的發(fā)展會明顯增加流域地表徑流，減少地下徑流。氣候變化對水文響應的驅(qū)動力比都市化對水文響應的驅(qū)動作用更強。

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（編輯：江 文）

Abstract：In recent years，the climate and hydrological conditions of river basins have undergone significant changes，which were influenced by a combination of both climate change and human activities.Analyzing the future evolution of water resources in the changing environment has become one of the key research contents of domestic and foreign scholars.Therefore，we analyzed the future hydrological response of the Zhexi Reservoir Basin driven by both climate change and urbanization.We used human factors and natural factors as driving factors of land use change to construct a land use simulation model.Also multiple scenarios of the MIROC5 climate model as typical representatives of future climate and a distributed hydrological model were adopted in the simulation.The results show that urbanization development would significantly increase surface runoff and reduce underground runoff.Climate change has a stronger driving force for hydrological response than urbanization.

Key words：hydrological response;distributed hydrological model;future scenarios simulation;climate change;land use;Zhexi Reservoir Basin