基于IPCC最新氣候模型的贊比西河流域未來水力發電評估

[澳大利亞]　H. 克林 等

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基于IPCC最新氣候模型的贊比西河流域未來水力發電評估

[澳大利亞]H. 克林 等

目前，南非贊比西河流域已建有幾座大型水電站，規劃中還將建設更多的水電站。然而，氣候變化直接威脅到這些工程建設的經濟可行性。基于一系列最新的氣候變化預測，對贊比西河流域現有及新建的大型水電站未來的發電情況進行了評估。

氣候變化；變化預測；水電資源開發；影響預測；贊比西河流域；南部非洲

南部非洲的贊比西河流域(1 400萬km2)覆蓋8個國家，流域范圍內已建有卡里巴(Kriba，1 470 MW)水電站、卡奧拉巴薩(Cahora Bassa，2 075 MW)水電站、卡富埃峽(Kafue Gorge，990 MW)水電站等主要大型水電站。這些已建電站以及在建的新水電站都有著巨大的擴容潛力，同時還有幾個水電工程正在規劃中。

氣候變化可能對未來水力發電產生相當大的影響。溫度升高導致蒸發量增大，更重要的是，降雨量可能發生變化并影響入庫流量。非洲部分地區未來的降雨量可能會增加(如非洲中部)，而非洲南部的降雨量預計將減小。這將嚴重影響到贊比西河新水電站投資的經濟可行性。目前，已有少量相關研究，定量模擬了氣候變化對贊比西河某些水電站的影響。盡管非洲大陸氣候模型在不斷更新和發展，但氣候預測結果還存在有較大的不確定性。

本文根據政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發布的第5次評估報告中最新的全球氣候模型(GCM)的預測，對贊比西河流域已建和規劃中的大型水電站未來受氣候變化的影響進行了評估。這是首次利用最新預測結果對贊比西河進行的評估。為了定量評估氣候變化的影響，采用了贊比西河決策支持系統進行分析。該系統是最先進的水資源規劃工具,同時耦合了降雨-徑流模型與水庫調度模型。

1　贊比西河決策支持系統

贊比西河決策支持系統是一個基于網絡的、交互式的規劃工具，可分析贊比西河及其主要支流流量受氣候變化與水資源開發的影響。圖1為系統主界面。選定某種氣候情景(降雨、溫度)和水資源開發情景(水庫、調度規則、灌溉取水)，對20世紀中期到21世紀末期間的徑流進行月尺度模擬研究。贊比西河決策支持系統將27個子流域的降雨和溫度數據作為模型的輸入條件，模擬了徑流產流情況，并考慮了土壤含水量、蒸散發量以及地表徑流和基流的徑流分割等影響因素。通過將沿河網的徑流量進行匯總來計算斷面流量，并逐一向下游河段演算。接著，根據洪泛區的運用和水庫運行情況對流量進行修正。之前有學者對模型及其驗證方法進行了詳細描述。

圖1　贊比西河決策支持系統主界面

運用贊比西河決策支持系統，可查詢河網中任何位置的流量。用戶可增加新的水庫或對已建水庫的特性(調度規則、水力發電特征等)進行修改或編輯，并能以圖表形式來表現模擬結果。

2　氣候模型預測

南非開普敦大學(University of Cape Town)的氣候系統分析團隊(CSAG)給出了非洲未來的氣候預測數據。按照非洲大陸幾百個站點的尺度,利用自組織映射網絡(Self-Organizing Maps, SOM)對國際耦合模式比較計劃氣候模型(CMIP5)所使用的GCM數據(IPCC也采用該數據)進行降尺度處理，該數據發布在氣候信息平臺(CIP)上,選取的是RCP4.5排放情景的數據，代表著未來溫室氣體按“中-低”程度排放。將各站點的氣候變化信號進行區劃，用增量模型構建了贊比西河27個子流域未來降雨和溫度數據時間系列。總共使用了11個氣候模型的數據，得到了11個贊比西河的氣候預測結果，并輸入到贊比西河決策支持系統中。這樣的11個氣候模型數據(情景)集, 能夠評估預測結果的不確定性。本文重點是研究近期(2021～2050年)模擬結果，并以1961～1990年的模擬結果作為模型基準，與未來長期(2071～2100年)的情況進行比較。

所有氣候預測(包括1961～1990年)都基于世界銀行“適度發展”情景，以充分考慮未來灌溉用水的影響。

圖2　卡里巴水電站流量及發電量模擬流程

3　模擬結果

圖2為從氣候條件輸入到降雨徑流模擬再到發電模擬的工作流程。圖中溫度與降雨采用上游流域的面平均值表示，流量是指卡里巴水庫年均出流流量。發電量是考慮了未來(從1 470 MW)擴容到2 340 MW時的卡里巴發電站的發電量模擬值。大多數氣候模型預測未來氣候變暖的量級(2021～2050年間氣溫升高約1.7 ℃，2071～2100年間升高約2.5 ℃)是相當一致的(與1961～1990年相比)。盡管2021～2050年間降雨量有下降趨勢，而且2071～2100年間下降趨勢更加明顯，但總體上，降雨量預測數據較為分散。降雨量預測結果的不確定性直接導致未來流量值的離散化，因此水電站發電量預測范圍也相當大(見圖2)。箱形圖統計了11種氣候情景的降雨量預測結果，用11個預測值的中位數、上四分位、下四分位以及最大值、最小值表示其統計特征(見圖4中右下方)。

可以通過11種氣候情景的預測值中位數來預測未來氣候徑流條件(見表1)。模擬顯示，贊比西河與卡富埃河近期(2021～2050年)年徑流降幅可能超過25%，而盧安瓜(Luangwa)河、希雷(Shire)河的下降幅度不到10%(與1961～1990年比較)。贊比西河三角洲的預測結果均出現下降。長期(2071～2100年)預測中，流量的大幅度下降更加明顯，除盧安瓜河外(下降約17%)，其他河流所有預測結果都出現了40%～55%的下降幅度。這將使贊比西河流域水資源管理面臨極其復雜的局面。

流量模擬結果呈現大幅下降的主要原因是模型徑流對降雨變化的高度敏感性,由于贊比西河流域的水平衡是屬于水限制系統(相對于能量限制系統而言)，徑流量對氣候變暖(影響蒸散發)的敏感性相對較低。

未來流量預測表明，水電站發電量會受到不利影響(見表2)。然而，每座水電站都有著自身的特征，因此影響程度也有所差異。例如，規劃中的巴托卡峽電站，其規模相對較小，水庫不能蓄存較多的洪水，這意味著溢洪道需用來頻繁泄洪。如果入流減少，超溢的洪水水量也會減少，受氣候變化而減少的發電量不會很大。此外，卡里巴水電站水庫較大，溢洪道泄流損失的發電量較少，因此入流減少將直接導致進入水輪機的流量減小，從而使發電量減小。而且，由于卡里巴水庫水面大(5 500 km2),氣候變暖會導致其蒸發量進一步加大。

以上主要是針對11種氣候預測結果中位數進行討論。如果考慮所有氣候情景，預測結果將存在不確定性。5個主要流域未來流量箱形圖的最大值與最小值之間的范圍相當大，這種差異性可能受極端值的影響。需要重點關注圖2中“箱體”的情況。2071～2100年的預測結果表明，贊比西河上游四分位距相對較小，流量差異預計為50%～70%(與1961～1990年比較)。此外，希雷河四分位距是贊比西河上游的2倍，說明預測結果的不確定性較大。2071～2100年希雷河的流量最少可能下降25%，而最大可能將下降75%。

分析水電站發電量預測結果時，也要有類似的考慮，如卡里巴電站2021～2050年發電量將增加70%～85%(與1961～1990年比較)。在最樂觀的氣候預測情景下，卡里巴電站發電量將增加140%。實際上對所有水電站來說，在最樂觀的氣候預測情景下，無論是近期(2021～2050年)還是長期(2071～2100年)情形，其發電量都會增加。然而，如果考慮到所有氣候預測結果的分散性，這一情況將不可能發生。11種氣候預測情景的預測結果表明，氣候變化將對贊比西河流域水力發電量產生負面影響。

表1　贊比西河及其主要支流近期長期氣候與流量模擬變化

注：上游年均變化是相對與基準模擬值而言。

表2　水電站模擬結果

注：基準模擬結果是根據1961～1990年的氣候觀測數據進行模擬獲得的。近期模擬結果是11個氣候預測情景的模擬結果中位數。現有電站裝機容量包括規劃中未來擴容量。規劃新建的水電站，裝機容量有可能變化。已建電站(卡里巴、卡奧拉巴薩、伊泰濟-泰濟)裝機容量包括規劃中未來擴容量。巴托卡峽、姆潘達恩庫瓦是規劃新建的水電站，裝機容量有可能改變。

4　結　論

本文采用了最新的氣候模型預測評估未來贊比西河及其主要支流水電站的發電量。這是首次利用最新預測結果對贊比西河進行評估。應用這套氣候情景預測系列模型，能夠對未來發電量的變化范圍進行合理評估。

利用贊比西河決策支持系統進行水文模擬，可快速評估各已建和擬建的水電站。結果顯示，未來徑流量及發電量可能大幅度減少。贊比西河流域的氣候變化影響是不均勻的，具體取決于各個子流域和植被情況。

盡管預測的未來發電量將大幅度減少，并不意味著水電站會停止發電。相反地，應考慮新的氣候預測結果，對規劃中水電站的長期經濟可行性進行重新評估。不僅要考慮水電站的發電量，還要考慮水庫其他潛在效益，這些效益(通過防洪或加大枯季下泄流量)有可能緩解氣候變化影響。水電站設計(裝機容量，庫容等)以及調度規則應該更好適應將來的水庫入流情況，從而提高工程的氣候適應力。

可對贊比西河決策支持系統的模擬情景進行改進和更具體化，從中尋求緩解氣候變化影響的措施。

針對氣候模型的預測結果，下一步應考慮不同的排放情景。進行國際區域氣候降尺度試驗(CORDEX)研究更重要。這項研究采用高精度氣候模型對非洲大陸進行模擬，提高模型預測的可靠性。CORDEX的首批氣候預測成果已于近期公布。

本文對贊比西河的研究表明，先進的水資源規劃不能忽略氣候變化的影響，而且在任何一項工程的中長期規劃中都必須加以考慮。贊比西河研究所采用的數據庫與模型工具可推廣到其他非洲流域類似的、詳細的評估中。

毛紅梅陳欣譯

(編輯：李慧)

2016-04-20

水文水資源

1006-0081(2016)08-0008-03

P467

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