為研究湖北省未來水資源量變化趨勢，采用全球氣候模式未來降雨數(shù)據(jù)，導(dǎo)入時變增益模型模擬湖北省未來水資源量。結(jié)合全國第三次水資源調(diào)查評價，應(yīng)用１９５７～２０１６年湖北省實(shí)測降雨、徑流數(shù)據(jù)，對時變增益模型進(jìn)行率定、驗(yàn)證。并選用ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ、ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２三種全球氣候模式，選取ＲＣＰ２．６與ＲＣＰ８．５兩種典型濃度路徑下的降雨數(shù)據(jù)，作為時變增益模型的輸入。結(jié)果表明，三種氣候模式下２０５０～２０８９年湖北省水資源量相對于２０２０～２０４９年總體呈上升趨勢，ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下ＲＣＰ８．５濃度路徑下的湖北省水資源量總體上低于ＲＣＰ２．６濃度路徑，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２氣候模式則相反。

　　關(guān)鍵詞：氣候模式；時變增益模型；典型濃度路徑；水資源量

　　1概況

　　湖北省位于長江中游，全省主要屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，多數(shù)地區(qū)的年平均氣溫位于１５～１７℃之間。湖北省多年平均降雨量為１１７９．９ｍｍ，各地降雨量在７５０～２１００ｍｍ之間。全省面積為１８．５９×１０４ｋｍ２，省內(nèi)河流眾多、湖泊廣布，長江自西向東橫貫全省，過境水量豐富，全省多年平均入境水量為６３９４．６６×１０８ｍ３，水資源總量為１０３５．９×１０８ｍ３。多年平均徑流深為５３５．４ｍｍ，各地在２００～１４００ｍｍ之間。研究氣候變化下水資源的變化趨勢對于未來水資源系統(tǒng)的規(guī)劃管理有重要意義。本文結(jié)合全國第三次水資源調(diào)查評價，采用國際氣候?qū)W界廣泛使用的ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ和ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２三種氣候模式下未來２０２０～２０８９年的降雨數(shù)據(jù)，作為時變增益水文模型（ＴＶＧＭ）的輸入，模擬預(yù)測湖北省１４個水資源三級分區(qū)未來的水資源量，并分析湖北省未來水資源量的變化趨勢。研究成果對進(jìn)一步全面認(rèn)識氣候變化下湖北省水資源變化趨勢、實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)利用具有重要參考價值。

　　2方法與數(shù)據(jù)

　　2.1數(shù)據(jù)來源

　　數(shù)據(jù)來源包括：①湖北省雨量站、水文站１９５７～２０１６年月降雨、月徑流序列，用于時變增益模型的率定與檢驗(yàn)。②ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ和ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２三種氣候模式ＲＣＰ２．６與ＲＣＰ８．５兩種典型濃度路徑下的未來２０２０～２０８９年降雨數(shù)據(jù)，作為時變增益模型的輸入。三種氣候模式的基本信息見表１。

　　2.2研究方法

　　時變增益模型（ＴＶＧＭ）是一種水文非線性系統(tǒng)模型［１］，其模型參數(shù)較少，結(jié)構(gòu)簡單［２］。模型認(rèn)為降雨和徑流呈非線性關(guān)系，流域產(chǎn)流階段的增益因子與土壤濕度密切相關(guān)，土壤濕度的改變引起流域產(chǎn)流量發(fā)生相應(yīng)改變。模型中的地表產(chǎn)流量過程Ｒｓ（ｔ）為：Ｒｓ（ｔ）＝Ｇｓ（ｔ）Ｘ（ｔ）地表產(chǎn)流因子Ｇｓ（ｔ）為時變增益因子，與土壤濕度有關(guān)。若缺乏土壤含水率資料，可用流域土壤前期影響雨量（Ａ（ｔ））作為替代。Ｇｓ（ｔ）與Ａ（ｔ）之間的簡單關(guān)系可表示為：

　　3結(jié)果與分析

　　根據(jù)湖北省１４個水資源三級區(qū)１９５７～２０１６年月降雨序列和月徑流量序列，選取１９５７～１９９6年為率定期，選擇納什效率系數(shù)（ＮＮＳＥ）作為目標(biāo)，采用ＳＣＥ－ＵＡ優(yōu)化算法［３，４］對ＴＶＧＭ模型參數(shù)進(jìn)行率定，并用１９９７～２０１６年數(shù)據(jù)對模型參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，率定期與檢驗(yàn)期結(jié)果見表２。由表２可知，通過ＴＶＧＭ模型模擬的湖北省各水資源分區(qū)徑流序列在率定期和檢驗(yàn)期的納什效率系數(shù)均大于０．８，模型對于湖北省水資源三級區(qū)的月徑流模擬效果較好。ＴＶＧＭ模型在季風(fēng)氣候影響下的半濕潤半干旱地區(qū)和中小流域?qū)嶋H應(yīng)用效果較好［５－７］，湖北省全省主要屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，表明ＴＶＧＭ時變增益模型在湖北省具有較好的適用性。將三種全球氣候模式下未來２０２０～２０８９年的網(wǎng)格點(diǎn)降雨數(shù)據(jù)插值到湖北省１４個水資源三級區(qū)，代入ＴＶＧＭ模型分別模擬三種氣候模式下的湖北省水資源三級區(qū)未來水資源量。以丹江口以上、丹江口以下干流、唐白河和王家壩以上南岸為例，繪制水資源三級區(qū)２０２０～２０８９年每１０年地表水資源量均值的變化曲線，見圖１。由圖１可知，ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下模擬出的地表水資源量最大，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２氣候模式最小，ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１氣候模式居中，且ＢＮＵ－ＥＳＭ和ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２兩種氣候模式下未來水資源量變化相對于ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１更加平緩。從ＲＣＰ２．６、ＲＣＰ８．５兩種不同典型濃度路徑來看，三種氣候模式下ＲＣＰ２．６和ＲＣＰ８．５所對應(yīng)的地表水資源量較接近，ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１和ＢＮＵ－ＥＳＭ模式下ＲＣＰ２．６對應(yīng)地表水資源量在多數(shù)時期略大于ＲＣＰ８．５所對應(yīng)的地表水資源量，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２模式則相反。以１９５７～２０１６年年徑流量均值作為基準(zhǔn)值，根據(jù)ＴＶＧＭ模型對湖北省各水資源分區(qū)未來年徑流量的模擬結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了三種氣候模式下２０２０～２０４９、２０５０～２０８９年兩個時段的年徑流量均值相較于基準(zhǔn)值的距平百分比，繪制各水資源分區(qū)的距平百分比圖見圖２。從時間角度看，三種氣候模式下２０５０～２０８９年段地表水資源量均值相對于２０２０～２０４９年段有所增加。從地域角度看，鄂西北地區(qū)在三種氣候模式下地表水資源量均呈增加趨勢；鄂西南地區(qū)在ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１和ＦＧＯＡＬＳ－Ｇ２兩種氣候模式下地表水資源量均呈減少趨勢，在ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下澧水區(qū)域地表水資源量呈減少趨勢，其余區(qū)域呈增加趨勢；江漢平原地區(qū)在ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１和ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下地表水資源量均呈增加趨勢，在ＦＧＯＡＬＳ－Ｇ２氣候模式下基本呈減少趨勢且從北向南減少程度遞增；鄂東北和鄂東南地區(qū)在ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１氣候模式下，２０２０～２０４９年地表水資源量呈減少趨勢，２０５０～２０８９年地表水資源量呈增加趨勢，在ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下地表水資源量均呈增加趨勢，在ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２氣候模式下地表水資源量均呈減少趨勢。

　　4結(jié)論

　　ａ．通過時變增益模型模擬的湖北省各水資源分區(qū)徑流序列在率定期和檢驗(yàn)期的納什效率系數(shù)均大于０．８，模擬效果較好，說明時變增益模型對于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候的湖北省具有較好的適用性。ｂ．從湖北省地域分布來看，各地理分區(qū)未來水資源量相較于基準(zhǔn)值的增加幅度按從大到小排序依次為鄂西北、江漢平原、鄂東北、鄂東南、鄂西南。ｃ．對比三種氣候模式下的湖北省２０２０～２０４９、２０５０～２０８９年的水資源量均值距平百分比圖可知，２０５９～２０８９年湖北省水資源量相對于２０２０～２０４９年總體呈上升趨勢，且ＢＣＣ－ＣＳＭ１－１、ＢＮＵ－ＥＳＭ氣候模式下ＲＣＰ８．５濃度路徑下的湖北省水資源量總體上低于ＲＣＰ２．６濃度路徑下的水資源量，ＦＧＯＡＬＳ－ｇ２氣候模式則相反。

　　參考文獻(xiàn)：

　　［１］夏軍，王綱勝，談戈，等．水文非線性系統(tǒng)與分布式時變增益模型［Ｊ］．中國科學(xué)：Ｄ輯地球科學(xué)，２００４，３４（１１）：１０６２－１０７１．

　　［２］萬蕙，夏軍，張利平，等．淮河流域水文非線性多水源時變增益模型研究與應(yīng)用［Ｊ］．水文，２０１５，３５（３）：１４－１９．

　　［３］宋星原，舒全英，王海波，等．ＳＣＥ－ＵＡ、遺傳算法和單純形優(yōu)化算法的應(yīng)用［Ｊ］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），２００９，４２（１）：６－９，１５．

　　［４］ＤＵＡＮＱ，ＳＯＲＯＯＳＨＩＡＮＳ，ＧＵＰＴＡＶＫ．Ｏｐｔｉ－ｍａｌｕｓｅｏｆｔｈｅＳＣＥ－ＵＡｇｌｏｂａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇｗａｔｅｒｓｈｅｄｍｏｄｅｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｈｙ－ｄｒｏｌｏｇｙ，１９９４，１５８（３／４）：２６５－２８４．

　　［５］劉慧媛，夏軍，鄒磊，等．基于時變增益水文模型的實(shí)時預(yù)報(bào)研究［Ｊ］．中國農(nóng)村水利水電，２０１９（６）：１６－２２．

　　［６］王強(qiáng)，夏軍，佘敦先，等．時變增益模型在遼寧干旱半干旱流域的適用性研究［Ｊ］．南水北調(diào)與水利科技，２０１８，１６（４）：３５－４１．

　　［７］宋星原．時變增益水文模型的改進(jìn)及實(shí)時預(yù)報(bào)應(yīng)用研究［Ｊ］．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），２００２，３５（２）：１－４

　　作者：余檣 張翔 柯航 佘敦先