气候变化对西北干旱区石羊河流域径流的影响外文翻译资料

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气候变化对西北干旱区石羊河流域径流的影响

Zhonggen Wang, Darren L. Ficklin, Yongyong Zhang * and Minghua Zhang

Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographical Science and Natural Resources Research, Chinese Academy of Science, Beijing, China

Department of Land, Air and Water Resources, University of California, Davis, CA, USA

摘要：气候变化可能会显著影响全球水文循环和水资源，特别是对于干旱和半干旱地区。本文用区域气候的研究中提供输出区域气候模式（PRECIS）中使用的土壤和水评估工具（SWAT）来分析气候变化对石羊河流域西营和杂木河径流的影响，对中国西北干旱地区十分重要意义。政府间气候变化专门委员会利用PRECIS气候模型温室气体排放情景A2（高发射率）和B2（低发射率）的数据来模拟石羊河流域径流对SWAT模型进行校准和验证。用这几年（1961–1990），21世纪20年代（2011–2040）、21世纪50年代（2041–2050）和21世纪80年代（2071–2100）的月流量和过去的水文极端事件做比较。结果表明，在21世纪20年代、21世纪50年代和21世纪80年代石羊河流域杂木水文站月径流量普遍增加0.7~6.1%，西营水文站增加0.1~4.8%。每月最低径流量持续增加，但每月最大径流量在21世纪20年代、21世纪50年代和21世纪80年代略有下降。本研究对于指导未来的水资源在石羊河流域的管理和为其他干旱半干旱地区提供有价值的信息有重要意义。

关键词：气候变化；径流；SWAT；大纲；石羊河流域

1. 简介

政府间气候变化专门委员会（IPCC）认为，超过90%可能加速变暖过去50~60年的温室气体是人为释放引起的，如CO₂（IPCC，2001，2007）。而这些温室气体的排放主要来自于化石燃料的燃烧。随着降水的模式变化和强度变化导致温度升高，全球变暖得到了广泛认可，并且认识到全球变暖可能对区域水文循环有显著影响。这些影响对干旱和半干旱地区将特别严重，毕竟降水量低是城市和农业发展的限制因素。各种气候研究中心的分析表明，2006年的全球平均表面温度约为0.42~0.54 以上，超过了1961~1990年的平均温度（WMO，2006）。在接下来的一个世纪中，政府间气候变化研究专门委员会（IPCC，2007）提出，根据IPCC温室气体排放情景，每十年升温约0.2 ℃。如果所有温室气体和气溶胶的浓度在2000年内保持不变，每十年的约0.1个碳排放量将使温度进一步升高。全球气候模型协会（GCM）表明，它预料很可能（大于90%的概率）会出现在热浪和强降水极端事件更频繁的区域（IPCC，2007），这会导致潜在的地区降水量产生更大差异。温度的升高会导致山区潜在蒸散量的增加，减少山区的积雪。此外，温室效应一般被理解为气候变干，水文循环的敏感性增加的原因（Chen et al., 2005）。这些变化，随着降水模式和强度的变化，可能会导致径流体积、时间和属性有重大变化，因此适当的水库管理是非常重要的。

气候变化引起径流和水文流域的未来变化已成为水资源管理的重要课题。许多研究表明，冬季和春季气体排放可以增加或减少积雪融雪，影响季节变化，冬季降水量与积雪又会影响气体排放（e.g.Lettenmaier and Gan, 1990; Burn, 1994; Hagg et al, 2007）。年径流量也可能会增加或减少降水量和蒸散量的变化（e.g. Singh and Kumar, 1997; Albek et al., 2004）。研究表明，当前的降水模式会产生较高的温度导致蒸发率的增加、降水率变低和干旱率增加（e.g. Rind et al., 1990; Schaake, 1990; Nash and Gleick, 1991, 1993）。因此，要热切关注在干旱的河流流域的水资源供应，它可能对气候变化产生显着的影响。

个别盆地遍布世界各地的半干旱区和干旱区（e.g. Chen et al., 2006; Kader and Hiroshi, 2006; Li et al., 2006; Ma et al., 2008; Ficklin et al., 2009a）。这些研究表明，气候在变化，并将继续影响径流流量。Chen et al. (2005)分析了中国西北地区平均气温的变化，并得出结论，该地区可能是全球变暖最敏感的地区之一。Li et al.（2008）检查径流排放趋势并发现自1958以来由于人类活动产生气候变化后，杂木、黄羊河和古浪的年、月径流量显示出统计学显著下降的趋势。他们发现，在过去的几十年中，气候变化的影响导致了21至79%的径流减少。Lai and Ye（1995）从1955到1985调查了中国西北部山区的径流排放时间序列，发现大多为正异常，而负异常最明显的是在1973。Shi and Zhang（1995）分析了几个气候因子的趋势，并得出结论，中国西北部山区的温度从2030年将约每年增长1℃，并导致蒸散量和随后的径流变化量的增加。

在中国的河西走廊石羊河流域，以中国西北干旱区流域为研究区。这项研究建立在以前的工作的基础之上，其特点是研究在这一地区潜在的气候变化对水资源的影响（e.g. Chen et al., 2006; Huo et al., 2008; Li et al., 2008）。在干旱地区，如石羊河流域，用有限的水资源抑制合适的用水量，了解潜在的气候变化的水文影响才能够发展可持续的水资源管理战略，这一点对未来是非常重要的。具体而言，到2100年之前的这段时间里，我们要确定气候变化对径流的影响，为下游居民提供水水库的变化。虽然这个时间段可能是长久的，2100年是不是超出了大多数水资源管理基础设施的使用寿命或支配它的制度？但往往需要一个世纪内发展和建立水资源演变（Tanaka et al., 2006）。最重要的是，对区域内的人类活动增加的潜力，它是否决定了什么，如果有的话，水资源在变化的气候环境下是可以有效利用的。

这项研究的目标如下：（i）校准和验证石羊河流域两条河流的水文模型及（ii）了解气候变化将如何影响未来的石羊河流域径流，如平均值，每月河川流量的最小值和最大值。气候和水文数据在过去20年里被用来制造水文模型水土评估工具（SWAT），以评估气候变化的影响。从区域气候的影响研究（PRECIS）RCM A2和B2的温室气体排放情景区域气候模式（RCM）提供数据，纳入校准和验证水文模型。 A2情景代表了一个场景：经济区域人口不断增加的世界。 B2情景代表了人口增长比A2情景速度较慢，对环境稳​​定性强调一个更加一体化的世界。结果可以提供有用的信息，为水资源管理人员更好地了解与气候条件相近的水文系统应对气候变化在中国或世界上其他国家的其他地区可能造成的后果。

1. 材料和方法

2.1网站描述

石羊河流域（36 29-39 27N和101 41-104 16E）在中国祁连山的河西走廊内，占了甘肃省乌鞘岭市西部和北部41600平方公里（Figure 1）。水源是从寒冷和潮湿的地区衍生到半干旱的祁连山区，再流向下游暖温带内的民勤盆地区域（Tang et al., 1992）。上游源头的河流从东到西是大井、古浪、黄羊、杂木、金塔、西营、东大和西大河（Figure 1）。这些河流可根据水文地质单元被分割成三个独立的水系：大井河，六河，西大河。平均年径流量为15.75亿立方米。石羊河流域的径流主要来自古浪，黄羊，杂木，金塔和西营这五大支流（Li et al.,2008）。

这意味着那些年平均降雨量为300-600毫米的山区，150-300毫米的武威盆地和小于100毫米的民勤盆地的年降雨量在变化。年降水量显示出季节性分布，五月到十月（Li et al.,2008）的降雨总量约为81-89％。每年潜在蒸散量范围为山区700毫米，沙漠平原2600多毫米。因此，水资源主要来自祁连山降水和冰川融化。

石羊河流域总人口在2003年大约为227万多人，即73万城市人口和154万农村人口。城市人口大多集中在凉州区和金川区。总农业灌溉面积约为304500公顷。二十四个有4.78亿立方米库容的水库建成，以满足下游人民用水资源需求。

图1.石羊河流域的位置和研究中使用的监测点（改编Ma et al., 2008）

2.2 SWAT模型

之所以选择SWAT模型用于这项研究，因为它被全球使用和验证（Gassman et al., 2007）。此外，在世界各地SWAT已被用于多种气候变化案例研究（e.g. Fontaine et al., 2001; Eckhardt and Ulbrich, 2003; Chaplot, 2007; Guo et al., 2008; Schuol et al., 2008; Ficklin et al., 2009a, 2009b）。 SWAT是由美国能源部农业——农业研究局制定的水文/水质模型（Arnoldet al.,1998）。该模型是一个在流域尺度上的不间断进行水文循环和农业污染物运输的空间分布模拟器。它每日或者每月运行一次。每月一次用于这项研究。主要模型组件是天气条件，水文，土壤性质，植物生长和土地管理，以及负荷和流动的营养物质，杀虫剂，细菌和其它病原体。在Neitsch et al.的研究中可以详细了解SWAT。（2005）

模拟水文过程分为两个阶段：陆地阶段和水文阶段。陆地阶段控制定时定量的水的污染负荷流量批量进入受纳水体。水文阶段通过河流系统模拟运行。径流体积预计结合土壤、土地利用和管理信息的价值用于修改后的SCS曲线数值模式（SCS，1984）。曲线数值基于每个时间点土壤水分的量来进行调整。通道中的路由可分为水、沙、营养物质和有机化学物质四个组成部分。可用多种方法和Penman–Monteith (Penman, 1948; Monteith, 1965)在本研究中使用的方法来计算潜在蒸散量。

在SWAT中，一个流域被分为多个子流域，然后再分成称为水文响应单元（HRUs）的独特的土壤/土地利用特征单位。这些HRUs的特征被定义为是相似的地貌和水文特性同质（Flugel, 1995）的空间单位。在SWAT中，HRUs是由均质土壤性质和土地利用的独特组合。例如，一个特定的HRU单位土地可能含有砂质壤土和麦田。用户指定的土地覆盖和土壤区域的阈值可以应用在限制每个子流域HRUs的数目。在这项研究中，所述子流域被用于HRU定义的只有10%~20%土地使用和土壤性质。使用这些值产生了147个子盆地和676个HRUs。HRU水平衡是代表着HRUS由五个存储组件：林冠截留，雪，土壤剖面，浅层地下水和深层含水层。流域的产生是一个子流域所有HRUs相加，然后将所得流量通过通道、池塘和/或水池路由到流域出口。

SWAT根据特定工厂植物生长组件利用开发植物得到的输入参数，将其总结在SWAT植物生长的数据库。从这些参数，SWAT计算出植物生长的输出特性，如生物量和叶面积指数。热机理论用于调节植物生长周期（Boswell, 1926; Magoon and Culpepper, 1932）。

值得注意的是，保持所有气候变化恒定是很重要的。这个决策的影响是广泛的，因为在城市或农业区的任何变化都会对水文循环有很大的影响。例如，在市区增加地表径流将导致不透水表面增加。虽然有大量的山区和沙漠地带，但城市化和非农化的可能并不是一个问题，因为土地是可居住的。

2.3 数据源

水土评估工具来源于各种参数值输入编制，如地形、风景和天气数据（Table I）。数字模型来自美国地质调查局（USGS，2009年）。中国地理科学与资源科学院和中国社科院的科学研究获得了土地利用和土壤特性数据。土壤属性数据包含如最大根深、孔隙度和有效含水量等土壤物理性质的数据。土地利用和土壤特性空间格局假定通过模拟来保持不变。从石羊河流域的水资源局和中国国家气象局取得气象数据，如降水、温度、风速、太阳辐射和相对湿度。从石羊河流域的水资源局提取仪获得的水质监测数据。图1显示了水文测量站的位置。

表1.石羊河流域水土保持评估工具模型输入数据

2.4 SWAT模型校准和验证

水土保持评估工具包括超过200个水文参数，因此，最敏感的参数必须选择性校准。

利用Duan et al. (1992)开发的混合演化方法进行模型校正。模型的性能基于三个模型评估指标：量误差 (rVol), 相关系数(R²) 和 Nash–Sutcliffe efficiency系数(NSEC).这些定义指标见表II中。校准和验证后，我们使用均方根误差（RMSE）和平均绝对误差（MAE）模拟水流。校准和验证的周期分别是1988年至19​​99年和2000年至2005年。在这基础上对杂木和九条岭测量站的校准参数进行填充，然后输入到西营站作为初始校准参数。选择以这些基地校准是因为其范围内没有水库，因此可以被假定为模拟天然径流特性。对这些次级盆地的水库影响参数进行初始校准，然后相应地调整，以观测到正确的排放数据。

表2.流量模拟评价指标

列为1的参数是最重要的，Neitsch et al. (2005)发现了灵敏度参数排名2至8的全部细节，并减少其对水文循环的影响。湿润条件II（C

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