基于HYPE模型评估小洪河流域水资源的气候变化敏感性

余陈阳子，刘伶俐，TAN LIT，杨晓英

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098； 2.复旦大学 环境科学与工程系，上海 200433)

气候变化对降雨量和降雨时空分布的影响使得全球地表水资源的分布发生改变，对人类社会的方方面面造成不同程度的影响[1].有研究表明： 1980—2000年，气候变化使得中国南方各流域的年径流量增加，北方流域的年径流量减少；2001—2014年，气候变化总体使各流域径流量减少，在珠江流域、松花江流域和淮河流域，气候变化对其径流变化的贡献率分别达到92%、68.4%和67.8%[2].小洪河流域位于淮河流域上游，地处我国南北气候过渡带，是我国对气候变化最为敏感的区域之一.历史上，小洪河流域干旱、洪涝等极端气候事件频发.在全球气候变化的大背景下，对小洪河流域水循环进行模拟分析，探究气候变化对该流域水资源的影响对当地水资源的可持续管理与利用具有重要的现实意义与科学价值.

流域径流量的气候变化敏感性分析是研究气候变化对流域水资源影响的重要途径.联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)对敏感性的定义为： 系统受到与气候有关的刺激因素影响的程度，包括不利的和有利的影响[3].水文要素对气候变化的敏感性是指流域的径流、蒸发及土壤水对可能的气候变化情景的响应程度[4].水文模型作为水资源评价、配置、开发和利用的基础，在水资源气候敏感性影响评估方面具有广泛的应用.高超等[5]将SWIM分布式水文模型与统计方法相结合，计算并分析了淮河流域上游地区径流对气候要素的敏感性系数，得出该流域上游干流区域径流对降水的敏感性明显高于对温度的敏感性等结论；Jones等[6]选取SIMHYD, AWBM和Zhang01三种水文模型，探究了澳大利亚22个流域径流量对降水和潜在蒸散发量的敏感性，发现径流对降水的敏感性要高于对潜在蒸散发量的敏感性；Mengistu等[7]构建了东部尼罗河流域的SWAT模型，在20种气候变化情境下探究3个子流域径流对降水和温度变化的敏感性并分析了不同子流域间敏感性差异；Vano等[8]运用Noah、SAC、VIC等5种模型，研究了科罗拉多州河流域径流量对降水和温度变化的敏感性.

迄今为止，已有的径流气候变化敏感性研究多着重分析流域总出口断面年径流量对气候变化的敏感性，而对气候变化敏感性的时空间分布特征研究较为鲜见，且已有研究多只局限于计算不同气候变化情景下的径流量变化率[9-11]，并未进一步分析径流对主要气候因子(降雨、温度等)变化的敏感性系数.此外，在未来气候变化数据生成方面，已有研究多采用delta方法，基于统一的转换系数对历史天气数据进行变换以生成未来天气序列[12-14]，从而无法反映气候系统的复杂性和气候变化的随机性与不确定性.

HYPE(Hydrological Predictions for the Environment)是由瑞典气象与水文所(Swedish Meteorological and Hydrological Institute, SMHI)研发的一款(半)分布式水文模型[15]，具有模型结构简单，模拟准确度高，适用于中/大尺度流域范围等优点，已在瑞典Ronnea和Vindan流域[16]，波罗的海流域[17]以及日本Kamo流域[18]等得到应用，但其在我国的应用较少.本文在地处淮河上游的小洪河流域构建HYPE模型，并结合可生成随机天气序列的天气发生器LARS-WG[19-21]，模拟小洪河流域在65种不同气候变化情景(温度变化为0℃、+1℃、+2℃、+3℃、+4℃，降雨量变化为0%、±5%、±10%、±15%、±20%、±25%、±30%)下的地表径流量，并选取流域上、中、下3个子流域出口断面，系统分析该流域地表径流在春、夏、秋、冬四季对气候变化的敏感性和时空分布特征，以期为该地区未来水资源的管理与利用提供重要的科学决策依据.

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

小洪河为淮河上游北支支流，流经西平县、上蔡县、平舆县、新蔡县等县区，干流呈西北向东南走势，全长252km[22].本文的研究区域为新蔡站点的上溯流域(图1)，流域面积4323km2，地理坐标介于东经113°18′～115°03′，北纬32°33′～33°26′之间.小洪河流域地处南北气候过渡带，具有温带季风-亚热带季风双重气候特征.季风是影响该流域天气的主要因素，春季多西北风，夏季多东南风，气候复杂多变，气象灾害种类多，发生频繁，影响大，常出现“大雨大灾，小雨小灾，无雨旱灾”的状况.

图1 研究区域Fig.1 Study region

1.2 基础数据

构建HYPE模型主要需要两大类输入数据： 空间序列和时间序列数据.空间序列数据包括： 行政区划数据、数字高程数据(Digital Elevation Model, DEM)、河流水系数据、土地利用/土地覆盖(Land Use/Land Cover, LCUC)和土壤类型数据等.时间序列数据包括： 2001—2011年共10年的日降雨量数据、日平均气温数据和日径流量数据等(表1).图2(见第474页)显示了该流域内降雨量站点和水文站点的分布情况.

基于DEM数据与和河网水系分布，利用Arc GIS的Arc Hydro Tools的自动流域划分功能，以60km2为最小面积阈值，将小洪河流域划分为53个子流域(图3).此外，将研究区域的LULC类型和土壤类型分别进行重分类，得到5种主要LULC类型(农田、居民用地、森林、草地和水域)和7种主要土壤类型(潮土、砂姜黑土、黄褐土、粘盘黄褐土、黄褐土性土、钙质粗骨土和黄棕壤).将各LULC类型与土壤类型叠加后得到35个水文响应单元.

图2 降雨站点与水文站点图Fig.2 Spatial distribution of rainfall gages and hydrological stations

图3 子流域分布图Fig.3 Spatial distribution of subbasins

1.3 HYPE模型率定与验证

选取小洪河流域内庙湾与新蔡两个水文站点，根据其历史日径流量监测数据，对HYPE模型进行率定.将2001—2004年作为预热期，2005—2007年作为率定期，2008—2011年作为验证期.

HYPE模型的参数主要分为3类： 与土地利用类型相关的参数、与土壤类型相关的参数以及与流域相关的通用参数(表2).本研究基于文献和参考资料采用人工试错法排除不敏感参数，缩小敏感参数取值范围，再利用HYPE自带率定模块程序对高敏感参数进行率定.

选用纳什效率系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,NSE)，确定系数(Coefficient of determination,R2)和偏差(Relative error,RE)[23-26]作为评价指标对模型的径流量模拟结果进行评估.NSE和R2的数值越接近1，说明模拟值和实测值的吻合度越高，模拟效果越好.通常认为，当0.75

表2 HYPE模型主要水文参数与物理意义

1.4 气候变化敏感性分析

基于研究区域的历史气候统计特征，利用LARS-WG，在假定温度变化分别为0℃、+1℃、+2℃、+3℃、+4℃，降雨量变化分别为0%、±5%、±10%、±15%、±20%、±25%、±30%共65种气候情景下，分别生成未来50年的日温度与降雨量数据，并利用HYPE模型，模拟不同气候变化情景下研究区域的水文过程.基于HYPE模拟结果，分别计算径流量对温度和降雨量变化的敏感性系数，并在此基础上评估地表径流对气候变化的敏感性及其时空分布特征，主要计算公式如下.

在降水变化ΔP、气温变化Δt的气候变化情景下，地表径流量相对于基准情景下径流量的变化百分比为[27]：

(1)

式中：SP+ΔP,t+Δt是降水变化ΔP、气温变化Δt情景下的径流量变化百分比，RP,t为基准情景(降雨和温度均不变)下的径流量，RP+ΔP,t+Δt为降水变化ΔP、气温变化Δt情景下的径流量.

在气温变化为Δt的情景下，地表径流量对降雨量变化的敏感性系数为[28]：

(2)

式中：εP是地表径流量对降雨量变化的敏感性系数，SP+ΔP,t+Δt是降水变化ΔP、气温变化Δt情景下的径流量变化百分比，SP,t+Δt是气温变化Δt、降雨量不变情景下的径流量变化百分比，ΔP是降雨变化百分比.在同一温度变化情景下，地表径流量对降雨量变化的敏感性系数越大，其对降雨量变化的敏感性越强，反之则敏感性越弱.

在降雨变化为ΔP的情景下，地表径流量对温度变化的敏感性系数为[28]：

(3)

式中：εt是地表径流量对温度变化的敏感性系数，SP+ΔP,t+Δt是降水变化ΔP、气温变化Δt情景下的径流量变化百分比，SP+ΔP,t是降雨量变化ΔP、温度不变情景下的径流量变化百分比，Δt是温度变化.在同一降雨量变化情景下，地表径流量对温度变化的敏感性系数绝对值越大，其对温度变化的敏感性越强，反之则敏感性越弱.

2 结果与讨论

2.1 HYPE日径流量模拟结果

HYPE模型对庙湾与新蔡二站在率定期和验证期的日径流量模拟结果如图4所示(见第476页).由图可知，在率定期与验证期内，两个站点的模拟值与实测值的变化趋势基本一致，吻合度高.由模型评价指标结果(表3)可知，HYPE模型在率定期与验证期均较好地再现了研究区域的水文循环过程，因此可用于进一步的流域径流量气候变化敏感性研究.

表3 各站点率定期与验证期的指标评价结果

图4 庙湾站、新蔡站率定期和验证期日径流量模拟与实测值Fig.4 Simulated and observed daily discharge at Miaowan and Xincai station during calibration and validation

2.2 不同气候变化情景下的径流量时空特征分析

基于HYPE模型在不同气候变化情景下的50年日径流量模拟结果，按照春(3月—5月)、夏(6月—8月)、秋(9月—11月)、冬(12月—次年2月)四季，利用Origin软件，分别生成15(上游)、28(中游)、53(下游)3个子流域出口断面在不同季节和气候变化情景下的径流量分布箱形图(图5～图7).

图5 65种气候变化情景下子流域15出口的季节径流量分布箱形图Fig.5 Boxplots of seasonal discharge at the outlet of subbasin 15 under 65 climate change scenarios

由图可知： (1) 在相同的温度变化情景下，3个子流域出口断面的径流量均随着降雨量的增加呈现增加趋势.例如，在温度不变的情景下，随着降雨量变化由-30%增至+30%，子流域15出口断面的春季径流量平均值由0.6m3/s升高到8.9m3/s，夏季径流量由2.4m3/s升高到23.5m3/s，秋季径流量由2.7m3/s升至17.8m3/s，冬季径流量由0.6m3/s升至4.7m3/s.(2) 在相同的降雨量变化情景下，径流量则随着温度的增加呈现减小趋势.例如，在降雨量不变的情景下，随着温度变化由0℃增至4℃，子流域15出口断面春季平均径流量由4.1m3/s下降到1.3m3/s，夏季径流量由10.6m3/s下降到7.5m3/s，秋季径流量由9.7m3/s下降到7.3m3/s，冬季径流量由2.4m3/s下降到1.1m3/s.(3) 在不同气候变化情景下，上、中、下游流域出口断面的季节径流量总体变化趋势相似，但下游径流量变化的绝对值要高于上游.例如，在温度不变的情景下，随着降雨量变化由-30%增加至+30%，子流域53出口断面的春、夏、秋、冬四季平均径流量分别由2.0m3/s增至28.5m3/s，7.0m3/s增至88.5m3/s，8.7m3/s增至74.7m3/s，2.7m3/s增至21.6m3/s.在降雨量不变的情景下，随着温度变化由0℃增加到4℃，子流域53出口断面春季平均径流量由15.7m3/s下降到4.1m3/s，夏季径流量由36.7m3/s下降到23.7m3/s，秋季径流量由39.6m3/s下降到27.4m3/s，冬季径流量由11.4m3/s下降到5.4m3/s.(4)径流量在不同温度和降雨组合情景下的分布显示出气候系统的复杂性和气候变化对径流量的非线性影响.径流量并非随着降雨或温度的变化而绝对地增加或减小.不同降雨和温度变化情景下的径流量变化范围有很大程度的重叠.例如，当温度不变、降雨量增加分别为20%和30%时，子流域15出口断面的夏季平均径流量变化范围分别为0.4～109.7m3/s和0.4～125.3m3/s；当降雨量不变、温度增加分别为1℃和2℃时，该断面的夏季平均径流量的变化范围分别为0.2～76.6m3/s和0.2～74.1m3/s.

图6 65种气候变化情景下子流域28出口的季节径流量分布箱形图Fig.6 Boxplots of seasonal discharge at the outlet of subbasin 28 under 65 climate change scenarios

图7 65种气候变化情景下子流域53出口的季节径流量分布箱形图Fig.7 Boxplots of seasonal discharge at the outlet of subbasin 53 under 65 climate change scenarios

在上、中、下游的3个子流域，利用双因子方差分析(α=0.05)分别评估降雨量和温度2个主要气象因子对子流域出口断面四季径流量的影响.方差分析结果显示： 在春、夏、秋、冬四季，降雨量变化对3个子流域出口断面的径流量均有显著性影响.与降雨量不同，温度变化对四季径流量的影响存在一定的时空差异.在上游，温度变化对夏、秋2季的径流量无显著性影响，但对春、冬2季的径流量有显著性影响.在中游与下游，温度变化对四季的径流量均存在显著性影响.另外，温度与降雨量变化对径流量的影响没有显著的交叉作用.

图8 5种温度变化情景下子流域15(上游)出口断面的季节径流量对降雨量变化的敏感性系数Fig.8 Sensitivity coefficients of seasonal discharge relative to precipitation change at the outlet of subbasin 15 in the upstream area under 5 temperature change scenarios

图9 5种温度变化情景下子流域28(中游)出口断面的季节径流量对降雨量变化的敏感性系数Fig.9 Sensitivity coefficients of seasonal discharge relative to precipitation change at the outlet of subbasin 28 in the midstream area under 5 temperature change scenarios

图10 5种温度变化情景下子流域53(下游)出口断面的季节径流量对降雨量变化的敏感性系数Fig.10 Sensitivity coefficients of seasonal discharge relative to precipitation change at the outlet of subbasin 53 in the downstream area under 5 temperature change scenarios

2.3 径流量的气候变化敏感性分析

图8～图10显示了位于上、中、下游的3个子流域出口断面在5种温度变化情景下的四季径流量对降雨量变化的敏感性系数.由图可知： (1) 在同一温度变化情景下，季节径流量对降雨量变化的敏感性呈现显著不对称性.在相同的降雨量变化百分比下，径流量对降雨量增加的敏感性要显著高于对同等降雨量减少的敏感性.例如，当温度升高2℃时，在降雨量减少和增加30%的情景下，子流域15出口断面春季径流量对降雨量变化的敏感性系数分别为1.5和4.5.(2) 在不同温度变化情景下，径流量对降雨量变化的敏感性具有明显的季节差异.以子流域15为例，首先，当温度不变时，该子流域出口断面春、夏2季径流量对降雨量变化的敏感性总体高于秋、冬2季，特别是当降雨量变化大于5%时，春、夏2季敏感性系数明显高于秋、冬2季.其次，当温度增加1℃时，径流量对降雨量变化的敏感性比较复杂.当降雨量变化为-30%到+15%时，该子流域出口夏、秋2季的敏感性总体高于春、冬2季；而当降雨量变化为+20%到+30%时，春、冬2季的敏感性系数明显升高.此时，春、夏、冬3季的敏感性总体高于秋季.最后，当温度增加2℃～4℃时，夏、秋2季径流量对降雨量变化的敏感性总体高于春、冬2季.(3) 在同一温度变化情景下，下游出口断面的径流量对降雨量变化的敏感性总体高于中游；中游总体高于上游.例如，当温度增加1℃时，随着降雨变化从-30%到+30%，上、中、下游3个子流域出口断面的春季径流量对降雨量变化的敏感性系数分别为2.0～6.2、2.1～8.3和2.1～12.7.

图11～图13显示了位于上、中、下游的3个子流域出口断面的四季径流量在7种降雨量变化情景下对温度变化的敏感性系数.

图11 7种降雨量变化情景下子流域15(上游)出口断面的季节径流量对温度变化的敏感性系数Fig.11 Sensitivity coefficients of seasonal discharge relative to temperature change at the outlet of subbasin 15 in the upstream area under 7 precipitation change scenarios

图12 7种降雨量变化情景下子流域28(中游)出口断面的季节径流量对温度变化的敏感性系数Fig.12 Sensitivity coefficients of seasonal discharge relative to temperature change at the outlet of subbasin 28 in the midstream area under 7 precipitation change scenarios

图13 7种降雨量变化情景下子流域53(下游)出口断面的季节径流量对温度变化的敏感性系数Fig.13 Sensitivity coefficients of seasonal discharge relative to temperature change at the outlet of subbasin 53 in the downstream area under 7 precipitation change scenarios

由图可知： (1) 在相同的降雨量变化情景下，各季节径流量对温度变化的敏感性总体呈现随温度升高而降低的趋势，其中夏、秋2季降低趋势较弱.例如，在降雨减少10%的情景下，随着温度变化由1℃增至4℃，子流域15出口断面夏季径流量的敏感性系数绝对值由7.6下降为5.6.(2) 春、冬2季在降雨量减小的情景下，敏感性降低趋势较弱；而在降雨量增加的情景下，降低趋势比较明显.例如，当降雨减少20%时，随着温度变化从1℃增至4℃，子流域15出口断面春季径流量的敏感性系数绝对值由9.7下降为5.1；而当降雨增加20%时，敏感性系数绝对值由71.8下降为41.7.(3) 在相同的降雨量变化情景下，径流量对温度变化的敏感性具有明显的季节差异.总体上，春、冬2季径流量对温度变化的敏感性要高于夏、秋2季，这种季节性差异在降雨量增加的情景下表现尤为明显.(4) 在相同的降雨量变化情景下，下游出口断面的径流量对温度变化的敏感性总体高于中游；中游总体高于上游.例如，在降雨增加10%的情景下，随着温度变化由1℃增至4℃，上、中、下游3个子流域出口断面春季径流量对温度变化的敏感性系数绝对值分别为26.2～42.9、30.4～56.1和38.2～83.0.

综上所述，小洪河流域径流量对气候变化(包括温度与降雨量变化)总体较为敏感，且敏感性系数总体随上溯流域面积的增加而增加，即流域下游径流量对气候变化的敏感性>流域中游径流量对气候变化的敏感性>流域上游径流量对气候变化的敏感性.此外，在不同温度变化情景下，该流域的夏季径流量对降雨量变化的敏感性一直较高.未来气候变化条件下，小洪河流域夏季发生洪涝灾害的风险加大.鉴于小洪河流域历史上夏涝问题已经较为严重，在当地的水资源管理工作中，尤其需要关注降雨量变化对夏季径流量所可能造成的显著影响.

5 结 论

(1) 在小洪河流域建立HYPE模型.在率定期，庙湾与新蔡两个站点的纳什效率系数NSE与相关系数R2均在0.85以上；在验证期，二者均在0.7以上.由此可见，HYPE模型能较好模拟研究区域的水文循环过程，在当地具有较好的适用性.

(2) 在上、中、下游，降雨量变化对小洪河流域四季的径流量均有显著性的影响.温度变化对径流量的影响则存在一定的时空差异： 在上游，温度变化对夏、秋2季的径流量无显著性影响，但对春、冬2季的径流量有显著性影响；在中游与下游，温度变化对四季的径流量均存在显著性影响.此外，降雨与气温变化对径流量的影响没有显著的交叉作用.

(3) 小洪河流域径流量对气候变化的敏感性呈现明显的时空差异.从空间上看，径流量的气候变化敏感性总体随上溯流域面积的增加而增加，呈现流域下游径流量对气候变化的敏感性>流域中游径流量对气候变化的敏感性>流域上游径流量对气候变化的敏感性的规律.从季节上看，当温度维持现状时，春、夏2季径流量对降雨量变化的敏感性总体高于秋、冬2季.在温度升高1℃的情景下，季节径流量对降雨量变化的敏感性显著受到实际降雨量变化的影响.当温度升高2℃到4℃时，夏、秋2季径流量对降雨量变化的敏感性总体高于春、冬2季.此外，在所有降雨变化情景下，春、冬2季径流量对温度变化的敏感性总体高于夏、秋2季.