鄱阳湖流域水量平衡分析及对气候变化的响应外文翻译资料

Analysis of Water Balance in Poyang Lake Basin and Subsequent Response to Climate Change

Ligang Xudagger;*, Manli Zhudagger;,Dagger;, Bin Hedagger;, Xiaolong Wangdagger;, Qi Zhangdagger;, Jiahu Jiangdagger;, and Bam H.N. Razafindrabesect;

dagger;State Key Laboratory of Lake Science and Environment Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Key Laboratory of Watershed Geographic Sciences, Nanjing Institute of Geography and Limnology, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China

Dagger;Department of Municipal Engineering, School of Civil Engineering
Southeast University, Nanjing 210096, China

sect;Faculty of Agriculture, University of the Ryukyus Okinawa, 903-0213, Japan

ABSTRACT

Xu, L.G.; Zhu, M.L.; He, B.; Wang, X.L.; Zhang Q.; Jiang J.H., and Razahindrabe B.H.N., 2014. Analysis of water balance in Poyang Lake basin and subsequent response to climate change. In: Huang W. and Hagen S.C. (eds.), Climate Change Impacts on Surface Water Systems. Journal of Coastal Research, Special Issue, No. 68, pp. 136-143. Coconut Creek (Florida), ISSN 0749-0208.

The runoff in Poyang Lake Basin has a reversal decreasing phenomenon in 1997. Moreover， recent drought-prone pattern and low-flow events have been a serious threat to the water resource and water security in Poyang Lake in China. The water resource change is affected by regional climate change, human activities and water conservancy projects within the basin. The Poyang Lake and its watershed are selected as study sites to investigate the influence of key driving factors such as precipitation, temperature and water usage. The runoff and water level change of Poyang Lake were explored and analyzed based on the System Dynamic (SD) method. Monthly flow and water depth in lake was simulated and compared with observed values for both calibration periods from 1978 to 1997 and validation periods from1998 to 2007.The results demonstrated that SD method can acquire an ideal performance on basin runoff yielding and water resource exchanging between rivers and lake. Furthermore, 10% decrement and increment of precipitation, temperature and water usage scenario for climate change analysis showed that the proportion of impact from water use, temperature and precipitation is about 1:3:10. The changing trends of water balance in the Poyang Lake Basin are basically consistent with the effect of temperature and precipitation, but due to the function of outflow and smaller impact from the inflow during July to September, the changing trends of water level are different before and after July. Findings of this paper provide an important scientific basis for the development of integrated watershed management measures for water security in Poyang Lake.

ADDITIONAL INDEX WORDS: Water balance, climate change, system dynamic, Poyang Lake.

INTRODUCTION

Climate change and the development of human society can not only influence the quantity of water resources in basin, but also have a serious impact on the exploitation, utilization, planning and management of water resources of human society, and further affect the sustainable development of ecological environment and social economy (Stocher and Raible, 2005). USA National Research Association had organized a discussion on the relationship between climate change and water supply as early as in 1997, but it was not until the mid 80s, the greenhouse effect and its influence on the basin water resources began to be valued by the international hydrological community. The study and evaluation on global climate issues by IPCC have accelerated the pace of researching on the impact of climate change on water resources (Jiang et al., 2005).

In the recent twenty years, research scientists have been actively conducting researches on water resources effects under climate change and have achieved plenteous results; the current researching perspective is mainly concentrated on the impacts of precipitation and temperature on the quantity of basin water (Parmet et al., 2001). According to the study on runoff change, Nigel proposed the idea that the climate change in different regions may have different impacts on the quantity of basin water resources (Nigel et al., 2004). The Fourth Assessment Report of IPCC shows that, in high latitude areas and in some humid tropical areas, including East Asia and Southeast Asia with dense population, the runoff will increase 10%-40% by the middle of 21st Century; while in somemid latitude areas and arid tropical areas, the runoff will decrease 10%-30% due to the reducing precipitation and increasing transpiration rate (Anandhi et al., 2008). Domestic and foreign scholars have basically achieved unanimous results with the above finding on the prediction of water resources in different regions. The estimate on the quantity of water in Griess Basin of Euphrates River indicated that the quantity of precipitationand runoff show a sharp decline under the A1F1 (High emission) (Deniz and Omer, 2011). The analysis of the impact of climate change on the quantity of water in the Nile River Basin showed that the quantity of water increased with the precipitation enhancement in the early 21st Century. Moreover, until the mid 21st Century, the quantity of water decreased due to the precipitation reduction (Tazebe et al., 2010). Zhang et al. (2009) believed that temperature rising and precipitation reduction is one of the important reasons for the reduction in river runoff in the middle reach of Yellow River in recent years.The estimate on the quantity of water in the Yangtze River Basin in the next 100 years showed that, affected by climate change,the quantity of water resources in the Yangtze River Basin would slightly decrease firstly and the

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鄱阳湖流域水量平衡分析及对气候变化的响应

徐立刚、朱曼丽、何斌、王晓龙、张琪、江嘉虎、Bam HN Razafindrabe

摘要：徐立刚、朱曼丽、何斌、王晓龙、张琪、江嘉虎和Razahindrabe B.H.N.在2014年对鄱阳湖流域水量平衡分析及随后对气候变化的响应进行了研究。在Huang W.和Hagen SC在沿海研究期刊——特刊(No.68，pp.136-143,椰子溪（佛罗里达州），ISSN 0749-0208)发表了气候变化对地表水系统的影响，鄱阳湖流域径流量在1997年出现逆转减少现象。此外，近期的干旱易发型和低流量事件对中国鄱阳湖水资源和水安全构成了严重威胁。水资源的变化受到流域内区域气候变化、人类活动和水利工程的影响。选择鄱阳湖及其流域作为研究地点，研究降水，温度和用水等关键驱动因素的影响。基于系统动力学（SD）方法，对鄱阳湖径流和水位变化进行了探索和分析，模拟了湖泊月流量和水深，并与1978〜1997年校准期和1998〜2007年验证期的观测值进行了对比。结果表明，SD方法可以获得理想的流域径流产量和河与湖水资源交换的性能。此外，气候变化分析的降水量、温度和用水量的10％递减和增加表明：用水、温度和降水的影响比例约为1：3：10。鄱阳湖流域水量平衡的变化趋势与温度和降水的影响基本一致，但由于流量的作用和7 - 9月流入的影响较小，七月之后的水位变化趋势在此之前是不同的。本文的研究结果为鄱阳湖水安全综合流域管理措施的制定提供了重要的科学依据。

关键词：水平衡，气候变化，系统动态，鄱阳湖。

一、绪论

气候变化和人类社会的发展不仅会影响流域水资源的数量，而且会对人类社会水资源的开发利用，规划和管理产生严重影响，进一步影响生态系统的可持续发展。环境与社会经济（Stocher和Raible，2005）。美国国家研究协会早在1997年就气候变化与供水之间的关系进行了讨论，但直到80年代中期，温室效应及其对流域水资源的影响开始受到国际水文委员会的重视。IPCC对全球气候问题的研究和评估加快了研究气候变化对水资源影响的速度（Jiang等，2005）。

近二十年来，研究科学家一直在积极开展气候变化对水资源影响的研究，取得了丰硕的成果;目前的研究视角主要集中在降水和温度对流域水量的影响上（Parmet等，2001）。根据径流变化研究，奈杰尔提出了不同地区的气候变化可能对流域水资源量产生不同影响的观点（Nigel等，2004）。IPCC第四次评估报告显示，在高纬度地区和一些人口稠密的东亚和东南亚等潮湿热带地区，到21世纪中叶径流量将增加10％-40％;在某些纬度地区和干旱热带地区，由于降水减少和蒸腾速率增加，径流量将减少10％-30％（Anandhi等，2008）。基于上述对不同地区水资源预测的研究结果，国内外学者基本取得了一致的成果。对幼发拉底河格里斯盆地水量的估算表明，在A1F1（高排放）下，降水量和径流量显着下降（Deniz和Omer，2011）。分析气候变化对尼罗河流域水量的影响表明，21世纪初，随着降水量的增加，水量增加。此外，直到21世纪中叶，由于降水减少，水量减少（Tazebe等，2010）。张等人。（2009）认为温度升高和降水减少是近年来黄河中游河川径流减少的重要原因之一。未来100年长江流域水量估算结果表明，受气候变化的影响，长江流域水资源量在未来20 - 30年内将首先略有下降，然后明显下降（Li等，2013）。所有在世界不同地区不同盆地进行的研究都表明，气候变化对水资源数量的影响。降水变化是影响水资源量的主要因素，温度升高对水资源的影响主要通过降雨、蒸发和其他水文因素来实现（Ye等，2013）。

学者们对鄱阳湖流域水量平衡特征进行了各种调查，大多数研究都集中在鄱阳湖流域降雨时间变化规律及其水文响应;Ye等人在2009年讨论了鄱阳湖流域和河流径流的变化过程和规律及其与洪涝灾害的关系;Luo等人在2013年分析了鄱阳湖流域输水量和急转弯模式的变化趋势。关于水平衡的研究，Huet 等人（2007）对长江对鄱阳湖水量的影响进行了定量描述。相关调查结果显示，7 - 9月长江对鄱阳湖的影响较大。郭等人2008年的研究进一步表明，由于三峡水库的巨大蓄水，长江对鄱阳湖的影响在10月份减弱。Shankman等人于2009年研究了湖泊管理和土地利用政策对鄱阳湖洪水位的影响。更多研究强调了气候变化对水文和水资源的影响;他们主要采用建立水文模型和模拟的方法。例如，Cai等人（2009）在陆地表面模型中利用可变渗透能力（VIC）水循环模型来模拟不同气候下的径流变化;李等人（2014）用湖水流域水流模型（WATLAC）模拟工具讨论了鄱阳湖流域水资源对气候变化的响应。除了径流模拟，许多学者还通过建立各种模型来研究水量和水位变化机制，包括水位动态预测模型，湖泊和盆地的组合模拟模型以及河流和湖泊关系的水动力模型。虽然上述研究从不同角度反映了鄱阳湖水量平衡的作用机制，但并未揭示整个流​​域水量变化对气候变化和人类活动的响应。目前关于鄱阳湖流域气候变化和人类活动影响的研究主要集中在流域径流量变化分析上。根据五河流域与湖泊的关系，仅对一个流域的模拟研究显然不足，有必要对整个流域的主要影响因素进行分析。

鄱阳湖是中国最大的淡水湖，从赣江，新疆河，饶河，秀水河接收水，经过调节，水流通过湖口流入长江。总水量占长江流域的15％，是中国重要的淡水资源库。近年来，鄱阳湖流域的气候变化突出，社会经济的快速发展和水资源开发利用的深化对水资源的数量产生了极为复杂的影响（Sun等人，2013） 。鄱阳湖水文站的径流观测数据显示，自20世纪50年代以来径流量增加，径流量开始减少到1997年。最近，鄱阳湖经历了一段持续的低水位期;特别是由于2006年至2007年水位持续下降造成的水资源短缺，对数千万居民的用水造成了极大的威胁。鄱阳湖流域经常发生洪涝灾害，干旱季节水资源日益严重短缺已成为公众认可的事实（Lai等人，2013）。资源量的变化不仅受气候影响，而且还与当地水资源的开发利用有关。它也受到湖泊本身的储存条件的限制。对过去影响水量的因素的研究往往强调数据分析而忽略了对驱动机制的研究。系统动力学（SD）侧重于对具有多变量的高阶，非线性和复杂大系统的动态研究，这可以更容易地满足流域水量变化研究的需要（Forrester，1994; Wu 等人，2013）。

本文采用SD模拟方法，根据鄱阳湖流域水量平衡过程对水量变化进行了模拟分析，试图对气候变化影响下的降雨量之间的关系进行定性理解。一方面是人类活动，另一方面是气候变化和人类活动对鄱阳湖水量平衡过程的影响。在功能方面，本研究将水文模型的物理机制与水文非线性系统理论相结合。它寻求水文和水资源过程的简单系统关系，不仅可以解决分布式水文模型的高复杂性和低精度问题，而且可以模拟质量守恒和动力学微分方程中描述的复杂水文过程。关于效果，它考虑了降水，温度，用水和其他与水量有关的因素作为流域水资源系统的组成部分，提出了它们与系统其他组成部分的相互作用，并获得了各个步骤的有效反应，因此分析所有因素对水资源过程的影响。研究成果为了解鄱阳湖流域水资源安全的水量平衡机制和流域综合治理措施奠定了重要的理论依据，具有重要的科学意义。

二、地理位置说明

鄱阳湖位于中国中部江西省。湖泊南北长173公里，东西宽16.9公里，最大74公里，最小2.8公里。鄱阳湖流域面积为16.2times;104 km2，占江西省面积的97％，长江流域面积的9％（Luo等人，2013）。鄱阳湖接收赣江，抚河，新疆河，饶河和秀水河（五河）的排放，并通过江西省壶口县向长江排放。（图1）

图一 鄱阳湖流域及其水文站图

三、数据来源

本研究使用的气象资料包括1978年至2007年鄱阳湖流域5条河流5个常规气象站的降水量、温度和潜在蒸发量的日常数据，以及该地区3个气象站的降水和潜在蒸发量的日常数据，气象资料由江西省气象台提供。通过Penman公式计算潜在蒸发，并且基于来自附近蒸发盘的蒸发数据计算该区域中的蒸发量。水文资料包括1978〜2007年鄱阳湖流域五河流域Wa州站，李家渡站，梅岗站，万家埠站，虎山站实际测量数据，鄱阳湖出口日水位和流量。1978〜2007年湖口水文站。有关用水的数据来自江西省统计年鉴和水资源公报。通过统计分析将缺失的数据替换为平均数据。最后，从1978年到2007年，在鄱阳湖流域获得了用水量，水量分配和水结构的年度数据。

四、系统动力学仿真原理

系统动力学方法是一种基于“系统思维”的计算机模型，它假设世界上所有系统都在流体运动中运动。它们通过计算机建模中的库存和流程图以及水平/库存，速率/流量和辅助，在系统结构中具有明确的物理意义。其中，水平/股票代表系统的库存，水平的变化是SD动态模拟的本质。系统动力学有自己的特殊软件和语言。Vensim、PD-plus、STELLA和POWERSIM是SD中常用的软件。采用STELLA完成模拟研究，用图形符号建立流域水资源系统结构，用方程表示系统要素之间的定量关系，从而近似地重建现实系统。

图二 鄱阳湖流域水量平衡系统动态过程

如图2所示，湖泊中的水量是该系统的水平变量，流入，流出和降水与湖面蒸发直接相关。

湖泊容积t=湖泊容积t-1 （流入t 湖泊降水t - 流出t - 蒸发t ）* dt（1）

湖水量直接影响湖泊水域，间接影响湖泊的流入、流出、降水和蒸发。湖泊的流入与径流的产生直接相关。图2中的虚线框描述了五条河流径流产生的系统动力学过程，与蒸散系数（a1），地表径流系数（a2）和地下流量系数（a3）。降水，温度和水的使用会影响径流的产生。它们是整个系统中其他变量变化的主要驱动因素，也是该系统中主要的输入变量。

五、参数校准和模拟结果评估

可以根据现有数据查阅和计算等式（1）中的大多数参数，而需要校准与径流产生直接相关的a1，a2和a3。通过使用1978 - 1997年期间五条河流的五个水文站的月流量数据，我们进行模型中参数的校准和模型的验证。采用径流相对误差RE，Nash-Sutcliffe效率系数ESE和确定性系数R三个指标来评价模拟效果。

六、径流过程和模拟效果分析

图3显示了在检查期和校准期间，五河流域水文站的径流模拟值和观测值之间的比较。五个水文站的模拟径流形成过程和观测到的径流形成过程完美匹配，两者都重现了这些子流域的径流特征和变化趋势。五条河流年径流量变化幅度较大，其中1978年至1982年和1990年的径流量增幅最大;它分别于1982年和1998年达到峰值。李家渡站、梅岗站和外州站年径流量呈明显下降趋势，流域面积较小的虎山站、万家埠站略有变化。1998年以后，由于人类活动的影响增加，不同子流域水量的变化趋势不同。此外，梅岗站，虎山站和万家福站的年度变化不稳定;总体而言，它们略有下降，而李家渡站和外州站则明显增加。每个流域的年径流量分配相对类似且一致。春季和夏季是径流形成的主要季节。它在3月和4月迅速增加。它在5月底达到高峰，6月初在7月和8月急剧下降，然后进入旱季。

图三 1978-2007年五个水文站模拟流量与观测流量的比较

表1显示了在检查期和验证期内五个水文站点的径流量的统计结果。在检查期间，五个水文站的径流相对误差RE在plusmn;10％的范围内。其Nash-Sutcliffe效率系数范围在0.70~0.90之间。确定性系数在0.90以上，拟合效果比较理想。验证期间，统计指标与检查期略有不同，外州站Nash-Sutcliffe效率系数降至0.68，虎山站相对误差较大。总体拟合效果令人满意。至于每个子流域的模拟效果，新河是最好的一个，其次是抚河流域。秀水河和饶河的控制点位于其中。由于它们的低流量，它们的相对误差略高于其他流域。赣江流域的模拟值和观测值之间的差异最大。这主要是因为其集水区面积大，温度和降水同时具有空间异质性，导致不同区域的径流形成。虽然该盆地在不考虑子流域空间异质性的情况下被认为是单一径流形成单元，但在一定时间内径流量的拟合并不完善。一般来说，SD方法可以更好地刺激鄱阳湖流域的径流形成过程，并为湖泊提供可靠的水输入。

七、鄱阳湖出水位变化过程模拟

鄱阳湖出口水位的增产和观测值之间的比较如图4所示。图4（a）显示了1978年至2007年间受激和观测水位的散射图，而图4（b）显示了长期平均月水位。模拟结果可以准确显示湖泊水位的年度和季节变化趋势。当水位低（lt;15m）时，模拟值与观测值一致。然而，当水位高时，受湖泊形态和结构的影响，刺激效应略有下降。鄱阳湖水量水位变化曲线表明，当水位高于15m时，水位对水量变化更为敏感。从水位刺激的季节特征来看，当径流量最大时，模拟值在5月和6月较高。这可能与盆地径流的较高模拟值有关。当洪水在7月至9月期间接近长江上游时，它可以支持出口处的流出，并且刺激不能准确地显示出这种复杂的影响。因此，8月和9月的刺激水位较低。一般来说，SD方法可以在湖泊水量平衡过程的刺激下获得理想的结果，并充分反映了湖泊水位对流域径流的响应。

图四 鄱阳湖Hukouste1978-2007年模拟水位与观测水位的比较

图五 系统响应降水变化

表1.模拟鄱阳湖流域五河流的可持续发展方法的绩效评估

八、鄱阳湖流域水量平衡过程主要驱动因素分析

根据鄱阳湖流域水量平衡过程的系统动力学过程分析（图2），降水、温度和水分利用是系统的主要输入变量，是影响水量平衡过程各个方面的关键驱动因素。本文通过单变量控制仿真研究了这些关键驱动因素的影响。以1978 - 2007年的变量为标准，描述了当降水，温度和用水量增加或减少10％时其他因素的系统响应。

图5显示了当降水量增加和减少10％时，系统链“土壤含水量 - 径流量 - 湖泊

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