IPCC＿A1B情景下京杭運(yùn)河21世紀(jì)中葉水資源條件時(shí)空演化

夏海斌， 樂 群

（1.華東師范大學(xué) 城市與城鎮(zhèn)更新規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心，上海 200062；2.華東師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，上海 200241）

0 引 言

2014年6月，經(jīng)過7年的努力，京杭大運(yùn)河終于成功申遺.關(guān)于京杭運(yùn)河的生態(tài)環(huán)境問題［1］、水質(zhì)問題［2］、歷史遺跡保護(hù)［3］、旅游資源開發(fā)與保護(hù)［4］、航運(yùn)［5］等問題國內(nèi)外諸多專家學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了深入的探討.而這其中最為關(guān)鍵的是如何盡早地使得京杭運(yùn)河能夠全線通航.現(xiàn)在山東濟(jì)寧以南的京杭大運(yùn)河處于通航狀態(tài)，而濟(jì)寧以北，特別是過黃河之后的京杭運(yùn)河自20世紀(jì)六七十年代以來長期處于斷流和斷航狀態(tài).只有使得京杭運(yùn)河能夠全線“活態(tài)”，其歷史價(jià)值以及相關(guān)遺產(chǎn)的利用和保護(hù)才更具意義［6］.京杭運(yùn)河全線“活化”和復(fù)航的關(guān)鍵是水資源的利用和調(diào)配［7］.因此，探討京杭運(yùn)河所經(jīng)流域水資源的空間分布特征是科學(xué)解決京杭運(yùn)河水源補(bǔ)給的關(guān)鍵所在.

全球氣候變化已引起國際社會的普遍關(guān)注.2007年1月底，在法國巴黎發(fā)布的政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的第4次評估報(bào)告指出“20世紀(jì)中期以來，氣候變暖已經(jīng)成為公認(rèn)的事實(shí)，如何適應(yīng)這種變化？如何減緩這個(gè)變化？將成為全球面臨的嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)”［8］.Carly等指出像以色列這樣的國家，由于氣候變化所引起的降水量的改變較之氣溫變化要顯得重要的多［9］.而對于中國而言全球變化所引起的區(qū)域水資源變化對京杭運(yùn)河的復(fù)航的影響如何也是值得關(guān)注的問題，即有必要探討一下全球變化條件下京杭運(yùn)河水資源條件的時(shí)空演化問題.本文希望通過模擬全球變化下中國各流域水資源時(shí)空演化，并在此基礎(chǔ)上探討京杭運(yùn)河所經(jīng)流域的水資源的空間特征和變化趨勢，分析京杭運(yùn)河復(fù)航的水資源供給的可能性.

1 京杭運(yùn)河概況

京杭大運(yùn)河全長1 700 km，自北而南分別溝通海河、黃河、淮河、長江、錢塘江，涵蓋中國東部大部分地區(qū)，降雨量從多年平均500 mm到1 500 mm，其所經(jīng)地區(qū)的地形和水資源條件差別較大.由于京杭運(yùn)河歷史上幾經(jīng)疏浚改道，特別是公元1855年黃河改道，奪大清河于利津入海，致使山東境內(nèi)黃河兩岸的運(yùn)河淤塞，導(dǎo)致其后漕運(yùn)以黃河為界南北分運(yùn).而現(xiàn)在濟(jì)寧以北的京杭運(yùn)河基本處于斷航的狀態(tài).由于歷史上京杭運(yùn)河幾經(jīng)改道，本文京杭運(yùn)河的水資源條件的分析是基于現(xiàn)代的河道和水資源條件.

1.1 京杭運(yùn)河的地形

京杭運(yùn)河地處我國黃、淮、海沖積平原東部邊緣地帶及長江三角洲的里下河地區(qū)、太湖流域兩大碟形洼地之內(nèi).沿運(yùn)地勢具有三起三伏的特點(diǎn)，起伏之差一般在20～40 m之間.北京至天津段，距離雖短，卻高差懸殊，本段系京杭運(yùn)河的第一降落段.天津往南地面逐漸隆起，到黃河現(xiàn)道止，為第一隆起段.大運(yùn)河穿過黃河現(xiàn)道之處，是京杭運(yùn)河最高地點(diǎn)，可視為京杭運(yùn)河在黃淮之間的分水嶺.運(yùn)河過黃河到南旺以南，地面高度又逐漸降落，直到長江為止，為京杭運(yùn)河第二降落段.長江以南，運(yùn)河河床又逐漸隆起，到丹陽北部為最高點(diǎn)，這是第二隆起段，是江南運(yùn)河的分水嶺.丹陽至無錫崇德是第三降落段.從崇德到杭州，河床又略見隆起，這是第三隆起段.由于京杭運(yùn)河各段地面高度不同，因此各段航道水流的方向也不相同.（見圖1）.

圖1 京杭運(yùn)河沿線地勢剖面圖（來自姚漢源［10］，有修改）Fig.1 Terrain profile around the Beijing－Hangzhou Grand Canal（Yao Hanyuan，1988）

1.2 京杭運(yùn)河水資源條件分析

京杭運(yùn)河是不同時(shí)期利用許多天然河道、湖泊分段開挖連接而成的，全程共分7段（見圖2），從北到南依次為：① 通惠河（北京—通縣）.由溫榆河、白浮泉、昆明湖和白河加以疏通而成.② 北運(yùn)河（通縣—天津）.利用潮白河下游開挖而成.③ 南運(yùn)河（天津—臨清）.利用衛(wèi)河下游的一段天然河道開挖而成.④ 會通河，又稱魯運(yùn)河（臨清—臺兒莊）.其中濟(jì)寧以南沿途經(jīng)南陽、獨(dú)山、昭陽、微山湖（合稱南四湖）等水面.濟(jì)寧以北的南旺為京杭運(yùn)河的分水嶺，為了在水源上給會通河以接濟(jì)，修建了著名的戴村壩，引大汶河水經(jīng)小汶河在南旺分水“濟(jì)運(yùn)”，暨“南旺水利樞紐工程”.京杭運(yùn)河濟(jì)寧到黃河段運(yùn)河沿線附近就形成了五個(gè)湖泊：安山湖（最北）、南旺湖、蜀山湖、馬踏湖、馬場湖（最南），合稱“北五湖”，與“南四湖”相對應(yīng).北五湖現(xiàn)已先后全部干涸“消失”.成了殘留在運(yùn)河沿線的澇洼地，有的成為季節(jié)性湖泊.⑤ 中運(yùn)河（臺兒莊—淮陰）.利用泗水下游的一段天然河道開挖而成.⑥ 里運(yùn)河（淮陰—揚(yáng)州）.⑦ 江南運(yùn)河（鎮(zhèn)江—杭州）.江南運(yùn)河北段夏秋以長江水為源，冬春以練湖水為源，建造閘座.江南運(yùn)河中段，以太湖水為源，水源充足.江南運(yùn)河南段，水位變動甚小，水多時(shí)，苕溪、上塘河、運(yùn)河等分流洪水；水少時(shí)，太湖之水倒灌入運(yùn).現(xiàn)黃河以北的京杭運(yùn)河基本處于斷航狀態(tài).在現(xiàn)黃河以南地區(qū)的京杭運(yùn)河，若干水系形成的天然或人工湖泊起到了提供京杭運(yùn)河水源的“水柜”［11］的作用.圖3和表1給出了京杭運(yùn)河所經(jīng)流域及相關(guān)水系空間分布關(guān)系.

圖2 京杭大運(yùn)河分段圖（來自中國百科網(wǎng)，有修改）Fig.2 Sections of the Beijing－Hangzhou Grand Canal（Chinese Encyclopedia）

圖3 京杭運(yùn)河所經(jīng)流域及相關(guān)水系空間分布Fig.3 Corresponding basins of the Grand Canal and spatial distribution of related streams

表1 京杭運(yùn)河分段及對應(yīng)的流域Tab.1 Sections of the Beijing－Hangzhou Grand Canal and the corresponding basins

從以上對京杭大運(yùn)河的分段和流向可以看出，京杭運(yùn)河的南北貫通需要解決沿途地形落差起伏所帶來的諸多難題，而古代的水利工程專家通過充分利用沿途的天然流域、水系和湖泊，因勢利導(dǎo)，輔以“分水濟(jì)運(yùn)”等水利工程，促成了京杭大運(yùn)河的南北通航.現(xiàn)在面對如何重新復(fù)航京杭大運(yùn)河，一些學(xué)者對京杭大運(yùn)河全線復(fù)航可能性懷有質(zhì)疑［12］，還有一些將京杭大運(yùn)河復(fù)航寄希望于“南水北調(diào)”東線工程［13，4］，但是從長江至南旺分水脊，長江水需要累積提升30—40 m，近千米的運(yùn)輸距離，這意味著巨大的運(yùn)營成本.因此探討京杭大運(yùn)河沿途流經(jīng)流域現(xiàn)有水資源條件和未來（21世紀(jì)中葉）水資源條件的時(shí)空分布和演化趨勢，結(jié)合古人在貫通京杭大運(yùn)河的科學(xué)實(shí)踐，在此基礎(chǔ)上對京杭大運(yùn)河復(fù)航進(jìn)行新的探索是本文研究的重點(diǎn).

2 氣候變化下中國降水量模擬分析

為了探討全球氣候變化下中國當(dāng)代（20世紀(jì)后期，以1981—2000年20年均值表示）和未來時(shí)期（21世紀(jì)中葉，以2041—2060年20年均值表示）氣候變化對各流域降水的影響，本文以IPCC（政府間氣候變化專門委員會）的A1B情景（CO2中等排放規(guī)模情景）模擬出當(dāng)代降水模擬值（1981—2000年20年均值），見圖4，以及21世紀(jì)中葉未來降水模擬值（2041—2060年20年均值），見圖5.并在中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)上收集了1981—2000年20年平均降水實(shí)測數(shù)據(jù).

本文采用了NCAR／PSU（美國國家大氣研究中心／賓夕法尼亞大學(xué)）共同研究和發(fā)展至今的區(qū)域氣候模式RegCM4，它被廣泛應(yīng)用于大范圍的區(qū)域氣候研究中［15－16］.考慮到未來氣候變化過程中溫室氣體CO2的排放策略，選擇全球環(huán)流模式EH5OM提供的IPCC報(bào)告中A1B情景（CO2中等排放規(guī)模情景）模擬數(shù)據(jù)，并作為驅(qū)動區(qū)域氣候模式的初始場和側(cè)邊界條件，它對年平均溫度及其變率的模擬與觀測值比較接近，同時(shí)對降水的年際變化和季節(jié)也有較好的模擬性能［17］.模擬時(shí)間從2040年10月15日到2060年12月31日，其中2040年12月31日前的數(shù)據(jù)作為模擬初始化階段.邊界場海表面溫度數(shù)據(jù)來自RegCM4網(wǎng)站SST＿A1B數(shù)據(jù)內(nèi)插到模擬區(qū)域網(wǎng)格上.

圖4 全國歷史降水模擬值（1981－2000年20年平均值）Fig.4 Historicalprecipitation simulation value in China（Average values，1981—2000）

圖5 全國未來降水模擬值（2041－2060年20年平均值）Fig.5 Futureprecipitation simulation value in China（Average values，2041—2060）

為了提高模擬的可靠性，我們將全球環(huán)流模式EH5OM提供的初始場和側(cè)邊界條件，單向嵌入RegCM4以驅(qū)動對中國當(dāng)代氣候1981－2000年水平分辨率為50 km的數(shù)值模擬，經(jīng)過多次側(cè)邊界和積云對流參數(shù)化方案的敏感性試驗(yàn)，并與實(shí)測值進(jìn)行對比分析，用以確定適合我國陸地區(qū)域且模擬性能較好的參數(shù)化方案，以檢驗(yàn)RegCM4區(qū)域氣候模式對我國多年氣候平均態(tài)的模擬能力.模擬的區(qū)域中心是35°N，115°E，南北方向格點(diǎn)數(shù)是102，東西方向上的格點(diǎn)數(shù)為128.模式的垂直分層為18層，頂層的氣壓是5.0hPa，大氣模塊的積分步長為100 s，陸面模塊的積分步長是300 s.陸面參數(shù)化方案選擇的是BATS方案.側(cè)邊界指數(shù)松弛條件，每6 h輸入一次以驅(qū)動區(qū)域氣候模式.投影選擇蘭伯特投影，海洋通量參數(shù)化方案采用Zeng方案.驅(qū)動區(qū)域氣候模式的初始場條件由EH5OM的當(dāng)代氣候資料RF模擬數(shù)據(jù)提供，模式模擬的時(shí)間從1980年11月1日到2001年2月1日，分析對比時(shí)選取1981－2000年的模擬數(shù)據(jù).邊界場的海表面溫度數(shù)據(jù)來自RegCM4網(wǎng)站提供的SST＿20C數(shù)據(jù)內(nèi)插到模擬區(qū)域網(wǎng)格上.對比資料包括東英吉利大學(xué)氣候研究組的全球地表月平均資料（CRU）和美國國家環(huán)境預(yù)測中心提供的NCEP再分析場資料，來檢驗(yàn)區(qū)域氣候模擬對中國陸地地區(qū)的氣候模擬能力.綜合分析可以確定RegCM4模式對中國陸地地區(qū)氣候模擬效果在目前沒有更好模型的情況下還是令人滿意的，完全可以用它開展對中國未來氣候變化進(jìn)行情景模擬試驗(yàn).接下來將1981—2000年20年歷史平均降水實(shí)測值與同時(shí)代IPCC的A1B情景下的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，回歸的相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.71.由此看出以IPCC的A1B情景模擬出的當(dāng)代平均降水模擬值基本接近于實(shí)測數(shù)據(jù).

基于全國當(dāng)代（1981—2000年20年均值，20世紀(jì)后期）和未來（2041—2060年20年均值，21世紀(jì)中葉）的降水量模擬，依照全國31個(gè)主要流域劃分，運(yùn)用ArcGIS空間疊加和統(tǒng)計(jì)功能，計(jì)算全國各流域的歷史和未來降水量模擬值，并得到兩者之間的變化值（見圖6）.從圖6可以看出，就全國分流域的多年平均降水量的變化而言，未來中國南方流域包括長江流域、珠江流域、元江－紅河流域、東南沿海諸河流域，以及山東半島諸河流域的降水量將會減少.而中國北方地區(qū)以及西南的橫斷山脈地區(qū)的降水量會有所增加.就京杭運(yùn)河的流經(jīng)流域而言，長江以南的江南運(yùn)河所處的長江流域降水量會減少.長江以北淮河流域、黃河流域和海河流域的降水量略有增幅.

圖6 中國各流域未來40—50年降水量變化Fig.6 Chang of precipitation in China in the next 40—50 years

氣候變化對中國區(qū)域降水量的變化影響國內(nèi)不少學(xué)者進(jìn)行了探討，江志紅等［20］采用IPCC＿AR4模式A2、A1B及B1排放情景下21世紀(jì)末期的降水量預(yù)測，模擬顯示各種排放情景下降水變化分布基本一致，年降水增加顯著區(qū)域?yàn)槿A北、西北及東北地區(qū)，長江中下游沿海及以南地區(qū)有小幅增加.從降水量變化趨勢北方多、南方少而言與本文模擬結(jié)果類似.胡伯彥等［21］利用IPCC的A1B情景對21世紀(jì)中期中國氣候變化趨勢進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)21世紀(jì)中期中國區(qū)域年總降水的趨勢是除西北地區(qū)呈下降外，其他地區(qū)均為上升，其中江淮地區(qū)降水增加最快.鐘軍等［22］利用CCLM區(qū)域氣候模式對中國2011－2050年的日降水進(jìn)行了預(yù)估（SRES－A1B情景）發(fā)現(xiàn)降水峰度和偏度在江淮部分地區(qū)、東北及內(nèi)蒙中東部等地區(qū)呈顯著增加趨勢，西北地區(qū)西部和中部局部降水極值趨于減弱.郝振純等［23］利用IPCC第四次評估發(fā)布的22個(gè)全球氣候模式模擬淮河流域降水變化，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)GCMs模式預(yù)測的淮河流域年平均降水都呈增加趨勢，A2情景趨勢最大，A1B情景次之，B2情景最小.從以上文獻(xiàn)與本文模擬結(jié)果進(jìn)行對比，有幾方面是相一致的：氣候變化下中國各區(qū)域降水量變化差異較大，北部降水增多較南部明顯.

為了更進(jìn)一步考察氣候變化下京杭大運(yùn)河流經(jīng)流域的降水量的變化，本文依據(jù)圖3的水系的劃分應(yīng)用ArcGIS來計(jì)算各小流域的降水量變化.其中位于長江流域下游的太湖流域未來降水量（至21世紀(jì)中葉）將降低7.3%.而長江以北的淮河流域、黃河流域和海河流域的各子流域的降水量都將有不同程度的上升.其中海河流域的子牙河流域的降水量增幅為12.5%.其余小流域的增幅大體在5%左右（見圖7和表2）.

圖7 京杭運(yùn)河未來40—50年流經(jīng)流域的單位面積模擬降水量變化Fig.7 Chang of precipitationper unit area of the corresponding basins of the Grand Canal in the next 40—50 years

2 結(jié)論與討論

2.1 京杭運(yùn)河水資源時(shí)空變化趨勢

未來京杭運(yùn)河所流經(jīng)流域的降水量的變化將直接影響其徑流量的變化，從而也進(jìn)一步影響著京杭運(yùn)河的水源補(bǔ)給.需要指出的是水資源量的評估是一項(xiàng)十分復(fù)雜而繁瑣的工作.評價(jià)一個(gè)流域的年水資源量一般是根據(jù)陸面水量平衡原理，還有地貌因素、地下水深埋、本區(qū)域耗水等.劉恒等［24］給出了區(qū)域水資源條件的15種指標(biāo)，主要包括降水、蒸發(fā)、地表徑流、地下水量、水質(zhì)等方面.本文研究是基于20年的平均氣候特征，對水資源的估算主要包含氣溫和降水兩個(gè)氣候因子，氣溫的上升主要影響蒸發(fā)量的大小.張永勤等［25］研究發(fā)現(xiàn)水資源條件對降水的敏感大于對氣溫的敏感.因此本文近似地用降水量的模擬值表示水資源量.

表2 京杭運(yùn)河流經(jīng)流域的模擬降水量及其變化趨勢Tab.2 Chang of precipitation of the corresponding basins of the Grand Canal in the next 40－50 years

從總體態(tài)勢上來看，京杭運(yùn)河流經(jīng)流域從南至北，降水量及其所所決定的徑流量的絕對值南方大，北方小.但從未來的變化趨勢而言，南部太湖流域?yàn)樨?fù)增長，淮河流域、黃河流域及海河流域略有增長.現(xiàn)階段京杭運(yùn)河通航為濟(jì)寧以南河段，其所經(jīng)淮河各二級流域未來降水量及其對應(yīng)的徑流量幅度在4%～5%之間.太湖流域雖然降水量將有減少的趨勢，但其絕對值在整個(gè)京杭運(yùn)河各河段是最高，因此濟(jì)寧以南運(yùn)河通航無礙.黃河以北的海河各二級流域降水量增幅較大，大體在6%～8%之間，其中子牙河水系增幅最大，為12.53%.值得注意的是廢黃河以北淮河流域的南四湖水系、駱馬湖水系以及現(xiàn)屬黃河流域的大汶河水系其水系流是向京杭運(yùn)河集聚，形成了具有集水功能的“水柜”，而海河水系諸多河道由東向西分散入海，無法形成具有集水功能的“水柜”，因此未來京杭運(yùn)河南旺山脊線以北的復(fù)航必須依賴于淮河流域及長江流域的水源供水.淮河流域主要是依托于其未來水資源的增量及水系流向的匯集優(yōu)勢，而長江流域的水源主要依托于絕對值大的優(yōu)勢.

2.2 對南水北調(diào)東線工程的水源的探討

南水北調(diào)東線工程在黃河以南基本上依托于京杭運(yùn)河，通過梯級泵站將長江水累計(jì)提高40 m左右越過淮河黃河流域分水界后再向北自流.從京杭運(yùn)河所經(jīng)流域的降水及相應(yīng)的徑流量變化趨勢而言，淮河流域，特別是其北部的駱馬湖水系及南四湖水系的水量在未來將有一定量增幅，如何做好未來淮河流域增加的降水量的問題需要與南水北調(diào)東線工程統(tǒng)籌考慮.從積極角度而言，未來淮河流域增加的降水量可以在較小的落差水平下供應(yīng)黃河以北的運(yùn)河用水，節(jié)約了梯級提水所需的能耗.

2.3 南旺分水樞紐工程及北五湖的功能恢復(fù)和利用

在清末黃河改道之前，京杭運(yùn)河水脊（分水嶺）在現(xiàn)濟(jì)寧以北南旺鎮(zhèn)，為了在水源上給魯運(yùn)河以接濟(jì)，修建了著名的戴村壩，引大汶河水經(jīng)小汶河在南旺分水“濟(jì)運(yùn)”，即“南旺分水樞紐工程”.該工程的核心思想是引位于較高海拔的汶河水，在京杭運(yùn)河“水脊”地帶形成若干具有蓄水功能的“水柜”，即“北五湖”，汶河水進(jìn)入運(yùn)河后“七分朝天子、三分下江南”，充分地保證了南旺以北的運(yùn)河航運(yùn)所需水量.但由于黃河改道大清河，經(jīng)大清河入海，運(yùn)河以黃河為南北航運(yùn)，其后海運(yùn)興起、運(yùn)河年久失修.現(xiàn)“北五湖”現(xiàn)已先后全部干涸“消失”.而大汶河水系成為黃河下游最大的支流水系，匯入東平湖后入黃河，大汶河完全喪失了“濟(jì)運(yùn)”的功能.而依托于未來淮河流域水資源量的增加，通過恢復(fù)南旺分水工程及“北五湖”不僅能夠通過河道自流實(shí)現(xiàn)運(yùn)河穿越“南旺水脊”（即現(xiàn)在的淮河流域與黃河流域的分水嶺），同時(shí)能夠“活態(tài)”保存京杭運(yùn)河沿線最具世界文化遺產(chǎn)價(jià)值的“南旺分水樞紐工程”，此外在現(xiàn)今的“南四湖”及黃河邊的“東平湖”之間恢復(fù)具有“水柜”功能的“北五湖”可以提高京杭運(yùn)河水量的調(diào)節(jié)功能，同時(shí)對黃河南岸的生態(tài)環(huán)境也將有改善作用.

2.4 黃河以北的京杭運(yùn)河的復(fù)航

京杭運(yùn)河全線貫通的關(guān)鍵是黃河以北地區(qū)，但無論從黃河改道后的實(shí)際狀態(tài)還是從現(xiàn)今海河流域的水系分布和水量狀況，單靠黃河以北的海河流域的河道徑流量是無法實(shí)現(xiàn)京杭運(yùn)河的復(fù)航的.因此由黃河以南的運(yùn)河向北“濟(jì)水”是唯一可行的辦法.現(xiàn)在南水北調(diào)東線工程在黃河以南依托于京杭運(yùn)河水道，采取隧道過黃河的方法，黃河以北主要以涵管方式輸水，這樣就使得黃河以北京杭運(yùn)河的復(fù)航遙遙無期.事實(shí)上，無論是“平交穿黃”還是“隧道穿黃”，關(guān)鍵是盡早依托黃河以南水源恢復(fù)黃河以北的京杭運(yùn)河水道，復(fù)航是對京杭運(yùn)河最好的保護(hù).

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