太湖流域未来洪水对气候变化的响应

太湖流域未来洪水对气候变化的响应徐宗学，刘浏(北京师范大学水科学研究院，水沙科学教育部重点实验室，北京 100875)摘要：本文应用VIC （Variable Infiltration Capacity）模型、水动力学模型ISIS分别与区域气候模式PRECIS（Providing Regional Climate for Impacts Studies）和统计降尺度模型SDSM（Statistical Downscaling Model）耦合，对气候变化影响下太湖流域未来的水文情势（径流、洪水频率及水位）进行了分析。

其结果表明：未来时期（2021-2050年）太湖流域径流对气候变化的响应较明显，A2和B2情景下径流较基准期（1961-1990年）都增加，尤其是在汛期径流增加显著，并且径流深的时空变化特征与降水的变化特征具有较好的一致性；太湖汛期最高水位和平均水位较基准期均显著升高，未来诱发同量级太湖最高水位的暴雨重现期将显著减小，太湖流域未来大洪水的发生可能更趋频繁。

研究结果对于太湖流域规划建设更为完善的防洪排涝工程体系和适时调整治水方略具有一定的参考价值。

关键词：气候变化；水文模拟；水动力模拟；降尺度；情景；太湖流域引言气候变化不仅影响着水文、生物和生态系统，还影响着经济、生活，因此，未来气候变化及其影响对地区、国家甚至全球的可持续发展具有举足轻重的重要性。

未来的气候变化可能会导致流域水资源更加短缺和洪涝灾害更加频繁，对流域水资源和可持续发展产生重要影响，在流域水资源综合规划与管理中，应十分重视气候变化的影响问题[1]。

国外学者研制了许多水文模型，用于研究气候变化对水循环的影响，如SLURP模型[2]、HBV模型[3]、Macro-PDM[4]模型等。

同时也已开展将气候情景、水文模型广泛用于洪水风险分析的研究[5- 6]，基于RS、GIS技术有效地解决了由降水时空分布不均，流域下垫面情况复杂等带来的困难。

例如，英国生态水文中心Bell等人[7]利用耦合的网格化分布式水文模型和区域气候模式分析了气候变化对洪水风险的影响；郭生练[8]以月平均流量和月最大洪峰流量的相关关系为基础，探讨了气候变化对洪峰流量及洪水频率的影响。

针对太湖流域，尤其是在太湖上游西苕溪流域，也开展了众多气候变化对水循环影响方面的研究[9-13]。

太湖流域是我国经济社会快速发展的一个缩影，城市化进程极快，经济发展迅猛，其GDP已接近全国GDP的近15%。

太湖的防洪安全、供水安全、水生态环境和水资源调度直接影响着流域乃至全国的社会经济发展。

随着城市化进程的不断加快，流域土地覆被发生了极大变化，由于流域下垫面条件的改变，其产汇流特性也发生了极大变化，日益加强的城市防洪体系并没有减小洪水的威胁，因此，开展气候变化对太湖流域水文过程的影响研究具有十分重要的意义。

王腊春等[14]采用河网非恒定流计算方法，结合水文模拟，分析了太湖流域洪涝发生过程；高俊峰[15]重点研究了洪涝灾害对土地利用变化的响应。

此外，已有研究表明，全球变暖将导致极端降水事件频繁发生，并且降水时空变异性增大，从而加大洪水灾害的发生几率[16-17]，传统的流域模型无法真实反映这一变化，本文以太湖流域为研究对象，采用水文-水动力学综合模拟，并分别与两种统计降尺度模型耦合，对气候变化情景下太湖流域未来的水文情势进行探讨，以期为太湖流域的防汛乃至城市规划和建设提供科技支撑。

1 研究区概况太湖流域位于中国东部长江三角洲地区，是中国社会经济发展的一个重要区域。

太湖流域总面积36895 km2 ，包括江苏省的南部、浙江省的北部和上海市的陆地部分及安徽的小部分（见图1）。

太湖流域地形呈周边高、中间低的碟状地形，西部为山区，中部河网密布，湖泊棋布，河网水系密度大。

流域地势平坦，河道比降小，水流流速缓慢，且受东海潮汐顶托影响，因此，流域河网、湖泊水位易涨难消，易发生洪涝灾害。

太湖流域位于亚热带季风气候区，是世界上最严重的气候脆弱区之一，季风雨带的位置变化直接影响着该流域的干旱与洪涝。

受季风气候影响，太湖流域多年平均降雨量1177 mm，且多集中在夏季；年平均气温14.9℃-16.2 ℃，南高北低，呈纬向分布；降雪日数较少，平均为4.5d-10.8d，自东北向西南逐渐增加。

太湖流域复杂多变的气候、特殊的地理位置和地貌形态，使流域时常面临台风暴潮和洪涝干旱，如1954年、1991年、1999 年的特大洪水，1971年、1978年、2003年的严重干旱等。

其中，梅雨和台风暴雨是造成流域洪涝灾害的主要成灾降雨类型。

图1 太湖流域地理位置及气象站点分布图本研究选取西苕溪流域作为典型区，进行模型率定及验证。

如图1所示，西苕溪流域位于太湖上游，是太湖上游的重要支流，年平均入湖水量为26.8×108m3左右，约占太湖年平均入湖水量的27.7%，对全流域洪水影响重大。

西苕溪流域面积为2268 km2，其中横塘村水文站控制流域面积1359 km2，属亚热带季风气候区，多年平均降水量为1465.8 mm；年平均蒸发量约为1200 mm；年平均气温为15.5℃。

地貌以丘陵山地为主，地面起伏较大，南高北低，主要山脉呈西南东北走向，丘陵低山约占50%，高山约40%，河谷平原约10%。

西苕溪流域径流年内变化与降水基本一致，呈双峰型，峰值出现在5-6月份和9月份，5-9月径流量占全年径流量的45%-54%。

流域土地利用类型多样，其中上游山丘区以林地为主；中游丘陵区林地农田并重；下游平原区以水田为主，其主要土壤类型有红壤、黄壤、水稻土等。

虽然在西苕溪中上游流域的河谷平原地带开挖了一些人工河道，修建了一些堤坝和水闸，但总的说受人类活动的干扰相对较小，水网基本上呈自然分布状态。

该研究区气候特点和地形地貌特征、土地利用类型等在湿润地区太湖流域具有一定的典型性和代表性。

2 模型介绍2.1 VIC模型有关VIC模型在西苕溪流域的率定和验证过程，详见参考文献[18]。

横塘村水文站的多年平均年径流量相对误差E r在率定期和验证期分别为0.77%和3.43%，都控制在±5%以内，模型模拟的总体水量平衡效果较好；无论日尺度还是月尺度，R2和Ens都大于0.75，并且控制站模拟与实测月径流过程总体上一致，说明VIC模型具有一定的适应性。

Xie等[19]提出了一种结合Köppen气候分区和流域分区的方法，将有资料地区率定所得的参数移植到中国区域无资料地区。

根据上述方法，中国区域可分为10个子区域，分别为：热带气候区（Tropical climate）、干冷气候区（Dry, cold climate）、淮河流域中纬度多雨气候区（Rainy, mid latitude climate）、长江流域中纬度多雨气候区（Rainy, mid latitude climate）、珠江流域中纬度多雨气候区（Rainy, mid latitude climate）、淮河长江流域以北中纬度多雨区（Rainy, mid latitude climate）、淮河长江流域以南中纬度多雨区（Rainy, mid latitude climate）、炎热夏季大陆性气候区（Continental climate with hot summer）、凉爽夏季大陆性气候区（Continental climate with cool summer）、短凉爽夏季大陆性气候区（Continental climate with short cool summer）。

由于VIC模型的物理机制较强，参数具有良好的区域分布规律，需要率定的参数主要是土壤参数库中涉及的7个参数，而这些参数主要根据土壤类型不同而变化。

因此，可根据典型流域率定的水文参数，移用到同一气候分区其他地区；如果一个分区内没有完整的典型流域，可采用临近分区的参数值。

太湖流域都处于长江流域中纬度多雨气候区，同时流域内主要分布有三种土壤类型；西苕溪作为太湖流域一个典型的子流域，土壤类型分布在太湖流域具有一定的代表性，流域内平原、丘陵和山地的地理特征分布明显。

本研究采用同一气候分区的流域参数直接移用，并根据流域内土壤类型的空间分布特征，选取有实测流量资料的西苕溪流域进行模型参数的率定和验证，然后将率定好的参数移植到太湖流域的其他网格模拟中，这一方案是合理可行的。

2.2 降尺度模型本文采用由中国农业科学院提供的区域气候模式PRECIS生成的太湖流域气候变化情景数据以及统计降尺度模型SDSM生成的包括基准期（1961-1990年）和SRES A2、B2情景下未来时期2021-2050年日降水、日最高气温、日最低气温的模拟结果[21]，A2情景为人口较快增长的高排放情景，B2情景即区域可持续发展最接近其未来发展的趋势。

研究中通过空间插值到5km×5km分辨率的网格，建立气候强迫数据；根据建立的太湖流域VIC模型土壤和植被参数文件，使VIC模型在太湖流域的1452个网格上连续运行，独立输出每个网格的日径流深数据系列。

2.3 水动力学模型本文采用英国Halcrow公司研发的商业软件ISIS模型（/isis/）①，将概化的平原区河网河道植入该模型，并将降雨、排涝单元纳入ISIS模型。

如图2中（a）所示，西部山区按进入平原河网的位置及封闭性分为9个子流域，利用VIC模型分别进行产汇流计算；根据太湖流域综合治理总体规划方案，平原区分为16个分区（图2中（b）），按四种不同的下垫面（即水田、水面、旱地、不透水层）分别进行产流计算[19]，太湖流域水系复杂，难以直接进行河网汇流模拟，本文将平原区河网概化为795条河道、2394个河道断面以及111个闸门（图2中（c）），建立平原河网水动力学模型。

最终ISIS模型包含2394个河道横断面，设22个流量边界，其中19个为西部山区的入流，另外3个为固定流量边界（黄浦江取水流量边界及沿杭州湾无入海口门的河道），42个水位边界。

由河道交叉分布情况将河网外的区域划分为198个洪泛区蓄水单元（图2中（d）），以容纳从河道出槽的洪水，使用GIS分析流域DEM数据得到洪泛区蓄水单元的水位—库容关系曲线。

根据太湖流域平原①中英科技合作项目“流域洪水风险情景分析技术研究”支持区分区加入16个降雨边界，将其分别与对应的洪泛区蓄水单元进行连接，以接纳降雨产水量。

洪泛区蓄水单元与河网之间通过排涝概化和溢流单元（1504个）交换水量，以描述人工排涝和河道漫溢以及溃口现象。

另外，防洪控制建筑包含111个闸门以及对应的抽水泵站。

图2 太湖流域分区及河网概化图(a) 山区子流域分布图, (b) 平原区16分区, (c) 平原区概化河道，断面及闸门, (d) 平原区概化的198个洪水单元3 气候变化的水文响应3.1 西苕溪流域洪水频率响应在我国南方的大部分河流，降水是造成流域洪水的主导因子，降水的季节性比较明显，月平均流量与洪峰流量有较好的相关关系，洪峰流量大，该月的平均流量也较大，若洪峰流量小，那么出现较大月平均流量的概率就小[8]。