1、高寒流域水文模拟与径流水源解析以雅鲁藏布江帕隆藏布上游流域为例*班春广1，2）徐宗学1，2）左德鹏1，2）李鹏1，2）王静3）达瓦次仁3）（1）北京师范大学水科学研究院，100875，北京；2）城市水循环与海绵城市技术北京市重点实验室，100875，北京；3）西藏自治区水文水资源勘测局，850000，西藏拉萨）摘要为深入研究高寒流域河川径流的水源解析，选取雅鲁藏布江帕隆藏布上游流域为研究区，采用月流量、遥感积雪面积数据、实测冰川径流数据等多目标率定方法，改进单一依靠流量数据率定模型的方法，基于 SPHY（SpatialProcessesinHydrology）水文模型开展水文模拟及径流组分研究
2、，提高了总体建模质量.结果表明：在率定期和验证期Nash-Sutcliffe 效率系数分别为 0.95 和 0.94，模型具有较好的适用性.降雨径流、融雪径流、冰川径流和基流作为径流来源，占总径流的比例分别为 10%、25%、45%和 20%，冰川径流和融雪径流是最重要的补给来源.月尺度上，冰川径流在78 月占比最大，融雪径流在 46 月占比最大，降雨径流在各月占比最小.冰川径流占比最高，短期内可提供更多水资源保障社会经济发展，长期而言冰川径流将逐渐减少，造成水资源短缺.因此，当地需提高应对径流变化潜在风险的策略.关键词水文模拟；径流水源解析；SPHY 水文模型；雅鲁藏布江；帕隆藏布上游流域中
3、图分类号TV121DOI：10.12202/j.0476-0301.20222400引言青藏高原海拔高、气候寒冷、生态环境十分脆弱，是全球典型的高寒区12.在全球气候变暖背景下，青藏高原出现气温快速升高，冰川加速退缩、湖泊显著扩张、冰川径流增加等失衡现象，进一步导致冰崩、冰湖崩决等重大灾害，加剧了未来水资源短缺的潜在风险3.雅鲁藏布江流域位于青藏高原东南部，属于典型的高寒区.快速的气候变暖显著影响着流域内植被、积雪、冰川、冻土和地下水等一系列水文要素，强烈改变着流域内的水文过程，引起包括降雨、融雪径流、冰川径流和地下水在内的径流水源发生变化.目前，以青藏高原为代表的高寒区面临着径流水源组成和路
4、径不清、无法科学有效指导当地水资源综合利用与环境保护的理论与现实问题，亟待深入系统研究、解析其径流水源组成和路径，揭示高寒区水循环过程，为当地水资源开发利用和风险管控提供依据4.径流水源解析主要包括 2 种方法：基于示踪元素的反向解析方法和基于水文模型的正向解析方法5.基于示踪元素的反向解析方法依赖于野外示踪监测，一般应用于径流端元明确、流域面积较小的流域5，分布式水文模型多基于连续方程、能量方程和动量方程为中心的基本物理方程，具有极强的物理机制，能够较为方便地对各种径流水源进行模拟和量化6.在雅鲁藏布江流域，许多学者采用不同的水文模型开展有关径流模拟及径流水源解析方面的研究.例如：Bookh
5、agen 等7基于 SRM 模型，采用更多的遥感数据计算得到 20002007 年积雪和冰川径流占雅鲁藏布江流域总径流的比例为 34.4%；Immerzeel 等8基于SRM 模型计算得到 20002007 年积雪和冰川径流占雅鲁藏布江流域总径流的 27%；Lutz 等9采用 SPHY模型研究得到雅鲁藏布江流域 19982007 年积雪和冰川径流占总径流的比例分别为 9%和 15.9%；Su 等10采用改进的 VIC 模型预估在 2050 年左右雅鲁藏布江流域积雪和冰川径流占总径流的比例分别为 23%和11.6%，未来冰川径流将增加到 14%21%；Chen 等11基于改进的 CREST 模型
6、，计算得到雅鲁藏布江流域20032014 年积雪和冰川径流占总径流的比例分别为 10.6%和 9.9%；田富强等5在雅鲁藏布江流域开展*国家自然科学基金重大研究计划重点支持资助项目（91647202）；国家重点研发计划课题资助项目（2021YFC3201104）通信作者：徐宗学（1962），男，教授，博士研究生导师.研究方向：水文与水资源.E-mail：收稿日期：2022-07-292023-02北京师范大学学报（自然科学版）59（1）JournalofBeijingNormalUniversity（NaturalScience）85径流水源组成解析，研究得出 20012015 年降雨、融雪、
7、融冰水源对总径流量的贡献比例分别为 66%、20%和 14%；Xin 等12基于改进的 Budyko 框架研究 19982015 年雅鲁藏布江流域气候和下垫面对径流贡献，得出降水、潜在蒸散发、下垫面和冰川对径流增长的贡献分别为 39.62%、2.74%、32.32%和 30.94%.以上研究者大多研究了积雪和冰川径流占雅鲁藏布江总径流的贡献，不同之处在于一些研究者可能未区分积雪和冰川径流各自占总径流的比例，且得到的径流解析结果存在差异，主要原因可归结为采用的驱动数据、率定方法11、不同研究者采用的水源组成的定义方式不同，以及寒区水文模拟存在的不确定性和“异参同效”性.帕隆藏布上游流域位于雅鲁藏
8、布江流域下游，流域内积雪、冰川和冻土所占比例较雅鲁藏布江其他子流域更高，且产汇流机制更加复杂，开展径流模拟及径流水源解析方面的研究相对较少，水循环过程尚不明晰.同时，夏季印度季风带来丰沛降水，形成大量的淡水资源汇入雅鲁藏布江.因此，本文选取帕隆藏布上游流域开展水文模拟和径流水源解析方面的研究，明晰雅鲁藏布江下游流域径流来源和径流组分，对于揭示高寒区复杂产汇流机制，支撑当地乃至雅鲁藏布江流域水资源管理决策具有重要的科学价值和现实意义.1研究区概况帕隆藏布上游流域位于波密县境内，雅鲁藏布江流域下游支流帕隆藏布流域东部，地处念青唐古拉山东段和喜马拉雅山东段，地势东南高，西北低，地理位置为 95309
9、730E，29003030N.流域面积约6840km2，海拔 2732.16128.8m.流域属高原温带季风半湿润气候13，年最高气温为 16.3，年最低气温为4.17，年平均气温为9.02.年降水量约为895.21mm，降水量年内分布不均匀，主要集中在 69 月份.年平均流量为 282.73m3s1.受流域海拔高、气温较低的影响，流域内广泛分布多年和季节性积雪、冰川和冻土，冰川约占流域面积的 22.9%，季节冻土和多年冻土分别占流域面积的 22.6%和 55.6%.河流补给主要以降雨、融雪径流、冰川径流和基流为主.由于海拔较高，流域植被垂直地带性显著，植被类型从河谷到山地依次为针叶林、灌丛、
10、高山植被和冰雪带.土壤类型以高山土、淋溶土为主.2研究方法和数据2.1SPHY 模 型 介 绍 SpatialProcessesinHydrology（SPHY）模型是基于高分辨率网格，完全分布的漏桶型（leakybucket）寒区水文模型14，该模型基于常用的Soil Water Assessment Tool（SWAT）、Soil WaterAtmosphere Plant Model、Snowmelt Runoff Model（SRM）和 PCRasterGlobalWaterBalanceModel 开发而成9.SPHY 模型基于PCRaster 动态建模框架采用Python语言编写而
11、成，在 QGIS 软件中完成数据的处理和模型运行.模型主要包括 6 个集成模块：冰川模块、积雪模块、地下水模块、动态植被模块、简单汇流模块和湖泊/水库模块15（图 1）.除冰川模块外，所有的模块都可以独立运行.SPHY 模型采用 Hargreaves 方程冰川覆盖区非冰川覆盖区降水蒸散发截留完全冰川覆盖冰川融水部分冰川覆盖冰川融水冰川径流积雪融水融雪径流坡面流融水下渗壤中流下渗根区层次根区层地下水补给含水层基流地下水层入渗毛管上升水降雨径流图1SPHY 模型基本结构示意86北京师范大学学报（自然科学版）第 59 卷描述参考蒸散发，并在此基础上计算潜在蒸散量和实际蒸散量，采用单温度阈值法判断降水
12、为降雨或降雪 2 种形式，应用度日因子模型计算冰川和积雪的消融量.2.1.1蒸散发由于 Penman-Monteith 公式具有良好的理论基础，联合国粮农组织（FoodandAgricultureOrganization of the United Nations，FAO）推 荐 使 用Penman-Monteith 公式16计算参考蒸散发，但该公式对数据要求较高，在许多流域使用时受到限制.在SPHY 模型中，采用 Hargreaves 和 Samani17提出的仅依靠气温数据、修正的 Hargreaves 公式，该公式可表示为ETr=0.002 30.408Ra(Tavg+17.8)TD0.
13、5,（1）式中：ETr为参考蒸散发（mm）；Ra为大气顶层辐射（MJm2d1）；Tavg为逐日平均气温（）；TD为日最高气温与日最低气温差值（）.Allen 等16基于作物系数定义潜在蒸散发，其公式可表示为ETp,t=ETr,tKc,（2）式中：ETp，t为第 t 天的潜在蒸散发（mm）；ETr，t为第t 天的参考蒸散发（mm）；Kc 为作物系数.实际蒸散量可表示为ETa,t=ETp,tET,wetET,dry,（3）ET,dry,t=WS1,tWS1,pF4.2WS1,pF3WS1,pF4.2,（4）式中：ETa，t为第 t 天的实际蒸散发（mm）；ET，wet和 ET，dry分别为水量过剩
14、和缺水状况的消减参数；WS1，t为第一层土壤层实际土壤水含量（mm）；WS1，pF4.2和 WS1，pF3分别为第一层土壤层在 pF3 和 pF4.2 状态下的实际土壤水含量（mm）.2.1.2冰雪消融量SPHY 认为冰川能够以完全冰川或部分冰川的形式覆盖到网格单元.完全冰川覆盖情况下冰川消融量为ACI,t=Tavg,tDDF,CIFCI,Tavg,t 0,0,Tavg,t0,ADC,t=Tavg,tDDF,DCFDC,Tavg,t 0,0,Tavg,t0,（5）AGLAC,t=(ACI,t+ADC,t)FGLAC,式中：ACI，t为第 t 天完全冰川消融量（mm）；Tavg，t为第t 天 平
15、 均 气 温（）；DDF，CI为 完 全 冰 川 度 日 因 子（mm1d1）；FCI为单一网格中完全冰川所占的面 积 比 例；ADC，t为 第 t 天 部 分 冰 川 消 融 量（mm）；DDF，DC为部分冰川度日因子（mm1d1）；FDC为单一网格中部分冰川所占的面积比例；FGLAC为冰川面积所占网格比例；AGLAC，t为第 t 天单一网格消融量.SPHY 根据单温度阈值判断降水为固态（降雪）或液态（降雨）.降雪量公式可表示为Ps,t=Pe,t,Tavg,tTcrit,0,Tavg,t Tcrit,（6）式中：Ps，t为第 t 天降雪量（mm）；Pe，t为第 t 天有效降水；Tavg，t为
16、第 t 天平均气温（）；Tcrit为判断降水是降雨或降雪的温度阈值.积雪模块中考虑了积雪潜在消融量和实际消融量等因素，积雪潜在消融量计算公式为Ap,t=Tavg,tDDF,s,Tavg,t 0,0,Tavg,t0,（7）式中：Ap，t为第 t 天积雪潜在消融量；DDF，s为积雪度日因子（mm1d1）.2.1.3产汇流过程及径流组分划分SPHY 模型通过模拟降水、蒸发、下渗、冰川和积雪消融等不同的水文过程，将每个网格的总产流量划分为降雨产流量、积雪产流量、冰川产流量和基流量 4 个部分18，计算公式为Qtot=QG_RO+QS_RO+QR_RO+QBF_RO,（8）式中：Qtot为某个单元网格的总产流量（mm）；QG_RO为冰川融水产流量（mm）；QS_RO为积雪融水产流量（mm）；QR_RO为降雨产流量（mm）；QBF_RO为基流量（mm）.利用 SPHY 模型进行汇流计算时，通过引入衰退系数表征流域汇流的滞后特征15，流域出口断面的径流计算公式可表示为Qtot,t=Qtot,t0.001A243 600,Qaccu,t=accuflux(Fdir,Qtot,t),（9）Qrout,t
