巴西水電業積極應對氣候變化的挑戰

[巴西] A.利維諾

巴西水電業積極應對氣候變化的挑戰

[巴西] A.利維諾

旨在研究巴西氣候變化和土地利用變化對水文循環的影響。為了使研究結果更具說服力，在使用水文模型的同時，輔以氣候模型和生態模型研究了氣候變化對水文循環的影響。介紹了在巴拉那河流域開展的工作，以及在塔帕若斯河流域正在開展的工作。

水力發電工程;氣候變化;巴西

目前，巴西國內發電以水力發電為主，其比重超過80%。在未來10 a，巴西正在建設或規劃建設的新水電裝機容量將超過3 300萬kW，其中大部分裝機容量(約75%)建在亞馬遜河流域。但不管從年內還是年季角度看，巴西水力資源都不穩定。因此，穩定的能源供應是巴西互聯電力系統運營規劃長期面臨的一個重要的歷史性挑戰。

該研究將為研究氣候和土地利用變化對水文循環的影響提供全新的視角，其理由有兩點：①水文模型使用了更符合實際的徑流、降水和蒸散發數據，同時結合區域氣候模型和生物圈模型，綜合考慮土地利用變化和氣候變化對未來巴西水電規劃進行水資源評估。②該工作促進了前沿研究，同時考慮了科學家、工程師和決策者之間的互動交流，讓他們一開始便可參與其中，對可能影響研究結果的原因和最敏感的變量全程進行分析，以保證研究結果的合理性。

目前，大量氣候模型模擬的結果都不可靠，否則，利用這些模型的模擬結果解釋巴西水文的重要特征就簡單很多。選中巴拉那(Parana)河流域進行實驗主要是為了解決部分參與人員擔心氣候模型不準確的問題。這次實驗的主要目的是確定模型的結果能否解釋“巴拉那悖論”，即最近幾十年里，巴拉那河徑流量大幅增長的問題。

選擇塔帕若斯(Tapajos)河流域是因為在接下來幾十年里，這一欠發達地區將有大量發展計劃，其中包括開發水電站和港口，這些計劃對出口更便宜、更綠色的谷物尤為重要。

1 研究背景

氣候變化和土地利用變化的研究和評估結論常被用作假定情景方案的依據，這有助于不同部門作出決策。但是由于研究結果的差異性過大，并且很少有模型能反應已知的水文特征，基于此，實驗者常對研究結果的合理性表示懷疑。

目前，所開展的有關評估和分析氣候變化和土地利用變化對水文的影響的研究相當多。但在巴西開展的這種研究引起了研究者很大的興趣，原因在于：

(1) 巴西80%以上的電能是水電；

(2) 在可預見的一段時間里，水電仍將維持主導地位；

(3) 由于環境限制和地形平坦等因素，大多數新電站將不帶調節水庫，這意味著發電將更依賴于天然流量，而后者又直接與降雨量、土壤特性和流域植被相關。

對氣候變化及其對水文循環的影響研究結果顯示，每種模型運用對象的空間尺度不一致。如全球氣候模型(GCM)空間尺度通常在1×1(約120 km×120 km)的范圍內有效，可以表現該空間尺度下水在大氣、植被和土壤中的轉化過程以及它們之間的轉化關系。另一方面，水文模型常用來代表和模擬流域集水區排水系統中徑流的生成及其傳播過程。這些模型大多把降雨量作為輸入數據，僅僅考慮陸地水文循環，通常采用5 km×5 km作為工作尺度。使用區域氣候模型(RCM，如巴西區域大氣模型(BRAMS))的一個優勢在于：在該尺度分辨率下(幾公里而非幾百公里)，研究人員可以在不縮放分辨率(按比例縮小)的基礎上，分辨流域范圍內影響水流過程的異質因素。這兩種類型的模型，即氣候和水文模型，在不同空間尺度上表現了水在土壤×大氣×植被之間的轉化關系。由于工作尺度的不同，為了將兩種模型結合使用，有必要對多余的對象進行適當處理。在此背景下，本研究試圖探討最佳的水文模型，把大氣模型和生態模型的模擬結果作為輸入數據，從而更好地對河流水流影響進行評估。

該研究試圖采取另一種創新方式。通常程序為，氣象學家運行模型→得到結果→分析結果→找出所需的數據→建議水資源規劃者使用這些數據。然而在很多情況下，水資源規劃模型輸入數據需要多個氣象模型的模擬數據。一種新興的良好實踐則與這一過程相反：首先了解水資源規劃模型不同參數的敏感度，然后運行氣象和生態模型得到所需要的輸出數據。因此，研究的一個關鍵因素是從研究初期就引進水資源和水電專家。在巴西國家水資源局總部進行了采訪，召開研討會，提出初步研究成果，并對未來的研究方向給予建議，試圖去滿足電氣、環境和水資源管理部門決策者的要求。

1.1 巴拉那河流域概況

為了初步調查EDBRAMS模型(見下文)的應用潛力，首先分析巴拉那河的歷史流量和流域概況。分析結果顯示，1970年之后巴拉那河平均流量超過1970年之前平均水平的30%，同時超過一半的裝機容量和巴西人口都聚集在這一地區。對于造成巴拉那河流量和該區域經濟發生如此顯著重大變化的原因，至今沒有達成共識。

巴拉那河是拉普拉塔河流域的重要組成部分。巴西境內巴拉那河流域包括：圣保羅南部一些州、巴拉那州、米納斯吉拉斯州、戈亞斯州和馬托格羅索州，總面積超過80萬km2，位于高原區(介于300 m和1 200 m之間)，有大量的季節性降雨(1 000～2 400 mm)，氣溫偏高。本文利用ED模型(見下文)探索降雨和土地利用變化分別和綜合作用對巴拉那伊泰普大壩徑流產生的影響，通過該大壩的年平均徑流量達到10 203 m3/s。

1.2 塔帕若斯河流域概況

塔帕若斯河介于南緯2°～15°，西經54°～60°之間，位于馬德拉(Madeira)河流域的東部，欣谷(Xingu)河流域的西部，部分屬于巴西北部和中西部，總面積492 481 km2。流經馬托格羅索州、帕拉州和亞馬遜流域，以及朗多尼亞州的一小塊區域。

塔帕若斯河流域從南到北呈細長形。流域內主要支流有茹魯埃納(Juruena)河和特利斯皮里斯(Teles Pires)河，兩條河流在南緯7°附近匯合，匯合后的河即塔帕若斯河。從這個角度看，在流經約825 km后，河水沿著亞馬遜河右岸流動。

塔帕若斯河流域所處區域氣候獨特，年均氣溫26.7°，季節性變化不明顯，常年月均氣溫不低于21°。

塔帕若斯河流域降水為典型的熱帶氣候特征，雨季(11月到4月)降雨強度較大，月降雨量超過300 mm。干旱季節降雨量小，有記錄的最小總降雨量低于60 mm。

降雨的空間分布呈現以下特征：流域下游年平均降雨量1 900 mm，降雨量從流域下游往上游逐步增加。在接近支流茹魯埃納河和特利斯皮里斯河匯合處，該區域年均降雨量達到2 700 mm。

2 方法與模型

2.1 生物圈模型

本研究采用生態-統計(ED)模型(2.0版本)。ED模型是一個綜合考慮了水文、地表生物物理、植物動力學和土壤有機碳以及氮的生物地球化學作用的生物圈模型。該模型認為一個多邊形區域具有相同的氣象因素(例如氣溫、降雨和輻射)，可以根據歷史波動數據確定幾個小塊，每個小塊又可以進一步細分為組群，每個組群代表不同的植被類型，其大小和功能各異。因此，ED模型不僅能夠模擬復雜精細的動力學過程，還能反應陸地生態系統的構成、結構和功能的異質性。該模型代表了最先進的生態模型。從這個角度看，ED模型是調查土地利用變化帶來影響的理想模型。

使用葉片光合作用模型和土壤分解模型，輔以多葉層和多土層生物物理方案，可以捕獲地表和大氣中碳、水和能量轉化的通量。

在巴西展示如此復雜的生態過程尤為重要，原因在于：巴西大量降雨量來自于亞馬遜的再蒸發；在過去幾十年土地利用發生了巨大變化，加上森林砍伐和氣候變化的影響，這種變化還將繼續。在巴拉那河流域和塔帕若斯河流域都采用了BRAMS模型(巴西區域性大氣模型)，該模型是一種數值模型，用來模擬多尺度的大氣環流。BRAMS的特征之一是基于物質流方法和日常土壤濕度初始化數據，整合了深積云和淺積云方案，利用最新的野外試驗觀測數據和估計數據，確定BRAMS模型中用來計算熱帶和亞熱帶的生物群落和土壤性質，諸如有關植被和土壤參數化的若干生物物理參數。

2.2 水文模型

水文模型用于用戶理解水量平衡過程、控制水流運動，以及分析土地利用變化對水量和水質的影響。使用一個水文流域作為一個單位是因為其特征和產水密切相關。從物理角度看，傳統水文模型僅使用降雨量作為輸入數據，利用流域土壤和植被特性估算水量平衡，通過洪水演算程序獲取水流，利用地形估算水流量。然而，隨著氣候知識研究的不斷深入，發現空中區域之前的互相影響較為復雜，這可能和水文流域情況不同，必然要求采用新的研究方法。本文使用生態模型和氣象模型的輸出數據作為水流傳播模型的輸入數據來估算水量。

研究以EDBRAMS的輸出數據為基礎，旨在分析多種水文模型的可用性。首先是分析降雨徑流的IPH2模型，盡管該模型發展到最簡約且已被廣泛應用，適用于不同尺度和特性的流域，但仍不適用于此次研究。其原因是IPH2模型在計算過程中忽略了蒸發、截流、地表徑流和地下水傳播損失的水量，而EDBRAMS模型在對較大型流域進行模擬時，要考慮蒸散發、地表徑流和地下徑流的情況。

同樣，MGB模型也被考慮過，雖然它廣泛應用于大型流域的水文研究，并且和大氣模型一起使用時，在亞馬遜流域應用表現優異。但是，該模型仍然嚴格將降雨量作為輸入數據，并且考慮內部所有元素，包括土壤、植被、地下水和地表水。因此，如果利用該模型需要建立一個框架，該框架能夠利用生態-氣候模型(尤其是EDBRAMS模型)的輸出數據。

最后選擇THMB(輔以生物地球化學的陸地水文模型)模型，因為它在此類應用中被廣泛使用。該模型用來模擬水流在排水管網的運動，從而獲得河流的流量。它可估算洪水事件、洪水事件對洪泛區的影響，以及水文網絡的規模。本質上，該模型通過數值高程模型獲取河流路徑和洪泛區地形圖數據作為輸入數據，將從氣象生態模型得出的地表和地下排水徑流作為輸出數據，利用質量守恒計算徑流量。下游單元的水量取決于上游水庫庫容和河流地貌特征，如坡度和水力半徑。洪泛區規模與通過河道進入洪泛區的水量、垂直水量平衡、河流和洪泛區地貌特征有關。

3 巴拉那河流域實踐(可靠性驗證)

根據前文所述方法，研究小組首先分析模型的可靠性，即分析該模型模擬結果是否與巴拉那河流域最近幾十年河流主要變化一致。考慮氣象模塊，該模型可模擬諸如土壤蒸發和植被蒸騰等植被和水文特征的變化。為了表征土地利用的變化，設置了兩種情景，分別是情景方案CLU1970和情景方案CLU2008(土地利用現狀)。研究區地圖是基于漢特提供的土地利用數據得出的，該數據包含SAGE和HYDE兩組土地利用數據。現代農業地圖基于衛星數據和農田歷史數據庫確定。

選用1969～1978年和1999～2008年兩個時間段作為情景模擬時間，模擬結果顯示了這一時期所觀測到的水量變化情況。對比1969～1978年和1999～2008年期間年平均流量數據，發現在此期間流量增幅約為10%，但同期的降雨量降幅約為7%。

模擬結果重現了巴拉那悖論的重要特征，即模擬結果增幅為8.5%，實際增幅為10.5%。單獨考慮土地利用對降水的影響，1969～1978年降雨類型相同，但同期土地利用不同導致降水量增幅達到24.4%，研究結果表明,土地利用變化對降水的影響是重大的；改變降雨雨型(單因子分析，保持兩組實驗土壤類型相同)，相比1969～1978年,1999～2008年年平均流量降低11.3%。以上分析結果表明：降雨量和土地利用變化綜合作用使徑流量增加，但土地利用變化導致徑流量增加的效果更為顯著，它忽略了由于降雨量減小而導致徑流量減小的事實，同時該結果也很好解釋了巴拉那悖論。

該研究也對最近發生在該區域的水文循環現象作出了解釋，即水流的季節性變化，雨季延遲(某些年延遲高達兩三個月)，以及極端氣候加劇(洪水和干旱)等現象，這些事件對社會和經濟產生了嚴重后果。對能源部門來說，既要考慮水庫防洪調度問題，也要考慮支持火電廠早期運行短期決策的水庫調度安排。

巴西能源部門將選用能穩定反映水文序列變化的優化模型。因此深化此類研究，了解更多不同類型水文序列對模擬結果的影響，都將有助于找到適合巴西的能源模型。

4 塔帕諾斯河流域正在開展的工作

目前，作者正在利用EDBRAMS模型對塔帕若斯河流域2001～2009年的降雨量進行驗證，并將模擬結果與流域內某些關鍵點的觀測數據進行對比。同時，也在對THMB模型進行修改和完善，使模型參數本地化以適用于塔帕若斯河流域。

在塔帕若斯地區將開展的下一步研究是：

(1) 提高THMB模型參數本流域化的精度；

(2) 運行EDBRAMS模型(直到2050年);

(3) 生成水電站未來流量的若干種情景(采用步驟2得到的結果)，通過利用MSUI模型模擬能量，對塔帕若斯地區水電站的發電量進行評估；

(4) 分析對水電站調度和設計的影響，并對能量規劃提出建議(利用步驟3得到的結果)。

5 結論與建議

下一步的主要工作是分析接下來幾十年里，土地利用與氣候變化交互作用的未來情景，為水資源管理決策制定提供理論基礎支持，尤其是為巴西能源部門提供理論支持，因為其能源構成主要為水電。

研究表明,使用水文模型，同時輔以生態模型和大氣環流模型，考慮氣象和植被相互影響的因素，可以成功模擬土地利用和地表覆蓋變化對大型流域水文的影響。因此，這為根據未來氣象和土地利用變化制定水和能源規劃提供了一種可靠的框架評估方法。

(盧 路 編譯)

2015-01-05

1006-0081(2015)03-0014-03

P461.8

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