巴西水电业积极应对气候变化的挑战

2015-04-07巴西利维诺

水利水电快报 2015年3期

关键词：降雨量水文土地利用

[巴西] A.利维诺

巴西水电业积极应对气候变化的挑战

[巴西] A.利维诺

旨在研究巴西气候变化和土地利用变化对水文循环的影响。为了使研究结果更具说服力，在使用水文模型的同时，辅以气候模型和生态模型研究了气候变化对水文循环的影响。介绍了在巴拉那河流域开展的工作，以及在塔帕若斯河流域正在开展的工作。

水力发电工程;气候变化;巴西

目前，巴西国内发电以水力发电为主，其比重超过80%。在未来10 a，巴西正在建设或规划建设的新水电装机容量将超过3 300万kW，其中大部分装机容量(约75%)建在亚马逊河流域。但不管从年内还是年季角度看，巴西水力资源都不稳定。因此，稳定的能源供应是巴西互联电力系统运营规划长期面临的一个重要的历史性挑战。

该研究将为研究气候和土地利用变化对水文循环的影响提供全新的视角，其理由有两点：①水文模型使用了更符合实际的径流、降水和蒸散发数据，同时结合区域气候模型和生物圈模型，综合考虑土地利用变化和气候变化对未来巴西水电规划进行水资源评估。②该工作促进了前沿研究，同时考虑了科学家、工程师和决策者之间的互动交流，让他们一开始便可参与其中，对可能影响研究结果的原因和最敏感的变量全程进行分析，以保证研究结果的合理性。

目前，大量气候模型模拟的结果都不可靠，否则，利用这些模型的模拟结果解释巴西水文的重要特征就简单很多。选中巴拉那(Parana)河流域进行实验主要是为了解决部分参与人员担心气候模型不准确的问题。这次实验的主要目的是确定模型的结果能否解释“巴拉那悖论”，即最近几十年里，巴拉那河径流量大幅增长的问题。

选择塔帕若斯(Tapajos)河流域是因为在接下来几十年里，这一欠发达地区将有大量发展计划，其中包括开发水电站和港口，这些计划对出口更便宜、更绿色的谷物尤为重要。

1 研究背景

气候变化和土地利用变化的研究和评估结论常被用作假定情景方案的依据，这有助于不同部门作出决策。但是由于研究结果的差异性过大，并且很少有模型能反应已知的水文特征，基于此，实验者常对研究结果的合理性表示怀疑。

目前，所开展的有关评估和分析气候变化和土地利用变化对水文的影响的研究相当多。但在巴西开展的这种研究引起了研究者很大的兴趣，原因在于：

(1) 巴西80%以上的电能是水电；

(2) 在可预见的一段时间里，水电仍将维持主导地位；

(3) 由于环境限制和地形平坦等因素，大多数新电站将不带调节水库，这意味着发电将更依赖于天然流量，而后者又直接与降雨量、土壤特性和流域植被相关。

对气候变化及其对水文循环的影响研究结果显示，每种模型运用对象的空间尺度不一致。如全球气候模型(GCM)空间尺度通常在1×1(约120 km×120 km)的范围内有效，可以表现该空间尺度下水在大气、植被和土壤中的转化过程以及它们之间的转化关系。另一方面，水文模型常用来代表和模拟流域集水区排水系统中径流的生成及其传播过程。这些模型大多把降雨量作为输入数据，仅仅考虑陆地水文循环，通常采用5 km×5 km作为工作尺度。使用区域气候模型(RCM，如巴西区域大气模型(BRAMS))的一个优势在于：在该尺度分辨率下(几公里而非几百公里)，研究人员可以在不缩放分辨率(按比例缩小)的基础上，分辨流域范围内影响水流过程的异质因素。这两种类型的模型，即气候和水文模型，在不同空间尺度上表现了水在土壤×大气×植被之间的转化关系。由于工作尺度的不同，为了将两种模型结合使用，有必要对多余的对象进行适当处理。在此背景下，本研究试图探讨最佳的水文模型，把大气模型和生态模型的模拟结果作为输入数据，从而更好地对河流水流影响进行评估。

该研究试图采取另一种创新方式。通常程序为，气象学家运行模型→得到结果→分析结果→找出所需的数据→建议水资源规划者使用这些数据。然而在很多情况下，水资源规划模型输入数据需要多个气象模型的模拟数据。一种新兴的良好实践则与这一过程相反：首先了解水资源规划模型不同参数的敏感度，然后运行气象和生态模型得到所需要的输出数据。因此，研究的一个关键因素是从研究初期就引进水资源和水电专家。在巴西国家水资源局总部进行了采访，召开研讨会，提出初步研究成果，并对未来的研究方向给予建议，试图去满足电气、环境和水资源管理部门决策者的要求。

1.1 巴拉那河流域概况

为了初步调查EDBRAMS模型(见下文)的应用潜力，首先分析巴拉那河的历史流量和流域概况。分析结果显示，1970年之后巴拉那河平均流量超过1970年之前平均水平的30%，同时超过一半的装机容量和巴西人口都聚集在这一地区。对于造成巴拉那河流量和该区域经济发生如此显著重大变化的原因，至今没有达成共识。

巴拉那河是拉普拉塔河流域的重要组成部分。巴西境内巴拉那河流域包括：圣保罗南部一些州、巴拉那州、米纳斯吉拉斯州、戈亚斯州和马托格罗索州，总面积超过80万km2，位于高原区(介于300 m和1 200 m之间)，有大量的季节性降雨(1 000～2 400 mm)，气温偏高。本文利用ED模型(见下文)探索降雨和土地利用变化分别和综合作用对巴拉那伊泰普大坝径流产生的影响，通过该大坝的年平均径流量达到10 203 m3/s。

1.2 塔帕若斯河流域概况

塔帕若斯河介于南纬2°～15°，西经54°～60°之间，位于马德拉(Madeira)河流域的东部，欣谷(Xingu)河流域的西部，部分属于巴西北部和中西部，总面积492 481 km2。流经马托格罗索州、帕拉州和亚马逊流域，以及朗多尼亚州的一小块区域。

塔帕若斯河流域从南到北呈细长形。流域内主要支流有茹鲁埃纳(Juruena)河和特利斯皮里斯(Teles Pires)河，两条河流在南纬7°附近汇合，汇合后的河即塔帕若斯河。从这个角度看，在流经约825 km后，河水沿着亚马逊河右岸流动。

塔帕若斯河流域所处区域气候独特，年均气温26.7°，季节性变化不明显，常年月均气温不低于21°。

塔帕若斯河流域降水为典型的热带气候特征，雨季(11月到4月)降雨强度较大，月降雨量超过300 mm。干旱季节降雨量小，有记录的最小总降雨量低于60 mm。

降雨的空间分布呈现以下特征：流域下游年平均降雨量1 900 mm，降雨量从流域下游往上游逐步增加。在接近支流茹鲁埃纳河和特利斯皮里斯河汇合处，该区域年均降雨量达到2 700 mm。

2 方法与模型

2.1 生物圈模型

本研究采用生态-统计(ED)模型(2.0版本)。ED模型是一个综合考虑了水文、地表生物物理、植物动力学和土壤有机碳以及氮的生物地球化学作用的生物圈模型。该模型认为一个多边形区域具有相同的气象因素(例如气温、降雨和辐射)，可以根据历史波动数据确定几个小块，每个小块又可以进一步细分为组群，每个组群代表不同的植被类型，其大小和功能各异。因此，ED模型不仅能够模拟复杂精细的动力学过程，还能反应陆地生态系统的构成、结构和功能的异质性。该模型代表了最先进的生态模型。从这个角度看，ED模型是调查土地利用变化带来影响的理想模型。

使用叶片光合作用模型和土壤分解模型，辅以多叶层和多土层生物物理方案，可以捕获地表和大气中碳、水和能量转化的通量。

在巴西展示如此复杂的生态过程尤为重要，原因在于：巴西大量降雨量来自于亚马逊的再蒸发；在过去几十年土地利用发生了巨大变化，加上森林砍伐和气候变化的影响，这种变化还将继续。在巴拉那河流域和塔帕若斯河流域都采用了BRAMS模型(巴西区域性大气模型)，该模型是一种数值模型，用来模拟多尺度的大气环流。BRAMS的特征之一是基于物质流方法和日常土壤湿度初始化数据，整合了深积云和浅积云方案，利用最新的野外试验观测数据和估计数据，确定BRAMS模型中用来计算热带和亚热带的生物群落和土壤性质，诸如有关植被和土壤参数化的若干生物物理参数。

2.2 水文模型

水文模型用于用户理解水量平衡过程、控制水流运动，以及分析土地利用变化对水量和水质的影响。使用一个水文流域作为一个单位是因为其特征和产水密切相关。从物理角度看，传统水文模型仅使用降雨量作为输入数据，利用流域土壤和植被特性估算水量平衡，通过洪水演算程序获取水流，利用地形估算水流量。然而，随着气候知识研究的不断深入，发现空中区域之前的互相影响较为复杂，这可能和水文流域情况不同，必然要求采用新的研究方法。本文使用生态模型和气象模型的输出数据作为水流传播模型的输入数据来估算水量。

研究以EDBRAMS的输出数据为基础，旨在分析多种水文模型的可用性。首先是分析降雨径流的IPH2模型，尽管该模型发展到最简约且已被广泛应用，适用于不同尺度和特性的流域，但仍不适用于此次研究。其原因是IPH2模型在计算过程中忽略了蒸发、截流、地表径流和地下水传播损失的水量，而EDBRAMS模型在对较大型流域进行模拟时，要考虑蒸散发、地表径流和地下径流的情况。

同样，MGB模型也被考虑过，虽然它广泛应用于大型流域的水文研究，并且和大气模型一起使用时，在亚马逊流域应用表现优异。但是，该模型仍然严格将降雨量作为输入数据，并且考虑内部所有元素，包括土壤、植被、地下水和地表水。因此，如果利用该模型需要建立一个框架，该框架能够利用生态-气候模型(尤其是EDBRAMS模型)的输出数据。

最后选择THMB(辅以生物地球化学的陆地水文模型)模型，因为它在此类应用中被广泛使用。该模型用来模拟水流在排水管网的运动，从而获得河流的流量。它可估算洪水事件、洪水事件对洪泛区的影响，以及水文网络的规模。本质上，该模型通过数值高程模型获取河流路径和洪泛区地形图数据作为输入数据，将从气象生态模型得出的地表和地下排水径流作为输出数据，利用质量守恒计算径流量。下游单元的水量取决于上游水库库容和河流地貌特征，如坡度和水力半径。洪泛区规模与通过河道进入洪泛区的水量、垂直水量平衡、河流和洪泛区地貌特征有关。

3 巴拉那河流域实践(可靠性验证)

根据前文所述方法，研究小组首先分析模型的可靠性，即分析该模型模拟结果是否与巴拉那河流域最近几十年河流主要变化一致。考虑气象模块，该模型可模拟诸如土壤蒸发和植被蒸腾等植被和水文特征的变化。为了表征土地利用的变化，设置了两种情景，分别是情景方案CLU1970和情景方案CLU2008(土地利用现状)。研究区地图是基于汉特提供的土地利用数据得出的，该数据包含SAGE和HYDE两组土地利用数据。现代农业地图基于卫星数据和农田历史数据库确定。

选用1969～1978年和1999～2008年两个时间段作为情景模拟时间，模拟结果显示了这一时期所观测到的水量变化情况。对比1969～1978年和1999～2008年期间年平均流量数据，发现在此期间流量增幅约为10%，但同期的降雨量降幅约为7%。

模拟结果重现了巴拉那悖论的重要特征，即模拟结果增幅为8.5%，实际增幅为10.5%。单独考虑土地利用对降水的影响，1969～1978年降雨类型相同，但同期土地利用不同导致降水量增幅达到24.4%，研究结果表明,土地利用变化对降水的影响是重大的；改变降雨雨型(单因子分析，保持两组实验土壤类型相同)，相比1969～1978年,1999～2008年年平均流量降低11.3%。以上分析结果表明：降雨量和土地利用变化综合作用使径流量增加，但土地利用变化导致径流量增加的效果更为显著，它忽略了由于降雨量减小而导致径流量减小的事实，同时该结果也很好解释了巴拉那悖论。

该研究也对最近发生在该区域的水文循环现象作出了解释，即水流的季节性变化，雨季延迟(某些年延迟高达两三个月)，以及极端气候加剧(洪水和干旱)等现象，这些事件对社会和经济产生了严重后果。对能源部门来说，既要考虑水库防洪调度问题，也要考虑支持火电厂早期运行短期决策的水库调度安排。

巴西能源部门将选用能稳定反映水文序列变化的优化模型。因此深化此类研究，了解更多不同类型水文序列对模拟结果的影响，都将有助于找到适合巴西的能源模型。