基于GIS的大型水电工程库区气温空间模拟方法

郭新春

（西南电力设计院，四川 成都 610021）

0 引 言

二滩水电站位于四川省西部雅砻江下游，坝址距雅砻江与金沙江的交汇口33 km，距攀枝花市区46 km，是雅砻江梯级开发的第一个水电站。二滩水电站于1998年5月1日蓄水，水库正常蓄水位为1200 m，发电运行最低水位1155 m，总库容58亿m3，从发电运行最低水位到正常蓄水位之间的调节库容为33.7亿m3，水域面积101 km2，回水长度145 km，属于季调节水库。已有研究表明，二滩工程为区域带来巨大效益的同时，对局地生态和环境可能会产生深远的影响[1-2]。大型水库对局地气候环境的影响，已经日益受到学界的关注[3-6]。因此，研究水库气候效应及库区气温的时空分布对全面评价水库工程的环境影响，对区域工程设计和水库的小气候效应研究具有重要的意义。

为了准确地对库区气温进行空间小尺度模拟，首先必须对水库的气候效应进行较为准确的分析。目前，研究水电工程气候效应的方法多数是通过单个或几个点直接对比分析或是理想化的数值模拟[7-9]，参数大多需要现场长期实测，且少有考虑全球气候变化的影响。本文拟在总结前人研究成果的基础上，分析在西南山区大气候背景下二滩水库对局地气温的影响，提出在常规统计模型的基础上计入水库温度效应的修正模型，并通过GIS技术，对库区气温时空分布进行较高精度的模拟。

1 材料与方法

1.1 研究区域

考虑到大型水库的气候影响范围最大可达80 km[10]，选取的研究区域是以二滩水库为中心，大致为300 km×300 km的区域，处于云贵高原西部的云南和四川省之间 （99°36'E～100°47'E 和 36°32'N～37°15'N）。区内地形复杂多样，海拔高度差异明显，变化范围为513～5365 m，属于川西高原气候区，干湿分明，大致每年11月至次年4月为旱季，5月至10月为雨季。多年平均气温为-4.9～19.7℃，大致由西北向东南递增。

1.2 数据收集

在研究区域内收集了26个气象台站1978年～2009年的月平均气温资料，以及各站点的经纬度和海拔高程，建立了月均气温资源GIS数据库。由于研究区内的气象站点相对稀疏，选取其中22个站点来建立模型及空间插值运算，其余的4个站点用来验证模型。利用美国国家宇航局 （NASA）提供的90 m精度的数值高程模型 （DEM）数据建立地形空间数据库；利用ArcInfo地理信息系统，直接获取二次数据，对研究区内的实测气温资源和地形等空间数据库，分别进行投影转换，形成统一的地图投影坐标系统。

1.3 模型描述

常规统计模型是通过建立温度与海拔高度和地理坐标之间的线性回归关系，用以进行温度推算。模型可表示为

式中，TH为常规统计模型模拟的气温值；X为经度；Y为纬度；H为海拔高度；a为常数；b，c，d为偏回归系数。

利用二滩水库蓄水后11年 （1998年～2009年）22个站点的月平均气温资料及其经度、纬度和海拔高度数据按月份和季节分别进行多元逐步回归分析（信度5%），计算结果见表1。

对于大型水电工程库区而言，区域回归可以减小因个别气象站点在某个时期特殊变化引起的偏差。然而，大型水库对局地气温的影响是不可忽略的，在对库区气温空间分布进行较高精度的模拟时，应当将水库的温度效应考虑在内。为了准确地计算水库的净影响，首先要剔除大气候背景变动的影响，由于要准确直接地计算全球气候变化对区域气温的影响并不可行，本文采用一种间接的方法来分析水库对局地气温的净影响，计算过程和模式如下:

设y0和x0分别为受水库影响点A和不受水库影响的对照点B在水库蓄水前的气温实测值，两者之间的关系为

表1 研究区月平均气温与经度、纬度和海拔高度之间的回归关系

式中，e，f为回归系数。

若无水库的影响，而仅存在大气候背景的变动，则水库建成后影响点A与对照点B之间的上述函数关系与水库未建前一致[10-11]。因此，可计算假设无水库影响仅有气候变动时影响点A在水库建成后应有的气温值

式中，y1′为水库建成后假设无水库影响下A点的气温推算值；x1为水库建成后对照点B的气温实测值。

然后，计算单纯由于水库影响所产生的气温变化值，即

式中，△y为影响点A的水库气温净影响值；y1为影响点A在水库建成后的气温实测值。

从理论上讲,如果水库建成前后气温观测记录都较长，用该方法来计算水库对气温的影响是比较可靠的。因为在水库建成前后影响点和对照点的位置都固定不变，地形是一样的，不涉及到地形影响的问题[11]。确保该模型计算结果准确的关键是影响点和对照点选取的准确性。综合前人的研究结果[8，10]，对照点B的选择范围确定为距离库区80 km以外的区域。为准确反映水库区域气候背景特征，避免因个别对照点在某个时期特殊变化和局地小气候引起的误差，选取以库区为中心距离水库80～100 km之间，在研究区域内大致呈对称分布的8个气象台站作为对照点，并取其气温平均值作为计算影响点的对照点背景值，这样具有较好的代表性和稳定性。在水库的影响范围内有15个气象站点，选取其中的11个作为影响点，在影响区内大致呈对称分布的其余4个点被用来验证模型。

表2 二滩水库蓄水后对局地气温的净影响

根据研究区域内1978年～2009年的月平均气温数据集，将其分别按二滩水库蓄水前 （1978年～1998年）和蓄水后 （1998年～2009年）两个时间段进行统计，采用式 （2）～（4）计算二滩水库蓄水11年 （1998年～2009年）对局地气温的净影响，结果见表2。

由表2可看出:二滩水库蓄水后对局地气温的影响比较明显，尤其是距离水库较近的站点 （小得石，盐边，攀枝花）表现得更为显著。总体上，由于水库的热源作用，库周年均气温增加；除夏季外，其余季节气温均增加，冬季增加最为明显；影响点中最大增温达1.49℃。此结果与相关数值模拟计算结果[7，8]和同类水库的分析结果[9，10]基本一致。 由此可见，大型水库的温度效应是不可忽略的，必须计入库区气温的空间模拟中。

由式（3）计算得到水库建成后假设无水库影响的气温推算值，从而可以建立推测气温与海拔高度和地理坐标之间的线性回归关系。即

式中，Ti为水库建成后假设无水库影响下某点的月均气温推算值，其他变量和系数的意义同式 （1）。多元逐步回归分析 （信度5%）的计算结果见表3。

设ε为计入水库温度效应的气温修正值，则在水库的影响下库区的真实月均气温为

式中，Tc为水库建成后计入水库温度效应下某点的月均气温值。各气象站点的 ε值可以通过式 （4）计算得到。然而，这些气温修正值在空间上呈不规则分布，必须将其进行空间插值以便通过式（6）计算任意地理格点的真实月均气温值。对于气象站点相对稀疏的山区，反距离加权法有助于提高插值的精度[12]；因此，采用该法来对ε值来进行空间插值。

2 模型验证

为了比较常规统计模型 （式 （1））和修正模型（式 （6））的模拟结果，将26个气象台站的原始观测数据分为建模数据集 （22个台站）和验证数据集（4个台站）。采用平均误差 （ME），平均绝对误差（MAE）和均方根误差 （RMSE）三个指标来比较两个模型的模拟精度 （见表4）。

3 结果与讨论

根据模型验证结果，采用修正的多元回归模型（式 （6））来进行库区气温空间模拟，从而得到二滩水库蓄水后研究区的气温空间分布图 （见图1）。空间上，研究区气温空间分布趋势大体上从西北向东南递增，最高气温出现在盆地和峡谷区域 （包括二滩库区）。

表4 两种模型在各月所产生的预测误差值的验证结果

图1 两种模型模拟月均气温所产生的平均绝对误差值随月份的变化

雅砻江流域的山岭地区的气温梯度变化较大，体现出地形特征对气温的影响十分显著，尤其是海拔高度的影响，大多数月份的R2值都在0.95以上（见表3），气温与海拔高度的相关关系表现高度显著[13]。研究 （图略）还显示了研究区气温分布的季节性变化，最高气温出现在夏季 （0.3～27.2℃），最低气温出现在冬季 （-9.1～15.8℃），其间春季和秋季的气温变化范围分别是-4.6～25.7℃和-3.8～21.5℃。模拟结果与实际情况基本一致。

4 结论

（1）以气象数据为基础，考虑了背景站与受水库影响点之间气温变化的不同步性，采用一种情景假设的方法来间接分析水库的温度效应。结果表明，大型水库的温度效应不可忽略，在进行库区气温空间小尺度模拟时必须将其考虑在内。

（2）在常规统计模型的基础上，建立了计入水库温度效应进行库区气温空间模拟的修正模型。与常规模型相比，修正模型能有效提高库区气温预测精度。

（3）修正的多元回归模型模拟结果表明，二滩水库蓄水后的研究区气温分布在空间上呈现出从西北向东南递增趋势，最高气温出现在峡谷和盆地区域。这体现出了地形特征对气温的影响；不同季节的气温分布特点与实际情况也基本一致。

（4）计入大型水电工程温度效应的气温修正模型在二滩库区的成功应用，为库区任一地域单元气温空间分布的快速计算提供了一种可行的方法，对区域工程设计和水电工程的小气候效应研究有重要的意义。

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