模擬氣候變化對湄公河下游洪水脈沖的影響

[芬蘭] K.瓦斯蒂拉 等

人們將水位和洪水淹沒地區呈現明顯季節性變化的洪泛灘地歸類為洪水脈沖系統。該脈沖系統的特征是有定期的洪水脈沖,這是解釋洪泛灘地具有很高的生態生產力的關鍵因素。洪泛灘地和其他濕地生態系統依靠其自身的水文情勢(例如定期的洪水脈沖),維系和支持系統內的生物物種。

灘地和濕地的生態和環境方面的重要性正得到全世界的公認。由于諸如水利基礎設施建設和不斷增加的人類取水等原因,濕地的退化和消失比其他生態系統要迅速。另外,水資源的壓力在未來將會增加,尤其是在發展中國家。濕地的水文情勢和洪水模式也會因為氣候變化而改變。氣候變化會通過改變流域水量平衡和海平面上升而影響當地的洪水表現模式,尤其是在河流三角洲地區,海平面上升帶來的影響更為明顯。已經改變的流域水量平衡會改變河流的流量過程線,這種改變已經被證明能顯著改變低緯度地區洪水脈沖系統的洪水淹沒模式。

海平面的上升會通過壅水效應加重季節性洪水泛濫,例如孟加拉國 2006年的洪水。海平面的上升會導致上百萬人搬離原居住地,并且會對海濱生態系統造成大規模的破壞,而造成的經濟后果對發展中國家來說會更為嚴重。

湄公河是世界上最大的單峰脈沖河流之一,年徑流量為 4750億 m3,居世界第10位。月徑流量在旱季和雨季之間變化較大。在雨季,季風洪水常淹沒桔井(Kratie)下游湄公河流域的巨大洪泛平原,洪水到來的時間在一定程度上是可以預測的,但是洪水量的大小及其歷時則會因不同地點和不同年份而有所不同。湄公河和與之鄰近的洪泛平原維系著魚類和其他自然資源,并為農業生產提供水資源及肥沃的淤泥土。

流域內很大一部分人口依賴這些與水相關的資源。湄公河洪泛平原根據其水文特征又可分為 3個子區:即上游洞里薩(Tonle Sap)湖洪泛灘地、柬埔寨洪泛灘地和湄公河三角洲。洞里薩湖洪泛灘地經洞里薩河與湄公河連通,洞里薩河的河水在干旱季節流向洞里薩湖,雨季則流向湄公河,洞里薩系統的特點是水位和水面面積有明顯的季節變化,該系統被認為是世界上產出最多的淡水生態系統之一。

洪水脈沖和季風雨來臨的時間對洞里薩地區水稻的生長至關重要,因為這里大多種植雨水澆灌的濕季水稻。湄公河的柬埔寨洪泛灘地的水文條件由湄公河的季節性徑流和中國南海的潮汐活動來決定。潮汐對湄公河三角洲的影響最大,因為這里經受著很強的半天一次的潮汐和季節性的水位變化。三角洲的水文情勢受到人類防洪工程和大型灌溉系統的控制。這塊深度耕種的三角洲地區尤其易遭受洪水、干旱和海水入侵的影響。

湄公河及其廣闊的濕地面臨著不斷增加的水利基礎設施建設和氣候變化帶來的壓力。氣候變化對湄公河下游洪泛灘地的影響,主要是通過流域水量平衡的改變和海平面上升來表現,流域水量平衡的破壞主要是因為該河流的上游面積較大,而海平面上升主要是由于靠近中國南海。

本研究旨在評估 21世紀前半期氣候變化對湄公河下游灘地洪水脈沖屬性變化的影響。主要包括3個方面的內容,即氣候變化對流域水量平衡的影響、對海平面的影響,以及其累積效應。本文還考慮了水利基礎設施建設的影響和氣候模擬的不確定性,并闡述了其可能的后果。

1 模擬方法

氣候變化對湄公河下游洪水脈沖的影響是通過組合模型來模擬的。共包括 2個階段,即對已有資料進行基礎模擬和對未來情況(2010～2049年)進行預測模擬。采用哈德利氣候預測與研究中心(PRECIS)建立的區域性氣候模型,來模擬在溫室氣體濃度不斷增加的情況下湄公河氣象要素的變化。

可將氣候變化的模擬結果作為另一模型的輸入,以得到湄公河流量變化和中國南海海平面的變化,這要分別利用可變入滲量水文模型(VIC)以及普林斯頓海洋模型(POM)和動態互動脆弱性評價工具(DIVA)。湄公河的流量和中國南海海平面變化數據是三維環境評估水動力學模型(EIA 3D)的邊界條件,采用該模型模擬湄公河下游灘區洪水脈沖,旨在重演基礎年份(1997～2000年)的洪水脈沖,對該模進行了率定,然后利用設想的邊界條件時間序列對未來幾十年的洪水脈沖進行模擬。通過對比未來和基礎年主要洪水脈沖特性差異,即可以得出氣候變化的影響。

2 氣候與流量變化分析

氣候變化模擬采用 PRECIS模型,其分辨率能達到 25 km×25 km,輸出結果可以直接用作半分布式水文模型的輸入。PRECIS模型趨向過高估計溫度 1～2℃,年降水的估計則偏低 100mm以上。為了提高基礎年氣候變化模型模擬的精確度,該研究采用了一種“比尺復原”技術,氣溫和降雨的比尺復原因子分別確定為該地區 130個氣象觀測站的最大日平均氣溫和年平均雨量的實測值與其模擬值之間的絕對差。模擬域內每個網格的比尺復原因子使用克里金(kriging)差分技術得到。比尺復原后的最小日氣溫由比尺復原后的最大氣溫減去模擬的最大氣溫與最小氣溫二者之差得到。比尺復原后,最大氣溫和降水與大多數觀測值的差值可以分別控制在1℃和 50mm之內。比尺復原后,氣溫的最小值在內陸地區可能會偏小,在海濱地區可能會偏大。

湄公河流量的變化由 VIC模型模擬,這是一種半分布式網格水文模型,模擬地面與大氣層交界處發生的水文氣象過程。VIC模型被應用于桔井以上的湄公河流域,并與包括 6個流量站在內的流量演進過程耦合。VIC模型可以從 PRECIS模型得到模擬所需要的氣溫和降水輸入數據。

研究人員將 1995～2004年的預測結果與觀測結果進行了對比,并對 2個系數進行了校驗。校驗后的系數,一個可控制基流和徑流(影響總流量),另一個系數則控制流速(影響流量到達的時間)。在濕潤季節,總流量的模擬是可靠的,但是演進時間上大約有一個月的偏差,1995～2002年,所模擬的流量數據比觀測到的數據平均偏高 3%,但標準偏差只有0.46,其值較小。平水年中,模擬的流量與觀測值非常接近,但在最濕潤的年份偏小 8%,在最干旱年份可能會偏大 38%。被校驗的 VIC模型可以用于未來的模擬。湄公河日流量數據由湄公河流域委員會(MRCS)提供。

在 1961～2000年期間,湄公河流量的 10a滑動平均值在 11700m3/s到 13200m3/s之間變化,其最小流量由 8600m3/s變為 10400m3/s,最大流量由 13900m3/s變為 18100m3/s。1997年的流量比 1961～2000年多年平均流量要多 10%,但卻比1993～2002年多年平均流量要少 2%,因此 1997年被考慮為基本平均水文年的代表。1998年是 1961～2002年間的最干旱年份,2000年又是 1961～2002年年間的最大流量年份。

圖1是使用 VIC模型模擬得出的月流量結果(桔井站)與觀測值的對比情況。

3 海平面上升的分析

圖1 VIC模型模擬出的流量結果(桔井站)與實測值的對比

中國南海的未來海平面水位是對海平面上升的效果和不斷變化的海面波動值進行綜合以后確定的。氣候變化造成的海平面上升的平均速率采用DIVA工具進行評估,由變化的風力引起的當地海面波動情況借助于 POM模型進行模擬。POM模型所需要的風速和風向輸入數據由 PRECIS模型模擬提供,分辨率為0.2°×0.2°。將 POM模型與 DIVA模型的模擬結果組合在一起,即可以預測未來海平面的水位。

4 洪水脈沖模型

對湄公河下游進行的洪水脈沖模擬借助于 EIA 3D流體動力學模型完成,該模型為三維多層斜壓數值模型,使用隱式有限差分法,用納維 -斯托克斯(Navier-Stokes)方程求解。EIA 3D模型已用于湄公河在泰國的支流頌堪(Nam Songkhram)河洪泛灘地的氣候變化模擬。EIA 3D模型是針對湄公河下游洪泛平原建立的,模型覆蓋面積 430km×570km,從桔井到中國南海,模型網格的分辨率為 1 km×1 km。

EIA 3D模型還可與地形數據、測深數據和土地使用數據組合使用,該模型只考慮湄公河的自然河流網和較大的人工渠,但對小型的灌溉水渠和排水渠并沒有考慮,主要是由于模型網格的分辨率不高,這些因素可能會使預測的三角洲水位過高。

然而,這并不會影響氣候變化對洪水脈沖影響的模擬結果,因為所模擬的未來洪水脈沖的特性是與基準系統進行比較的。模型根據兩個水力摩阻參數來確定水流阻力:一個是河床阻力,在整個模擬區域都是相同的;另一個就是植被阻力,是一個與用地類型有關系的量。

邊界條件包括湄公河及支流洞里薩的逐日流量和中國南海的逐時海水位數據。雖然 EIA 3D并不考慮模擬區內的降雨徑流水文過程,但是考慮了洞里薩湖水面的直接降水因素,其辦法是將湖面上的降雨量增加到該支流的觀測流量中。

5 基準模擬和情景模擬

5.1 基準模擬

將 1997～2000年選為基準年,主要是基于以下考慮:一方面是長系列數據缺乏,另一方面是這段時間足以代表逐年的水文變化。該系列中包括平均水文年 1997年,非常干旱水文年 1998年和非常濕潤水文年 2000年。基準模擬采用湄公河委員會提供的數據完成。

模型的水力摩阻參數根據洞里薩湖實測水位過程率定,率定的目標為盡可能精確地重演洪水脈沖且不過高預測干旱季節的水位。經反復模擬,河床水力摩阻為0.015,而植被阻力參數設定為 0～0.2,取決于用地類型。總體上,所模擬的 8月到次年 1月的洪水脈沖峰值期間,其日水位數值的均方差為0.53 m,該模型能滿意地模擬洪水上漲階段和最高水位的情況。然而,模型中洪泛灘地的退化太慢,且每個水文年的年末,水位仍然偏高。

5.2 情景模擬

利用率定后的 EIA 3D模型,模擬了 2010～2049年每 10a的最濕潤和最干旱以及平水年的情景。水文年的類型根據 VIC模型模擬得出的桔井處的年流量加以確定,這種方法可以在基準年和未來幾十年之間就平水年、干旱年和濕潤年進行比較。已模擬的情景包括:

(1)海平面上升,使用修改后的中國南海海平面數據;

(2)改變后的流域水量平衡,使用湄公河修改后的流量;

(3)海平面上升和改變后的流域水量平衡的累積影響。

6 成 果

6.1 氣候變化分析

將 PRECIS模型模擬的結果,與 20世紀 80年代的基準情況進行對比,可以預測,到 21世紀 40年代之前,湄公河流域的日平均最低溫度和最高溫度將平均增高 1℃～2℃,最大的變化將會發生于湄公河流域的北部,并據此能夠預測到的比較溫暖的歷時將比基準年份要長。預計年降水量平均會增加4%左右。但預測到的降水變化在流域范圍內是非常不均勻的。降水量在流域北部會增加,但在流域下游洪泛平原則將減少。降水量較大可以用降雨強度增大來解釋,因為預計的雨季的歷時沒有發生明顯的變化。

根據 POM和 DIVA模型的模擬結果,湄公河入海口海平面的上升速率為每 10a約 7～8 cm,2045年,海平面將會比 1997年高 31 cm。將采用 VIC模型預測出的 2010～2049年的流量,與 1961～2000年的實測流量,以及 1995～2004年基準年的模擬流量進行了對比。模擬流量與實測流量的對比需要從模擬流量中扣除偏差量,扣除偏差后,預測的 2010～2049年的流量與 1961～2000年這個系列相比,平均高 15%,而 10a期的最大流量平均高 18%,10a期的最小流量平均低 3%。與 1995～2004年這個系列的模擬流量相比,所預測到的 2010～2049年湄公河的年平均流量高 4%,濕潤季節(5～10月)的流量增加 5%,而干旱季節(11～4月)的流量則減少 2%;在 2010～2049年期間,10a期的最大流量平均高 4%,而 10a期的最低流量平均高 6%。所預測的結果與不同的基準系列相比,存在著較大的差異,這是因為 1995～2004年比 1961～2000年顯著濕潤。

6.2 氣候變化對洪水脈沖特征的影響

洪水脈沖特征分析的結果是以 2010～2049年4個 10a的模擬情況與基準年 1997～2000年的模擬量之間的差值給出的。

6.2.1 平均水位

在所有的 3個子區域,每種情況的模擬表明,3個子區域的年平均水位都是要上升的。較高的年均水位必然會導致更大的累積淹沒面積,在 9種情況的模擬中,有 7～8種情況的平均高水位和平均低水位的模擬結果升高。模擬表明,湄公河的平均低水位的相對變化量最大(-3%～17%),三角洲地區的變化比其他子區更加顯著;而湄公河的年平均水位和平均高水位的改變量分別上升 0%～7%和-4%～5%。三角洲地區的變化比其他 2個子區的變化稍大。流域水量平衡的改變導致了各子區之間(與海平面上升相比)更加類似的相對影響。

海平面的上升是通過提升最低水位的均值來增加年平均水位的。模擬結果表明,海平面的上升對最高水位的均值影響很小。海平面上升在干旱年和平水年的影響比豐水年更加明顯,因為在少雨年,海平面是一個更加重要的推動因素。

6.2.2 年最大水深和淹沒面積

在模擬的未來最干旱年份和平常水文年份中,年最大水深和淹沒面積呈增加的趨勢。然而,在最濕潤的水文年中,年最大水深和淹沒面積減小,或者有少量增加。模擬的年最大淹沒水深和淹沒面積與基準值分別相差 -3%～12%和 -3%～14%。

最明顯的變化將會發生于平常的水文年份。在洞里薩湖地區,最大水深變化的絕對值最大。模擬結果中,最大水深的變化并不一定與最大淹沒面積的變化一致,尤其是在湄公河三角洲地區,因為水深與淹沒面積之間的關系還與具體的位置有關。洞里薩湖灘地和柬埔寨灘地的洪水脈沖的改變是由于流域水量平衡變化所造成的,而湄公河三角洲的洪水脈沖特征的改變則是由于流域水量平衡和海平面上升共同作用的結果。

6.2.3 洪水歷時和到達時間

在各種模擬的情景下,洪水歷時都延長。洪水歷時的相對增加量為 0～9%,最大的變化發生于最干旱的年份。在各種不同的模擬情景中,洪峰到達日期的變化是不一致的,在海平面上升情況模擬中,湄公河三角洲地區洪水脈沖峰值出現滯后多達 26 d,這可以解釋為受到海平面上升產生的強勁回水的影響。海平面上升沒有引起洞里薩湖地區洪峰出現日期的變化,與基準值相比,在所有子區內,流域水量平衡的改變使平均水文年的洪峰日期提前,并使最枯年和降雨最多的水文年的洪峰日期推后。

6.2.4 可能性評估

對最低水位均值和洪水開始日期以及洪水歷時,模擬的變化趨勢有著很大的可能性,而模擬出其他大多數洪水脈沖的特征,其變化趨勢的可能性則相對小些。在可能性評估中,平常水文年份和最大干旱年份及最濕潤年份有著同樣的權重。需要指出的是,可能性評估是基于基準年系列,而不是長歷時數據系列,而且這種可能性只代表一個氣候變化模型的模擬結果。