澜沧江-湄公河流域干旱分析及上游水库影响

刘 慧，杨泽川，许凤冉，张学君，白音包力皋，穆祥鹏，胡宏昌

（1.中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038；2.水利部国际经济技术合作交流中心，北京 100038；3.中国水利水电科学研究院 防洪抗旱减灾研究所，北京 100038；4.清华大学 水利系，北京 100084）

1 研究背景

干旱是影响最大的自然灾害之一，往往对农业、渔业、供水、环境等方面造成巨大影响[1-4]。澜沧江-湄公河流域是连接东南亚六国的重要纽带，该地区以农业和渔业为主，对降水和湄公河依赖度高[5]。近年该流域在干季（12月至次年5月）干旱频发（如2004/2005、2009/2010、2012/2013、2015/2016、2019/2020年等）[6]，给各国造成了巨大损失[7-10]。

和地球上其他大型流域相比，澜沧江-湄公河的水文过程更接近天然过程[11]。但随着经济社会发展，该流域的水利工程建设正在迅速增加。澜沧江干流“两库七级”梯级水库在2010年至2015年间建成，其中第一座多年调节水库——小湾水库于2010年汛期开始发挥调蓄作用[8]。湄公河干流的第一个水电站——沙耶武里水电站于2019年建成，湄公河支流截止2009年共有26座大型和中型水库，但规划和在建大中型水库达99座[5]。

关于水利工程对澜沧江-湄公河水文过程的影响，已有一些研究基于历史数据或未来气候变化情景数据进行定量评估，然而由于澜沧江-湄公河地区自然地理条件复杂、观测资料和水利工程调度资料短缺，所采用的数据、模型和假设不同，虽然对于变化趋势（削峰补枯）的结论一致，但结果却有较大的差异[8，12-16]。如湄公河委员会（MRC）和中国水利部研究[8]认为，受水利工程影响2010-2015年间澜沧江径流量平均每年减少4.9%，而气候变化使年径流量平均减少20%。HAN等[16]的研究认为人类活动对澜沧江2008—2014年的径流变化贡献率约为95%。另外，气候变化的不确定性也进一步增加了水利工程影响评估的不确定性。Lauri等[17]的研究表明，采用不同的GCM数据驱动模型可能导致不同的预估时段（2032—2042）和基准期（1982—1992）的径流变化，雨季为-11%～+15%，干季为-10%～+13%。

根据水循环不同环节的水分亏缺，干旱分为气象干旱、水文干旱和农业干旱。当前澜沧江-湄公河的干旱研究仍多集中于气象或农业干旱分析，如基于模型或再分析降水数据重建历史干旱事件、基于有限的地面站观测分析干旱的时空特征[18-21]。Zhang等[18]基于VIC模拟澜沧江-湄公河土壤水分，并建立对应的干旱指标，较好的重建了2004/2005和2009/2010年干旱事件，并能够对该地区的农业干旱进行实时评估。Tang和Cao[19]基于澜沧江流域的8个气象站数据，计算SPI指标，发现澜沧江下游区域发生洪旱的频率更高，东南亚季风和青藏高原季风是影响该地区洪水和干旱的关键因素。Guo等[20]的研究表明，湄公河南部和北部较中部更容易发生干旱，发生在三角洲地区的干旱往往具有时间长强度高的特点。周婷等[21]利用1977—2010年的38个气象站降水资料，采用SPI分析澜沧江-湄公河流域的气象干旱时空分布特征以及2009/2010年干旱。目前对流域水文干旱及其与气象干旱之间关系的相关研究较少。

本文基于气象干旱指标和水文干旱指标，分析该流域干旱演变趋势；选择2010年前后的两场典型流域气象干旱（2009/2010和2012/2013）作为研究对象，分析干旱特征，以及气象干旱和水文干旱之间的联系；分析澜沧江梯级水库的补水作用。相关工作有利于科学认识近来发生的全流域干旱，而且有利于流域内国家从全流域视角调整合作战略，采取合理的措施共同应对旱情，减少灾害损失，保障流域经济社会发展。

2 研究区域概况

澜沧江-湄公河流域及其干流主要水文站位置如图1所示，水文站信息如表1所示。景洪水电站是澜沧江最末一级水电站，因此选择位于景洪水电站下游的景洪水文站作为澜沧江流域的代表水文站开展相关分析。基于可获取的数据，在湄公河干流选择了7个水文站开展分析，并分别选取清盛（Chiang Saen）、穆达汉（Mukdahan）和上丁（Stung Treng）站作为湄公河干流上游、中游和下游的代表站。图1中不同颜色的区域代表对应水文站的集水面积/区间汇水面积。

澜沧江-湄公河流域在2012年10月至2013年4月期间遭遇了气象干旱灾害，干旱的范围和强度与2009/2010年干季发生的干旱相当。而不同的是，中国小湾水库在2010年汛期开始具备调蓄能力，并在2012年11月至2013年4月的干季期间对下游进行了“补水”。由于两场干旱发生在临近年份，本文认为其自然地理和社会经济变化可以忽略，即流域内用水等因素基本不变，气象干旱和水文干旱关系的演变主要是气候因素和水利工程引起的。

图1 水文站及其集水区域

表1 澜沧江-湄公河干流主要水文站信息

3 数据和方法

3.1 数据降水数据采用全球陆面数据同化产品（Global Land Data Assimilation System，GLDAS）。GLDAS数据是基于全球观测数据以及四个陆面过程模型模拟结果，采用数据同化方法得到覆盖全球的高精度（2.5°到1km）的数据集。研究中采用的GLDAS降水序列长度为1948—2014年，空间分辨率为0.25°×0.25°，范围为澜沧江-湄公河流域。

水文数据包括清盛、琅勃拉邦、廊开、那空帕侬、穆达汉、巴色和上丁等湄公河干流的主要水文站点的1985—2016年逐日流量数据。

3.2 研究方法从气象、水文角度出发，计算SPI和SRI干旱指标，作为气象干旱和水文干旱的监测诊断指标，并利用Mann-Kendall趋势检验方法进行干旱趋势分析。进一步选取大型水利工程建设前后的两场干旱（2009/2010年和2012/2013年）进行干旱特征对比分析。

SPI是气象干旱评估的常用指标[21-22]，被推荐应用于所有国家的气象干旱指标，其定义和计算过程参见国际气象组织（WMO）相关文件[23]。表2为国家标准《气象干旱等级》（GB/T 20481-2017）对SPI值的干旱等级划分。SRI（或SSI）是参考SPI计算原理提出的标准化径流指数，该指数基于长序列月径流计算，用于月尺度以上的水文干旱评估[24-26]，其干旱等级划分同SPI。

当SPI的统计尺度达到6个月时，其信息往往可以和河道水文变化情况联系起来[23]。Gibson等[24]用6个月尺度的SPI和对应尺度的径流指标开展流域干旱分析。因此，本文分析湄公河干流主要水文站集水面积上的气象干旱和水文干旱联系时，采用6个月尺度的SPI（SPI6）和6个月尺度的SRI（SRI6）。在展示气象干旱年际波动时，采用12个月尺度的SPI（SPI12），SPI12更能反映大范围长历时的严重干旱，若非连续12个月时段内显著湿润或干燥，该指标会接近0。

Mann-Kendall检验法是降水、干旱趋势检测的常用方法，该方法可判断变化趋势是否显著，以及是否发生突变，并确定突变发生的时间[27-30]。具体计算过程可参考相关文献，本文中采用的显著性水平为0.05。

表2 基于SPI的干旱等级划分

4 结果及分析

4.1 年际变化特征澜沧江-湄公河流域的SPI12序列如图2所示。总体而言澜沧江-湄公河流域的SPI无显著变化趋势，呈洪旱交替变化，基于SPI12指标分析得到，1948—2014年间澜沧江-湄公河流域达到中旱等级的年份包括：1968、1992、1971、1958、1993、2010、1967和1955年（按照SPI递增顺序）。本研究的结果和Guo等[20]的研究结论基本一致，其中1992—1994年是1981—2014年间干旱最严重的时期，SPI12小于-1。图3展示了SPI序列的Mann-Kendall趋势检验结果为显著的网格及其变化趋势，从图3中可知流域内局部有SPI增大（降水增加）的趋势，包括澜沧江源头、琅勃拉邦周边和巴色至上丁区间，这些区域在干季、雨季和全年尺度上的趋势相似。

澜沧江-湄公河干流主要水文站集水面积上的SRI趋势分析结果如表3所示。从表3可知，澜沧江-湄公河全流域年尺度SRI变化不显著。干季SRI（径流）总体呈增加趋势；雨季各区间变化趋势不同，下游上丁站SRI略有下降趋势。

4.2 典型干旱特征澜沧江-湄公河干流水文站集水面积2009/2010、2012/2013年干季的SPI6计算结果以及对应SRI6结果如图4所示。2009/2010年和2012/2013年干季所有水文站对应集水面积的SPI6均小于0（即降水偏少），整个流域平均SPI6值分别为-0.38和-0.43，即2012/2013年旱情总体比2009/2010年严重。从图4中可看出2009/2010年干季比2012/2013年干季干旱面积大。但是，2012/2013年出现干旱的地区其强度达到了中旱程度，而2009/2010年为轻旱。对比图4中2009/2010年和2012/2013年干季的SRI可知，2009/2010年湄公河干流主要水文站均发生了水文干旱，而2012/2013均未出现水文干旱。

图2 澜沧江-湄公河流域12个月尺度的SPI序列

图3 具有显著变化趋势的SPI变化趋势空间分布（1948—2014）

表3 1986—2016年SRI变化趋势

由图4可知，2009/2010年的SPI6和SRI6表现出较好的一致性，各水文站集水面积的气象干旱多为轻旱，水文干旱大多为轻旱或中旱；而2012/2013年的SPI6和SRI6表现差异显著，气象干旱为无旱或中旱，水文条件为多年平均状态或偏丰状态。这说明在2012/2013年干季上游实际来水接近或大于天然径流量，本文认为湄公河上游段的上述现象主要源于澜沧江水库发挥的“补枯”作用。而那空帕农站以下河段的SRI指标增大，可能来自湄公河中下游产流能力较强的支流的径流补给或其他水利工程对径流的调节。正如有关研究指出，湄公河干流的水文过程变化不只来自澜沧江梯级水库，湄公河支流建设的水库也有影响[14]。如湄公河支流Nam Theun河上的跨流域引水发电项目Nam Theun 2水电站对湄公河干流穆达汉水文站水情的影响，泰国境内Ubol Ratana、Sirindhorn和Lam Pao3个水库对湄公河干流巴色水文站水情的影响等，这些影响还有待进一步研究。

图4 2009/2010、2012/2013年干季的SPI6空间分布以及各水文站的SRI6

图5 2009/2010年、2012/2013年和多年平均干季径流量

4.3 澜沧江梯级水库的补水作用根据澜沧江-湄公河干流水文站点1960—2009年的多年平均月流量[8]和2009/2010年、2012/2013年干季逐月流量资料，计算得到其干季径流量，如图5所示。结果显示，2012/2013年干季，景洪水文站干季径流量由多年平均118.2亿m3增大至169.0亿m3，增加了50.8亿m3，增幅达43%；2012/2013年干季径流量比2009/2010年增加67.0亿m3，增幅66%。清盛水文站2012/2013年干季径流量由多年平均177.9亿m3增大至231.5亿m3，增加了53.6亿m3，增幅30%；2012/2013年干季径流量比2009/2010年增加58.9亿m3，增幅34%。景洪站的多年平均（1960—2009）干季径流量占清盛站的比例为66%，2012/2013年干季增大到73%。2012/2013年澜沧江干流梯级电站发挥的调丰补枯作用使湄公河干流，尤其是清盛站的旱季径流量较多年平均增加显著。

根据景洪站和清盛站1960—2009年和2010—2015年的流量资料，统计分析了这两个水文站干季径流量占年径流量百分比在澜沧江干流梯级水库运行前后的变化情况。结果显示，澜沧江干流梯级水库运行后，景洪水文站干季径流量由天然情况下的118.2亿m3（1960—2009年间干季径流量占年径流量的21%）增大至177.7亿m3（2010—2015年干季径流量占年径流量的41%），增加了59.5亿m3（占比增加20%）。清盛站干季径流量占年径流量的比例由21%增大到33%。可以看出，澜沧江干流梯级水库不仅在2012/2013年干季发挥了补水作用，而且在其运行后总体上增加了湄公河干流干季径流量。考虑到干季是湄公河流域农业用水高峰期[31]，澜沧江干流梯级水库的运行对于缓解湄公河干季的旱情以及保障全流域可持续发展方面具有积极作用。

5 结论和建议

（1）澜沧江-湄公河流域年降水趋势性变化不显著。1948—2014年间澜沧江-湄公河流域达到中旱等级的年份包括：1968、1992、1971、1958、1993、2010、1967和1955年。SPI变化趋势显著的地区包括澜沧江源头、琅勃拉邦周边和巴色至上丁区间，这些区域的SPI呈增大趋势（降水增多）。

（2）澜沧江-湄公河年径流量变化趋势不显著。干季SRI（流量）总体呈增加趋势；雨季各区间变化趋势不同，下游上丁站SRI（流量）略有下降趋势。

（3）澜沧江-湄公河流域在2009/2010和2012/2013年干季经历了两场气象干旱，其中2012/2013年总体较前者严重。2009/2010年湄公河干流沿程均发生了水文干旱，而2012/2013年各站均未发生水文干旱。鉴于两个气象干旱年份临近，流域内其他变化较小，湄公河干流上游段出现上述现象应主要源于澜沧江水库发挥的“补枯”作用。

（4）2012/2013年干季，澜沧江梯级水库发挥径流调节作用，景洪水库下泄流量比多年平均径流量增加50.8亿m3，增幅达43%；2012/2013年干季比2009/2010年同期径流量增加67.0亿m3，增幅66%。清盛水文站2012/2013年干季径流量比多年平均径流量增加53.6亿m3，增幅30%；同时2012/2013年干季径流量比2009/2010年增加58.9亿m3，增幅34%。即2012/2013年澜沧江干流梯级电站发挥的调丰补枯作用使湄公河干流，尤其是清盛站的旱季径流量较多年平均增加显著。多年数据分析结果表明，澜沧江干流梯级水库运行后总体上增加了湄公河干流干季径流量，对于缓解湄公河干季旱情和保障流域可持续发展方面有积极作用。

（5）澜沧江-湄公河流域各国应从全流域视角加强水资源开发利用协作，制定科学的流域规划，充分发挥流域内水利工程的抗旱功能。同时，应意识到澜沧江水库调度只对干流水文过程有影响，无法缓解支流的大面积旱情，各国应挖掘自身潜力，提高基础设施水平，同时加强水利工程联合调度。