英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

比较中国丹江口水库流域和密云水库流域的径流对干燥指数的灵敏度

摘要

中国南水北调的中心线路将在2014年开始从丹江口水库流域引水到北京。当前北京主要的地表水源是密云水库流域。由于气候变化和人类活动，从1960到2005年间DRD和MRD的入流量有显著的降低。气候的弹性系数法被广泛用于定量分离气候变化和人类活动对径流的影响。这个方法的一个不确定因素是通过假设下渗和潜在蒸散发是相互独立的来分离它们对径流的影响。然而下渗和潜在蒸散发不是完全独立的。干燥指数，即潜在蒸散发和下渗之间的比率，可以看做气候变化的代表性指标。在本研究中，通过评估DRB和MRB中气候对径流的影响来评估径流对干燥指数的灵敏度。结果显示MRB中的径流比DRB中的径流对气候变化更加敏感。然而，干燥指数对径流的有效影响是灵敏度的产物和干燥指数变化率。归因结果显示，干燥指数对径流下降的贡献率在DRB中是68.8%，而在MDR中是31.5%。这表明在DRB中径流下降的主要原因是气候变化的影响，而在MDR中是人类的活动，例如持续增长的用水量和土地利用变化。

1 引言

近年来，气候变化和人类活动导致水文过程和全球许多地区的可用水量极大变化。增长的蒸散发和下渗的变化对径流有潜在的影响。人类活动例如土地利用/覆盖的变化也可以改变水文过程并且影响径流的产生。本文使用了不同方法来定量分离环境变化和人类活动对径流的影响。在这些方法中，气候弹性系数法被广泛用于全球不同地区。

气候弹性系数法测量环境变化对径流环境变化的影响贡献，并且评估径流的其余变化是来自人类影响或者其他不确定因素。普遍来说，径流记录被分为两个时期，并且这两个时期的径流变化(Delta;Q)用下式估计:

Delta;Q=Delta;Qc Delta;Qh （1）

式中Delta;Qc是气候变化引起的流量变化，Delta;Qh是人类活动引起的流量变化。

Delta;Qc大致估计为：

式中Q为径流，P为下渗，ET0为潜在蒸散发，. Delta;Qp和. Delta;Qe0分别为P和ET0的变化对径流变化的贡献，Delta;P和Delta;ET0为P和ET0在两个时期间的变化，εP和εET0是径流分别对P和ET0的气候弹性系数。气候弹性系数法考虑下渗和潜在蒸散发为估计气候变化对径流影响的代表因子。这个方法的一个不确定因素是通过假设下渗和潜在蒸散发的Eq是相互独立的来分离它们对径流的影响。然而下渗和潜在蒸散发不是完全独立的。例如，下渗增加会导致气压增压，从而导致潜在蒸散发下降。干燥指数，作为下渗和潜在蒸散发的结构，可在弹性系数法中作为代表因子来估计气温变化对径流的影响。

丹江口水库流域是南水北调工程中线的水源，而北京是工程调水终点之一。当前北京主要的地表水源是密云水库流域，提供了北京将近一半供水。两个流域气候变化对径流的影响不可避免地影响南水北调工程的进行。

该研究的目的有:(1)表征1960-2005间DRB和MRB的年径流和干燥指数变化 （2）评估并比较两流域径流干燥指数的灵敏度，并且（3）用两流域干燥指数的指标来估计气候变化对径流的影响。

2 研究区域和数据

DRB (111.5 E, 32.7 N)位于长江最大支流——汉江的中游。水库有平均海拔656m、面积96,000 km2的引流区。DRB位于亚热带季风气候带。年平均温度13.5到15.5度，年下渗 700-1100mm，并且70%-80%的下渗发生在5-10月的潮湿月份。6-10月的径流占年总径流量的65%。

密云水库（116.9 E, 40.5 N)位于北京北部100公里。水库有平均海拔89m、面积15，800km2的引流区。MRB位于季风半干旱气候带，年平均温度9到10度，年平均降水量300-700mm，雨季（6-9月）贡献全年降水量的80%。

该研究中使用了国家气象中心的从1960-2005年18个国家站的每日气象记录，11个站位于DRB，七个站位于MRB。气象数据包括每日P、气温T、风速、气压、日照时间。ET0通过彭曼-蒙特斯系数法计算。DRB和MRB的月际径流入数据1960-2005）分别由长江委员会和北京水文局提供。用于确认土地利用变化的1985和1995年的土地利用图来自中科院。1times;1 km分辨率的地图同样用于其他水文-气候图中。

3 方法

3.1 统计分析

非参数曼-肯德尔系数法被广泛用于分析水文-气候时间序列突变。曼-肯德尔系数法假设时间序列连续。将一个系列的每个数据命名为x1, x2hellip; xn，曼-肯德尔系数法排名统计（dk）通过合计mi计算，mi是序列中大于xi的值。

检验统计量dk的均值和方差 :

统计量u(dk)的顺序值计算为：

u(dk)(1le;kle;n)的项构成正向 序列曲线(C1)。然后将相同的方法应用于求逆序列（C2）。C1和C2的交点位于发生气候跃变的时间置信区间之间。

3.2 灵敏度系数

灵敏度系数，定义为因变量变化率与独立变量变化率的比率，是对某个因素的灵敏度的指标。径流对干燥指数的敏感度可以以下式评估：

ϕ 是干燥指数，表示为 ϕ=ET0/P。Q 是径流。本质上，正负灵敏度系数表明Q将随ϕ 增加或减少。-0.1的灵敏系数意味着增加10%的干燥率，这将导致径流减少1%。这个灵敏度分析被广泛用于水文-气候研究。

用曼-肯德尔法将1960-2005年间DRB和MRB的径流数据分为两个时期。这两个时期径流干燥指数的变化的贡献是径流对干燥指数灵敏度和干燥指数的变化率的结果。因此，径流干燥指数的贡献可以计算为：

贡献率可以被估计为：

式中Cϕ 为干燥指数变化对径流变化的贡献率，ϕ1 和 ϕ2是是时期1和时期2的平均干燥指数，rho;ϕ是干燥指数变化率对径流变化的贡献率，Q1、Q2是两个时期的平均径流。

流域的水量平衡方程为：

Ea可以计算为:

4 结果

4.1 径流和干燥指数的变化

图3a、b显示了DRB和MRB分别从1960年到2005年的年平均径流。DRB的年平均径流量为394.06mm。 在DRB中最潮湿的1964年观测年径流为828.25mm,最干旱年份为1999年,年均径流为275.75mm。MRB的年平均径流为50.59mm。在MRB中最潮湿的1974年观测年径流 135.91mm,最干旱年份为2005年,年均径流为8.75mm。DRB的平均径流是MRD的7.8倍，也是南水北调必要性的部分原因。图3c，d显示了Mann–Kendall 两个流域水流记录变化的检验，DRB和MRB的年径流记录的突变点分别在1990和1980年。在DRB，平均每年 1951～1989年(第一期)河道流量为426.85mm。 1990年至2005年（第二期）下降到332.58mm。这个二期年平均径流量减少94.27mm DRB的相对变化为_22.1％(表2)。在MRB中，平均年径流量为69.70mm1951年至1979年（第一阶段），从此下降到35.87毫米1980年至2005年(第二阶段) 。年平均流量 II期下降33.82mm，相对变化为与I期相比为48.5%。MRB中相关径流下降比DRB大得多，图3e,f展现了MRB和DRB干燥指数1960-2005的变化。干燥指数在DRB和MRB中的普遍增加趋势,相对变化为7.6，在这两个时期之间为5.1%。

4.2 径流对干燥指数的灵敏度

图4a和b显示了由这五个参数计算的年径流灵敏度系数对干燥指数的变化。 DRB中基于Budyko假设的F(_)形式 以及1960-2005年的MRB，灵敏度系数在_2.22～1.91之间。由五个公式可知，MRB为_3.45～2.47（表3）。基于Budyko假设的不同公式所计算的灵敏度系数略有不同，这是因为公式的基本原理相同。（2001）以公式为例进行说明。这个两个流域灵敏度系数的平均值。图3DRB(a)和MRB年径流的变化（b) 1960年至2005年。DRB(c)和MRB(d)年径流的Mann-Kendall分析黑色的水平虚线表示与5%显著性水平相对应的临界值。1990年和1980年C1和C2的交叉点是DRB和MRB水流突变的起点， 分别。DRB(e)年干燥指数的变化 1960年至2005年的MRB(f)。红色的水平虚线表示相应周期的平均值分别为_2.00和_3.01。它表明了如果干燥指数增加10%，径流在DRB组下降20.0%,MRB组下降30.1%。此外，绝对值 MRB灵敏度系数值大于在DRB中，表明MRB中的水流对干燥指数的灵敏度高于DRB。它是值得注意的是，灵敏度系数不是恒定的， 而DRB、MRB的灵敏度系数绝对值分别以0.08和0.13/年的速度增加，从1960年到2005年。这个发现表明，两个流域的径流对干燥指数变化越来越灵敏。第一和第二期分别代表1960-1989年和1990-2005年DRB，而它们分别代表1960-1979年和1980-2005年MRB。 期间I.P年平均降水量ET0潜在蒸发量。

4.3 气候变化和人类活动对径流的影响

干旱变化贡献率和贡献率计算流量变化的指标。7a和7b的结果如表3所示。（2001年）。二期干燥指数增加7.6、5.1%导致径流在 DRB和MRB分别降低15.2和15.3%。表2显示了第二期与第一期相比DRB和MRB分别降低为-22.1 、-48.5%，干燥指数的增加分别占68.8%和31.5%。在这两个流域的总流量减少中，与气候有关的干燥指数增加是DRB中河道流量减少的主要原因。然而它不是MRB中的水流减少的主要原因，其他因素如人类活动可能导致MRB中的水流减少。在MRB中，人类活动主要包括土壤，以及水源保护计划、土地利用/覆盖变化和不断增长的用水需求。水土保持计划，包括重新造林已经在MRB中实施。表4显示了1980年和1995年。森林覆盖率增加，从1980年的48.2%到1995年的65.0%,而草地、耕地由27.5和21.9减少到15.7、16.9%。此外，自上世纪80年代以来，MRB也显著增加。密云水库上游年平均“直接水源”由1970年的0.03km3到90年代的0.18km3。因此，人类活动的影响MRB中流量明显增加。还发现人类活动，如土地利用/覆被变化以及不断增长的水需求促成了大部分的基于月度的MRB中流量的减少的水量平衡模型。DRB位于山区，面积很小，人口密度小，DRB的用水需求没有显著变化。此外，土地利用和土地覆盖在1980年到1995年期间，DRB几乎保持不变。表4显示土地利用的最大变化率1980～1995年间森林覆盖率只增加了0.97%。因此，对与气候变化的影响相比，人类活动对径流的影响相对较小，气候变化是导致DRB中径流变化的主要因素。

5 讨论

5.1 不确定性

本研究中存在用干燥系数评估气候变化对径流影响的不确定性。基于Budyko假设的经验公式（表1）表达了蒸发蒸腾量与年降水量。因此，等式。8和 10只适用于对气候变化作出响应的年径流。此外，灵敏度系数根据Budyko假设用不同的公式计算的结果略有不同。用Budyko方程计算灵敏度系数 ，根据Turc(1953)和Peeke(1964)方程，MRB为-2.69，而MRB为-2.47。相应地，干燥指数变化对流量变化的贡献率计算得到为28.3、26.0%(表3)。

5.2 水流对干燥指数和干燥指数变化的灵敏度系数

在本研究中，水流的灵敏度系数为干燥指数是河流对气候变化的灵敏度，灵敏度系数的绝对值越大，表明流域越对气候变化敏感。根据方程14，水流对干燥指数的灵敏度系数是降水量、潜在蒸散量的函数和径流。此外，灵敏度系数与降水量和潜在蒸散量成正比，与水流量成反比。这表明，盆地具有 小流域比大流域对气候变化更为敏感。表2显示DRB明显大于MRB，因此，水流对干燥指数的灵敏度系数MRB大于DRB，MRB为比DRB对气候变化更敏感。潜在蒸发蒸腾量的减少可能导致干燥指数下降，降水减少可能导致干燥指数的增加。表2显示年平均降水量开始减少。周期I到848.83毫米，周期II至782.13mm，在DRB，因此，干燥指数增加DRB，DRB在II期变得更干燥。在MRB中，II期潜在蒸散量和降水量均减少，降水量减少幅度为大于潜在蒸散量。因此，干燥指数也增加。

5.3 水流减少对南水北调工程的影响

DRB是中国南水北调的主要水源 ，水流变化不可避免地会有对汉江下游的负面影响。DRB中水流急剧减少会加重负面影响。南水北调在DRB中径流递减的背景下，应该有适当的管理指导来减轻负面影响 。此外，值得注意的是，在1999年最干燥的一年平均流入DRB的流量只有275.75毫米（171亿立方米）。因此，始终调水130亿立方米有一定的风险。 因此，当DRB中的水资源可能不充足时，MRB中的水管理员应该有适应性措施。在MRB有改善节水和提高灌溉效率的空间。2009年（任2007年）MRB的灌溉效率仅为48%，而以色列和日本的灌溉效率接近60%(Postel and Vickers 2004)。节约用水和提高灌溉效率将缓解MRB中的水压力。

6 结论

本研究中，对MRB和DRB进行了流量变化分析和径流对干燥指数敏感度的评估。曼-肯德尔检验表明年径流系列的突变点在DRB和MRB中分别为1990和1980。从1990，年平均径流在DRB中下降了22.1%，而从1980在MRD中下降了48.5%。在DRB中，从1990开始，干燥指数每上升7.6%，径流量下降15.2%，而在MRD中，从1980开始，干燥指数每上升5.1%，径流量下降15.3%。干燥指数的上升分别在两个流域造成了68.8%和31.5%的径流下降。在MRB中，观测到土地利用率的极大变化和人类对径流的显著

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[17951]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word