南水北調中線工程水源區和受水區旱澇特征及風險預估

方思達, 劉 敏, 任永建

(1.武漢區域氣候中心, 湖北 武漢 430074; 2.湖北省氣象服務中心, 湖北 武漢 430205)

南北方水資源配置極不平衡是中國水資源分布的重要特征[1-2]。南水北調工程，旨在通過跨流域的水資源合理配置，促進南北方經濟、資源、環境等的協調發展。其中中線工程是從長江最大支流的漢江上游丹江口水庫調水，跨越長江、淮河、黃河、海河4大流域，向唐白河區、淮河區、海河3個受水區輸送。該工程的順利實施將有效緩解京津地區的水資源危機，并將大大改善受水區的投資環境和生態環境，推動我國京津地區的經濟發展。中線工程調水線路長，跨越亞熱帶和暖溫帶季風氣候區，降水特點和變化規律不盡相同，導致旱澇配置呈現更為復雜的不確定性，特別是如果氣候出現異常，水源區與受水區連續同旱，將直接影響調水工程的可靠性。國內學者對中線流域的旱澇變化特征進行了相關研究[3-5],周月華等[6]研究表明，漢江流域具有多連旱特征。隨著南水北調中線工程的開展，不同水文區的豐枯遭遇研究近些年來受到廣泛關注[7-8]。陳鋒等[9]使用Copula函數方法，并基于IPCC第四次評估報告中大氣環流模式的降水結果，用模型探討了氣候變化情景下南水北調中線工程水源區與受水區豐枯遭遇的變化；康玲等[10]聯合copula函數和貝葉斯網絡理論,建立了南水北調中線工程水源區和受水區降水豐枯遭遇風險分析模型,對南水北調中線工程調水最不利的豐枯遭遇風險概率進行了研究。本研究嘗試使用旱澇等級資料及氣象站降水資料，對氣候變化背景下南水北調中線工程水源區與受水區旱澇配置的變化特征進行分析，并利用模式數據探討未來水源區與受水區旱澇配置的可能影響，為南水北調中線工程水資源調度及決策提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料說明

1.1.1 氣象觀測資料 旱澇資料使用中國氣象局氣象科學研究院提供的中國120臺站五百年旱澇等級數據集。時間范圍為1470—2000年，分辨率為年。該資料在中國近代氣候旱澇變化研究中有著廣泛應用[11-12]。本文選取其中位于南水北調中線工程地域范圍內的12個站點，分別為：漢中、安康、鄖縣、南陽、鄭州、信陽、石家莊、邯鄲、安陽、北京、天津和保定。各站點依據降水量標準化距平分為：1級(澇)、2級(偏澇)、3級(正常)、4級(偏旱)、5級(旱)共5個等級代表該站點該年降水旱澇情況。氣象站降水資料使用1961—2015年南水北調中線工程內265氣象站逐日降水資料。將南水北調中線工程劃分為4個流域，其中漢江上游為水源區，唐白河流域、淮河流域和海河流域為受水區。

1.1.2 模式預估資料 CMIP5耦合模式代表當前國際主要先進模式的最新版本，是當前氣候預估研究的重要手段[13-15]。本文使用中國氣象局制作的21個CMIP5全球氣候模式集合平均模擬結果[16]，經過插值計算將其統一降尺度到同一分辨率1°×1°，選取2020—2100年南水北調中線工程區域內RCP 4.5排放情景下的月平均降水資料。

1.2 旱澇年劃分方法

近500 a區域旱澇年劃分標準：研究流域包含的站點在某年出現偏旱或旱(偏澇或澇)的個數達1/2以上，則認為該流域該年為旱(澇)年，其他情況為平年。1961—2015年區域旱澇年劃分標準：將所研究流域各站點逐年降水量序列進行標準化處理，得到各站點標準化距平序列。若某站降水距平小于或等于-1.0σ(大于等于+1.0σ)，且滿足該標準的站點數超過研究區域站點總數的30%，則定義流域該為旱年(澇年)，其他情況為平年。

2 水源區旱澇變化特征

2.1 近500 a來水源區旱澇特征

使用近500 a來旱澇資料對水源區旱澇特征進行分析，結果表明水源區旱、平、澇的出現頻率分別為33.3%，46.2%和20.5%，但存在較大年代際變化。1470—2000年南水北調水源區(漢江上游)旱澇狀況年代際變化如圖1所示。

由圖1可以看出，1470—1800年旱年出現頻率呈下降趨勢，但隨后出現上升趨勢，尤其是20世紀，干旱出現頻率達31.7%；澇年出現頻率基本在各年代均高于旱年頻率，在19世紀達到頂峰，為47.0%，進入20世紀有所回落，出現頻率為34.7%。平年頻率在1 800 a以前較平穩，基本維持在50%左右，但受20世紀以來枯豐年出現頻率波動較大影響，平年出現頻率較低，僅為33.7%。以上分析表明，近500 a來漢江上游旱澇出現較大變化，尤其是1 800 a以來，旱澇事件增多，這可能與全球氣候變化導致的極端事件增多相關。

圖1 1470-2000年南水北調水源區旱澇出現概率年代際變化

此外，水源區還體現出一定的連旱及連澇特征，表1給出了近500 a來水源區連旱(澇)出現次數，可以看到，近500 a來，漢江上游連旱連澇現象均有發生，連旱(澇)持續年數越短，出現次數越多，其中連旱出現總次數少于連澇。歷史上最長連旱為7 a，出現在1635—1641年；而最長連澇年份為6 a，共出現過2次，分別為1930—1935年及1979—1984年。

表1 近500 a來水源區連旱(澇)出現次數

2.2 1961-2015年水源區旱澇變化特征

使用氣象站降水資料對1961—2015年水源區旱澇情況分析如圖2所示。由圖2可以看出，近55 a來，漢江上游降水正常年份占60.0%，旱年占21.8%，澇年占18.2%。同時旱澇結構有著較明顯的年代際特征，20世紀90年代以前，豐枯年份出現頻率相對較低，但近20 a余來，漢江上游旱澇年出現概率明顯增加，尤其是旱年出現概率達28.0%，澇年概率也有所上升，達20.0%。這意味著，漢江上游氣候近年來較易出現極端旱澇事件，南水北調工程風險增加。

圖2 1961-2015年漢江上游旱澇逐年變化

3 近500 a來水源區與受水區旱澇遭遇特征

正常或偏澇的年份，水源區有足夠的水可供受水區調度，這種情形稱之為調水保障概率(P1)。但當水源區和受水區同時干旱時，將出現無水可調的情況，此外，由于受水區尤其是華北等地在正常年份仍需要調水，因此，當水源區發生干旱而受水區當年降水屬于正常年景，仍然存在無水可調或調水量不夠的風險，上述兩種情形出現的概率之和，稱之為調水風險概率(P2)。后文將主要分析水源區和受水區調水風險概率和調水保障概率特征。

3.1 水源區與受水區旱澇遭遇分析及變化特征

近500 a來，南水北調中線工程水源區及受水區旱澇遭遇情況詳見表2。唐白河流域、淮河流域及海河流域3個受水區的調水風險概率分別為21.6%，12.7%和16.2%，同時漢—唐同旱概率也達16.2%，也為3種遭遇情形最高。因此唐白河流域調水保障概率最低，為78.4%，海河流域次之，調水保障概率最高為淮河流域，達87.3%。

表2 1470-2000年南水北調水源區與受水區旱澇遭遇概率

近500 a來，南水北調中線工程水源區和3個受水區逐百年的調水風險概率變化較為一致，呈現較大波動(圖3)。除去1 400年代資料較短外，20世紀以來各流域調水風險均處于歷史高位，尤其是漢—唐調水風險概率接近30%，這使得各受水區的調水保障概率為近500 a來最低值，漢—唐、漢—淮及漢—海的保障概率分別為70.6%，76.2%及76.2%(圖3)。

圖3 1470-2000年南水北調水源區遭遇概率年代際變化

3.2 水源區與受水區持續旱澇遭遇特征

近500 a來水源區和受水區還具有連續同旱(澇)遭遇特征(表3)，可以看到各受水區連續同旱(澇)遭遇持續年數越短，出現次數越多。最長同旱持續年數為6 a，出現在1636—1641年的漢唐遭遇中；3種遭遇最長同澇持續年數均為3 a。漢—唐及漢—海連續同旱次數多于漢—淮，同時，漢—唐及漢—海遭遇均出現了持續年數在4 a以上的同旱情形，這2個區域調水連續同旱風險較高。連續同旱出現頻率大于連續同澇。3種遭遇情景中，連續2 a同旱出現了24次，而連續2 a同澇出現了20次；連續3 a同旱出現了7次，連續3 a同澇出現了4次；連續4 a及以上同旱共出現了3次，而該強度的連續同澇事件未發生過。

表3 近500 a來水源區連續同旱(澇)遭遇出現次數

4 1961-2015年不同時期內水源區與受水區旱澇遭遇特征

4.1 水源區與受水區旱澇遭遇特征

使用1961—2015年南水北調中線工程內氣象站日降水資料，對水源區及受水區旱澇遭遇情況的分析如表4所示。唐白河流域、淮河流域及海河流域調水風險概率分別為21.8%，21.8%和18.2%，其中漢—唐和漢—淮同旱概率占調水風險概率的1/2。通過以上分析可知，唐白河及淮河的調水保障概率均為78.2%，而海河的保障概率為81.9%。唐白河仍為調水風險概率最高的流域，這與使用500 a旱澇資料的分析結果一致。1961—2015年南水北調中線工程各流域旱澇配置還具有以下特點：漢—唐—淮同旱概率較高，共6 a出現了漢—唐—淮同旱的情形，占總的同旱事件一半以上，這將在水源區干旱時增大南水北調調水量的需求，對南水北調工程產生較大不利影響；進入20世紀90年代后，各流域旱、澇事件增多，同枯、同豐出現幾率增大。如1997—2003年這7 a中，漢江上游僅兩年降水正常，旱澇轉換頻率加劇，同時出現了近55 a來僅有的一次全流域性干旱事件，這可能與氣候變化加劇了旱澇急轉相關，將使南水北調效益風險上升。

表4 1961-2015年水源區與受水區旱澇遭遇概率

4.2 不同時期內旱澇遭遇風險特征

由于南水北調具有一定的時效性，因此對同時段內的各流域旱澇遭遇風險進行分析，方法與對全年分析相同，結果如表5所示。無論在任何時段，海河流域的調水保障概率最高，概率均在80%以上，淮河流域次之，唐白河流域調水保障概率最低。

表5 1961-2015年不同時段水源區與受水區旱澇遭遇概率

汛期為南水北調工程最不利的時段，唐白河流域、淮河流域及海河流域調水保障概率分別為78.2%，78.2%及81.9%，而秋汛期為調水最有利的時段。非汛期作為受水區重要的缺水時段，3個流域調水保障概率均在80%以上。

5 水源區和受水區旱澇配置未來情景預估

使用21個CMIP5全球氣候模式的模擬結果，對RCP4.5排放情景下南水北調中線工程2020—2100年的旱澇遭遇特征進行預估研究(表6)。由表6可以看出，唐白河流域、淮河流域及海河流域未來的調水風險概率分別為12.3%，12.3%和11.1%，低于21世紀水平。預估結果顯示未來海河流域調水保障概率最高，為88.9%；淮河流域和唐白河流域略低，均為87.7%，調水朝有利方向發展。此外，21世紀旱澇遭遇具有明顯的年代特征。2050年以前，水源區降水異常年份主要為干旱事件，同時受水區干旱出現也較為頻繁，因此該時期調水風險主要考慮干旱事件，約占總數的近八成；而2050—2100年，全流域氣候特征發生較大轉變，絕大部分異常年份為偏澇，該時段流域同澇事件多發。未來水源區與受水區的旱澇遭遇特征前期將以干旱事件為主，而后期將存在較大的同澇風險，這是當前較為忽視的情景，需提前做好應對措施。

表6 2020-2100年水源區與受水區旱澇遭遇情況

6 結論與討論

(1) 近500 a來，水源區澇年出現概率呈增加趨勢，旱年出現概率呈先減少后增加趨勢，尤其是20世紀以來水源區干旱年出現概率處于歷史高位，達31.7%；同時，近20 a來，旱、澇事件頻繁發生，旱澇急轉發生概率增大。

(2) 受水區淮河流域的調水有利概率最高，達87.3%，唐白河流域調水有利概率最低，為78.4%。各受水區調水總體趨于不利。20世紀以來各流域與水源區同旱概率均處于歷史高位，尤其是漢—唐同旱概率接近30%，漢—唐、漢—淮及漢—海的有利概率分別為70.6%，76.2%及76.2%。

(3) 水源區與受水區持續同旱出現概率大于持續同澇，漢—唐、漢—海持續同旱概率高于漢—淮。

(4) 汛期為南水北調工程最不利的時段，而秋汛期為調水最有利的時段。非汛期作為受水區重要的缺水時段，3個流域調水保障概率均在80%以上。

(5) CMIP5模式預估結果顯示，2020—2100年唐白河流域、淮河流域和海河流域調水保障概率分別為87.7%，87.7%和88.9%，海河流域調水保障概率略高；同時，由于未來降水趨于增加，調水朝有利方向發展，但21世紀后期也將面臨較大的同澇風險。

(6) 需要注意的是，全球氣候模式分辨率較低，而研究區域相對較小；同時未來情景值考慮了人類排放，未考慮自然強迫的影響，這些都導致結果具有一定程度的不確定性。