氣候變化對南水北調西線工程的影響及建議

關鍵詞：氣候變化；ＲＣＣＣ－ＷＢＭ 模型；水資源；南水北調西線工程

中圖分類號：Ｐ４６７；ＴＶ６８；Ｐ３３３ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．００９

引用格式：王國慶，虞暢，金君良，等．氣候變化對南水北調西線工程的影響及建議［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：６０－６６．

０引言

我國水資源空間分布不均衡，呈“南多北少” 格局［１］ ，長江流域年降水量超過１ １００ ｍｍ，而黃河流域大部分地區年降水量只有２００～６００ ｍｍ。黃淮海流域作為重要的工業和糧食生產基地，以全國７％的水資源量支撐著全國２４．２％的人口、四分之一的耕地和國內生產總值［２－３］ 。北方水資源短缺已成為嚴重影響工業、農業和經濟社會發展的一個制約性因素［４］ 。２００２年，水利部批準了南水北調國家戰略性工程，旨在緩解北方水資源短缺問題［５－６］ 。南水北調工程通過東、中、西３ 條調水線路將長江、黃河、淮河、海河四大流域相聯系，構成了以“四橫三縱”為主體的國家水資源配置總體布局，是實現水資源南北調配、東西互濟，提高水資源與人口、經濟時空匹配性的“國之重器”［７－９］ ，計劃每年通過３ 條線路調水１４０ 億ｍ^３［１０］ 。截至２０２１ 年年底，南水北調東線、中線一期工程已為華北地區輸送了４９４ 億ｍ^３的水量，相當于長江流域年徑流量的５％，黃河流域年徑流量的８０％。西線工程作為我國水資源配置“四橫三縱”總體格局中重要“一縱”，規劃將從長江上游金沙江、雅礱江、大渡河等河流水系引水入黃河上游，以緩解我國北方地區干旱缺水問題，目前尚處于前期論證階段［１１］ 。

以全球氣候變暖為特征的氣候變化將改變區域水循環，進而導致降水、蒸發、徑流等要素在時空分布上發生復雜變化［１２－１３］ 。聯合國政府間氣候變化專門委員會（ Ｉｎｔｅｒｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ，ＩＰＣＣ）第六次評估報告指出，２０１１—２０２０ 年全球平均氣溫較工業革命前升高１．１ ℃，未來全球氣溫將繼續升高，預計大多數陸地區域的降水和地表水資源季節和年際變化將更加劇烈［１４］ 。利用合適的水文模型耦合全球氣候模式（Ｇｌｏｂａｌ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｍｏｄｅｌｓ，ＧＣＭｓ） 并模擬不同氣候情景下流域的水文響應，是評估氣候變化對水資源影響的主要手段之一［１５－１７］ 。Ｂａｏ 等［１８］ 將ＶＩＣ 模型與ＣＭＩＰ５ 的氣候模式輸出相結合，預測了海河流域未來流量的變化趨勢，得出流量有增大的趨勢，北部流域的增大趨勢較南部流域的明顯。Ｚｈａｎｇ等［１９］ 利用ＳＷＡＴ 模型分析了不同排放情景下黃河上游徑流量的變化，發現中等排放情景和低排放情景下唐乃亥水文站流量具有增大趨勢，而高排放情景下則呈減小趨勢。Ｗａｎｇ 等［２０］ 利用８ 種全球氣候模式情景和ＶＩＣ 模型評估了未來氣候變化對長江流域的潛在影響，結果表明，氣溫升高將導致年平均徑流量小幅減小。Ｓｕ 等［２１］ 評估了氣候變化對長江上游流域徑流量的影響，發現到２１ 世紀末，年徑流量可能有所增加。盡管多數研究結果表明長江上游未來降水可能增多，但考慮到氣溫升高和寒區冰雪的變化，一些研究認為未來汛期流量可能會減小，徑流趨勢預估的不確定性仍然不可忽視［２２－２４］ 。

氣候變化將使南水北調工程所涉長江和黃淮海流域來水條件發生變化，直接改變調水區可調水量和受水區水資源需求，進而影響調水規模和工程運行方式。本研究基于１９６１—２０２０ 年西線工程調水區和受水區實測資料以及未來氣候模式情景，通過數理統計與水文模擬，分析未來氣溫、降水變化對西線工程調水區和受水區水資源的影響，以期為南水北調西線工程的規劃、建設和運行管理提供借鑒。

１資料與方法

１．１研究區域概況與數據來源

根據《南水北調工程總體規劃》，南水北調西線工程在長江上游通天河、支流雅礱江和大渡河上游筑壩建庫，開鑿穿過長江與黃河分水嶺巴顏喀拉山的輸水隧洞，調長江水入黃河上游。規劃調水規模為１７０ 億ｍ３，主要目標是解決涉及青海、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西等六省（自治區）黃河上中游地區和渭河關中平原缺水問題。根據黃河勘測規劃設計研究院有限公司完成的《南水北調西線工程規劃方案比選論證》（２０２０年１０ 月），規劃的西線工程調水區為金沙江巴塘站以上區域、雅礱江雅江站以上區域和大渡河大金站以上區域，將黃河中上游流域作為工程的受水區。圖１ 為南水北調西線工程調水區和受水區范圍。

本研究采用的數據資料包括南水北調西線工程調水區和受水區的實測氣溫、降水量、徑流量，以及全球氣候模式預估的未來氣溫、降水量。其中：０．２５°格點歷史再分析氣象資料來源于中國氣象局國家氣象信息中心，實測水文資料來源于長江水利委員會水文局和黃河水利委員會水文局，資料序列為１９６１—２０２０ 年；花園口站天然徑流量資料來源于第三次全國水資源評價和黃河流域水資源公報。未來氣候情景采用１７ 個ＣＭＩＰ６ 全球氣候模式在ＳＳＰ２－４．５ 排放情景下降尺度后的氣溫和降水資料，來源于國家氣候中心，資料序列為２０２５—２０９９年，空間分辨率為０．２５°。

根據《南水北調工程總體規劃》，將１９６１—２０００年作為基準期，２００１—２０２０ 年作為重點比較期；未來中期關注２０３５年水平，以２０３１—２０４０年均值代表；未來遠期關注２０５０年水平，以２０４６—２０５５年均值代表。

１．２研究方法

采用Ｍａｎｎ－Ｋｅｎｄａｌｌ 檢驗方法診斷氣溫、降水和徑流的演變趨勢。該方法是一種分析數據序列隨時間變化趨勢的非參數統計檢驗方法［２５］ 。其優點是不需數據服從特定的分布， 同時檢驗范圍較寬， 被廣泛應用于水文氣象要素的趨勢分析和顯著性檢驗［２６］ 。

采用ＲＣＣＣ－ＷＢＭ 模型，模擬南水北調西線工程調水區和受水區的天然徑流量過程。該模型是水利部應對氣候變化研究中心研發的大尺度流域水文模型［２７－ ３０］ ，考慮了地面徑流、地下徑流和融雪徑流３ 種徑流成分。針對大尺度流域，為解決下墊面和氣候空間分布不均勻問題，該模型將流域劃分為若干個正交網格，對每個格點分別進行產流計算，匯流計算則借鑒ＶＩＣ 模型匯流計算方案；模型輸入包括每個格點逐時段的氣溫、降水量和蒸發能力。

２結果與討論

２．１西線工程調水區和受水區氣候與徑流演變特征

西線工程調水區和受水區多年平均氣溫分別為－２．４２ ℃和５．７９ ℃，多年平均年降水量分別為５６２、４７２ ｍｍ。圖２ 為西線工程調水區和受水區１９６１—２０２０年平均氣溫和年降水量的演變過程。

由圖２ 可以看出：

１）西線工程調水區和受水區年均氣溫均呈現顯著性升高趨勢，線性上升速率分別為０．３３４、０．３１７ ℃ ／１０ ａ，均高于全球和全國平均升溫速率；相比而言，調水區年均氣溫較低，但其升溫速率高于受水區。

２）西線工程調水區年降水量為非顯著性增加趨勢，線性增長速率為１２．２ ｍｍ／１０ ａ；受水區年降水量呈現先減少后增加趨勢，１９６１—２０２０年總體為非顯著性增加趨勢，線性增長速率為４．８ ｍｍ／１０ａ。

調水區由金沙江、雅礱江和大渡河３ 個流域的子區域組成，多年平均年降水量分別為４８５．３、８４４．４、９５０．２ ｍｍ；經９５％置信水平的統計檢驗，金沙江流域子區和雅礱江流域子區年降水量均為非顯著性增加趨勢，大渡河流域子區年降水量為非顯著性減少趨勢。

２００１—２０２０年調水區和受水區平均氣溫和降水量均較基準期（１９６１—２０００ 年）有所升高和增加（見表１），兩個區域氣溫分別升高１．１９、１．０６ ℃，年降水量分別增加３４．６、２７．２ ｍｍ（占基準期的６．２８％和５．８７％）。

長江上游位于青藏高原東部，海拔高，生態環境脆弱，河川徑流量受人類活動影響相對較小，調水區的巴塘站、雅江站和大金站實測徑流量接近天然狀態。受水區黃河中上游流域氣候干旱，水資源短缺。調水區和受水區年徑流量演變過程見圖３。

由圖３ 可以看出：調水區巴塘站和雅江站實測徑流量均呈現先減少后增加總體略增的態勢，線性增長速率分別為０．７６０ 億、０．５３３ 億ｍ^３／ａ，而大金站實測徑流量呈現非顯著性減少趨勢，線性增長速率為－０．０４５億ｍ^３／ａ；受水區（花園口站）天然徑流量和實測徑流量的線性增長速率分別為－２．９８２ 億、－４．４５８ 億ｍ^３／ａ，經９５％置信水平統計檢驗，均呈現顯著性減少趨勢。

統計結果表明：

１）受水區花園口站多年平均天然徑流量和實測徑流量分別為５３８ 億、３５２ 億ｍ^３；而調水區巴塘站、雅江站和大金站１９６１—２０２０ 年平均年徑流量分別為２９１ 億、２１７ 億、１６５ 億ｍ^３；調水區３ 個站的實測年徑流量接近受水區花園口站實測年徑流量的２ 倍。

２） ２００１—２０２０ 年調水區年徑流量較基準期（１９６１—２０００ 年）增加９．０％，其中：巴塘站和雅江站年徑流量分別增加１６．８％和９．３％，大金站年徑流量減少４．３％；受水區花園口站實測年徑流量和天然年徑流量較基準期分別減少２６．９％和１２．９％。

２．２ 西線工程調水區和受水區逐月徑流量模擬

將調水區和受水區劃分為分辨率為０．２５°的網格，調水區和受水區分別包括３５８和８１４ 個格點。采用基準期１９６１—２０００ 年的格點氣象資料驅動基于０．２５°格點的ＲＣＣＣ－ＷＢＭ 模型，以Ｎａｓｈ－Ｓｕｔｃｌｉｆｆｅ模型效率系數和相對誤差為目標函數，以１９６１—１９９０年為率定期率定模型參數，以１９９１—２０００年為驗證期檢驗模型的穩定性和模擬效果，分別模擬巴塘站、雅江站、大金站和花園口站月徑流量過程。４ 個站月徑流量的模擬效果統計見表２。為直觀起見，將調水區雅江站和受水區花園口站１９６１—１９６９ 年實測與模擬月徑流深變化過程繪于圖４。

由表２ 可以看出，ＲＣＣＣ－ＷＢＭ 模型對調水區和受水區天然徑流量具有較好的模擬效果，率定期和檢驗期Ｎａｓｈ－Ｓｕｔｃｌｉｆｆｅ 模型效率系數均超過０．７５，平均相對誤差在±３％以內。由圖４ 可以看出，兩個代表性水文站實測與模擬月徑流量過程總體擬合較好，只有個別峰值徑流量模擬誤差較大。總體而言，ＲＣＣＣ－ＷＢＭ模型能夠較好地模擬南水北調西線工程調水區和受水區天然徑流量過程，可以用來模擬未來氣候變化下兩個區域的水資源情勢。

２．３西線工程調水區和受水區未來氣候變化趨勢

鑒于不同模式預估的氣溫和降水變化存在差異，參考ＩＰＣＣ處理不確定性的方式，采用四分位分析方法描述未來氣溫升降、降水增減的可能性及變化幅度。圖５ 和圖６ 分別給出了南水北調西線調水區和受水區未來中期、長期氣溫、降水較基準期的變化。

由圖５ 和圖６ 可以看出：

１）１７ 個氣候模式均預估調水區和受水區未來中期和長期氣溫較基準期有所升高，多數模式預估未來降水量有所增加。

２）調水區在未來中期和長期氣溫較基準期分別升高１．９２ ℃［１．４３ ℃， ２．９４ ℃］和２．３６ ℃［１．６４ ℃， ３．６１ ℃］；降水變化３．３７％ ［－ ０． １５％， １３． ４％］ 和３． ３９％ ［－０．８４％，１７．５０％］；調水區未來氣候以暖濕化為主。

３）受水區在未來中期和長期氣溫較基準期分別升高１．７７ ℃［１．０８ ℃， ２．５９ ℃］和２．３４ ℃ ［１．１７ ℃，３．３４ ℃］；降水變化３．２４％［－２．２４％， ７．３２％］和４．３４％［－４．４８％， ９．１３％］；受水區未來氣候變化趨勢與調水區總體一致，以暖濕化為主。

２．４未來氣候變化下西線工程調水區和受水區徑流演變趨勢

基于不同模式情景下模擬的未來年徑流量變化過程，分析南水北調西線工程調水區和受水區未來不同階段年徑流量較基準期的變化，見圖７。

從圖７可以看出：調水區未來年徑流量以略增為主，未來中期和長期年徑流量較基準期分別增加１．４２％ ［－６．６９％， ２２．９５％］ 和２．０８％ ［－５．８４％，３１．７７％］；受水區未來年徑流量以正常略減少為主，未來中期和長期年徑流量較基準期變幅分別為－１．０２％［－１４．７９％，４．３４％］和－０．２８％［－２３．３１％， ６．２１％］。

２．５討論與建議

２．５．１西線工程水資源條件的影響分析

１）根據降水、徑流量的歷史變化規律和未來中長期變化態勢，西線調水區水源條件可能會有所改善。２００１—２０２０年西線調水區年降水量和徑流量總體以增加為主，但存在明顯空間差異性，其中金沙江巴塘水文qWrISiRsNow/8C5n5NoZP8PNJnU07QaAnYEQngFgIAQ=站、雅礱江雅江水文站天然年徑流量分別增加１６．３％和９．８％，大渡河大金水文站天然年徑流量減少４．３％；預估未來中期和長期天然年徑流量較基準期也有所增加，但增幅僅２％左右。

２）西線工程受水區天然年徑流量不足的局面在２０００年之后有所加劇，且在中長期可能無法扭轉，將增加西線受水區跨流域調水需求。西線受水區為黃河流域，２００１—２０２０ 年實測年徑流量和天然年徑流量均較基準期明顯衰減，分別減少２６．９％和１２．９％；預估未來中期和長期天然年徑流量較基準期偏少１％左右。因此，受水區天然徑流量不足局面可能難以改變。

２．５．２主要認識與建議

１）根據水資源變化空間差異性，優化南水北調西線調水方案。西線調水區２００１—２０２０ 年天然徑流量較基準期雖總體有所增加，但存在明顯的空間差異性，因此應充分考慮和主動適應氣候變化背景下西線調水區有關江河水資源條件演變差異性，優化調水方案，確保西線工程科學規劃建設和長效運行。

２）深化氣候變化對流域水資源條件不確定性影響的研究。盡管全球氣候模式是目前預估氣候變化最有力的工具，但未來氣候變化情景依然存在不確定性，特別是對降水預估結果不確定性更大；另外，隨著氣溫繼續升高，極端氣候和水事件增多趨強，降雨時空分布發生變化，更不利于水資源的管理。

３結論

南水北調西線工程是國家水安全保障體系的重要組成部分，對于提升國家水資源調配能力、保障國家水安全具有重要意義。氣候變化對南水北調西線工程調水區和受水區水資源具有一定影響，研究得出主要結論如下：

１）１９６１—２０２０年，西線工程調水區和受水區氣溫呈顯著升高趨勢，年降水量呈非顯著性增加趨勢，調水區和受水區氣候以暖濕化趨勢為主；調水區年徑流量呈現增加趨勢，但空間上存在一定差異，受水區年徑流量顯著減少。

２）未來中期和長期，西線工程調水區和受水區氣溫繼續顯著升高，年降水量多呈非顯著性增加趨勢；受氣候變化影響，西線工程調水區年徑流量較基準期略增，受水區年徑流量與基準期基本持平略有減少。

３）總體而言，未來氣候變化下西線調水區年徑流量相對穩定，能夠滿足調水的需要，受水區徑流量不足局面可能難以改變，跨流域調水需求有所增加。氣候變化及其影響預估結果具有一定的不確定性，未來仍需加強氣候變化影響的不確定性研究。