氣候變化對滇中引水工程取水影響分析

侯麗娜 黃站峰 唐兵

摘要：氣候變化正在逐漸改變?nèi)虻乃h(huán)現(xiàn)狀，并對水文水資源及其應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。在聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）對氣候變化趨勢進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)選近期、遠(yuǎn)期氣候變化情景，并模擬在未來氣候變化情景下金沙江流域干流主要斷面的逐日流量過程，用以分析氣候變化對金沙江干流石鼓斷面水文干旱以及對滇中引水工程取水的影響。研究結(jié)果表明：受未來可能的氣候變化影響，金沙江干流石鼓斷面的水文干旱發(fā)生強度和發(fā)生頻率都將有所增加，遠(yuǎn)期較近期具有高的不確定性;滇中引水工程不可取水天數(shù)和可調(diào)水量將會增加，但總體而言對工程的不利影響較小。

關(guān)?鍵?詞：氣候變化; 水文干旱; 取水影響分析; 可調(diào)水量; 石鼓斷面; 滇中引水工程

中圖法分類號： TV67?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.01.014

1?研究背景

近幾十年以來，全球氣候都在發(fā)生難以忽視的變化。根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第5次評估報告，全球地表持續(xù)升溫，1880～2012年全球平均溫度已升高0.85℃，而且北半球增溫幅度尤其明顯[1-4]。氣候變化的同時也會引起水文循環(huán)發(fā)生變化，引發(fā)部分流域極端氣候及水文事件的頻率和強度增加[5-8]，導(dǎo)致部分河流的來水在年際和年內(nèi)分布更加不均[9-12]，進(jìn)而對水利工程的正常運行產(chǎn)生影響[13-15]。

金沙江是長江上游河段的重要組成部分，該流域位于我國青藏高原、云貴高原和四川盆地的西部邊緣，流域面積為50萬km2，河流全長為3 500 km，落差為?5 100m，多年平均水資源總量為1 565.2億m3。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，金沙江流域?qū)⒊蔀樽罹唛_發(fā)潛力的地區(qū)之一，除了是我國西部重要的水電基地、西電東送的主要電源以外，同時也是滇中引水等重要調(diào)水工程的取水水源地。

滇中地區(qū)在云南省和我國西南地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展體系中具有十分重要的戰(zhàn)略地位。但是區(qū)域內(nèi)水資源分布不均，人、地、水資源組合不匹配，旱災(zāi)頻繁，以至對本地的水資源已很難實施進(jìn)一步開發(fā)，這些均成為了制約滇中地區(qū)未來經(jīng)濟社會快速發(fā)展的瓶頸[16]。為了解決滇中地區(qū)資源性缺水問題，國家規(guī)劃了滇中引水工程，即從金沙江干流引水至滇中地區(qū)，以緩解當(dāng)?shù)赜盟?、改善區(qū)域內(nèi)水環(huán)境狀況，促進(jìn)受水區(qū)經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

本文選擇金沙江干流的中下游為研究區(qū)域，并選擇石鼓斷面為主要的分析斷面，來分析未來氣候變化對石鼓斷面水文干旱以及對滇中引水工程取水可能產(chǎn)生的影響。金沙江流域如圖1所示。

2?氣候變化情景設(shè)置

（1） 現(xiàn)狀情景。采用1981～2010年歷史水文系列，以下簡稱基準(zhǔn)情景或baseline。

（2） 未來氣候變化情景。采用IPCC第5次評估報告[2]推薦的排放情景RCP4.5和RCP8.5，即中等碳排放情景和極端碳排放情景;同時從主要的全球氣候模式（GCMs）中選擇11種，將其組合為近未來（2021～2050年，以下稱近期或NF）NF1～NF8，以及遠(yuǎn)期遠(yuǎn)未來（F2070～2099年，以下稱遠(yuǎn)期或FF）FF45-1～FF45-8、FF85-1～FF85-8共24種氣候情景，如表1所示。

在設(shè)置的氣候情景下，金沙江流域未來氣溫變化情況總體上呈現(xiàn)為上升的趨勢。近期氣溫可能的變化范圍在0.01℃～1.64℃，遠(yuǎn)期氣溫可能的變化范圍在1.1℃～5.9℃。在降水方面，流域近期降水的可能變化范圍在-1.7%～4.6%，遠(yuǎn)期降水的可能變化范圍在0.3%～14.1%。

3?氣候變化對石鼓斷面水文干旱影響分析

干旱，通常定義為長時期缺乏降水或降水明顯短缺，或由降水短缺導(dǎo)致某方面的活動缺水;美國氣象學(xué)會將干旱分為氣象干旱、水文干旱、農(nóng)業(yè)干旱和社會經(jīng)濟干旱等4個類型[17-19]。其中，水文干旱是從干旱對河川徑流、水庫的影響方面來定義的，通常是指天然降水、河川徑流或地下水平衡所造成的水分短缺現(xiàn)象，關(guān)系到水文循環(huán)和水量平衡，水文干旱處在自然干旱發(fā)生的次級階段，是氣象干旱的結(jié)果，同時也是影響農(nóng)業(yè)干旱和社會經(jīng)濟干旱的主因之一[20]，對直接從河流取水的國民經(jīng)濟部門和水利工程運行有著至關(guān)重要的影響。

3.1?水文干旱指標(biāo)及分析方法

干旱指數(shù)是對干旱情況的量化表達(dá)，具有鑒別、度量和綜合評判的作用，當(dāng)前干旱指數(shù)主要集中在某一時段的正常降水百分率、降水小于某一閾值的連續(xù)天數(shù)、以降水和溫度為變量的公式、以持續(xù)降水短缺作為因子的各個模式[20]。針對水文干旱，水文部門常以徑流量的豐枯等級來劃分干旱程度[21]，可采用指標(biāo)為徑流小于某一閾值的連續(xù)天數(shù)。

本次采用Q95、Q99、7Q10和30Q10四種主要水文特征量，作為水文干旱的對比指標(biāo)：

（1） Q95，為30 a 5%頻率的日流量;

（2） Q99，為30 a 1%頻率的日流量;

（3） 7Q10，為10 a一遇7 d連續(xù)最小流量;

（4） 30Q10，為10 a一遇30 d連續(xù)最小流量。

本文在不考慮金沙江干流梯級水庫調(diào)度的天然情況下，在對金沙江流域未來氣候情景氣溫和降水預(yù)估的基礎(chǔ)上，采用RS模型對金沙江流域8種近期、16種遠(yuǎn)期共24種氣候模式進(jìn)行模擬，得出了干流主要斷面逐日天然流量過程。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計分析近期和遠(yuǎn)期情景下，石鼓斷面Q95、Q99、7Q10和30Q10指標(biāo)較基準(zhǔn)情景的變化情況，用以分析氣候變化對石鼓斷面水文干旱強度的影響情況;統(tǒng)計分析近期和遠(yuǎn)期情景下，小于基準(zhǔn)情景Q95、Q99、7Q10和30Q10流量天數(shù)的百分比較基準(zhǔn)情景的變化情況，用以分析氣候變化對石鼓斷面水文干旱發(fā)生頻率的影響情況。

3.2?氣候變化情景下水文干旱變化情況

3.2.1?水文干旱強度變化情況

表2給出了基準(zhǔn)情景下石鼓斷面水文干旱指標(biāo)值，以及未來近期、遠(yuǎn)期氣候變化情境下相對基準(zhǔn)情景的指標(biāo)變化率情況。從表2可以看出：

（1） 近期情景下，各斷面指標(biāo)變化具有較好的趨勢性，主要呈現(xiàn)減小的趨勢，Q95指標(biāo)值平均下降?4.5%?，Q99指標(biāo)值將較基準(zhǔn)情景平均下降4.6%，7Q10指標(biāo)值平均下降3.0%，30Q10指標(biāo)值平均下降?2.9%?。

（2） 遠(yuǎn)期情境下，各斷面指標(biāo)值較基準(zhǔn)情景依舊整體呈下降的趨勢，但與近期指標(biāo)相比，指標(biāo)的變異性（均方差）更大，不確定性相對更高。

（3） 總體而言，受氣候變化影響，未來情境下，金沙江干流中下游水文干旱強度將有所增加，但遠(yuǎn)期變化的不確定性要高于近期。

3.2.2?水文干旱發(fā)生頻率變化情況

對水文干旱發(fā)生頻率的變化情況開展了分析研究。通過研究，計算出了在基準(zhǔn)情景下，石鼓斷面日流量低于其Q95、Q99、7Q10和30Q10指標(biāo)值的天數(shù)。其中，在基準(zhǔn)情境下，石鼓斷面30 a的日流量低于其Q95指標(biāo)的天數(shù)為584 d，占總天數(shù)的5.0%;日流量低于其Q99指標(biāo)的天數(shù)為110 d，占總天數(shù)的1.0%;日流量低于其7Q10指標(biāo)的天數(shù)為58 d，占總天數(shù)的?0.5%?;日流量低于其30Q10指標(biāo)的天數(shù)為77 d，占總天數(shù)的0.7%。

圖2給出了未來近期、遠(yuǎn)期氣候變化情境下，石鼓斷面日流量小于基準(zhǔn)情境Q95、Q99、7Q10和30Q10流量的天數(shù)的變化率情況。從圖2可以看出：

（1） 近期氣候變化情景下，石鼓斷面低于基準(zhǔn)情景Q95、Q99、7Q10和30Q10流量天數(shù)的變化率分別在26.1%～82.8%、30.0%～120.9%、15.5%～124.1%和37.7%～114.3%之間，即日流量小于基準(zhǔn)情景各指標(biāo)的天數(shù)整體呈增加的趨勢。

（2） 遠(yuǎn)期氣候變化情境下，雖然變化率整體上依舊有所增大，日流量低于基準(zhǔn)年干旱指標(biāo)的天數(shù)整體呈增加趨勢，但是變化率的變異性增大、不確定性增高，部分情境下變化率呈現(xiàn)負(fù)值，即日流量低于基準(zhǔn)年干旱指標(biāo)的天數(shù)有所減少。

（3） 總體而言，受氣候變化影響，與基準(zhǔn)情景相比，未來金沙江干流石鼓斷面水文干旱發(fā)生的頻率整體上呈增加趨勢，但遠(yuǎn)期較近期具有更高的不確定性。

4?氣候變化對滇中引水工程取水影響分析

滇中引水工程規(guī)劃從金沙江干流石鼓斷面下游引水，受水區(qū)涉及大理、麗江、楚雄、昆明、玉溪、紅河6個州（市）的35個縣（市、區(qū)），工程建設(shè)任務(wù)是以城鎮(zhèn)生活與工業(yè)供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)。工程遠(yuǎn)期規(guī)劃水平年為2040年，多年平均引水量為34.03億m3。

4.1?分析方法

滇中引水工程取水口斷面至石鼓斷面區(qū)間無支流加入，因此，取水口斷面的徑流直接采用石鼓站徑流。隨著未來氣候的變化，石鼓斷面的來水過程將會產(chǎn)生變化，進(jìn)而會對滇中引水工程產(chǎn)生相應(yīng)的影響。以未來近期、遠(yuǎn)期氣候變化情景下的石鼓斷面30 a日流量過程為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)算，對比歷史水文系列條件下的計算成果，分析氣候變化對滇中引水工程不可取水天數(shù)（即斷面水位、流量不能滿足工程取水泵站最低運行水文條件的天數(shù)）和可調(diào)水量兩個方面的影響。

4.2?氣候變化對工程取水的影響分析

根據(jù)滇中引水工程相關(guān)成果，滇中引水工程對石鼓斷面的最低水位要求為1 816.17 m，相應(yīng)流量要求為303 m3/s，以石鼓斷面1953～2011年59 a間的歷史水文資料進(jìn)行調(diào)算，工程不可取水天數(shù)為0;在考慮外調(diào)水充蓄水庫調(diào)節(jié)作用的情況下，當(dāng)渠首設(shè)計流量為135 m3/s時，工程多年平均可調(diào)水量為40.0億m3（其中枯水期1～3月可調(diào)水量為8.2億m3）。

表3給出了不同情景的水文條件下，滇中引水工程可調(diào)水量和不可取水天數(shù)情況。從表3可以看出，在未來氣候變化情景下，與歷史水文系列調(diào)算成果相比：

（1） 滇中工程不可取水天數(shù)增加，近期和遠(yuǎn)期情景在各自的30 a序列中，平均不可取水天數(shù)均增加為35 d，占總?cè)諝v天數(shù)的0.3%。

（2） 雖然石鼓斷面水文干旱情況會加劇、滇中引水工程將出現(xiàn)不可取水的情況，但是受到來水量普遍增大的影響，工程多年平均可調(diào)水量有所增加。其中，近期全年可調(diào)水量平均增量為1.1億m3，枯期1～3月平均增量為0.8億m3，增加比例為2.6%和9.8%;遠(yuǎn)期全年可調(diào)水量平均增量為1.4億m3，枯期1～3月平均增量為1.1億m3，增加比例為3.5%和?13.6%。

（3） 總體而言，近期、遠(yuǎn)期情景對滇中引水工程取水的影響程度相當(dāng)，多年平均可調(diào)水量增加，不可取水天數(shù)增加，但整體影響程度較小。

5?結(jié)論與建議

5.1?結(jié) 論

本文選取金沙江干流中下游為研究區(qū)域，選擇石鼓斷面為分析斷面，分析了未來氣候變化對石鼓斷面水文干旱以及對滇中引水工程取水可能產(chǎn)生的影響。

在考慮未來可能的氣候變化條件下，石鼓斷面的水文干旱指標(biāo)Q95、Q99、7Q10和30Q10整體呈下降的趨勢。與此同時，日流量小于基準(zhǔn)情景水文干旱指標(biāo)的天數(shù)總體呈增加的趨勢，說明未來金沙江干流中下游的水文干旱發(fā)生強度和發(fā)生頻率都將有所增加，但是相較于近期情景來說，遠(yuǎn)期情景具有更高的不確定性。

未來氣候變化帶來的水文情勢變化，將對滇中引水工程取水產(chǎn)生一定的影響。受水文干旱變化的影響，工程不可取水天數(shù)會增加，但是僅占到總天數(shù)的0.3%;受斷面來水量普遍增大的影響，工程多年平均可調(diào)水量增加，對工程取水有利?？傮w而言，未來氣候變化將對滇中引水工程取水產(chǎn)生影響，但不利影響程度較小。

5.2?建 議

為應(yīng)對未來氣候變化可能對滇中引水工程產(chǎn)生的影響，建議采取如下措施。

（1） 加強上游規(guī)劃工程的調(diào)度管理。根據(jù)金沙江流域相關(guān)規(guī)劃成果，金沙江干流上游規(guī)劃梯級水庫擁有較大的調(diào)節(jié)能力，建成后將會對石鼓斷面水流的調(diào)節(jié)起到至關(guān)重要的作用。因此，可以通過加強對上游梯級水庫的日常調(diào)度管理來提高氣候變化情景下的滇中引水工程石鼓斷面的取水保證率。

（2） 提高滇中引水路線的外調(diào)蓄能力。滇中受水區(qū)現(xiàn)狀擁有外調(diào)水充蓄調(diào)節(jié)水庫16座，為了保障工程檢修期間受水區(qū)的生產(chǎn)生活用水不受影響，目前在需水量大、調(diào)蓄能力相對不足的小區(qū)增設(shè)了外調(diào)水調(diào)節(jié)池。為了應(yīng)對氣候變化的影響，上述外調(diào)節(jié)水庫、調(diào)節(jié)池也將發(fā)揮重要的作用，尤其是發(fā)生豐枯變化時，在豐時蓄水，枯時放水。與此同時，對于沒有外調(diào)水充蓄調(diào)節(jié)水庫的受水小區(qū)，可以通過市政、水利等多部門相關(guān)工程建設(shè)，提高調(diào)蓄能力，滿足經(jīng)濟社會的平穩(wěn)用水需求。

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引用本文：侯麗娜，黃站峰，唐?兵.氣候變化對滇中引水工程取水影響分析[J].人民長江，2019，50（1）：75-78.

Influence of climate change on water intake ofCentral-Yunnan Water Diversion Project

HOU Lina， HUANG Zhanfeng， TANG Bing

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract：Climate change is gradually changing the global water cycle status， and will have a significant impact on the hydrology and water resources utilization. Based on the predictions to climate change by the Intergovernmental Panel on Climate Change （IPCC）， the recent and long term climate change scenarios were selected and the daily flow process of main stations on the Jinsha River main stream was simulated to analyze the impacts of climate change on hydrological drought of Shigu cross-section and water intake of Central-Yunnan Water Diversion Project. The results show that affected by the probable future climate change， the intensity and frequency of hydrological drought at Shigu cross-section will both increase， and the long-term uncertainty is higher than short-term uncertainty. The number of days unable to intake water increases as well as the transferable water quantity of Central-Yunnan Water Diversion Project， but generally speaking， climate change has small adverse influence on the project.

Key words：?climate change; hydrological drought; water intake; transferable water quantity; Shigu section; Central-Yunnan Water Diversion Project