丁文学

(乌鲁木齐水文勘测局，新疆 乌鲁木齐 830000)

从1951年到2012，全球平均地表温度上升了0.72℃，其中近一半的上升是由人类活动排放的温室气体增加和其他人类活动造成[1]。过去三十年，温室气体不断增加和人为气溶胶的排放，使得地表温度以0.2℃/10a的速率持续上升[1- 2]，大气环流发生变化，水文循环变得更加活跃，大气层持水量增加，降水和大气湿度也随之增加。研究显示，全球变暖和降水差异扩大导致全球干旱严重性增加，干旱影响范围扩大，加之人类用水需求增加，加剧了水资源压力[3- 4]。与此同时，极端气候事件的频发又进一步加剧了水资源和干旱问题[5- 6]。

干旱区内绿洲面积仅占总面积的3%～5%，却承载了90%以上的人口，创造了95%以上的工农业产值。而绿洲的可持续发展依靠可利用水资源[7]。玛纳斯河是天山北坡最大内流河，季节性融雪水是其径流的重要补给来源[8- 9]。利用气候变化数据和水文模型可以量化气候变化和人类活动情境对水文过程的影响。与统计方法相比，水文模型模拟方法基于一定物理意义，模拟结果贴近现实，可避免不合理情景的过大系统误差[10]。

玛纳斯河流域是天山北坡经济带重要水源地，是经济带重要农业区，也是“一带一路”核心建设节点。流域总人口28万人，流域包括玛纳斯县、石河子市、沙湾县和克拉玛依市小拐乡。拥有国家湿地公园、中国碧玉之都公园、中国碧玉之都和国际葡萄酒庄等称号，石河子市被誉为“共和国军垦名城”，GDP超过700亿，对水资源的依赖程度高。因此，流域未来水资源变化情况对水资源管理有着重要的作用。

1 玛纳斯流域概况

玛纳斯河发源于新疆准噶尔盆地南缘依连哈比尕山，是天山北坡最大的一条融雪性内陆河流。流域内有清水河等多条支流，出山口建有肯斯瓦特水库，经过绿洲后最终注入玛纳斯湖[11]。流域面积2.70×104km2，河道长约400km，流域内分布有山地、绿洲、荒漠和冰川等多种自然景观[12]。冰川面积约为608km2，水资源总量约为39×109m3[13]。雪冰融水补给占46%，降雨占26%，降雪占18%，形成的玛纳斯河绿洲是我国第4大灌区[12]。

2 模型建模

本文利用SRM模型进行融雪和降雨径流模拟。其将当日的降水和融雪水加到前一天的退水上，计算公式如下[13]：

(1)

式中，Q—日平均径流量，m3/s；C—雨雪的径流系数，代表了降雨或融雪水最终进入河道的百分比，其中Cs—代表融雪径流系数，CR—降雨径流系数；a—度日系数，cm/℃d；T—度日，℃day；ΔT—高程分带定义的温度直减率，℃/m；S—高程分带中积雪面积占总面积的比值；P—降水，cm，该变量受到温度阈值Tcrit的影响，低于温度阈值则会被识别为雪并被存储在已有的积雪中，当条件满足时则会发生融化；A—流域或者高程分带的面积，km2；k—退水系数，指在没有发生降雨或者融雪的情况下衡量流量退水情况的系数。

3 数据来源

本研究使用的CMIP6数据来自IPCC项目，包括46个世界各国气候模式。SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)DEM数据提供的30m分辨率。流域面积为5190.07km2，海拔范围约为809～5216m。以500m高程进行分带，全流域共分9个高程带。肯斯瓦特水文站作为流域出水口提供模拟必须的径流数据[14]。气象水文资料包括流域模拟需要使用的常规气象水文观测项目，包括了日均气温、日降水和日均流量。高程带温度递减率设定为0.065℃/m；日降水数据采用3个气象站观测数据平均值。使用MOD10A2积雪面积产品作为模型输入计算积雪面积比例(SCA)。

4 流域水文建模

本文参考了玛纳斯河及天山北坡的相关研究成果，分析了积雪密度和度日因子研究成果[15- 18]，设置度日因子An的范围0.14～0.47。退水系数K由x与y两个参数，采用2011年4月25日—7月6日的洪水过程做散点图后提取下包络线，得到x和y。每一天的退水系数K与流量关系以及与x/y换算关系如下：

Kn+1=Qn+1/Qn

(2)

其余参数如融化阈值Tcrit、滞时LagTime、融雪和降雨的径流系数Cs和Cr则参考了相关研究并考虑了随时间和高程分带的变化趋势。

结合MOD10A2八日合成积雪覆盖数据与站点实测水文、气象数据，对玛纳斯河2011年4月底—7月初进行了融雪径流的模拟。日模拟径平均流量为58.010m3/s，日实测平均径流量为57.334m3/s。其NSE、PBIAS和R2分别为0.83、-1.18%和0.81，基本达到了应用要求。

5 未来气候变化趋势

根据CIMP6模式未来预估数据对照历史气候观测数据，计算未来气候相对历史期间的变化率。其中历史阶段相对1990—2014年各点平均值，近期指2020—2045年，中期指2045—2070年，远期指2070—2100年。分别检验了理想状态的SSP126情景和现实可行状态的SSP370情景。

在未来SSP126情景下，近期气温呈现降低趋势，降幅从0.14℃/10a到0.70℃/10a之间，降幅呈现南北差异，北部降温幅度大于南部。中期气温呈现差异性，总体增幅从-0.25℃/10a到0.16℃/10a，南部增温明显，北部降温明显，中部呈现混合型存在。远期气温同样存在差异性，增幅从-0.14℃/10a到0.49℃/10a，总体上仍然存在南增北减的空间格局，但是中部混合型区域减少。近期的这种全局降温趋势或许是由于该情景与历史模拟全强迫情景间的辐射强迫梯度太大导致的。在未来SSP370情景下，近期气温呈现南北差异，总体增幅从-0.48℃/10a到0.25℃/10a之间，南增北减格局明显。中期气温呈现增加趋势，增幅从0.16℃/10a到0.56℃/10a之间，南部增温幅度大于北部。远期气温呈现增加趋势，增幅从0.42℃/10a到0.68℃/10a之间，南部增温幅度大于北部。变暖趋势在这种趋势下是不可逆且速率增加的。如图1所示。

图1 玛纳斯河流域未来气温(第一行)和降雨(第二行)在SSP126(第一列)和SSP370(第二列)的变化率

在未来SSP126情景下，三期降水都呈现增加趋势，近期增幅从11.4%/10a到13.5%/10a，中期增幅从6.1%/10a到7.3%/10a，远期增幅从4.9%/10a到5.8%/10a，均呈现明显南北差异性，南方增幅高于北方。从三期增幅降低的趋势可以发现降水的增加逐渐减缓甚至减少，因此降水增加是不可持续的。在未来SSP370情景下，三期降水都呈现减少趋势，近期降幅从3.3%/10a到5.9%/10a，中期降幅从1%/10a到2.3%/10a，远期降幅从0.5%/10a到1.4%/10a，均呈现明显南北差异性，南方降幅低于北方。从三期增幅降低的趋势可以发现降水的减少逐渐减缓，或许跟同情景下气温增幅增加导致水汽补给增加有关。

6 结论

本文利用MODIS MOD10A2积雪面积产品数值产品和站点观测数据建立了SRM融雪降雨径流模型，通过分析CMIP6数据并代入SRM模型，经过数值模拟计算，发现在未来长时间时段中，玛纳斯河冰川和积雪融水在未来预估时段整体上呈现减小趋势；近期处于小幅下降趋势，中期呈现较快减少趋势，远期融冰雪将小于历史平均水平。由于远期较大降水增量补充了总体耗散增加情况，使得两种情景下水资源总量相似。计算显示，未来流域水资源总量减少3亿左右，这将对流域水资源管理提出了严峻的考验。