南水北調(diào)中線工程水源區(qū)和受水區(qū)旱澇特征及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估

方思達(dá), 劉 敏, 任永建

(1.武漢區(qū)域氣候中心, 湖北 武漢 430074; 2.湖北省氣象服務(wù)中心, 湖北 武漢 430205)

南北方水資源配置極不平衡是中國(guó)水資源分布的重要特征[1-2]。南水北調(diào)工程，旨在通過(guò)跨流域的水資源合理配置，促進(jìn)南北方經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境等的協(xié)調(diào)發(fā)展。其中中線工程是從長(zhǎng)江最大支流的漢江上游丹江口水庫(kù)調(diào)水，跨越長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河4大流域，向唐白河區(qū)、淮河區(qū)、海河3個(gè)受水區(qū)輸送。該工程的順利實(shí)施將有效緩解京津地區(qū)的水資源危機(jī)，并將大大改善受水區(qū)的投資環(huán)境和生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)我國(guó)京津地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。中線工程調(diào)水線路長(zhǎng)，跨越亞熱帶和暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水特點(diǎn)和變化規(guī)律不盡相同，導(dǎo)致旱澇配置呈現(xiàn)更為復(fù)雜的不確定性，特別是如果氣候出現(xiàn)異常，水源區(qū)與受水區(qū)連續(xù)同旱，將直接影響調(diào)水工程的可靠性。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)中線流域的旱澇變化特征進(jìn)行了相關(guān)研究[3-5],周月華等[6]研究表明，漢江流域具有多連旱特征。隨著南水北調(diào)中線工程的開(kāi)展，不同水文區(qū)的豐枯遭遇研究近些年來(lái)受到廣泛關(guān)注[7-8]。陳鋒等[9]使用Copula函數(shù)方法，并基于IPCC第四次評(píng)估報(bào)告中大氣環(huán)流模式的降水結(jié)果，用模型探討了氣候變化情景下南水北調(diào)中線工程水源區(qū)與受水區(qū)豐枯遭遇的變化；康玲等[10]聯(lián)合copula函數(shù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)理論,建立了南水北調(diào)中線工程水源區(qū)和受水區(qū)降水豐枯遭遇風(fēng)險(xiǎn)分析模型,對(duì)南水北調(diào)中線工程調(diào)水最不利的豐枯遭遇風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行了研究。本研究嘗試使用旱澇等級(jí)資料及氣象站降水資料，對(duì)氣候變化背景下南水北調(diào)中線工程水源區(qū)與受水區(qū)旱澇配置的變化特征進(jìn)行分析，并利用模式數(shù)據(jù)探討未來(lái)水源區(qū)與受水區(qū)旱澇配置的可能影響，為南水北調(diào)中線工程水資源調(diào)度及決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料說(shuō)明

1.1.1 氣象觀測(cè)資料 旱澇資料使用中國(guó)氣象局氣象科學(xué)研究院提供的中國(guó)120臺(tái)站五百年旱澇等級(jí)數(shù)據(jù)集。時(shí)間范圍為1470—2000年，分辨率為年。該資料在中國(guó)近代氣候旱澇變化研究中有著廣泛應(yīng)用[11-12]。本文選取其中位于南水北調(diào)中線工程地域范圍內(nèi)的12個(gè)站點(diǎn)，分別為：漢中、安康、鄖縣、南陽(yáng)、鄭州、信陽(yáng)、石家莊、邯鄲、安陽(yáng)、北京、天津和保定。各站點(diǎn)依據(jù)降水量標(biāo)準(zhǔn)化距平分為：1級(jí)(澇)、2級(jí)(偏澇)、3級(jí)(正常)、4級(jí)(偏旱)、5級(jí)(旱)共5個(gè)等級(jí)代表該站點(diǎn)該年降水旱澇情況。氣象站降水資料使用1961—2015年南水北調(diào)中線工程內(nèi)265氣象站逐日降水資料。將南水北調(diào)中線工程劃分為4個(gè)流域，其中漢江上游為水源區(qū)，唐白河流域、淮河流域和海河流域?yàn)槭芩畢^(qū)。

1.1.2 模式預(yù)估資料 CMIP5耦合模式代表當(dāng)前國(guó)際主要先進(jìn)模式的最新版本，是當(dāng)前氣候預(yù)估研究的重要手段[13-15]。本文使用中國(guó)氣象局制作的21個(gè)CMIP5全球氣候模式集合平均模擬結(jié)果[16]，經(jīng)過(guò)插值計(jì)算將其統(tǒng)一降尺度到同一分辨率1°×1°，選取2020—2100年南水北調(diào)中線工程區(qū)域內(nèi)RCP 4.5排放情景下的月平均降水資料。

1.2 旱澇年劃分方法

近500 a區(qū)域旱澇年劃分標(biāo)準(zhǔn)：研究流域包含的站點(diǎn)在某年出現(xiàn)偏旱或旱(偏澇或澇)的個(gè)數(shù)達(dá)1/2以上，則認(rèn)為該流域該年為旱(澇)年，其他情況為平年。1961—2015年區(qū)域旱澇年劃分標(biāo)準(zhǔn)：將所研究流域各站點(diǎn)逐年降水量序列進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到各站點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化距平序列。若某站降水距平小于或等于-1.0σ(大于等于+1.0σ)，且滿足該標(biāo)準(zhǔn)的站點(diǎn)數(shù)超過(guò)研究區(qū)域站點(diǎn)總數(shù)的30%，則定義流域該為旱年(澇年)，其他情況為平年。

2 水源區(qū)旱澇變化特征

2.1 近500 a來(lái)水源區(qū)旱澇特征

使用近500 a來(lái)旱澇資料對(duì)水源區(qū)旱澇特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明水源區(qū)旱、平、澇的出現(xiàn)頻率分別為33.3%，46.2%和20.5%，但存在較大年代際變化。1470—2000年南水北調(diào)水源區(qū)(漢江上游)旱澇狀況年代際變化如圖1所示。

由圖1可以看出，1470—1800年旱年出現(xiàn)頻率呈下降趨勢(shì)，但隨后出現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤其是20世紀(jì)，干旱出現(xiàn)頻率達(dá)31.7%；澇年出現(xiàn)頻率基本在各年代均高于旱年頻率，在19世紀(jì)達(dá)到頂峰，為47.0%，進(jìn)入20世紀(jì)有所回落，出現(xiàn)頻率為34.7%。平年頻率在1 800 a以前較平穩(wěn)，基本維持在50%左右，但受20世紀(jì)以來(lái)枯豐年出現(xiàn)頻率波動(dòng)較大影響，平年出現(xiàn)頻率較低，僅為33.7%。以上分析表明，近500 a來(lái)漢江上游旱澇出現(xiàn)較大變化，尤其是1 800 a以來(lái)，旱澇事件增多，這可能與全球氣候變化導(dǎo)致的極端事件增多相關(guān)。

圖1 1470-2000年南水北調(diào)水源區(qū)旱澇出現(xiàn)概率年代際變化

此外，水源區(qū)還體現(xiàn)出一定的連旱及連澇特征，表1給出了近500 a來(lái)水源區(qū)連旱(澇)出現(xiàn)次數(shù)，可以看到，近500 a來(lái)，漢江上游連旱連澇現(xiàn)象均有發(fā)生，連旱(澇)持續(xù)年數(shù)越短，出現(xiàn)次數(shù)越多，其中連旱出現(xiàn)總次數(shù)少于連澇。歷史上最長(zhǎng)連旱為7 a，出現(xiàn)在1635—1641年；而最長(zhǎng)連澇年份為6 a，共出現(xiàn)過(guò)2次，分別為1930—1935年及1979—1984年。

表1 近500 a來(lái)水源區(qū)連旱(澇)出現(xiàn)次數(shù)

2.2 1961-2015年水源區(qū)旱澇變化特征

使用氣象站降水資料對(duì)1961—2015年水源區(qū)旱澇情況分析如圖2所示。由圖2可以看出，近55 a來(lái)，漢江上游降水正常年份占60.0%，旱年占21.8%，澇年占18.2%。同時(shí)旱澇結(jié)構(gòu)有著較明顯的年代際特征，20世紀(jì)90年代以前，豐枯年份出現(xiàn)頻率相對(duì)較低，但近20 a余來(lái)，漢江上游旱澇年出現(xiàn)概率明顯增加，尤其是旱年出現(xiàn)概率達(dá)28.0%，澇年概率也有所上升，達(dá)20.0%。這意味著，漢江上游氣候近年來(lái)較易出現(xiàn)極端旱澇事件，南水北調(diào)工程風(fēng)險(xiǎn)增加。

圖2 1961-2015年漢江上游旱澇逐年變化

3 近500 a來(lái)水源區(qū)與受水區(qū)旱澇遭遇特征

正?；蚱珴车哪攴荩磪^(qū)有足夠的水可供受水區(qū)調(diào)度，這種情形稱之為調(diào)水保障概率(P1)。但當(dāng)水源區(qū)和受水區(qū)同時(shí)干旱時(shí)，將出現(xiàn)無(wú)水可調(diào)的情況，此外，由于受水區(qū)尤其是華北等地在正常年份仍需要調(diào)水，因此，當(dāng)水源區(qū)發(fā)生干旱而受水區(qū)當(dāng)年降水屬于正常年景，仍然存在無(wú)水可調(diào)或調(diào)水量不夠的風(fēng)險(xiǎn)，上述兩種情形出現(xiàn)的概率之和，稱之為調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)概率(P2)。后文將主要分析水源區(qū)和受水區(qū)調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)概率和調(diào)水保障概率特征。

3.1 水源區(qū)與受水區(qū)旱澇遭遇分析及變化特征

近500 a來(lái)，南水北調(diào)中線工程水源區(qū)及受水區(qū)旱澇遭遇情況詳見(jiàn)表2。唐白河流域、淮河流域及海河流域3個(gè)受水區(qū)的調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)概率分別為21.6%，12.7%和16.2%，同時(shí)漢—唐同旱概率也達(dá)16.2%，也為3種遭遇情形最高。因此唐白河流域調(diào)水保障概率最低，為78.4%，海河流域次之，調(diào)水保障概率最高為淮河流域，達(dá)87.3%。

表2 1470-2000年南水北調(diào)水源區(qū)與受水區(qū)旱澇遭遇概率

近500 a來(lái)，南水北調(diào)中線工程水源區(qū)和3個(gè)受水區(qū)逐百年的調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)概率變化較為一致，呈現(xiàn)較大波動(dòng)(圖3)。除去1 400年代資料較短外，20世紀(jì)以來(lái)各流域調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)均處于歷史高位，尤其是漢—唐調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)概率接近30%，這使得各受水區(qū)的調(diào)水保障概率為近500 a來(lái)最低值，漢—唐、漢—淮及漢—海的保障概率分別為70.6%，76.2%及76.2%(圖3)。

圖3 1470-2000年南水北調(diào)水源區(qū)遭遇概率年代際變化

3.2 水源區(qū)與受水區(qū)持續(xù)旱澇遭遇特征

近500 a來(lái)水源區(qū)和受水區(qū)還具有連續(xù)同旱(澇)遭遇特征(表3)，可以看到各受水區(qū)連續(xù)同旱(澇)遭遇持續(xù)年數(shù)越短，出現(xiàn)次數(shù)越多。最長(zhǎng)同旱持續(xù)年數(shù)為6 a，出現(xiàn)在1636—1641年的漢唐遭遇中；3種遭遇最長(zhǎng)同澇持續(xù)年數(shù)均為3 a。漢—唐及漢—海連續(xù)同旱次數(shù)多于漢—淮，同時(shí)，漢—唐及漢—海遭遇均出現(xiàn)了持續(xù)年數(shù)在4 a以上的同旱情形，這2個(gè)區(qū)域調(diào)水連續(xù)同旱風(fēng)險(xiǎn)較高。連續(xù)同旱出現(xiàn)頻率大于連續(xù)同澇。3種遭遇情景中，連續(xù)2 a同旱出現(xiàn)了24次，而連續(xù)2 a同澇出現(xiàn)了20次；連續(xù)3 a同旱出現(xiàn)了7次，連續(xù)3 a同澇出現(xiàn)了4次；連續(xù)4 a及以上同旱共出現(xiàn)了3次，而該強(qiáng)度的連續(xù)同澇事件未發(fā)生過(guò)。

表3 近500 a來(lái)水源區(qū)連續(xù)同旱(澇)遭遇出現(xiàn)次數(shù)

4 1961-2015年不同時(shí)期內(nèi)水源區(qū)與受水區(qū)旱澇遭遇特征

4.1 水源區(qū)與受水區(qū)旱澇遭遇特征

使用1961—2015年南水北調(diào)中線工程內(nèi)氣象站日降水資料，對(duì)水源區(qū)及受水區(qū)旱澇遭遇情況的分析如表4所示。唐白河流域、淮河流域及海河流域調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)概率分別為21.8%，21.8%和18.2%，其中漢—唐和漢—淮同旱概率占調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)概率的1/2。通過(guò)以上分析可知，唐白河及淮河的調(diào)水保障概率均為78.2%，而海河的保障概率為81.9%。唐白河仍為調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)概率最高的流域，這與使用500 a旱澇資料的分析結(jié)果一致。1961—2015年南水北調(diào)中線工程各流域旱澇配置還具有以下特點(diǎn)：漢—唐—淮同旱概率較高，共6 a出現(xiàn)了漢—唐—淮同旱的情形，占總的同旱事件一半以上，這將在水源區(qū)干旱時(shí)增大南水北調(diào)調(diào)水量的需求，對(duì)南水北調(diào)工程產(chǎn)生較大不利影響；進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，各流域旱、澇事件增多，同枯、同豐出現(xiàn)幾率增大。如1997—2003年這7 a中，漢江上游僅兩年降水正常，旱澇轉(zhuǎn)換頻率加劇，同時(shí)出現(xiàn)了近55 a來(lái)僅有的一次全流域性干旱事件，這可能與氣候變化加劇了旱澇急轉(zhuǎn)相關(guān)，將使南水北調(diào)效益風(fēng)險(xiǎn)上升。

表4 1961-2015年水源區(qū)與受水區(qū)旱澇遭遇概率

4.2 不同時(shí)期內(nèi)旱澇遭遇風(fēng)險(xiǎn)特征

由于南水北調(diào)具有一定的時(shí)效性，因此對(duì)同時(shí)段內(nèi)的各流域旱澇遭遇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，方法與對(duì)全年分析相同，結(jié)果如表5所示。無(wú)論在任何時(shí)段，海河流域的調(diào)水保障概率最高，概率均在80%以上，淮河流域次之，唐白河流域調(diào)水保障概率最低。

表5 1961-2015年不同時(shí)段水源區(qū)與受水區(qū)旱澇遭遇概率

汛期為南水北調(diào)工程最不利的時(shí)段，唐白河流域、淮河流域及海河流域調(diào)水保障概率分別為78.2%，78.2%及81.9%，而秋汛期為調(diào)水最有利的時(shí)段。非汛期作為受水區(qū)重要的缺水時(shí)段，3個(gè)流域調(diào)水保障概率均在80%以上。

5 水源區(qū)和受水區(qū)旱澇配置未來(lái)情景預(yù)估

使用21個(gè)CMIP5全球氣候模式的模擬結(jié)果，對(duì)RCP4.5排放情景下南水北調(diào)中線工程2020—2100年的旱澇遭遇特征進(jìn)行預(yù)估研究(表6)。由表6可以看出，唐白河流域、淮河流域及海河流域未來(lái)的調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)概率分別為12.3%，12.3%和11.1%，低于21世紀(jì)水平。預(yù)估結(jié)果顯示未來(lái)海河流域調(diào)水保障概率最高，為88.9%；淮河流域和唐白河流域略低，均為87.7%，調(diào)水朝有利方向發(fā)展。此外，21世紀(jì)旱澇遭遇具有明顯的年代特征。2050年以前，水源區(qū)降水異常年份主要為干旱事件，同時(shí)受水區(qū)干旱出現(xiàn)也較為頻繁，因此該時(shí)期調(diào)水風(fēng)險(xiǎn)主要考慮干旱事件，約占總數(shù)的近八成；而2050—2100年，全流域氣候特征發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，絕大部分異常年份為偏澇，該時(shí)段流域同澇事件多發(fā)。未來(lái)水源區(qū)與受水區(qū)的旱澇遭遇特征前期將以干旱事件為主，而后期將存在較大的同澇風(fēng)險(xiǎn)，這是當(dāng)前較為忽視的情景，需提前做好應(yīng)對(duì)措施。

表6 2020-2100年水源區(qū)與受水區(qū)旱澇遭遇情況

6 結(jié)論與討論

(1) 近500 a來(lái)，水源區(qū)澇年出現(xiàn)概率呈增加趨勢(shì)，旱年出現(xiàn)概率呈先減少后增加趨勢(shì)，尤其是20世紀(jì)以來(lái)水源區(qū)干旱年出現(xiàn)概率處于歷史高位，達(dá)31.7%；同時(shí)，近20 a來(lái)，旱、澇事件頻繁發(fā)生，旱澇急轉(zhuǎn)發(fā)生概率增大。

(2) 受水區(qū)淮河流域的調(diào)水有利概率最高，達(dá)87.3%，唐白河流域調(diào)水有利概率最低，為78.4%。各受水區(qū)調(diào)水總體趨于不利。20世紀(jì)以來(lái)各流域與水源區(qū)同旱概率均處于歷史高位，尤其是漢—唐同旱概率接近30%，漢—唐、漢—淮及漢—海的有利概率分別為70.6%，76.2%及76.2%。

(3) 水源區(qū)與受水區(qū)持續(xù)同旱出現(xiàn)概率大于持續(xù)同澇，漢—唐、漢—海持續(xù)同旱概率高于漢—淮。

(4) 汛期為南水北調(diào)工程最不利的時(shí)段，而秋汛期為調(diào)水最有利的時(shí)段。非汛期作為受水區(qū)重要的缺水時(shí)段，3個(gè)流域調(diào)水保障概率均在80%以上。

(5) CMIP5模式預(yù)估結(jié)果顯示，2020—2100年唐白河流域、淮河流域和海河流域調(diào)水保障概率分別為87.7%，87.7%和88.9%，海河流域調(diào)水保障概率略高；同時(shí)，由于未來(lái)降水趨于增加，調(diào)水朝有利方向發(fā)展，但21世紀(jì)后期也將面臨較大的同澇風(fēng)險(xiǎn)。

(6) 需要注意的是，全球氣候模式分辨率較低，而研究區(qū)域相對(duì)較?。煌瑫r(shí)未來(lái)情景值考慮了人類排放，未考慮自然強(qiáng)迫的影響，這些都導(dǎo)致結(jié)果具有一定程度的不確定性。