模拟气候变化对湄公河下游洪水脉冲的影响

[芬兰] K.瓦斯蒂拉 等

人们将水位和洪水淹没地区呈现明显季节性变化的洪泛滩地归类为洪水脉冲系统。该脉冲系统的特征是有定期的洪水脉冲,这是解释洪泛滩地具有很高的生态生产力的关键因素。洪泛滩地和其他湿地生态系统依靠其自身的水文情势(例如定期的洪水脉冲),维系和支持系统内的生物物种。

滩地和湿地的生态和环境方面的重要性正得到全世界的公认。由于诸如水利基础设施建设和不断增加的人类取水等原因,湿地的退化和消失比其他生态系统要迅速。另外,水资源的压力在未来将会增加,尤其是在发展中国家。湿地的水文情势和洪水模式也会因为气候变化而改变。气候变化会通过改变流域水量平衡和海平面上升而影响当地的洪水表现模式,尤其是在河流三角洲地区,海平面上升带来的影响更为明显。已经改变的流域水量平衡会改变河流的流量过程线,这种改变已经被证明能显著改变低纬度地区洪水脉冲系统的洪水淹没模式。

海平面的上升会通过壅水效应加重季节性洪水泛滥,例如孟加拉国 2006年的洪水。海平面的上升会导致上百万人搬离原居住地,并且会对海滨生态系统造成大规模的破坏,而造成的经济后果对发展中国家来说会更为严重。

湄公河是世界上最大的单峰脉冲河流之一,年径流量为 4750亿 m3,居世界第10位。月径流量在旱季和雨季之间变化较大。在雨季,季风洪水常淹没桔井(Kratie)下游湄公河流域的巨大洪泛平原,洪水到来的时间在一定程度上是可以预测的,但是洪水量的大小及其历时则会因不同地点和不同年份而有所不同。湄公河和与之邻近的洪泛平原维系着鱼类和其他自然资源,并为农业生产提供水资源及肥沃的淤泥土。

流域内很大一部分人口依赖这些与水相关的资源。湄公河洪泛平原根据其水文特征又可分为 3个子区:即上游洞里萨(Tonle Sap)湖洪泛滩地、柬埔寨洪泛滩地和湄公河三角洲。洞里萨湖洪泛滩地经洞里萨河与湄公河连通,洞里萨河的河水在干旱季节流向洞里萨湖,雨季则流向湄公河,洞里萨系统的特点是水位和水面面积有明显的季节变化,该系统被认为是世界上产出最多的淡水生态系统之一。

洪水脉冲和季风雨来临的时间对洞里萨地区水稻的生长至关重要,因为这里大多种植雨水浇灌的湿季水稻。湄公河的柬埔寨洪泛滩地的水文条件由湄公河的季节性径流和中国南海的潮汐活动来决定。潮汐对湄公河三角洲的影响最大,因为这里经受着很强的半天一次的潮汐和季节性的水位变化。三角洲的水文情势受到人类防洪工程和大型灌溉系统的控制。这块深度耕种的三角洲地区尤其易遭受洪水、干旱和海水入侵的影响。

湄公河及其广阔的湿地面临着不断增加的水利基础设施建设和气候变化带来的压力。气候变化对湄公河下游洪泛滩地的影响,主要是通过流域水量平衡的改变和海平面上升来表现,流域水量平衡的破坏主要是因为该河流的上游面积较大,而海平面上升主要是由于靠近中国南海。

本研究旨在评估 21世纪前半期气候变化对湄公河下游滩地洪水脉冲属性变化的影响。主要包括3个方面的内容,即气候变化对流域水量平衡的影响、对海平面的影响,以及其累积效应。本文还考虑了水利基础设施建设的影响和气候模拟的不确定性,并阐述了其可能的后果。

1 模拟方法

气候变化对湄公河下游洪水脉冲的影响是通过组合模型来模拟的。共包括 2个阶段,即对已有资料进行基础模拟和对未来情况(2010～2049年)进行预测模拟。采用哈德利气候预测与研究中心(PRECIS)建立的区域性气候模型,来模拟在温室气体浓度不断增加的情况下湄公河气象要素的变化。

可将气候变化的模拟结果作为另一模型的输入,以得到湄公河流量变化和中国南海海平面的变化,这要分别利用可变入渗量水文模型(VIC)以及普林斯顿海洋模型(POM)和动态互动脆弱性评价工具(DIVA)。湄公河的流量和中国南海海平面变化数据是三维环境评估水动力学模型(EIA 3D)的边界条件,采用该模型模拟湄公河下游滩区洪水脉冲,旨在重演基础年份(1997～2000年)的洪水脉冲,对该模进行了率定,然后利用设想的边界条件时间序列对未来几十年的洪水脉冲进行模拟。通过对比未来和基础年主要洪水脉冲特性差异,即可以得出气候变化的影响。

2 气候与流量变化分析

气候变化模拟采用 PRECIS模型,其分辨率能达到 25 km×25 km,输出结果可以直接用作半分布式水文模型的输入。PRECIS模型趋向过高估计温度 1～2℃,年降水的估计则偏低 100mm以上。为了提高基础年气候变化模型模拟的精确度,该研究采用了一种“比尺复原”技术,气温和降雨的比尺复原因子分别确定为该地区 130个气象观测站的最大日平均气温和年平均雨量的实测值与其模拟值之间的绝对差。模拟域内每个网格的比尺复原因子使用克里金(kriging)差分技术得到。比尺复原后的最小日气温由比尺复原后的最大气温减去模拟的最大气温与最小气温二者之差得到。比尺复原后,最大气温和降水与大多数观测值的差值可以分别控制在1℃和 50mm之内。比尺复原后,气温的最小值在内陆地区可能会偏小,在海滨地区可能会偏大。

湄公河流量的变化由 VIC模型模拟,这是一种半分布式网格水文模型,模拟地面与大气层交界处发生的水文气象过程。VIC模型被应用于桔井以上的湄公河流域,并与包括 6个流量站在内的流量演进过程耦合。VIC模型可以从 PRECIS模型得到模拟所需要的气温和降水输入数据。

研究人员将 1995～2004年的预测结果与观测结果进行了对比,并对 2个系数进行了校验。校验后的系数,一个可控制基流和径流(影响总流量),另一个系数则控制流速(影响流量到达的时间)。在湿润季节,总流量的模拟是可靠的,但是演进时间上大约有一个月的偏差,1995～2002年,所模拟的流量数据比观测到的数据平均偏高 3%,但标准偏差只有0.46,其值较小。平水年中,模拟的流量与观测值非常接近,但在最湿润的年份偏小 8%,在最干旱年份可能会偏大 38%。被校验的 VIC模型可以用于未来的模拟。湄公河日流量数据由湄公河流域委员会(MRCS)提供。

在 1961～2000年期间,湄公河流量的 10a滑动平均值在 11700m3/s到 13200m3/s之间变化,其最小流量由 8600m3/s变为 10400m3/s,最大流量由 13900m3/s变为 18100m3/s。1997年的流量比 1961～2000年多年平均流量要多 10%,但却比1993～2002年多年平均流量要少 2%,因此 1997年被考虑为基本平均水文年的代表。1998年是 1961～2002年间的最干旱年份,2000年又是 1961～2002年年间的最大流量年份。

图1是使用 VIC模型模拟得出的月流量结果(桔井站)与观测值的对比情况。

3 海平面上升的分析

图1 VIC模型模拟出的流量结果(桔井站)与实测值的对比

中国南海的未来海平面水位是对海平面上升的效果和不断变化的海面波动值进行综合以后确定的。气候变化造成的海平面上升的平均速率采用DIVA工具进行评估,由变化的风力引起的当地海面波动情况借助于 POM模型进行模拟。POM模型所需要的风速和风向输入数据由 PRECIS模型模拟提供,分辨率为0.2°×0.2°。将 POM模型与 DIVA模型的模拟结果组合在一起,即可以预测未来海平面的水位。

4 洪水脉冲模型

对湄公河下游进行的洪水脉冲模拟借助于 EIA 3D流体动力学模型完成,该模型为三维多层斜压数值模型,使用隐式有限差分法,用纳维 -斯托克斯(Navier-Stokes)方程求解。EIA 3D模型已用于湄公河在泰国的支流颂堪(Nam Songkhram)河洪泛滩地的气候变化模拟。EIA 3D模型是针对湄公河下游洪泛平原建立的,模型覆盖面积 430km×570km,从桔井到中国南海,模型网格的分辨率为 1 km×1 km。

EIA 3D模型还可与地形数据、测深数据和土地使用数据组合使用,该模型只考虑湄公河的自然河流网和较大的人工渠,但对小型的灌溉水渠和排水渠并没有考虑,主要是由于模型网格的分辨率不高,这些因素可能会使预测的三角洲水位过高。

然而,这并不会影响气候变化对洪水脉冲影响的模拟结果,因为所模拟的未来洪水脉冲的特性是与基准系统进行比较的。模型根据两个水力摩阻参数来确定水流阻力:一个是河床阻力,在整个模拟区域都是相同的;另一个就是植被阻力,是一个与用地类型有关系的量。

边界条件包括湄公河及支流洞里萨的逐日流量和中国南海的逐时海水位数据。虽然 EIA 3D并不考虑模拟区内的降雨径流水文过程,但是考虑了洞里萨湖水面的直接降水因素,其办法是将湖面上的降雨量增加到该支流的观测流量中。

5 基准模拟和情景模拟

5.1 基准模拟

将 1997～2000年选为基准年,主要是基于以下考虑:一方面是长系列数据缺乏,另一方面是这段时间足以代表逐年的水文变化。该系列中包括平均水文年 1997年,非常干旱水文年 1998年和非常湿润水文年 2000年。基准模拟采用湄公河委员会提供的数据完成。

模型的水力摩阻参数根据洞里萨湖实测水位过程率定,率定的目标为尽可能精确地重演洪水脉冲且不过高预测干旱季节的水位。经反复模拟,河床水力摩阻为0.015,而植被阻力参数设定为 0～0.2,取决于用地类型。总体上,所模拟的 8月到次年 1月的洪水脉冲峰值期间,其日水位数值的均方差为0.53 m,该模型能满意地模拟洪水上涨阶段和最高水位的情况。然而,模型中洪泛滩地的退化太慢,且每个水文年的年末,水位仍然偏高。

5.2 情景模拟

利用率定后的 EIA 3D模型,模拟了 2010～2049年每 10a的最湿润和最干旱以及平水年的情景。水文年的类型根据 VIC模型模拟得出的桔井处的年流量加以确定,这种方法可以在基准年和未来几十年之间就平水年、干旱年和湿润年进行比较。已模拟的情景包括:

(1)海平面上升,使用修改后的中国南海海平面数据;

(2)改变后的流域水量平衡,使用湄公河修改后的流量;

(3)海平面上升和改变后的流域水量平衡的累积影响。

6 成 果

6.1 气候变化分析

将 PRECIS模型模拟的结果,与 20世纪 80年代的基准情况进行对比,可以预测,到 21世纪 40年代之前,湄公河流域的日平均最低温度和最高温度将平均增高 1℃～2℃,最大的变化将会发生于湄公河流域的北部,并据此能够预测到的比较温暖的历时将比基准年份要长。预计年降水量平均会增加4%左右。但预测到的降水变化在流域范围内是非常不均匀的。降水量在流域北部会增加,但在流域下游洪泛平原则将减少。降水量较大可以用降雨强度增大来解释,因为预计的雨季的历时没有发生明显的变化。

根据 POM和 DIVA模型的模拟结果,湄公河入海口海平面的上升速率为每 10a约 7～8 cm,2045年,海平面将会比 1997年高 31 cm。将采用 VIC模型预测出的 2010～2049年的流量,与 1961～2000年的实测流量,以及 1995～2004年基准年的模拟流量进行了对比。模拟流量与实测流量的对比需要从模拟流量中扣除偏差量,扣除偏差后,预测的 2010～2049年的流量与 1961～2000年这个系列相比,平均高 15%,而 10a期的最大流量平均高 18%,10a期的最小流量平均低 3%。与 1995～2004年这个系列的模拟流量相比,所预测到的 2010～2049年湄公河的年平均流量高 4%,湿润季节(5～10月)的流量增加 5%,而干旱季节(11～4月)的流量则减少 2%;在 2010～2049年期间,10a期的最大流量平均高 4%,而 10a期的最低流量平均高 6%。所预测的结果与不同的基准系列相比,存在着较大的差异,这是因为 1995～2004年比 1961～2000年显著湿润。

6.2 气候变化对洪水脉冲特征的影响

洪水脉冲特征分析的结果是以 2010～2049年4个 10a的模拟情况与基准年 1997～2000年的模拟量之间的差值给出的。

6.2.1 平均水位

在所有的 3个子区域,每种情况的模拟表明,3个子区域的年平均水位都是要上升的。较高的年均水位必然会导致更大的累积淹没面积,在 9种情况的模拟中,有 7～8种情况的平均高水位和平均低水位的模拟结果升高。模拟表明,湄公河的平均低水位的相对变化量最大(-3%～17%),三角洲地区的变化比其他子区更加显著;而湄公河的年平均水位和平均高水位的改变量分别上升 0%～7%和-4%～5%。三角洲地区的变化比其他 2个子区的变化稍大。流域水量平衡的改变导致了各子区之间(与海平面上升相比)更加类似的相对影响。

海平面的上升是通过提升最低水位的均值来增加年平均水位的。模拟结果表明,海平面的上升对最高水位的均值影响很小。海平面上升在干旱年和平水年的影响比丰水年更加明显,因为在少雨年,海平面是一个更加重要的推动因素。

6.2.2 年最大水深和淹没面积

在模拟的未来最干旱年份和平常水文年份中,年最大水深和淹没面积呈增加的趋势。然而,在最湿润的水文年中,年最大水深和淹没面积减小,或者有少量增加。模拟的年最大淹没水深和淹没面积与基准值分别相差 -3%～12%和 -3%～14%。

最明显的变化将会发生于平常的水文年份。在洞里萨湖地区,最大水深变化的绝对值最大。模拟结果中,最大水深的变化并不一定与最大淹没面积的变化一致,尤其是在湄公河三角洲地区,因为水深与淹没面积之间的关系还与具体的位置有关。洞里萨湖滩地和柬埔寨滩地的洪水脉冲的改变是由于流域水量平衡变化所造成的,而湄公河三角洲的洪水脉冲特征的改变则是由于流域水量平衡和海平面上升共同作用的结果。

6.2.3 洪水历时和到达时间

在各种模拟的情景下,洪水历时都延长。洪水历时的相对增加量为 0～9%,最大的变化发生于最干旱的年份。在各种不同的模拟情景中,洪峰到达日期的变化是不一致的,在海平面上升情况模拟中,湄公河三角洲地区洪水脉冲峰值出现滞后多达 26 d,这可以解释为受到海平面上升产生的强劲回水的影响。海平面上升没有引起洞里萨湖地区洪峰出现日期的变化,与基准值相比,在所有子区内,流域水量平衡的改变使平均水文年的洪峰日期提前,并使最枯年和降雨最多的水文年的洪峰日期推后。

6.2.4 可能性评估

对最低水位均值和洪水开始日期以及洪水历时,模拟的变化趋势有着很大的可能性,而模拟出其他大多数洪水脉冲的特征,其变化趋势的可能性则相对小些。在可能性评估中,平常水文年份和最大干旱年份及最湿润年份有着同样的权重。需要指出的是,可能性评估是基于基准年系列,而不是长历时数据系列,而且这种可能性只代表一个气候变化模型的模拟结果。