氣候變化對(duì)南水北調(diào)西線工程的影響及建議

關(guān)鍵詞：氣候變化；ＲＣＣＣ－ＷＢＭ 模型；水資源；南水北調(diào)西線工程

中圖分類號(hào)：Ｐ４６７；ＴＶ６８；Ｐ３３３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．００９

引用格式：王國(guó)慶，虞暢，金君良，等．氣候變化對(duì)南水北調(diào)西線工程的影響及建議［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：６０－６６．

０引言

我國(guó)水資源空間分布不均衡，呈“南多北少” 格局［１］ ，長(zhǎng)江流域年降水量超過(guò)１ １００ ｍｍ，而黃河流域大部分地區(qū)年降水量只有２００～６００ ｍｍ。黃淮海流域作為重要的工業(yè)和糧食生產(chǎn)基地，以全國(guó)７％的水資源量支撐著全國(guó)２４．２％的人口、四分之一的耕地和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值［２－３］ 。北方水資源短缺已成為嚴(yán)重影響工業(yè)、農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的一個(gè)制約性因素［４］ 。２００２年，水利部批準(zhǔn)了南水北調(diào)國(guó)家戰(zhàn)略性工程，旨在緩解北方水資源短缺問(wèn)題［５－６］ 。南水北調(diào)工程通過(guò)東、中、西３ 條調(diào)水線路將長(zhǎng)江、黃河、淮河、海河四大流域相聯(lián)系，構(gòu)成了以“四橫三縱”為主體的國(guó)家水資源配置總體布局，是實(shí)現(xiàn)水資源南北調(diào)配、東西互濟(jì)，提高水資源與人口、經(jīng)濟(jì)時(shí)空匹配性的“國(guó)之重器”［７－９］ ，計(jì)劃每年通過(guò)３ 條線路調(diào)水１４０ 億ｍ^３［１０］ 。截至２０２１ 年年底，南水北調(diào)東線、中線一期工程已為華北地區(qū)輸送了４９４ 億ｍ^３的水量，相當(dāng)于長(zhǎng)江流域年徑流量的５％，黃河流域年徑流量的８０％。西線工程作為我國(guó)水資源配置“四橫三縱”總體格局中重要“一縱”，規(guī)劃將從長(zhǎng)江上游金沙江、雅礱江、大渡河等河流水系引水入黃河上游，以緩解我國(guó)北方地區(qū)干旱缺水問(wèn)題，目前尚處于前期論證階段［１１］ 。

以全球氣候變暖為特征的氣候變化將改變區(qū)域水循環(huán)，進(jìn)而導(dǎo)致降水、蒸發(fā)、徑流等要素在時(shí)空分布上發(fā)生復(fù)雜變化［１２－１３］ 。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（ Ｉｎｔｅｒｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ，ＩＰＣＣ）第六次評(píng)估報(bào)告指出，２０１１—２０２０ 年全球平均氣溫較工業(yè)革命前升高１．１ ℃，未來(lái)全球氣溫將繼續(xù)升高，預(yù)計(jì)大多數(shù)陸地區(qū)域的降水和地表水資源季節(jié)和年際變化將更加劇烈［１４］ 。利用合適的水文模型耦合全球氣候模式（Ｇｌｏｂａｌ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｍｏｄｅｌｓ，ＧＣＭｓ） 并模擬不同氣候情景下流域的水文響應(yīng)，是評(píng)估氣候變化對(duì)水資源影響的主要手段之一［１５－１７］ 。Ｂａｏ 等［１８］ 將ＶＩＣ 模型與ＣＭＩＰ５ 的氣候模式輸出相結(jié)合，預(yù)測(cè)了海河流域未來(lái)流量的變化趨勢(shì)，得出流量有增大的趨勢(shì)，北部流域的增大趨勢(shì)較南部流域的明顯。Ｚｈａｎｇ等［１９］ 利用ＳＷＡＴ 模型分析了不同排放情景下黃河上游徑流量的變化，發(fā)現(xiàn)中等排放情景和低排放情景下唐乃亥水文站流量具有增大趨勢(shì)，而高排放情景下則呈減小趨勢(shì)。Ｗａｎｇ 等［２０］ 利用８ 種全球氣候模式情景和ＶＩＣ 模型評(píng)估了未來(lái)氣候變化對(duì)長(zhǎng)江流域的潛在影響，結(jié)果表明，氣溫升高將導(dǎo)致年平均徑流量小幅減小。Ｓｕ 等［２１］ 評(píng)估了氣候變化對(duì)長(zhǎng)江上游流域徑流量的影響，發(fā)現(xiàn)到２１ 世紀(jì)末，年徑流量可能有所增加。盡管多數(shù)研究結(jié)果表明長(zhǎng)江上游未來(lái)降水可能增多，但考慮到氣溫升高和寒區(qū)冰雪的變化，一些研究認(rèn)為未來(lái)汛期流量可能會(huì)減小，徑流趨勢(shì)預(yù)估的不確定性仍然不可忽視［２２－２４］ 。

氣候變化將使南水北調(diào)工程所涉長(zhǎng)江和黃淮海流域來(lái)水條件發(fā)生變化，直接改變調(diào)水區(qū)可調(diào)水量和受水區(qū)水資源需求，進(jìn)而影響調(diào)水規(guī)模和工程運(yùn)行方式。本研究基于１９６１—２０２０ 年西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)實(shí)測(cè)資料以及未來(lái)氣候模式情景，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)與水文模擬，分析未來(lái)氣溫、降水變化對(duì)西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)水資源的影響，以期為南水北調(diào)西線工程的規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行管理提供借鑒。

１資料與方法

１．１研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》，南水北調(diào)西線工程在長(zhǎng)江上游通天河、支流雅礱江和大渡河上游筑壩建庫(kù)，開(kāi)鑿穿過(guò)長(zhǎng)江與黃河分水嶺巴顏喀拉山的輸水隧洞，調(diào)長(zhǎng)江水入黃河上游。規(guī)劃調(diào)水規(guī)模為１７０ 億ｍ３，主要目標(biāo)是解決涉及青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西等六?。ㄗ灾螀^(qū)）黃河上中游地區(qū)和渭河關(guān)中平原缺水問(wèn)題。根據(jù)黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司完成的《南水北調(diào)西線工程規(guī)劃方案比選論證》（２０２０年１０ 月），規(guī)劃的西線工程調(diào)水區(qū)為金沙江巴塘站以上區(qū)域、雅礱江雅江站以上區(qū)域和大渡河大金站以上區(qū)域，將黃河中上游流域作為工程的受水區(qū)。圖１ 為南水北調(diào)西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)范圍。

本研究采用的數(shù)據(jù)資料包括南水北調(diào)西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)的實(shí)測(cè)氣溫、降水量、徑流量，以及全球氣候模式預(yù)估的未來(lái)氣溫、降水量。其中：０．２５°格點(diǎn)歷史再分析氣象資料來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心，實(shí)測(cè)水文資料來(lái)源于長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局和黃河水利委員會(huì)水文局，資料序列為１９６１—２０２０ 年；花園口站天然徑流量資料來(lái)源于第三次全國(guó)水資源評(píng)價(jià)和黃河流域水資源公報(bào)。未來(lái)氣候情景采用１７ 個(gè)ＣＭＩＰ６ 全球氣候模式在ＳＳＰ２－４．５ 排放情景下降尺度后的氣溫和降水資料，來(lái)源于國(guó)家氣候中心，資料序列為２０２５—２０９９年，空間分辨率為０．２５°。

根據(jù)《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》，將１９６１—２０００年作為基準(zhǔn)期，２００１—２０２０ 年作為重點(diǎn)比較期；未來(lái)中期關(guān)注２０３５年水平，以２０３１—２０４０年均值代表；未來(lái)遠(yuǎn)期關(guān)注２０５０年水平，以２０４６—２０５５年均值代表。

１．２研究方法

采用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 檢驗(yàn)方法診斷氣溫、降水和徑流的演變趨勢(shì)。該方法是一種分析數(shù)據(jù)序列隨時(shí)間變化趨勢(shì)的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法［２５］ 。其優(yōu)點(diǎn)是不需數(shù)據(jù)服從特定的分布， 同時(shí)檢驗(yàn)范圍較寬， 被廣泛應(yīng)用于水文氣象要素的趨勢(shì)分析和顯著性檢驗(yàn)［２６］ 。

采用ＲＣＣＣ－ＷＢＭ 模型，模擬南水北調(diào)西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)的天然徑流量過(guò)程。該模型是水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心研發(fā)的大尺度流域水文模型［２７－ ３０］ ，考慮了地面徑流、地下徑流和融雪徑流３ 種徑流成分。針對(duì)大尺度流域，為解決下墊面和氣候空間分布不均勻問(wèn)題，該模型將流域劃分為若干個(gè)正交網(wǎng)格，對(duì)每個(gè)格點(diǎn)分別進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，匯流計(jì)算則借鑒ＶＩＣ 模型匯流計(jì)算方案；模型輸入包括每個(gè)格點(diǎn)逐時(shí)段的氣溫、降水量和蒸發(fā)能力。

２結(jié)果與討論

２．１西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)氣候與徑流演變特征

西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)多年平均氣溫分別為－２．４２ ℃和５．７９ ℃，多年平均年降水量分別為５６２、４７２ ｍｍ。圖２ 為西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)１９６１—２０２０年平均氣溫和年降水量的演變過(guò)程。

由圖２ 可以看出：

１）西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)年均氣溫均呈現(xiàn)顯著性升高趨勢(shì)，線性上升速率分別為０．３３４、０．３１７ ℃ ／１０ ａ，均高于全球和全國(guó)平均升溫速率；相比而言，調(diào)水區(qū)年均氣溫較低，但其升溫速率高于受水區(qū)。

２）西線工程調(diào)水區(qū)年降水量為非顯著性增加趨勢(shì)，線性增長(zhǎng)速率為１２．２ ｍｍ／１０ ａ；受水區(qū)年降水量呈現(xiàn)先減少后增加趨勢(shì)，１９６１—２０２０年總體為非顯著性增加趨勢(shì)，線性增長(zhǎng)速率為４．８ ｍｍ／１０ａ。

調(diào)水區(qū)由金沙江、雅礱江和大渡河３ 個(gè)流域的子區(qū)域組成，多年平均年降水量分別為４８５．３、８４４．４、９５０．２ ｍｍ；經(jīng)９５％置信水平的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，金沙江流域子區(qū)和雅礱江流域子區(qū)年降水量均為非顯著性增加趨勢(shì)，大渡河流域子區(qū)年降水量為非顯著性減少趨勢(shì)。

２００１—２０２０年調(diào)水區(qū)和受水區(qū)平均氣溫和降水量均較基準(zhǔn)期（１９６１—２０００ 年）有所升高和增加（見(jiàn)表１），兩個(gè)區(qū)域氣溫分別升高１．１９、１．０６ ℃，年降水量分別增加３４．６、２７．２ ｍｍ（占基準(zhǔn)期的６．２８％和５．８７％）。

長(zhǎng)江上游位于青藏高原東部，海拔高，生態(tài)環(huán)境脆弱，河川徑流量受人類活動(dòng)影響相對(duì)較小，調(diào)水區(qū)的巴塘站、雅江站和大金站實(shí)測(cè)徑流量接近天然狀態(tài)。受水區(qū)黃河中上游流域氣候干旱，水資源短缺。調(diào)水區(qū)和受水區(qū)年徑流量演變過(guò)程見(jiàn)圖３。

由圖３ 可以看出：調(diào)水區(qū)巴塘站和雅江站實(shí)測(cè)徑流量均呈現(xiàn)先減少后增加總體略增的態(tài)勢(shì)，線性增長(zhǎng)速率分別為０．７６０ 億、０．５３３ 億ｍ^３／ａ，而大金站實(shí)測(cè)徑流量呈現(xiàn)非顯著性減少趨勢(shì)，線性增長(zhǎng)速率為－０．０４５億ｍ^３／ａ；受水區(qū)（花園口站）天然徑流量和實(shí)測(cè)徑流量的線性增長(zhǎng)速率分別為－２．９８２ 億、－４．４５８ 億ｍ^３／ａ，經(jīng)９５％置信水平統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，均呈現(xiàn)顯著性減少趨勢(shì)。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：

１）受水區(qū)花園口站多年平均天然徑流量和實(shí)測(cè)徑流量分別為５３８ 億、３５２ 億ｍ^３；而調(diào)水區(qū)巴塘站、雅江站和大金站１９６１—２０２０ 年平均年徑流量分別為２９１ 億、２１７ 億、１６５ 億ｍ^３；調(diào)水區(qū)３ 個(gè)站的實(shí)測(cè)年徑流量接近受水區(qū)花園口站實(shí)測(cè)年徑流量的２ 倍。

２） ２００１—２０２０ 年調(diào)水區(qū)年徑流量較基準(zhǔn)期（１９６１—２０００ 年）增加９．０％，其中：巴塘站和雅江站年徑流量分別增加１６．８％和９．３％，大金站年徑流量減少４．３％；受水區(qū)花園口站實(shí)測(cè)年徑流量和天然年徑流量較基準(zhǔn)期分別減少２６．９％和１２．９％。

２．２ 西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)逐月徑流量模擬

將調(diào)水區(qū)和受水區(qū)劃分為分辨率為０．２５°的網(wǎng)格，調(diào)水區(qū)和受水區(qū)分別包括３５８和８１４ 個(gè)格點(diǎn)。采用基準(zhǔn)期１９６１—２０００ 年的格點(diǎn)氣象資料驅(qū)動(dòng)基于０．２５°格點(diǎn)的ＲＣＣＣ－ＷＢＭ 模型，以Ｎａｓｈ－Ｓｕｔｃｌｉｆｆｅ模型效率系數(shù)和相對(duì)誤差為目標(biāo)函數(shù)，以１９６１—１９９０年為率定期率定模型參數(shù)，以１９９１—２０００年為驗(yàn)證期檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆€(wěn)定性和模擬效果，分別模擬巴塘站、雅江站、大金站和花園口站月徑流量過(guò)程。４ 個(gè)站月徑流量的模擬效果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表２。為直觀起見(jiàn)，將調(diào)水區(qū)雅江站和受水區(qū)花園口站１９６１—１９６９ 年實(shí)測(cè)與模擬月徑流深變化過(guò)程繪于圖４。

由表２ 可以看出，ＲＣＣＣ－ＷＢＭ 模型對(duì)調(diào)水區(qū)和受水區(qū)天然徑流量具有較好的模擬效果，率定期和檢驗(yàn)期Ｎａｓｈ－Ｓｕｔｃｌｉｆｆｅ 模型效率系數(shù)均超過(guò)０．７５，平均相對(duì)誤差在±３％以內(nèi)。由圖４ 可以看出，兩個(gè)代表性水文站實(shí)測(cè)與模擬月徑流量過(guò)程總體擬合較好，只有個(gè)別峰值徑流量模擬誤差較大。總體而言，ＲＣＣＣ－ＷＢＭ模型能夠較好地模擬南水北調(diào)西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)天然徑流量過(guò)程，可以用來(lái)模擬未來(lái)氣候變化下兩個(gè)區(qū)域的水資源情勢(shì)。

２．３西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)未來(lái)氣候變化趨勢(shì)

鑒于不同模式預(yù)估的氣溫和降水變化存在差異，參考ＩＰＣＣ處理不確定性的方式，采用四分位分析方法描述未來(lái)氣溫升降、降水增減的可能性及變化幅度。圖５ 和圖６ 分別給出了南水北調(diào)西線調(diào)水區(qū)和受水區(qū)未來(lái)中期、長(zhǎng)期氣溫、降水較基準(zhǔn)期的變化。

由圖５ 和圖６ 可以看出：

１）１７ 個(gè)氣候模式均預(yù)估調(diào)水區(qū)和受水區(qū)未來(lái)中期和長(zhǎng)期氣溫較基準(zhǔn)期有所升高，多數(shù)模式預(yù)估未來(lái)降水量有所增加。

２）調(diào)水區(qū)在未來(lái)中期和長(zhǎng)期氣溫較基準(zhǔn)期分別升高１．９２ ℃［１．４３ ℃， ２．９４ ℃］和２．３６ ℃［１．６４ ℃， ３．６１ ℃］；降水變化３．３７％ ［－ ０． １５％， １３． ４％］ 和３． ３９％ ［－０．８４％，１７．５０％］；調(diào)水區(qū)未來(lái)氣候以暖濕化為主。

３）受水區(qū)在未來(lái)中期和長(zhǎng)期氣溫較基準(zhǔn)期分別升高１．７７ ℃［１．０８ ℃， ２．５９ ℃］和２．３４ ℃ ［１．１７ ℃，３．３４ ℃］；降水變化３．２４％［－２．２４％， ７．３２％］和４．３４％［－４．４８％， ９．１３％］；受水區(qū)未來(lái)氣候變化趨勢(shì)與調(diào)水區(qū)總體一致，以暖濕化為主。

２．４未來(lái)氣候變化下西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)徑流演變趨勢(shì)

基于不同模式情景下模擬的未來(lái)年徑流量變化過(guò)程，分析南水北調(diào)西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)未來(lái)不同階段年徑流量較基準(zhǔn)期的變化，見(jiàn)圖７。

從圖７可以看出：調(diào)水區(qū)未來(lái)年徑流量以略增為主，未來(lái)中期和長(zhǎng)期年徑流量較基準(zhǔn)期分別增加１．４２％ ［－６．６９％， ２２．９５％］ 和２．０８％ ［－５．８４％，３１．７７％］；受水區(qū)未來(lái)年徑流量以正常略減少為主，未來(lái)中期和長(zhǎng)期年徑流量較基準(zhǔn)期變幅分別為－１．０２％［－１４．７９％，４．３４％］和－０．２８％［－２３．３１％， ６．２１％］。

２．５討論與建議

２．５．１西線工程水資源條件的影響分析

１）根據(jù)降水、徑流量的歷史變化規(guī)律和未來(lái)中長(zhǎng)期變化態(tài)勢(shì)，西線調(diào)水區(qū)水源條件可能會(huì)有所改善。２００１—２０２０年西線調(diào)水區(qū)年降水量和徑流量總體以增加為主，但存在明顯空間差異性，其中金沙江巴塘水文qWrISiRsNow/8C5n5NoZP8PNJnU07QaAnYEQngFgIAQ=站、雅礱江雅江水文站天然年徑流量分別增加１６．３％和９．８％，大渡河大金水文站天然年徑流量減少４．３％；預(yù)估未來(lái)中期和長(zhǎng)期天然年徑流量較基準(zhǔn)期也有所增加，但增幅僅２％左右。

２）西線工程受水區(qū)天然年徑流量不足的局面在２０００年之后有所加劇，且在中長(zhǎng)期可能無(wú)法扭轉(zhuǎn)，將增加西線受水區(qū)跨流域調(diào)水需求。西線受水區(qū)為黃河流域，２００１—２０２０ 年實(shí)測(cè)年徑流量和天然年徑流量均較基準(zhǔn)期明顯衰減，分別減少２６．９％和１２．９％；預(yù)估未來(lái)中期和長(zhǎng)期天然年徑流量較基準(zhǔn)期偏少１％左右。因此，受水區(qū)天然徑流量不足局面可能難以改變。

２．５．２主要認(rèn)識(shí)與建議

１）根據(jù)水資源變化空間差異性，優(yōu)化南水北調(diào)西線調(diào)水方案。西線調(diào)水區(qū)２００１—２０２０ 年天然徑流量較基準(zhǔn)期雖總體有所增加，但存在明顯的空間差異性，因此應(yīng)充分考慮和主動(dòng)適應(yīng)氣候變化背景下西線調(diào)水區(qū)有關(guān)江河水資源條件演變差異性，優(yōu)化調(diào)水方案，確保西線工程科學(xué)規(guī)劃建設(shè)和長(zhǎng)效運(yùn)行。

２）深化氣候變化對(duì)流域水資源條件不確定性影響的研究。盡管全球氣候模式是目前預(yù)估氣候變化最有力的工具，但未來(lái)氣候變化情景依然存在不確定性，特別是對(duì)降水預(yù)估結(jié)果不確定性更大；另外，隨著氣溫繼續(xù)升高，極端氣候和水事件增多趨強(qiáng)，降雨時(shí)空分布發(fā)生變化，更不利于水資源的管理。

３結(jié)論

南水北調(diào)西線工程是國(guó)家水安全保障體系的重要組成部分，對(duì)于提升國(guó)家水資源調(diào)配能力、保障國(guó)家水安全具有重要意義。氣候變化對(duì)南水北調(diào)西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)水資源具有一定影響，研究得出主要結(jié)論如下：

１）１９６１—２０２０年，西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)氣溫呈顯著升高趨勢(shì)，年降水量呈非顯著性增加趨勢(shì)，調(diào)水區(qū)和受水區(qū)氣候以暖濕化趨勢(shì)為主；調(diào)水區(qū)年徑流量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但空間上存在一定差異，受水區(qū)年徑流量顯著減少。

２）未來(lái)中期和長(zhǎng)期，西線工程調(diào)水區(qū)和受水區(qū)氣溫繼續(xù)顯著升高，年降水量多呈非顯著性增加趨勢(shì)；受氣候變化影響，西線工程調(diào)水區(qū)年徑流量較基準(zhǔn)期略增，受水區(qū)年徑流量與基準(zhǔn)期基本持平略有減少。

３）總體而言，未來(lái)氣候變化下西線調(diào)水區(qū)年徑流量相對(duì)穩(wěn)定，能夠滿足調(diào)水的需要，受水區(qū)徑流量不足局面可能難以改變，跨流域調(diào)水需求有所增加。氣候變化及其影響預(yù)估結(jié)果具有一定的不確定性，未來(lái)仍需加強(qiáng)氣候變化影響的不確定性研究。