南水北调中线水源区径流模拟及其变化归因研究

The Danjiangkou Reservoir is the headwater source of the central route of China's South to North Water Diversion Project (SNWDP). Average annual streamflow into the Reservoir was reduced by 7.18 km3 during 1990 to 2009 compared to the period 1951 to 1989, accounting for 75% of the proposed amount of water diversion (9.5 km3 per year). The decreasing streamflow would inevitably have negative impacts on the implementation of the SNWDP. The reasons for the decrease in streamflow should be investigated before developing any adaption strategies. In this study, (1) the change points of the streamflow were analyzed based on statistical methods and the field investigation of changes in the underlying surface. In addition, the drought and flood dataset from 1470 to 2009 was built to investigate whether the drought since the early 1990s had a similar process based on the "Distribution Atlas of Drought and Flood During the Past 500 Years in China"; (2)traditional hydrological model does not pay enough attention to the radiation simulation in the study of the impacts of climatic variation on hydrologic cycle. Therefore, a radiation balance which considered the impacts of terrain change on radiation was built and further integrated into a hydrological model to simulate the change in the streamflow; and (3) the contributions of climatic variation and human activities to the decrease in streamflow were evaluated and seperated using the improved hydrological model, and the impacts of changes in meteorological variables such as precipitation, temperature, and radiation on streamflow was calculated.

在气候波动和人类活动的双重影响下，1999～2009年中线水源区丹江口水库年均入库径流量较工程论证期1954～1998年减少了71.8亿立方米（占一期调水量95亿立方米的3/4），这会对调水安全带来不利影响，研究径流减小的原因是制定针对性对策的前提。本研究1）基于变点统计方法和水源区下垫面变化的实地调查，揭示1951～2009年水源区径流的变异特征；基于《中国近500年旱涝分布图集》，建立水源区1470～2009年旱涝系列，识别过去540年间是否发生过类似于90年代以来的连续枯水期事件；2）针对传统水文模型对辐射变化模拟的不足，构建考虑地形影响的分布式辐射平衡模型，并集成到分布式水文模型中，模拟水源区的径流过程；3）基于径流过程的模拟与变化分析，量化1999～2009年间气候波动和人类活动分别对径流减小的贡献，在此基础上进一步估算降水、气温、辐射等气象因子的变化对径流变化的影响。

南水北调中线工程是我国水资源“四横三纵、南北调配、东西互济”格局中重要的一“纵”，是解决我国北方地区水资源严重短缺问题的重大战略举措。工程已于2014年12月开始从丹江口水库调水，一期工程计划年均调水95亿方，多年平均调水量约为130亿方，对于缓解我国京津华北平原水资源短缺的严峻形势具有重要意义。本项目针对“1999～2009年中线水源区丹江口水库年均入库径流量较工程论证期1954～1998年减少71.8亿立方米”这一观测的事实，尝试定量解释丹江口水库入库径流减小的原因。“模拟丹江口水库入库径流过程是揭示径流演变规律的基础，定量估算入库径流减小的原因是制定针对性对策的前提”。项目组从基础数据收集、水文模型构建、径流减小归因、干旱调水影响四个方面开展工作，主要进展如下：1）收集了汉江流域水文、气象、遥感、经济社会发展等基础资料，构建了资料数据库，分析了流域水文气象要素的变化特征；2）比较了不同水文模型在不同气候区的适用性，揭示了模型结构和复杂度的差异对模型表现的影响。对比了不同辐射和潜在蒸散发计算公式估算潜在蒸散发的差异，评估了不同潜在蒸散发输入对水文过程模拟的影响。在模型比较的基础上构建适合于汉江流域的分布式水文模型；3）基于构建的水文模型，估算了气候变化和人类活动对丹江口水库入库径流的影响。改进了传统的弹性系数算法估算气候变化对径流影响的不确定性，提出了基于干燥指数变化评估气候变化影响的新方法，评估了气候变化对丹江口水库入库径流的影响。综合水文模型和改进的弹性系数方法，定量估算了丹江口水库入库径流减小的原因；4）针对气候变化背景下频繁发生的极端干旱事件对南水北调中线工程的不利影响，估算了汉江和海河流域同时为干旱年的概率以及未来同时干旱的概率变化。借鉴2012-2015年美国西南持续大旱对美国加州“北水南调工程”的影响以及加州政府采用的适应性对策，提出了我国中线调水工程相关的适应性对策。项目组按计划完成了全部工作，相关成果以第一标注在地学和水文学优秀期刊Geophysical Research Letters和Journal of Hydrology等杂志发表；咨询报告《中科院专家关于南水北调中线工程面临新问题的分析与对策建议》得到国办和中办的批示；参加“第三次气候变化国家评估报告中《气候变化对南水北调工程的可能影响》章节”的撰写工作；未来持续会有相关文章发表。