 Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2012, 1, 388-392 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2012.15060 Published Online October 2012 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) Response of Runoff to Future Climate Change in the Upper Reaches of Heihe River Basin* Yanjun Ma, Zhanling Li# School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences, Beijing Email: #zhanling.li@cugb.edu.cn Received: Jul. 5th, 2012; revised: Jul. 19th, 2012; accepted: Jul. 27th, 2012 Abstract: Understanding the changes of water resources in different climate scenarios for Heihe River Basin are of great importance due to its scare amount and its vital role in social sustainable development. Therefore, responses of runoff to future climate change in the upper reaches of Heihe River Basin were mainly focused on by using SWAT model. Results showed that, when precipitation increased by 10% and 20% with no change in temperature, annual average runoff depth would increase 24% and 49%; when precipitation de- creased by 10% and 20%, annual average runoff depth would decrease 20% and 37%; when temperature in- creased 1˚C and 2˚C, whlie precipitation was stable, annual average runoff depth would decrease 6% and 11%; and when temperature decreased 1˚C and 2˚C, annual average runoff depth would increase 13% and 27%. When temperature and precipitation changed simultaneously, more complex conditions would occur. To sum up, if the climate in the study area changed to warm and arid, water resources would decrease; if the climate there changed to cold and arid, changes in water resources would depend on the decreasing degree of precipitation and temperature; if the climates changed to warm and humid or cold and humid, water resources would increase, and more increase in water resources would occur for cold and humid climate. Results also showed that, different meteorological variables affected water resources in different ways. Precipitation had great effects on total water yield, while temperature affected the temporal distribution of water yield in the basin. Keywords: Heihe River; Climate Scenario; Runoff; SWAT 黑河上游径流量对未来气候变化的响应分析* 马彦军，李占玲# 中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 Email: #zhanling.li@cugb.edu.cn 收稿日期：2012 年7月5日；修回日期：2012 年7月19 日；录用日期：2012 年7月27 日 摘 要：未来气候变化条件下黑河流域水资源量的变化将直接影响整个流域的水资源分配以及社会和 经济的可持续发展。本文借助 SWAT 模型，探讨了未来不同气候变化情景下黑河上游水资源量的变化 情况。结果表明，气温不变时，当降水增加10%和20%，多年平均径流深分别增加24%和49%；降水 减少 10%和20%时，多年平均径流深分别减少 20%和37%；降水不变时，气温升高 1℃和 2℃，多年 平均径流深减少6%和11%；气温降低 1℃和 2℃，多年平均径流深会增加 13%和27%。气温和降水同 时发生变化时，径流量变化更为复杂。当流域气候向暖干方向转变时，流域水资源量会有所减少；当 流域气候向冷干方向转变时，流域水资源量既可能减少也可能增加，取决于降水和气温下降的程度； *基金项目：由中央高校基本科研业务费专项资金资助(项目编号 2010ZY13，2012078)。 #通讯作者。 作者简介：马彦军，(1988-)，男，汉族，学士，水文水资源专业。 Copyright © 2012 Hanspub 388  马彦军，等：黑河上游径流量对未来气候变化的响应分析 Copyright © 2012 Hanspub 第1卷 · 第5期 389 当流域气候向暖湿或冷湿方向转变时，流域水资源量都将有所增加，且冷湿气候导致水资源量的增幅 更大。不同气象要素对流域产流量的影响不同，降水对流域总的产流量影响较大，而气温对流量的时 间分配影响较大。 关键词：黑河；气候变化情景；流量；SWAT 1. 引言 流域内有 35 条小支流。随着用水的不断增加，部分 支流逐步与干流失去地表水力联系，形成东、中、西 3个独立的子水系。东部子水系即黑河干流水系，干 流全长 821 km，由于该水系产流区主要在黑河上游， 因此选取黑河上游(从祁连山至流域出口莺落峡水文 站)作为本文的研究区。上游河道长 303 km，面积约 1.0 万km2；降水量年内变化较大，汛期连续最大 4 个月(6~9 月)降水量占年降水量的 70%以上[6]；水面蒸 发的区域分布与降水量相反，由南部祁连山区向北部 增加，由高山向低山增加，且梯度变化较大[7]；径流 主要由降水形成，流量过程与雨量过程基本相应；黑 河深居内陆，属大陆性气候干旱区，气候地带性和区 域性非常明显[8]。 黑河流域是我国西北地区第二大内陆河流域，由 于其重要的地理位置和典型的气候特征，该流域历来 是科学工作者研究寒区、旱区水文、水资源的典型区 域，现已取得了很多丰硕的成果[1-5]。该流域降水稀少、 气候干旱，水资源十分短缺；水资源已成为制约当地 社会经济发展、生态环境保护的重要因素之一。在未 来气候变化条件下该流域水资源量也将发生一系列 变化，水资源量的变化将会直接影响整个流域的水资 源分配以及社会和经济的可持续发展。本研究将采用 SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型对黑河流 域产流区进行径流模拟，在此基础之上，采用假设情 景设置法生成研究区未来气候变化的各种情景，对各 种情景下研究区的径流量变化进行预测，分析和讨论 其相对于历史时期径流量的变化，探讨黑河上游水资 源量对气候变化的响应程度。为整个黑河流域的水资 源合理配置、有效应对气候变化的不利影响以及更好 更高效的利用西北内陆地区有限水资源提供依据。 SWAT 模型的输入数据包括研究区域分辨率为 950 m的黑河流域数字化高程模型(DEM)、1:100 万土 地利用图、1:100 万土壤类型分布图以及气象数据等。 气象数据包括 7个雨量站(托勒，莺落峡，野牛沟，扎 木什克，祁连，俄博，康乐)1987~2000 年的逐日降水 数据，4个气象站(托勒，野牛沟，祁连，张掖)逐日相 对湿度、平均风速、最高气温及最低气温。各站点地 理位置及高程如图 1和表 1所示。流量资料包括莺落 峡站 1987~2000 年逐日流量数据。选用 1987~1989 年 2. 研究区域及数据资料 黑河流域范围介于东经98˚~102˚，北纬37˚50'~ 42˚40'之间，涉及青海、甘肃、内蒙古自治区三省。 Figure 1. Locations of rainfall and meteorological stations in the upper reaches of Heihe River Basin 图1. 研究区气象站及雨量站分布图  马彦军，等：黑河上游径流量对未来气候变化的响应分析 第1卷 · 第5期 Table 1. Information of rainfall and meteorological stations in the upper reaches of Heihe River Basin 表1. 黑河上游雨量站及气象站站点位置及高程 名称 经度(˚E) 纬度(˚N) 高程(m) 野牛沟 38.417 99.583 3180 祁连 38.183 100.250 2787 山丹 38.800 101.083 1765 张掖 38.933 100.433 1483 托勒 38.820 98.417 3367 扎木什克 38.230 99.980 2810 俄博 37.970 100.930 3460 莺落峡 38.820 100.180 1700 康乐 38.800 99.920 2600 数据作为模型预热期，1990~1996 年作为模型率定期， 1997~2000 年作为模型验证期。 3. 气候变化情景构建 目前气候情景的构建通常采用两种方法：一是假 想的气候情景，即假定到未来某一特定时期气候要素 (温度、降水等)的变化量；二是取自 GCM(General Circulation Model)模拟的气候情景。由于 GCM 网格 格距较大，对于区域气候而言，其分辨率较低，因此 本文采用第一种方法构建气候变化情景。建立的黑河 流域未来气候变化情景具体设置为：降水量比 1990~1996 年原始数据分别增加+20%，+10%，0%， –10%，–20%，气温分别在 1990~1996 年原始数据基 础上增加2℃，1℃，0℃，–1℃，–2℃，一共有 24 组 组合情景。对这 24 组气候情景组合进行模拟，计算 在未来气候变化情景下的径流量变化情况。 4. 结果分析与讨论 4.1. 模型率定与验证 采用莺落峡水文站 1990~2000 年流量资料进行 SWAT 模型的参数率定及验证。结果表明，无论在率 定期还是验证期，模拟的莺落峡站日、月流量过程线 与实测流量过程线吻合的都很好；率定期莺落峡站的 年平均流量模拟ENS[9]为0.72，验证期年平均流量模 拟ENS 为0.64。就不同年份日流量过程的模拟效果而 言，率定期 1996 年日流量过程 ENS 达到最高为 0.80， 验证期 1998 年日流量过程ENS 达到最高为 0.73。这说 明SWAT模型可以对黑河上游莺落峡水文站的流量进 行很好的模拟和预测，可以用来进行不同气候情景条 件下径流量的计算。 4.2. 不同气候变化情景下的流域径流量 根据已率定好的SWAT 的模型，对未来各种气候 变化情境下的黑河上游莺落峡水文站径流量进行预 测，得出多年平均流量和多年平均年径流深，如表 2 所示。图 2显示了各种情景下莺落峡水文站多年平均 径流深变化情况。由表 2和图 2可知，在气温不变的 条件下，随着降水的增加，多年平均流量和多年平均 径流深增加；反之亦然。这主要因为黑河上游径流量 主要由降水形成，仅有小部分径流由融雪和冰川融化 形成；河流来水量随降水的变化而变化，流量过程与 雨量过程是基本对应的。由图 2可知，气温不变时， 当降水增加 10%，多年平均径流深增加24%；降 水 增 加20%时，多年平均径流深增加 49%；降水减少 10% 和20%时，多年平均径流深减少 20%和37%；降水变 化会导致多年平均径流深发生 2倍左右的变化。 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 20%10%0-10% -20% 径流深变化百分比（％） 降水变化百分比（％） 2℃ 1℃ 0℃ –1℃ –2℃ Figure 2. Annual average runoff depth of the Yingluoxia Station under different climate scenarios 图2. 不同气候变化情景下莺落峡水文站多年平均径流深变化情况 Table 2. Annual average discharge and runoff depth of the Yingluoxia Station under different climate scenarios 表2. 不同降水和气温变化条件下莺落峡站多年平均流量和多年平 均径流深计算结果 降水变化百分比 气温变化 20%10% 0 –10%–20% 2℃ 49.92 41.57 33.92 27.6922.20 1℃ 53.04 44.06 35.89 28.7522.96 0℃ 57.00 47.33 38.44 30.5324.01 –1℃ 57.02 52.71 43.03 34.0026.29 多年平均流 量(m3/d) –2℃ 70.00 58.97 48.59 39.0230.15 2℃ 157.28 130.97 106.87 87.2469.94 1℃ 167.12 138.81 113.08 90.5872.35 0℃ 178.99 149.11 120.45 96.2075.63 –1℃ 198.64 166.08 135.58 107.1282.83 多年平均径 流深(mm) –2℃ 220.54 185.79 153.09 122.9494.98 Copyright © 2012 Hanspub 390  马彦军，等：黑河上游径流量对未来气候变化的响应分析 第1卷 · 第5期 当降水条件不变时，随着气温的升高，多年平均 流量和多年平均径流深呈现减少态势；随着气温的降 低，流量和径流深呈增加态势；气温升高 1℃，多年 平均径流深减少 6%；气温升高 2℃时，径流深减少 11%；气温降低 1℃时2℃时，径流深分别增加 13% 和27%；显然，气温降低比气温升高对流域径流量的 影响更大。这是因为气温不仅影响流域总蒸散发量， 同时也会影响降水形态。气温降低，一方面导致流域 总蒸散发量降低，另一方面会增加降雪量，从而增加 融雪径流，这些都会导致流域来水量的增加。很多研 究[10,11]已表明，近些年来及未来一段时期内，黑河流 域气温都呈现上升趋势。因此可能需要更多的关注气 温升高对流域产流量的影响。 当气温和降水同时发生变化时，径流量变化更为 复杂。降水增加 10%，气温升高 1℃会导致多年平均 径流深增加15%，气温升高 2℃会导致径流深增加 8%；降水增加20%，气温升高 1℃和2℃，分别会导 致径流深增加39%和31%。这表明降水增加所导致的 流域来水量的增加会弥补由于气温升高所带来的流 域总蒸散发的损失；另外，气温升高也会使得融雪径 流增加，从而增加流域总的来水量。研究还表明，在 降水增加、气温下降条件下，流域径流量增幅更大。 也就是说，无论黑河上游气候向暖湿方向变化还是向 冷湿方向变化，流域水资源量都将会有所增加；后者 导致水资源量增幅更大。降水减少 10%，气温升高由 1℃变化到 2℃，多年平均径流深减少量由25%变化到 28%；降水减少20%，气温升高由 1℃变化到2℃，径 流深减少量由40%变化到 42%；即当流域气候向暖干 方向变化时，流域水资源量会有所减少。此外，降水 减少对径流量减少的贡献远要比气温升高对径流量 减少的贡献大。研究还发现，当降水减少、气温降低 时，即当流域气候向冷干方向变化时，流域水资源量 即可能减少也可能增加，这将取决于降水和气温下降 的程度大小。当然，流域实际情况要远比这些假想条 件复杂的多，影响产流量的因素也错综复杂；流域产 流量的大小是多种因素共同作用的结果。 图3显示了不同气候变化情景下莺落峡水文站多 年平均径流深在不同月份的变化情况。可以看出，仅 降水发生变化时，随着降水增加比例的增大(由10% 到20%)，流量过程线(图中多年平均径流深月分配过 程线)越来越尖瘦；随着降水减少比例的增大(由–10% 到–20%)，流量过程线越来越平坦；不同月份流量基 本呈现近似的等幅变化；无论降水增加还是减少，7、 8月份流量总是占全年流量的比例最大，其次是 6、9 和5月份。这说明降水对于流域总的产流量有着重要 的影响，但对于流量的月分配过程影响不大。在仅有 气温发生变化时，不同月份的流量变化趋势不相一 致，流量过程线形状发生明显变化。具体表现为，对 于秋季(9~11 月份)、冬季(12~2 月份)和春季的 3、4 月份，气温变化对流量的影响较小，而对于春季的 5 月份以及夏季(6~8 月份)，气温升高则对流量的影响 较大，其中6月份流量增加最为明显。当气温升高时， 6月份流量出现明显大幅度增加；当气温升高 2℃时， 洪峰时间提前，由原来的 7月份提前到 6月份。这说 明，比较降水而言，气温对于流量的时间分配影响更 大。也就是说，通过分析不同气候变化情景下莺落峡 水文站多年平均径流深在不同月份的表现，可以发 现，不同气象要素对流域产流量的影响作用和程度 0 10 20 30 40 50 123456789101112 多年平均径流深（mm） 月份 20% 10% 0 -1 0% -2 0% 0 10 20 30 40 123456789101112 多年平均径流深（mm） 月份 2℃ 1℃ 0℃ –1℃ –2℃ (a) 表示气温不变，降水发生变化 (b) 表示降水不变，气温发生变化 Figure 3. Seasonal average runoff depth of the Yingluoxia Station under different climate scenarios 图3. 不同气候变化情景下莺落峡水文站多年平均径流深在不同月份的变化情况 Copyright © 2012 Hanspub 391  马彦军，等：黑河上游径流量对未来气候变化的响应分析 第1卷 · 第5期 是不同的，降水对流域总的产流量影响较大，而气温 主要是对流量的时间分配影响较大。这与 Stonefelt 等 人的研究结论较为一致[12]。 5. 结论 本文基于 SWAT模型对黑河上游莺落峡水文站的 径流模拟，着重探讨了未来不同气候变化情景下研究 区水资源量的变化情况。结果表明：1) 气温不变时， 降水增加10%和20%，黑河上游多年平均径流深分别 增加 24%和49%；降水减少10%和20%，径流深分别 减少 20%和37%；降水变化会导致多年平均径流深发 生2倍左右的变化。2) 降水不变时，气温升高 1℃和 2℃，多年平均径流深减少 6%和11 %；气温降低 1℃ 和2℃，径流深会增加 13%和27%；气温降低比气温 升高对流域径流量的影响更大。3) 当气温和降水条件 同时发生变化时，径流量变化更为复杂。当流域气候 向暖干方向变化时，流域水资源量会有所减少；当流 域气候向冷干方向变化时，流域水资源量即可能出现 减少也可能出现增加，这将取决于降水和气温下降的 程度大小。当流域气候向暖湿或冷湿方向变化，流域 水资源量都将会有所增加；且冷湿气候导致水资源量 的增幅更大。4) 通过分析不同气候变化情景下莺落峡 水文站多年平均径流深在不同月份的表现，可以发 现，不同气象要素对流域产流量的影响和程度是不同 的，降水对流域总的产流量影响较大，而气温对流量 的时间分配影响较大。 参考文献 (References) [1] 蓝永超, 康尔泗, 金会军, 等. 黑河出山径流量年际变化特征 和趋势研究[J]. 冰川冻土, 1999, 2(1): 49-53. LAN Yongchao, KANG Ersi, JIN Huijun, et al. 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