南水北调中线工程水源区和受水区旱涝特征及风险预估

2018-02-13方思达任永建

水土保持通报 2018年6期

方思达, 刘敏, 任永建

(1.武汉区域气候中心, 湖北武汉 430074; 2.湖北省气象服务中心, 湖北武汉 430205)

南北方水资源配置极不平衡是中国水资源分布的重要特征[1-2]。南水北调工程，旨在通过跨流域的水资源合理配置，促进南北方经济、资源、环境等的协调发展。其中中线工程是从长江最大支流的汉江上游丹江口水库调水，跨越长江、淮河、黄河、海河4大流域，向唐白河区、淮河区、海河3个受水区输送。该工程的顺利实施将有效缓解京津地区的水资源危机，并将大大改善受水区的投资环境和生态环境，推动我国京津地区的经济发展。中线工程调水线路长，跨越亚热带和暖温带季风气候区，降水特点和变化规律不尽相同，导致旱涝配置呈现更为复杂的不确定性，特别是如果气候出现异常，水源区与受水区连续同旱，将直接影响调水工程的可靠性。国内学者对中线流域的旱涝变化特征进行了相关研究[3-5],周月华等[6]研究表明，汉江流域具有多连旱特征。随着南水北调中线工程的开展，不同水文区的丰枯遭遇研究近些年来受到广泛关注[7-8]。陈锋等[9]使用Copula函数方法，并基于IPCC第四次评估报告中大气环流模式的降水结果，用模型探讨了气候变化情景下南水北调中线工程水源区与受水区丰枯遭遇的变化；康玲等[10]联合copula函数和贝叶斯网络理论,建立了南水北调中线工程水源区和受水区降水丰枯遭遇风险分析模型,对南水北调中线工程调水最不利的丰枯遭遇风险概率进行了研究。本研究尝试使用旱涝等级资料及气象站降水资料，对气候变化背景下南水北调中线工程水源区与受水区旱涝配置的变化特征进行分析，并利用模式数据探讨未来水源区与受水区旱涝配置的可能影响，为南水北调中线工程水资源调度及决策提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料说明

1.1.1 气象观测资料旱涝资料使用中国气象局气象科学研究院提供的中国120台站五百年旱涝等级数据集。时间范围为1470—2000年，分辨率为年。该资料在中国近代气候旱涝变化研究中有着广泛应用[11-12]。本文选取其中位于南水北调中线工程地域范围内的12个站点，分别为：汉中、安康、郧县、南阳、郑州、信阳、石家庄、邯郸、安阳、北京、天津和保定。各站点依据降水量标准化距平分为：1级(涝)、2级(偏涝)、3级(正常)、4级(偏旱)、5级(旱)共5个等级代表该站点该年降水旱涝情况。气象站降水资料使用1961—2015年南水北调中线工程内265气象站逐日降水资料。将南水北调中线工程划分为4个流域，其中汉江上游为水源区，唐白河流域、淮河流域和海河流域为受水区。

1.1.2 模式预估资料 CMIP5耦合模式代表当前国际主要先进模式的最新版本，是当前气候预估研究的重要手段[13-15]。本文使用中国气象局制作的21个CMIP5全球气候模式集合平均模拟结果[16]，经过插值计算将其统一降尺度到同一分辨率1°×1°，选取2020—2100年南水北调中线工程区域内RCP 4.5排放情景下的月平均降水资料。

1.2 旱涝年划分方法

近500 a区域旱涝年划分标准：研究流域包含的站点在某年出现偏旱或旱(偏涝或涝)的个数达1/2以上，则认为该流域该年为旱(涝)年，其他情况为平年。1961—2015年区域旱涝年划分标准：将所研究流域各站点逐年降水量序列进行标准化处理，得到各站点标准化距平序列。若某站降水距平小于或等于-1.0σ(大于等于+1.0σ)，且满足该标准的站点数超过研究区域站点总数的30%，则定义流域该为旱年(涝年)，其他情况为平年。

2 水源区旱涝变化特征

2.1 近500 a来水源区旱涝特征

使用近500 a来旱涝资料对水源区旱涝特征进行分析，结果表明水源区旱、平、涝的出现频率分别为33.3%，46.2%和20.5%，但存在较大年代际变化。1470—2000年南水北调水源区(汉江上游)旱涝状况年代际变化如图1所示。

由图1可以看出，1470—1800年旱年出现频率呈下降趋势，但随后出现上升趋势，尤其是20世纪，干旱出现频率达31.7%；涝年出现频率基本在各年代均高于旱年频率，在19世纪达到顶峰，为47.0%，进入20世纪有所回落，出现频率为34.7%。平年频率在1 800 a以前较平稳，基本维持在50%左右，但受20世纪以来枯丰年出现频率波动较大影响，平年出现频率较低，仅为33.7%。以上分析表明，近500 a来汉江上游旱涝出现较大变化，尤其是1 800 a以来，旱涝事件增多，这可能与全球气候变化导致的极端事件增多相关。

图1 1470-2000年南水北调水源区旱涝出现概率年代际变化

此外，水源区还体现出一定的连旱及连涝特征，表1给出了近500 a来水源区连旱(涝)出现次数，可以看到，近500 a来，汉江上游连旱连涝现象均有发生，连旱(涝)持续年数越短，出现次数越多，其中连旱出现总次数少于连涝。历史上最长连旱为7 a，出现在1635—1641年；而最长连涝年份为6 a，共出现过2次，分别为1930—1935年及1979—1984年。

表1 近500 a来水源区连旱(涝)出现次数

2.2 1961-2015年水源区旱涝变化特征

使用气象站降水资料对1961—2015年水源区旱涝情况分析如图2所示。由图2可以看出，近55 a来，汉江上游降水正常年份占60.0%，旱年占21.8%，涝年占18.2%。同时旱涝结构有着较明显的年代际特征，20世纪90年代以前，丰枯年份出现频率相对较低，但近20 a余来，汉江上游旱涝年出现概率明显增加，尤其是旱年出现概率达28.0%，涝年概率也有所上升，达20.0%。这意味着，汉江上游气候近年来较易出现极端旱涝事件，南水北调工程风险增加。

图2 1961-2015年汉江上游旱涝逐年变化

3 近500 a来水源区与受水区旱涝遭遇特征

正常或偏涝的年份，水源区有足够的水可供受水区调度，这种情形称之为调水保障概率(P1)。但当水源区和受水区同时干旱时，将出现无水可调的情况，此外，由于受水区尤其是华北等地在正常年份仍需要调水，因此，当水源区发生干旱而受水区当年降水属于正常年景，仍然存在无水可调或调水量不够的风险，上述两种情形出现的概率之和，称之为调水风险概率(P2)。后文将主要分析水源区和受水区调水风险概率和调水保障概率特征。

3.1 水源区与受水区旱涝遭遇分析及变化特征

近500 a来，南水北调中线工程水源区及受水区旱涝遭遇情况详见表2。唐白河流域、淮河流域及海河流域3个受水区的调水风险概率分别为21.6%，12.7%和16.2%，同时汉—唐同旱概率也达16.2%，也为3种遭遇情形最高。因此唐白河流域调水保障概率最低，为78.4%，海河流域次之，调水保障概率最高为淮河流域，达87.3%。

表2 1470-2000年南水北调水源区与受水区旱涝遭遇概率

近500 a来，南水北调中线工程水源区和3个受水区逐百年的调水风险概率变化较为一致，呈现较大波动(图3)。除去1 400年代资料较短外，20世纪以来各流域调水风险均处于历史高位，尤其是汉—唐调水风险概率接近30%，这使得各受水区的调水保障概率为近500 a来最低值，汉—唐、汉—淮及汉—海的保障概率分别为70.6%，76.2%及76.2%(图3)。

图3 1470-2000年南水北调水源区遭遇概率年代际变化

3.2 水源区与受水区持续旱涝遭遇特征

近500 a来水源区和受水区还具有连续同旱(涝)遭遇特征(表3)，可以看到各受水区连续同旱(涝)遭遇持续年数越短，出现次数越多。最长同旱持续年数为6 a，出现在1636—1641年的汉唐遭遇中；3种遭遇最长同涝持续年数均为3 a。汉—唐及汉—海连续同旱次数多于汉—淮，同时，汉—唐及汉—海遭遇均出现了持续年数在4 a以上的同旱情形，这2个区域调水连续同旱风险较高。连续同旱出现频率大于连续同涝。3种遭遇情景中，连续2 a同旱出现了24次，而连续2 a同涝出现了20次；连续3 a同旱出现了7次，连续3 a同涝出现了4次；连续4 a及以上同旱共出现了3次，而该强度的连续同涝事件未发生过。

表3 近500 a来水源区连续同旱(涝)遭遇出现次数

4 1961-2015年不同时期内水源区与受水区旱涝遭遇特征

4.1 水源区与受水区旱涝遭遇特征

使用1961—2015年南水北调中线工程内气象站日降水资料，对水源区及受水区旱涝遭遇情况的分析如表4所示。唐白河流域、淮河流域及海河流域调水风险概率分别为21.8%，21.8%和18.2%，其中汉—唐和汉—淮同旱概率占调水风险概率的1/2。通过以上分析可知，唐白河及淮河的调水保障概率均为78.2%，而海河的保障概率为81.9%。唐白河仍为调水风险概率最高的流域，这与使用500 a旱涝资料的分析结果一致。1961—2015年南水北调中线工程各流域旱涝配置还具有以下特点：汉—唐—淮同旱概率较高，共6 a出现了汉—唐—淮同旱的情形，占总的同旱事件一半以上，这将在水源区干旱时增大南水北调调水量的需求，对南水北调工程产生较大不利影响；进入20世纪90年代后，各流域旱、涝事件增多，同枯、同丰出现几率增大。如1997—2003年这7 a中，汉江上游仅两年降水正常，旱涝转换频率加剧，同时出现了近55 a来仅有的一次全流域性干旱事件，这可能与气候变化加剧了旱涝急转相关，将使南水北调效益风险上升。

表4 1961-2015年水源区与受水区旱涝遭遇概率

4.2 不同时期内旱涝遭遇风险特征

由于南水北调具有一定的时效性，因此对同时段内的各流域旱涝遭遇风险进行分析，方法与对全年分析相同，结果如表5所示。无论在任何时段，海河流域的调水保障概率最高，概率均在80%以上，淮河流域次之，唐白河流域调水保障概率最低。

表5 1961-2015年不同时段水源区与受水区旱涝遭遇概率

汛期为南水北调工程最不利的时段，唐白河流域、淮河流域及海河流域调水保障概率分别为78.2%，78.2%及81.9%，而秋汛期为调水最有利的时段。非汛期作为受水区重要的缺水时段，3个流域调水保障概率均在80%以上。

5 水源区和受水区旱涝配置未来情景预估

使用21个CMIP5全球气候模式的模拟结果，对RCP4.5排放情景下南水北调中线工程2020—2100年的旱涝遭遇特征进行预估研究(表6)。由表6可以看出，唐白河流域、淮河流域及海河流域未来的调水风险概率分别为12.3%，12.3%和11.1%，低于21世纪水平。预估结果显示未来海河流域调水保障概率最高，为88.9%；淮河流域和唐白河流域略低，均为87.7%，调水朝有利方向发展。此外，21世纪旱涝遭遇具有明显的年代特征。2050年以前，水源区降水异常年份主要为干旱事件，同时受水区干旱出现也较为频繁，因此该时期调水风险主要考虑干旱事件，约占总数的近八成；而2050—2100年，全流域气候特征发生较大转变，绝大部分异常年份为偏涝，该时段流域同涝事件多发。未来水源区与受水区的旱涝遭遇特征前期将以干旱事件为主，而后期将存在较大的同涝风险，这是当前较为忽视的情景，需提前做好应对措施。