德国KLIWAS研究项目剖析与启示

胡健波，朱建华，刘长兵，林宇，熊红霞

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456）

德国KLIWAS研究项目剖析与启示

胡健波，朱建华，刘长兵，林宇，熊红霞

（交通运输部天津水运工程科学研究所水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津300456）

在全球气候变化的大趋势下，2008年德国联邦交通、建筑与城市发展部BMVBS启动了为期5 a的KLIWAS项目，研究气候变化对德国境内的莱茵河、易北河、多瑙河这3个主要通航河流的航道与航运的影响，以期在强有力的科学证据支持下，能够采取及时的预防措施，确保德国水路运输可持续发展。文章通过介绍德国KLIWAS项目的立项背景、研究内容、研究方法以及主要的研究成果，剖析了KLIWAS项目的特点，并探讨了该项目对我国航道与航运应对未来气候变化研究的启示。

气候变化；水路运输；航道；航运

20世纪以来，全球气候正经历着以变暖为主要特征的显著变化。从1992年的《联合国气候变化框架公约》和1997年的《京都议定书》，到2010年的《坎昆协议》，全球气候变化及其影响日益成为世界关注的热点。2007年和2013年的IPCC第四、五次气候变化评估报告［1,2］，都确认了从上世纪以来地球正在发生气温升高、海平面升高、极端天气增多等气候变化这一不争的事实。2014年5月，美国发布《第三次气候变化国家评估报告》，分析了气候变化对美国农业、卫生、能源、交通、水资源、森林和生态系统等各方面的影响，提出了美国在气候变化背景下的研究需求；同年12月，我国也发布了《中国第三次气候变化国家评估报告》，认为中国在特殊的地理环境背景下更容易受到气候变化的影响，气候变化影响弊大于利［3］。

在所有的交通运输方式中，水路运输是对气候变化（蒸发加剧、降雨量改变和海平面上升）最敏感的运输方式。研究气候变化对我国沿海及内河水路运输的影响，有助于站在未来情境中看待今天的水路运输方针政策，提出适应和减缓气候变化不利影响的对策。2008年，德国联邦交通、建筑与城市发展部（德文简称BMVBS）启动了为期5 a的KLIWAS项目，研究气候变化对德国境内的莱茵河、易北河、多瑙河这三个主要通航河流的航道与航运的影响，以期在强有力的科学证据支持下，能够采取及时的预防措施，确保德国水路运输可持续发展。本文通过介绍德国KLIWAS项目的立项背景、研究内容、研究方法以及主要的研究成果，剖析了KLIWAS项目的特点与难点，并探讨了该项目对我国航道与航运应对未来气候变化研究的启示。

1 KLIWAS的历史背景

自易北河在2002年和2003年分别发生洪灾和旱灾，德国政府和民众就开始关注气候变化对德国航运的影响问题，忧虑包括黄金水道莱茵河在内的德国航运能否可持续发展。2007年，IPCC第四次评估报告［1］基本确定了全球正在发生气候变化这一事实，而且认为这很大程度上是由人类活动排放温室气体造成的，该报告引起了世界各地的广泛关注；同年，德国联邦交通、建筑与城市发展部指定其下属研究机构——德国联邦水文研究所BfG设立题为“水文与内河航运”的研究项目（图1），研究未来气候变化可能对德国的黄金水道——莱茵河的影响。

该项目涉及气候、水文、水动力、港航工程、航运等多个学科和专业，故采用了多学科模型链的方法。第一步，在各种未来碳排放情景模式下，通过运转气候模型，预测整个流域的未来降雨量、气温和蒸发散量；第二步，以这3个参数的预测结果作为输入条件，运转水文模型，预测莱茵河各处水文站的未来流量；第三步，以未来流量的预测结果作为输入条件，运转各个河段的水动力模型，预测河段内不同位置的水位和流速这2个参数；第四步，根据这2个参数的预测结果，估计未来莱茵河内河航运的航道通航能力和航运成本。该项目的研究结论认为，受气候变化影响，德国考布水文站在枯水期低于临界水位的天数将会增加，可能导致该水文站控制航段的航道通航能力的下降。值得注意的是，由于各个模型预测结果的误差会通过模型链不断累积放大，该结论的不确定性很大。

图1 KLIWAS前期项目——“水文与内河航运”（2007）的研究区域、技术流程和主要结果Fig.1 Study area,workflow,and main result of the pilot project“Hydrology and Inland Navigation”（2007）before KLIWAS

德国所在区域属于西欧海洋性与东欧大陆性气候间的过渡性气候，气候形式十分复杂。IPCC第四次报告的结果表明，21个全球气候模式中，约有一半认为德国所在区域今后降雨量会增加，而另一半则认为降雨量会减少，气候变化预测结果的不确定性很大（图2）。“水文与内河航运”项目只采用了2个全球气候模式和3个区域气候模式，获得的预测结果是初步的，需要进一步深入研究并完善结论的可靠性。而且“水文与内河航运”项目后续的影响分析较少，基本只到水文站的径流量为止，没有开展典型航道、生态环境、社会经济等的影响分析。只有将相关研究继续扩展到下游的领域，方能从工程和管理等角度提出有针对性的应对策略。在“水文与内河航运”项目实施两年后，更加庞大的KLIWAS项目应时而生［4］。

2 KLIWAS的研究内容

KLIWAS项目为德文简称，中文翻译为“气候变化对德国航道与航运的影响”。项目由德国联邦交通、建筑与城市发展部资助，总经费达2 000万欧元，项目起止期限从2009年3月至2013年12月。KLIWAS项目的研究区域为德国境内莱茵河（中上游）、易北河（中下游）、多瑙河（上游）这三条航运较发达的河流所在流域，以素有欧洲“黄金水道”之称的莱茵河为主。项目主要实施单位均为BMVBS下属研究机构，包括德国联邦水文研究所BfG、德国联邦水运工程研究所BAW、德国联邦海运与水文地理机构BSH、德国气象站DWD。项目参与人员来自约20个学科，共计约100位研究人员。

KLIWAS项目的研究目标是回答以下几个民众和政府关心的问题：

（1）未来水文情势的改变会如何影响内河航道的通航能力。（2）未来水文形势变化是否会改变目前的船型选择和航运成本。（3）未来气候变化是否会导致海运和岸线发生改变。（4）未来海上的极端天气增多是否会让德国的海港吞吐量下降。（5）未来气候变化是否会改变内河和河口的泥沙传输，目前的航道管理、维护以及航道整治工程是否需要做适应性调整。（6）未来气候变化是否会改变内河两岸的生态环境，如何防止和适应。（7）未来气候变化是否会导致岸滩侵蚀状况发生改变。（8）未来的沿海港口和码头的防护工程是否会面临更大的压力。（9）如何去适应未来的气候变化。

根据研究对象和涉及学科，项目分为5个专题，共30个子专题。

（1）气候预测验证与评估：①内河流域的水文与气象监测数据分析；②内河流域气候变化预测；③海岸与海上气候变化预测。

（2）近海水域水文变化预测：①海岸及海洋气候变化情景的参数化；②气候变化对海平面上升影响预测与验证；③气候变化引起的潮汐特征变化统计；④气候变化对北海及河口水工建筑的影响；⑤ARGO全球海洋观测网（海况实时监测）。

（3）气候变化对近海水域状况（地形、水质、生态）的影响以及涉及航运和航道的应对措施：①气候变化对海运及其他海洋利用方式的影响；②沿海港口以及航道在极端气候条件下的防护措施及应对策略；③气候变化对北海入海口泥沙沉积的影响；④气候变化对近海水域卫生及疏浚管理的影响；⑤气候变化对海运航道水工材料的使用寿命及环境行为的影响；⑥气候变化对污染沉积物的迁移以及航道维护的影响；⑦气候变化对近海有机污染物的影响；⑧气候变化所引起的河流径流量、营养和有机碳的变化对北海入海口水中含氧量的影响；⑨气候变化及护岸工程对滩涂植被演变的影响。

（4）内河水域水文（泥沙、河床）变化预测及航道和航运方面的应对措施：①气候变化引起的河流水文变化及其对内河航运经济的影响及应对措施；②气候变化对河流泥沙含量和河床演变的影响；③应对河流水文情势变化的航道整治及水利工程对策；④确保安全、通畅航行的最小航道宽度研究；⑤内河航道结冰过程（机理）研究。

（5）气候变化对内河航道的结构、生态完整性及其管理的影响：①气候变化对粘性泥沙含量的影响及其风险研究；②气候变化对内河营养和浮游植物动态的影响；③气候变化对内河水域卫生及疏浚管理的影响；④气候变化对内河有机污染物的影响；⑤气候变化对内河航道水工材料的使用寿命及环境行为的影响；⑥气候变化对洪泛区植被的影响；⑦水生生物适应气候变化评估方法；⑧流域尺度的气候变化影响评价指标和适应对策。

KLIWAS项目旨在研究气候变化对内河和海岸水文的影响（流量、水位、潮汐等），以及由水文条件变化而引发的一系列航道与航运相关的影响，并确定是否以及何时需要减缓负面影响的对策。这5个专题的第1个专题负责气候变化预测，然后根据研究的区域和对象的不同，分为近海海运（专题2和3）和内河航运（专题4和5）两大部分；每一部分根据学科的上下游关系，前一个专题负责水文预测，后一个专题负责分析水文情势改变对水下地形、水质、生态、水工建筑物、航运经济等的影响。

3 KLIWAS的研究方法

KLIWAS项目的难点在于如何尽可能地减少预测结果的不确定性，确保决策（适应气候变化的措施）的基础尽可能的可靠。KLIWAS项目继承前期的“水文与内河航运”项目的模型链的方法，通过多个学科的模型，输入未来的气候情景模式，预测得到未来航道与航运相关的影响结果；模型运转过程中，误差会通过模型链不断累积放大，其中最大的不确定性来自气候变化预测。一方面，未来的气候变化趋势虽然存在，但变化幅度并不十分确定，IPCC第四次评估报告［1］中设定了6组碳排放情景；另一方面，目前的大气物理数学模型尚不能十分准确地模拟地球的气候系统，IPCC第四次评估报告［1］中采用了20多个全球气候模式。KLI⁃WAS项目在模型链中的每一步，都采用了多个模型，通过增加统计样本的方式，减少预测结果的不确定性［5］。限于篇幅，此处只展示了KLIWAS中内河航运相关部分的模型链（图3）。

图3 KLIWAS项目中内河航运相关部分的模型链［5］Fig.3 Model chain for inland navigation in KLIWAS［5］

研究过程中存在三处关键：首先，全球气候模式并不能很好的模拟欧洲局地气候，而且预测结果空间分辨率较低，与水文模型不在一个尺度；KLIWAS采用全球气候模式和欧洲区域气候模式嵌套的方法，通过动力降尺度，实现未来欧洲地区的高分辨率气候变化预测。其次，与航运有关的无外乎水量、水下地形和船舶等因素，而与气候变化有关的无外乎气温、降水、风速等因素，通过收集大量已建立的与两类因素都相关的模型，分析和评价未来气候变化对航道与航运各个方面的影响，确保气候变化影响研究内容丰富和完善。最后，根据预测结果以及研究区域的既有水利工程、生态环境系统现状，综合多方面因素提出水运行业适应未来气候变化的对策。

4 KLIWAS的典型研究成果

KLIWAS项目的研究成果十分丰富，限于篇幅，我们在此仅列举与航运直接相关且在未来可能发生较显著变化的部分典型研究成果。期望能够通过具体的案例，引起我国水运行业对气候变化影响的关注，并为开展相关研究提供借鉴。

4.1 气候变化对内河水文情势的影响及适应对策［6］

总体上，德国境内的水文情势大致可以分为融雪型、降雨型和混合型这三种（图4-b）。融雪型的水文情势夏天流量大，冬季流量小，一般莱茵河上游和多瑙河上游多属于融雪型；降雨型的水文情势与融雪型相反，夏季流量小，冬季流量大，一般莱茵河的各个支流和易北河中下游多属于降雨型；混合型是融雪型和降雨型的混合体，各季节流量均衡，一般莱茵河的中游多属于混合型（混合了上游的积雪融水和支流的降水）。KLI⁃WAS项目的气候变化预测结果认为，未来夏季降雨减少，冬季降雨增加，对水文情势的影响在不同流域存在一定的差异。

图4 气候变化对水文情势的影响预测结果Fig.4 Discharge regime change due to climate change

莱茵河流域，在近期不会发生明显变化，而远期夏季流量减少，冬季流量增加，可能造成局部航段夏季更加碍航（图4-c）。针对这些河段，KLIWAS提出了航道与航运发面的适应对策（具体见下文），并认为通过这些对策，气候变化并不会对莱茵河的内河通航能力造成显著影响。易北河流域，在近期不会发生明显变化，而远期夏季流量减少，冬季流量变化不明显（图4-d）。KLIWAS认为，易北河流域目前的气候形势已经很严峻，水资源管理部门早在20世纪60年代开始就已经兴修水利工程，使得易北河流域是欧洲大坝密度最高的流域，易北河流域有足够的水资源管理能力适应未来的气候变化。多瑙河流域，无论是近期还是远期，夏季流量减少（远期比近期更加严重），冬季流量变化不明显（图4-e）。KLIWAS认为，目前多瑙河流域中的渠化部分能够在一定程度上缓解气候变化的影响，但是需要研究并制定适应远期枯水期水量减少的对策。总体而言，在远期未来，融雪型的水文情势（以多瑙河艾赫莱婷为代表）有往降水型转变的趋势，主要原因是未来气候变暖导致阿尔卑斯山的积雪储量减少；降水型（以易北河拉特诺为代表）和混合型（以莱茵河科隆为代表）的水文情势冬夏两季差异更大，夏季将会更枯。

4.2 气候变化对内河航道的影响及适应对策［6］

KLIWAS项目选择了莱茵河航道的瓶颈段（美因茨至圣戈尔段）作为典型航道，全长64.5 km，通航水深1.9 m。图5展示的研究结果表明，该航道在近期未来水位变化不明显，而在远期未来，大多数的预测结果（去掉极端的结果）认为水位下降约10%～25%，形势将会变得更加严峻。以该航道的控制水文站——考布站2002年的等效低水位径流量（GIQ2002=750 m3/s）为基准，假设未来径流量会减少0%、5%、15%或25%。结果表明，如果水位下降在15%以内，现有的3处碍航位置形势更加严峻；如果水文下降25%，将会新增两处碍航位置。针对该处典型航道，KLIWAS项目提出了三种适应的对策：一是保持现有航道宽度，增加每年的维护疏浚成本（是目前的3倍）；二是在不降低通航安全的条件下，减少目前设计航道宽度中的冗余以减少疏浚量；三是在碍航位置实施航道整治工程。总体而言，通过一些人为措施，能够解决气候变化对该处航道的不利影响。

4.3 气候变化对内河航运的影响及适应对策［6］

水深用大船，水浅用小船，是水路运输行业的常识。莱茵河的研究结果表明，总的来说，气候变化背景下，近期航运成本变化十分不确定；远期的航运成本会增加约10%，通航能力会减弱，小船受到的影响相对较小。针对气候变化造成的影响，长远的来说未来用小船更加适宜，需要慎重对待目前水路运输行业中使用大船越来越多的趋势（图6）。

4.4 气候变化对河口的影响及适应对策［5,7］

图5 气候变化对典型航道（莱茵河美因茨至圣戈尔段）的影响预测结果Fig.5 Climate change impact on typical waterways（Mainz-St.Goar part of Rhine）

长期的海平面监测记录表明，德国北部北海地区的海平面上升速度为1.6～2.9 mm/a，剔除陆地沉降的影响，海平面实际上升速度为1.1～1.9 mm/a。总体上，海平面上升使得河口地区水深增加，有利于航运的发展；但是，从海防角度考虑（风暴潮），海平面上升产生了较大的负面影响。研究结果表明，易北河口修建防波堤收窄河口的方案（图7-a），能够有效的降低风暴潮对防波堤上游河段的影响（潮高降低约20 cm），按照目前的海平面上升速度，该方案可缓减超过百年的气候变化影响；易北河支流埃姆斯河口现有的防潮闸以及河口两侧的护岸，能够有效抵御气候变化的影响，极限是海平面上升115 cm。

3 KLIWAS项目对我国的启示

我国是世界港口大国和航运大国。截止2013年，全国港口拥有生产用码头泊位31 760个，内河航道通航里程12.59万km，拥有水上运输船舶17.26万艘。2013年，全国港口完成货物吞吐量117.67亿t。水路运输在我国国民经济与社会发展、对外贸易中发挥着十分重要的作用。在全球气候变化的大背景下，我国近海区域及内河流域的气候也在发生较大的变化，可以预见会对水路运输带来一系列的影响。围绕气候变化对我国港口、航道及航运影响问题，深入开展研究并提出应对措施，有利于制定我国水运行业适应未来气候变化的发展规划和应对策略。

与德国类似（图2），在IPCC第四、五次报告中，我国南部地区的未来降水量变化预测结果不确定性很大，而那里恰恰是我国最主要的内河航运河流长江的流域范围。长江是我国第一大河，沿江所需的约85%的铁矿石、电煤和外贸货物依托长江航运，为流域的经济社会发展提供了重要支撑与保障。长江和莱茵河分别是中国和欧洲的黄金水道；不同的是，到目前为止长江航运能力的开发尚未完全，自2010年长江黄金水道建设列为国家发展战略起，长江内河航运的发展步入快速轨道。KLIWAS项目的多模型和模型链的思路，体现了衔接气候变化和水运两个领域之间的多学科、大团队合作研究能力；建议借鉴KLIWAS项目的经验，以长江典型航段和河口为例开展研究，为研究气候变化对我国航道与航运的影响提供典型示范。

图6 气候变化对莱茵河航运的影响预测结果Fig.6 Climate change impact on navigation of Rhine

图7 海平面上升对易北河河口风暴潮的影响及对策Fig.7Storm⁃surge peak impacts on Elbe estuary resulted from sea level rise and the adaptive measure

在借鉴KLIWAS项目的研究内容和技术路线的同时，应当根据长江流域和长江航道的自身特点有所侧重和取舍，建议开展气候变化对长江上游土壤侵蚀的影响、气候变化引起的水沙条件改变对河床演变的影响、海平面上升对河口水工建筑寿命的影响、未来极端天气气候事件对航运的影响、三峡大坝等水利工程对气候变化造成的负面影响的缓解能力等研究、适应气候变化的长江航运发展规划和管理、气候变化对长江沿线综合交通运输体系的影响等研究。

［1］Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）.IPCC fourth Assessment Report（AR4）［M］.Cambridge∶Cambridge Univer⁃sity,2007.

［2］Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）.IPCC fifth Assessment Report（AR5）［M］.Cambridge∶Cambridge Universi⁃ty,2013.

［3］王文涛,仲平,陈跃.美国《第三次气候变化国家评估报告》解读及其启示［J］.全球科技经济瞭望,2014,29（9）∶1-6,11. WANG W T,ZHONG P,CHEN Y.Analysis and Interpretation for the third National Climate Assessment of U.S.and Its Implica⁃tion［J］.Global Science,Technology and Economy Outlook,2014,29（9）∶1-6,11.

［4］KLIWAS.Impacts of climate change on waterways and navigation in Germany,First Status Conference［R］.Bonn∶Federal Ministry of Transport,Building and Urban Development,2009.

［5］Kofalk S,Moser H,Gratzki A,et al.Assessing the impacts of climate change on navigation and waterways in Germany∶support for management decisions［C］//U.S.Section of PIANC.San Francisco：PIANC World Congress，2014.

［6］KLIWAS.Impacts of climate change on waterways and navigation in Germany,Second Status Conference［R］.Berlin∶Federal Min⁃istry of Transport,Building and Urban Development,2011.

［7］Rudolph E,Schulte⁃Rentrop A,Schüßler A,et al.Influence of climate change on storm surge conditions in German Estuaries and testing of probable adaptation strategies［C］//INTERPLANAG⁃Office Hamburg.Proceedings of 10th International Conference on Hydroinformatics∶Understanding changing climate and environment and finding solution.Hamburg：International Water Associa⁃tion,2012.

Introduction and enlightenment of KLIWAS research program in Germany

HU Jian⁃bo,ZHU Jian⁃hua,LIU Chang⁃bing,LIN Yu,XIONG Hong⁃xia
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In the trend of global climate change,in 2008 the German Federal Ministry of Transport,Building and Urban Development(BMVBS)conducted a five⁃year research program abbreviated as KLIWAS,to research on the impacts of climate change on waterways and navigation of Rhine,Elbe and Danube in Germany.The catalyst for the Ministry′s research activities was the need to obtain robust scientific evidence of the impacts of climate change on the water systems in Germany and thus on the waterborne mode so as to be able to take precautions in a timely manner that will ensure the reliability of this mode of transport.In this paper,the background,tasks,methods and main results of KLIWAS,state features in KLIWAS were introduced,and enlightenment of KLIWAS was investigat⁃ed to research on the impacts of climate change on waterways and navigation in China.

climate change;waterborne transport;waterway;navigation

U 656.3

A

1005-8443（2015）05-0439-07

2015-04-09；

2015-06-02

国家国际科技合作专项项目（2013DFA81540）

胡健波(1982-)，男，浙江省宁海人，高级工程师，主要从事卫星和无人机遥感应用研究。

Biography：HU Jian⁃bo（1982-）,male,senior engineer.