论文快递｜王国庆等：气候变化对南水北调西线工程的影响及建议

我国水资源空间分布不均衡，呈“南多北少”格局［1］，长江流域年降水量超过1 100 mm，而黄河流域大部分地区年降水量只有200 ～600 mm。黄淮海流域作为重要的工业和粮食生产基地，以全国7%的水资源量支撑着全国24.2%的人口、四分之一的耕地和国内生产总值［2－3］。北方水资源短缺已成为严重影响工业、农业和经济社会发展的一个制约性因素［4］。2002年，水利部批准了南水北调国家战略性工程，旨在缓解北方水资源短缺问题［5－6］。南水北调工程通过东、中、西3 条调水线路将长江、黄河、淮河、海河四大流域相联系，构成了以“四横三纵”为主体的国家水资源配置总体布局，是实现水资源南北调配、东西互济，提高水资源与人口、经济时空匹配性的“国之重器”［7－9］，计划每年通过3 条线路调水140 亿m3［10］。截至2021 年年底，南水北调东线、中线一期工程已为华北地区输送了494 亿m3的水量，相当于长江流域年径流量的5%，黄河流域年径流量的80%。西线工程作为我国水资源配置“四横三纵”总体格局中重要“一纵”，规划将从长江上游金沙江、雅砻江、大渡河等河流水系引水入黄河上游，以缓解我国北方地区干旱缺水问题，目前尚处于前期论证阶段［11］。

以全球气候变暖为特征的气候变化将改变区域水循环，进而导致降水、蒸发、径流等要素在时空分布上发生复杂变化［12－13］。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第六次评估报告指出，2011—2020 年全球平均气温较工业革命前升高1.1 ℃，未来全球气温将继续升高，预计大多数陆地区域的降水和地表水资源季节和年际变化将更加剧烈［14］。利用合适的水文模型耦合全球气候模式（Global Climate Models，GCMs）并模拟不同气候情景下流域的水文响应，是评估气候变化对水资源影响的主要手段之一［15－17］。Bao 等［18］ 将VIC 模型与CMIP5 的气候模式输出相结合，预测了海河流域未来流量的变化趋势，得出流量有增大的趋势，北部流域的增大趋势较南部流域的明显。Zhang等［19］利用SWAT 模型分析了不同排放情景下黄河上游径流量的变化，发现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趋势，而高排放情景下则呈减小趋势。Wang 等［20］利用8 种全球气候模式情景和VIC 模型评估了未来气候变化对长江流域的潜在影响，结果表明，气温升高将导致年平均径流量小幅减小。Su 等［21］评估了气候变化对长江上游流域径流量的影响，发现到21 世纪末，年径流量可能有所增加。尽管多数研究结果表明长江上游未来降水可能增多，但考虑到气温升高和寒区冰雪的变化，一些研究认为未来汛期流量可能会减小，径流趋势预估的不确定性仍然不可忽视［22－24］。

气候变化将使南水北调工程所涉长江和黄淮海流域来水条件发生变化，直接改变调水区可调水量和受水区水资源需求，进而影响调水规模和工程运行方式。本研究基于1961—2020 年西线工程调水区和受水区实测资料以及未来气候模式情景，通过数理统计与水文模拟，分析未来气温、降水变化对西线工程调水区和受水区水资源的影响，以期为南水北调西线工程的规划、建设和运行管理提供借鉴。

根据《南水北调工程总体规划》，南水北调西线工程在长江上游通天河、支流雅砻江和大渡河上游筑坝建库，开凿穿过长江与黄河分水岭巴颜喀拉山的输水隧洞，调长江水入黄河上游。规划调水规模为170 亿m3，主要目标是解决涉及青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西等六省（自治区）黄河上中游地区和渭河关中平原缺水问题。根据黄河勘测规划设计研究院有限公司完成的《南水北调西线工程规划方案比选论证》（2020 年10 月），规划的西线工程调水区为金沙江巴塘站以上区域、雅砻江雅江站以上区域和大渡河大金站以上区域，将黄河中上游流域作为工程的受水区。图1 为南水北调西线工程调水区和受水区范围。

图１　南水北调西线工程调水区和受水区范围

 

本研究采用的数据资料包括南水北调西线工程调水区和受水区的实测气温、降水量、径流量，以及全球气候模式预估的未来气温、降水量。其中：0.25°格点历史再分析气象资料来源于中国气象局国家气象信息中心，实测水文资料来源于长江水利委员会水文局和黄河水利委员会水文局，资料序列为1961—2020 年；花园口站天然径流量资料来源于第三次全国水资源评价和黄河流域水资源公报。未来气候情景采用17 个CMIP6 全球气候模式在SSP2－4.5 排放情景下降尺度后的气温和降水资料，来源于国家气候中心，资料序列为2025—2099 年，空间分辨率为0.25°。

根据《南水北调工程总体规划》，将1961—2000年作为基准期，2001—2020 年作为重点比较期；未来中期关注2035 年水平，以2031—2040 年均值代表；未来远期关注2050 年水平，以2046—2055 年均值代表。

采用Mann－Kendall 检验方法诊断气温、降水和径流的演变趋势。该方法是一种分析数据序列随时间变化趋势的非参数统计检验方法［25］。其优点是不需数据服从特定的分布， 同时检验范围较宽， 被广泛应用于水文气象要素的趋势分析和显著性检验［26］。

采用RCCC－WBM 模型，模拟南水北调西线工程调水区和受水区的天然径流量过程。该模型是水利部应对气候变化研究中心研发的大尺度流域水文模型［27－30］，考虑了地面径流、地下径流和融雪径流3 种径流成分。针对大尺度流域，为解决下垫面和气候空间分布不均匀问题，该模型将流域划分为若干个正交网格，对每个格点分别进行产流计算，汇流计算则借鉴VIC 模型汇流计算方案；模型输入包括每个格点逐时段的气温、降水量和蒸发能力。

西线工程调水区和受水区多年平均气温分别为－2.42 ℃和5.79 ℃，多年平均年降水量分别为562、472 mm。图2 为西线工程调水区和受水区1961—2020 年平均气温和年降水量的演变过程。

图２　西线工程调水区和受水区平均气温和年降水量的演变过程

 

由图2 可以看出：

1）西线工程调水区和受水区年均气温均呈现显著性升高趋势，线性上升速率分别为0.334、0.317 ℃／10 a，均高于全球和全国平均升温速率；相比而言，调水区年均气温较低，但其升温速率高于受水区。

2）西线工程调水区年降水量为非显著性增加趋势，线性增长速率为12.2 mm／10 a；受水区年降水量呈现先减少后增加趋势，1961—2020 年总体为非显著性增加趋势，线性增长速率为4.8 mm／10 a。

调水区由金沙江、雅砻江和大渡河3 个流域的子区域组成，多年平均年降水量分别为485.3、844.4、950.2 mm；经95%置信水平的统计检验，金沙江流域子区和雅砻江流域子区年降水量均为非显著性增加趋势，大渡河流域子区年降水量为非显著性减少趋势。

2001—2020 年调水区和受水区平均气温和降水量均较基准期（1961—2000 年）有所升高和增加（见表1），两个区域气温分别升高1.19、1.06 ℃，年降水量分别增加34.6、27.2 mm（占基准期的6.28%和5.87%）。

表１　西线工程调（受）水区不同时段平均气温和降水量统计

 

长江上游位于青藏高原东部，海拔高，生态环境脆弱，河川径流量受人类活动影响相对较小，调水区的巴塘站、雅江站和大金站实测径流量接近天然状态。受水区黄河中上游流域气候干旱，水资源短缺。调水区和受水区年径流量演变过程见图3。

图３　西线工程调水区和受水区年径流量演变过程

 

由图3 可以看出：调水区巴塘站和雅江站实测径流量均呈现先减少后增加总体略增的态势，线性增长速率分别为0.760 亿、0.533 亿m3／a，而大金站实测径流量呈现非显著性减少趋势，线性增长速率为－0.045亿m3／a；受水区（花园口站）天然径流量和实测径流量的线性增长速率分别为－2.982 亿、－4.458 亿m3／a，经95%置信水平统计检验，均呈现显著性减少趋势。

统计结果表明：

1）受水区花园口站多年平均天然径流量和实测径流量分别为538 亿、352 亿m3；而调水区巴塘站、雅江站和大金站1961—2020 年平均年径流量分别为291 亿、217 亿、165 亿m3；调水区3 个站的实测年径流量接近受水区花园口站实测年径流量的2 倍。

2） 2001—2020 年调水区年径流量较基准期（1961—2000 年）增加9.0%，其中：巴塘站和雅江站年径流量分别增加16.8%和9.3%，大金站年径流量减少4.3%；受水区花园口站实测年径流量和天然年径流量较基准期分别减少26.9%和12.9%。

将调水区和受水区划分为分辨率为0.25°的网格，调水区和受水区分别包括358 和814 个格点。采用基准期1961—2000 年的格点气象资料驱动基于0.25°格点的RCCC－WBM 模型，以Nash－Sutcliffe 模型效率系数和相对误差为目标函数，以1961—1990 年为率定期率定模型参数，以1991—2000 年为验证期检验模型的稳定性和模拟效果，分别模拟巴塘站、雅江站、大金站和花园口站月径流量过程。4 个站月径流量的模拟效果统计见表2。为直观起见，将调水区雅江站和受水区花园口站1961—1969 年实测与模拟月径流深变化过程绘于图4。

表２　调水区和受水区月径流量模拟效果统计

 

图4 西线工程调水区雅江站和受水区花园口站1961—1969 年实测与模拟月径流深变化过程

 

由表2 可以看出，RCCC－WBM 模型对调水区和受水区天然径流量具有较好的模拟效果，率定期和检验期Nash－Sutcliffe 模型效率系数均超过0.75，平均相对误差在±3%以内。由图4 可以看出，两个代表性水文站实测与模拟月径流量过程总体拟合较好，只有个别峰值径流量模拟误差较大。总体而言，RCCC－WBM模型能够较好地模拟南水北调西线工程调水区和受水区天然径流量过程，可以用来模拟未来气候变化下两个区域的水资源情势。

鉴于不同模式预估的气温和降水变化存在差异，参考IPCC 处理不确定性的方式，采用四分位分析方法描述未来气温升降、降水增减的可能性及变化幅度。图5 和图6 分别给出了南水北调西线调水区和受水区未来中期、长期气温、降水较基准期的变化。

图5 南水北调西线调水区未来中长期气温和降水较基准期的变化

 

图6 南水北调西线受水区未来中长期气温和降水较基准期的变化

 

由图5 和图6 可以看出：

1）17 个气候模式均预估调水区和受水区未来中期和长期气温较基准期有所升高，多数模式预估未来降水量有所增加。

2）调水区在未来中期和长期气温较基准期分别升高1.92 ℃［1.43 ℃，2.94 ℃］和2.36 ℃［1.64 ℃，3.61 ℃］；降水变化3.37%［－0.15%， 13.4%］和3.39%［－0.84%，17.50%］；调水区未来气候以暖湿化为主。

3）受水区在未来中期和长期气温较基准期分别升高1.77 ℃［1.08 ℃， 2.59 ℃］和2.34 ℃［1.17 ℃，3.34 ℃］；降水变化3.24%［－2.24%， 7.32%］和4.34%［－4.48%， 9.13%］；受水区未来气候变化趋势与调水区总体一致，以暖湿化为主。

基于不同模式情景下模拟的未来年径流量变化过程，分析南水北调西线工程调水区和受水区未来不同阶段年径流量较基准期的变化，见图7。

图7 西线工程调水区和受水区未来中长期径流量较基准期的变化

从图7 可以看出：调水区未来年径流量以略增为主，未来中期和长期年径流量较基准期分别增加1.42% ［－6.69%， 22. 95%］ 和 2. 08% ［ － 5. 84%，31.77%］；受水区未来年径流量以正常略减少为主，未来中期和长期年径流量较基准期变幅分别为－1.02%［－14.79%， 4.34%］和－0.28%［－23.31%， 6.21%］。

2.5.1 西线工程水资源条件的影响分析

1）根据降水、径流量的历史变化规律和未来中长期变化态势，西线调水区水源条件可能会有所改善。2001—2020 年西线调水区年降水量和径流量总体以增加为主，但存在明显空间差异性，其中金沙江巴塘水文站、雅砻江雅江水文站天然年径流量分别增加16.3%和9.8%，大渡河大金水文站天然年径流量减少4.3%；预估未来中期和长期天然年径流量较基准期也有所增加，但增幅仅2%左右。

2）西线工程受水区天然年径流量不足的局面在2000 年之后有所加剧，且在中长期可能无法扭转，将增加西线受水区跨流域调水需求。西线受水区为黄河流域，2001—2020 年实测年径流量和天然年径流量均较基准期明显衰减，分别减少26.9%和12.9%；预估未来中期和长期天然年径流量较基准期偏少1%左右。因此，受水区天然径流量不足局面可能难以改变。

2.5.2 主要认识与建议

1）根据水资源变化空间差异性，优化南水北调西线调水方案。西线调水区2001—2020 年天然径流量较基准期虽总体有所增加，但存在明显的空间差异性，因此应充分考虑和主动适应气候变化背景下西线调水区有关江河水资源条件演变差异性，优化调水方案，确保西线工程科学规划建设和长效运行。

2）深化气候变化对流域水资源条件不确定性影响的研究。尽管全球气候模式是目前预估气候变化最有力的工具，但未来气候变化情景依然存在不确定性，特别是对降水预估结果不确定性更大；另外，随着气温继续升高，极端气候和水事件增多趋强，降雨时空分布发生变化，更不利于水资源的管理。

南水北调西线工程是国家水安全保障体系的重要组成部分，对于提升国家水资源调配能力、保障国家水安全具有重要意义。气候变化对南水北调西线工程调水区和受水区水资源具有一定影响，研究得出主要结论如下：

1）1961—2020 年，西线工程调水区和受水区气温呈显著升高趋势，年降水量呈非显著性增加趋势，调水区和受水区气候以暖湿化趋势为主；调水区年径流量呈现增加趋势，但空间上存在一定差异，受水区年径流量显著减少。

2）未来中期和长期，西线工程调水区和受水区气温继续显著升高，年降水量多呈非显著性增加趋势；受气候变化影响，西线工程调水区年径流量较基准期略增，受水区年径流量与基准期基本持平略有减少。

3）总体而言，未来气候变化下西线调水区年径流量相对稳定，能够满足调水的需要，受水区径流量不足局面可能难以改变，跨流域调水需求有所增加。气候变化及其影响预估结果具有一定的不确定性，未来仍需加强气候变化影响的不确定性研究。