基于IPCC最新氣候模型的贊比西河流域未來水力發(fā)電評估

[澳大利亞]　H. 克林 等

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基于IPCC最新氣候模型的贊比西河流域未來水力發(fā)電評估

[澳大利亞]H. 克林 等

目前，南非贊比西河流域已建有幾座大型水電站，規(guī)劃中還將建設(shè)更多的水電站。然而，氣候變化直接威脅到這些工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)可行性?；谝幌盗凶钚碌臍夂蜃兓A(yù)測，對贊比西河流域現(xiàn)有及新建的大型水電站未來的發(fā)電情況進(jìn)行了評估。

氣候變化；變化預(yù)測；水電資源開發(fā)；影響預(yù)測；贊比西河流域；南部非洲

南部非洲的贊比西河流域(1 400萬km2)覆蓋8個國家，流域范圍內(nèi)已建有卡里巴(Kriba，1 470 MW)水電站、卡奧拉巴薩(Cahora Bassa，2 075 MW)水電站、卡富埃峽(Kafue Gorge，990 MW)水電站等主要大型水電站。這些已建電站以及在建的新水電站都有著巨大的擴(kuò)容潛力，同時還有幾個水電工程正在規(guī)劃中。

氣候變化可能對未來水力發(fā)電產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。溫度升高導(dǎo)致蒸發(fā)量增大，更重要的是，降雨量可能發(fā)生變化并影響入庫流量。非洲部分地區(qū)未來的降雨量可能會增加(如非洲中部)，而非洲南部的降雨量預(yù)計將減小。這將嚴(yán)重影響到贊比西河新水電站投資的經(jīng)濟(jì)可行性。目前，已有少量相關(guān)研究，定量模擬了氣候變化對贊比西河某些水電站的影響。盡管非洲大陸氣候模型在不斷更新和發(fā)展，但氣候預(yù)測結(jié)果還存在有較大的不確定性。

本文根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的第5次評估報告中最新的全球氣候模型(GCM)的預(yù)測，對贊比西河流域已建和規(guī)劃中的大型水電站未來受氣候變化的影響進(jìn)行了評估。這是首次利用最新預(yù)測結(jié)果對贊比西河進(jìn)行的評估。為了定量評估氣候變化的影響，采用了贊比西河決策支持系統(tǒng)進(jìn)行分析。該系統(tǒng)是最先進(jìn)的水資源規(guī)劃工具,同時耦合了降雨-徑流模型與水庫調(diào)度模型。

1　贊比西河決策支持系統(tǒng)

贊比西河決策支持系統(tǒng)是一個基于網(wǎng)絡(luò)的、交互式的規(guī)劃工具，可分析贊比西河及其主要支流流量受氣候變化與水資源開發(fā)的影響。圖1為系統(tǒng)主界面。選定某種氣候情景(降雨、溫度)和水資源開發(fā)情景(水庫、調(diào)度規(guī)則、灌溉取水)，對20世紀(jì)中期到21世紀(jì)末期間的徑流進(jìn)行月尺度模擬研究。贊比西河決策支持系統(tǒng)將27個子流域的降雨和溫度數(shù)據(jù)作為模型的輸入條件，模擬了徑流產(chǎn)流情況，并考慮了土壤含水量、蒸散發(fā)量以及地表徑流和基流的徑流分割等影響因素。通過將沿河網(wǎng)的徑流量進(jìn)行匯總來計算斷面流量，并逐一向下游河段演算。接著，根據(jù)洪泛區(qū)的運用和水庫運行情況對流量進(jìn)行修正。之前有學(xué)者對模型及其驗證方法進(jìn)行了詳細(xì)描述。

圖1　贊比西河決策支持系統(tǒng)主界面

運用贊比西河決策支持系統(tǒng)，可查詢河網(wǎng)中任何位置的流量。用戶可增加新的水庫或?qū)σ呀ㄋ畮斓奶匦?調(diào)度規(guī)則、水力發(fā)電特征等)進(jìn)行修改或編輯，并能以圖表形式來表現(xiàn)模擬結(jié)果。

2　氣候模型預(yù)測

南非開普敦大學(xué)(University of Cape Town)的氣候系統(tǒng)分析團(tuán)隊(CSAG)給出了非洲未來的氣候預(yù)測數(shù)據(jù)。按照非洲大陸幾百個站點的尺度,利用自組織映射網(wǎng)絡(luò)(Self-Organizing Maps, SOM)對國際耦合模式比較計劃氣候模型(CMIP5)所使用的GCM數(shù)據(jù)(IPCC也采用該數(shù)據(jù))進(jìn)行降尺度處理，該數(shù)據(jù)發(fā)布在氣候信息平臺(CIP)上,選取的是RCP4.5排放情景的數(shù)據(jù)，代表著未來溫室氣體按“中-低”程度排放。將各站點的氣候變化信號進(jìn)行區(qū)劃，用增量模型構(gòu)建了贊比西河27個子流域未來降雨和溫度數(shù)據(jù)時間系列?？偣彩褂昧?1個氣候模型的數(shù)據(jù)，得到了11個贊比西河的氣候預(yù)測結(jié)果，并輸入到贊比西河決策支持系統(tǒng)中。這樣的11個氣候模型數(shù)據(jù)(情景)集, 能夠評估預(yù)測結(jié)果的不確定性。本文重點是研究近期(2021～2050年)模擬結(jié)果，并以1961～1990年的模擬結(jié)果作為模型基準(zhǔn)，與未來長期(2071～2100年)的情況進(jìn)行比較。

所有氣候預(yù)測(包括1961～1990年)都基于世界銀行“適度發(fā)展”情景，以充分考慮未來灌溉用水的影響。

圖2　卡里巴水電站流量及發(fā)電量模擬流程

3　模擬結(jié)果

圖2為從氣候條件輸入到降雨徑流模擬再到發(fā)電模擬的工作流程。圖中溫度與降雨采用上游流域的面平均值表示，流量是指卡里巴水庫年均出流流量。發(fā)電量是考慮了未來(從1 470 MW)擴(kuò)容到2 340 MW時的卡里巴發(fā)電站的發(fā)電量模擬值。大多數(shù)氣候模型預(yù)測未來氣候變暖的量級(2021～2050年間氣溫升高約1.7 ℃，2071～2100年間升高約2.5 ℃)是相當(dāng)一致的(與1961～1990年相比)。盡管2021～2050年間降雨量有下降趨勢，而且2071～2100年間下降趨勢更加明顯，但總體上，降雨量預(yù)測數(shù)據(jù)較為分散。降雨量預(yù)測結(jié)果的不確定性直接導(dǎo)致未來流量值的離散化，因此水電站發(fā)電量預(yù)測范圍也相當(dāng)大(見圖2)。箱形圖統(tǒng)計了11種氣候情景的降雨量預(yù)測結(jié)果，用11個預(yù)測值的中位數(shù)、上四分位、下四分位以及最大值、最小值表示其統(tǒng)計特征(見圖4中右下方)。

可以通過11種氣候情景的預(yù)測值中位數(shù)來預(yù)測未來氣候徑流條件(見表1)。模擬顯示，贊比西河與卡富埃河近期(2021～2050年)年徑流降幅可能超過25%，而盧安瓜(Luangwa)河、希雷(Shire)河的下降幅度不到10%(與1961～1990年比較)。贊比西河三角洲的預(yù)測結(jié)果均出現(xiàn)下降。長期(2071～2100年)預(yù)測中，流量的大幅度下降更加明顯，除盧安瓜河外(下降約17%)，其他河流所有預(yù)測結(jié)果都出現(xiàn)了40%～55%的下降幅度。這將使贊比西河流域水資源管理面臨極其復(fù)雜的局面。

流量模擬結(jié)果呈現(xiàn)大幅下降的主要原因是模型徑流對降雨變化的高度敏感性,由于贊比西河流域的水平衡是屬于水限制系統(tǒng)(相對于能量限制系統(tǒng)而言)，徑流量對氣候變暖(影響蒸散發(fā))的敏感性相對較低。

未來流量預(yù)測表明，水電站發(fā)電量會受到不利影響(見表2)。然而，每座水電站都有著自身的特征，因此影響程度也有所差異。例如，規(guī)劃中的巴托卡峽電站，其規(guī)模相對較小，水庫不能蓄存較多的洪水，這意味著溢洪道需用來頻繁泄洪。如果入流減少，超溢的洪水水量也會減少，受氣候變化而減少的發(fā)電量不會很大。此外，卡里巴水電站水庫較大，溢洪道泄流損失的發(fā)電量較少，因此入流減少將直接導(dǎo)致進(jìn)入水輪機(jī)的流量減小，從而使發(fā)電量減小。而且，由于卡里巴水庫水面大(5 500 km2),氣候變暖會導(dǎo)致其蒸發(fā)量進(jìn)一步加大。

以上主要是針對11種氣候預(yù)測結(jié)果中位數(shù)進(jìn)行討論。如果考慮所有氣候情景，預(yù)測結(jié)果將存在不確定性。5個主要流域未來流量箱形圖的最大值與最小值之間的范圍相當(dāng)大，這種差異性可能受極端值的影響。需要重點關(guān)注圖2中“箱體”的情況。2071～2100年的預(yù)測結(jié)果表明，贊比西河上游四分位距相對較小，流量差異預(yù)計為50%～70%(與1961～1990年比較)。此外，希雷河四分位距是贊比西河上游的2倍，說明預(yù)測結(jié)果的不確定性較大。2071～2100年希雷河的流量最少可能下降25%，而最大可能將下降75%。

分析水電站發(fā)電量預(yù)測結(jié)果時，也要有類似的考慮，如卡里巴電站2021～2050年發(fā)電量將增加70%～85%(與1961～1990年比較)。在最樂觀的氣候預(yù)測情景下，卡里巴電站發(fā)電量將增加140%。實際上對所有水電站來說，在最樂觀的氣候預(yù)測情景下，無論是近期(2021～2050年)還是長期(2071～2100年)情形，其發(fā)電量都會增加。然而，如果考慮到所有氣候預(yù)測結(jié)果的分散性，這一情況將不可能發(fā)生。11種氣候預(yù)測情景的預(yù)測結(jié)果表明，氣候變化將對贊比西河流域水力發(fā)電量產(chǎn)生負(fù)面影響。

表1　贊比西河及其主要支流近期長期氣候與流量模擬變化

注：上游年均變化是相對與基準(zhǔn)模擬值而言。

表2　水電站模擬結(jié)果

注：基準(zhǔn)模擬結(jié)果是根據(jù)1961～1990年的氣候觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬獲得的。近期模擬結(jié)果是11個氣候預(yù)測情景的模擬結(jié)果中位數(shù)?，F(xiàn)有電站裝機(jī)容量包括規(guī)劃中未來擴(kuò)容量。規(guī)劃新建的水電站，裝機(jī)容量有可能變化。已建電站(卡里巴、卡奧拉巴薩、伊泰濟(jì)-泰濟(jì))裝機(jī)容量包括規(guī)劃中未來擴(kuò)容量。巴托卡峽、姆潘達(dá)恩庫瓦是規(guī)劃新建的水電站，裝機(jī)容量有可能改變。

4　結(jié)　論

本文采用了最新的氣候模型預(yù)測評估未來贊比西河及其主要支流水電站的發(fā)電量。這是首次利用最新預(yù)測結(jié)果對贊比西河進(jìn)行評估。應(yīng)用這套氣候情景預(yù)測系列模型，能夠?qū)ξ磥戆l(fā)電量的變化范圍進(jìn)行合理評估。

利用贊比西河決策支持系統(tǒng)進(jìn)行水文模擬，可快速評估各已建和擬建的水電站。結(jié)果顯示，未來徑流量及發(fā)電量可能大幅度減少。贊比西河流域的氣候變化影響是不均勻的，具體取決于各個子流域和植被情況。

盡管預(yù)測的未來發(fā)電量將大幅度減少，并不意味著水電站會停止發(fā)電。相反地，應(yīng)考慮新的氣候預(yù)測結(jié)果，對規(guī)劃中水電站的長期經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行重新評估。不僅要考慮水電站的發(fā)電量，還要考慮水庫其他潛在效益，這些效益(通過防洪或加大枯季下泄流量)有可能緩解氣候變化影響。水電站設(shè)計(裝機(jī)容量，庫容等)以及調(diào)度規(guī)則應(yīng)該更好適應(yīng)將來的水庫入流情況，從而提高工程的氣候適應(yīng)力。

可對贊比西河決策支持系統(tǒng)的模擬情景進(jìn)行改進(jìn)和更具體化，從中尋求緩解氣候變化影響的措施。

針對氣候模型的預(yù)測結(jié)果，下一步應(yīng)考慮不同的排放情景。進(jìn)行國際區(qū)域氣候降尺度試驗(CORDEX)研究更重要。這項研究采用高精度氣候模型對非洲大陸進(jìn)行模擬，提高模型預(yù)測的可靠性。CORDEX的首批氣候預(yù)測成果已于近期公布。

本文對贊比西河的研究表明，先進(jìn)的水資源規(guī)劃不能忽略氣候變化的影響，而且在任何一項工程的中長期規(guī)劃中都必須加以考慮。贊比西河研究所采用的數(shù)據(jù)庫與模型工具可推廣到其他非洲流域類似的、詳細(xì)的評估中。

毛紅梅陳欣譯

(編輯：李慧)

2016-04-20

水文水資源

1006-0081(2016)08-0008-03

P467

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