[巴西] A.利維諾
巴西水電業(yè)積極應(yīng)對(duì)氣候變化的挑戰(zhàn)
[巴西] A.利維諾
旨在研究巴西氣候變化和土地利用變化對(duì)水文循環(huán)的影響。為了使研究結(jié)果更具說服力,在使用水文模型的同時(shí),輔以氣候模型和生態(tài)模型研究了氣候變化對(duì)水文循環(huán)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(fā)電工程;氣候變化;巴西
目前,巴西國內(nèi)發(fā)電以水力發(fā)電為主,其比重超過80%。在未來10 a,巴西正在建設(shè)或規(guī)劃建設(shè)的新水電裝機(jī)容量將超過3 300萬kW,其中大部分裝機(jī)容量(約75%)建在亞馬遜河流域。但不管從年內(nèi)還是年季角度看,巴西水力資源都不穩(wěn)定。因此,穩(wěn)定的能源供應(yīng)是巴西互聯(lián)電力系統(tǒng)運(yùn)營規(guī)劃長(zhǎng)期面臨的一個(gè)重要的歷史性挑戰(zhàn)。
該研究將為研究氣候和土地利用變化對(duì)水文循環(huán)的影響提供全新的視角,其理由有兩點(diǎn):①水文模型使用了更符合實(shí)際的徑流、降水和蒸散發(fā)數(shù)據(jù),同時(shí)結(jié)合區(qū)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(duì)未來巴西水電規(guī)劃進(jìn)行水資源評(píng)估。②該工作促進(jìn)了前沿研究,同時(shí)考慮了科學(xué)家、工程師和決策者之間的互動(dòng)交流,讓他們一開始便可參與其中,對(duì)可能影響研究結(jié)果的原因和最敏感的變量全程進(jìn)行分析,以保證研究結(jié)果的合理性。
目前,大量氣候模型模擬的結(jié)果都不可靠,否則,利用這些模型的模擬結(jié)果解釋巴西水文的重要特征就簡(jiǎn)單很多。選中巴拉那(Parana)河流域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)主要是為了解決部分參與人員擔(dān)心氣候模型不準(zhǔn)確的問題。這次實(shí)驗(yàn)的主要目的是確定模型的結(jié)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(zhǎng)的問題。
選擇塔帕若斯(Tapajos)河流域是因?yàn)樵诮酉聛韼资昀铮@一欠發(fā)達(dá)地區(qū)將有大量發(fā)展計(jì)劃,其中包括開發(fā)水電站和港口,這些計(jì)劃對(duì)出口更便宜、更綠色的谷物尤為重要。
氣候變化和土地利用變化的研究和評(píng)估結(jié)論常被用作假定情景方案的依據(jù),這有助于不同部門作出決策。但是由于研究結(jié)果的差異性過大,并且很少有模型能反應(yīng)已知的水文特征,基于此,實(shí)驗(yàn)者常對(duì)研究結(jié)果的合理性表示懷疑。
目前,所開展的有關(guān)評(píng)估和分析氣候變化和土地利用變化對(duì)水文的影響的研究相當(dāng)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(yù)見的一段時(shí)間里,水電仍將維持主導(dǎo)地位;
(3) 由于環(huán)境限制和地形平坦等因素,大多數(shù)新電站將不帶調(diào)節(jié)水庫,這意味著發(fā)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(guān)。
對(duì)氣候變化及其對(duì)水文循環(huán)的影響研究結(jié)果顯示,每種模型運(yùn)用對(duì)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(nèi)有效,可以表現(xiàn)該空間尺度下水在大氣、植被和土壤中的轉(zhuǎn)化過程以及它們之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。另一方面,水文模型常用來代表和模擬流域集水區(qū)排水系統(tǒng)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(shù)據(jù),僅僅考慮陸地水文循環(huán),通常采用5 km×5 km作為工作尺度。使用區(qū)域氣候模型(RCM,如巴西區(qū)域大氣模型(BRAMS))的一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(chǔ)上,分辨流域范圍內(nèi)影響水流過程的異質(zhì)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(xiàn)了水在土壤×大氣×植被之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。由于工作尺度的不同,為了將兩種模型結(jié)合使用,有必要對(duì)多余的對(duì)象進(jìn)行適當(dāng)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(tài)模型的模擬結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù),從而更好地對(duì)河流水流影響進(jìn)行評(píng)估。
該研究試圖采取另一種創(chuàng)新方式。通常程序?yàn)?,氣象學(xué)家運(yùn)行模型→得到結(jié)果→分析結(jié)果→找出所需的數(shù)據(jù)→建議水資源規(guī)劃者使用這些數(shù)據(jù)。然而在很多情況下,水資源規(guī)劃模型輸入數(shù)據(jù)需要多個(gè)氣象模型的模擬數(shù)據(jù)。一種新興的良好實(shí)踐則與這一過程相反:首先了解水資源規(guī)劃模型不同參數(shù)的敏感度,然后運(yùn)行氣象和生態(tài)模型得到所需要的輸出數(shù)據(jù)。因此,研究的一個(gè)關(guān)鍵因素是從研究初期就引進(jìn)水資源和水電專家。在巴西國家水資源局總部進(jìn)行了采訪,召開研討會(huì),提出初步研究成果,并對(duì)未來的研究方向給予建議,試圖去滿足電氣、環(huán)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(diào)查EDBRAMS模型(見下文)的應(yīng)用潛力,首先分析巴拉那河的歷史流量和流域概況。分析結(jié)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(shí)超過一半的裝機(jī)容量和巴西人口都聚集在這一地區(qū)。對(duì)于造成巴拉那河流量和該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)生如此顯著重大變化的原因,至今沒有達(dá)成共識(shí)。
巴拉那河是拉普拉塔河流域的重要組成部分。巴西境內(nèi)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(qū)(介于300 m和1 200 m之間),有大量的季節(jié)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(duì)巴拉那伊泰普大壩徑流產(chǎn)生的影響,通過該大壩的年平均徑流量達(dá)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(jīng)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(jīng)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(qū)域。
塔帕若斯河流域從南到北呈細(xì)長(zhǎng)形。流域內(nèi)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(gè)角度看,在流經(jīng)約825 km后,河水沿著亞馬遜河右岸流動(dòng)。
塔帕若斯河流域所處區(qū)域氣候獨(dú)特,年均氣溫26.7°,季節(jié)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(qiáng)度較大,月降雨量超過300 mm。干旱季節(jié)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(xiàn)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(qū)域年均降雨量達(dá)到2 700 mm。
2.1 生物圈模型
本研究采用生態(tài)-統(tǒng)計(jì)(ED)模型(2.0版本)。ED模型是一個(gè)綜合考慮了水文、地表生物物理、植物動(dòng)力學(xué)和土壤有機(jī)碳以及氮的生物地球化學(xué)作用的生物圈模型。該模型認(rèn)為一個(gè)多邊形區(qū)域具有相同的氣象因素(例如氣溫、降雨和輻射),可以根據(jù)歷史波動(dòng)數(shù)據(jù)確定幾個(gè)小塊,每個(gè)小塊又可以進(jìn)一步細(xì)分為組群,每個(gè)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(fù)雜精細(xì)的動(dòng)力學(xué)過程,還能反應(yīng)陸地生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和功能的異質(zhì)性。該模型代表了最先進(jìn)的生態(tài)模型。從這個(gè)角度看,ED模型是調(diào)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(zhuǎn)化的通量。
在巴西展示如此復(fù)雜的生態(tài)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(fā);在過去幾十年土地利用發(fā)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(xù)。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(qū)域性大氣模型),該模型是一種數(shù)值模型,用來模擬多尺度的大氣環(huán)流。BRAMS的特征之一是基于物質(zhì)流方法和日常土壤濕度初始化數(shù)據(jù),整合了深積云和淺積云方案,利用最新的野外試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)和估計(jì)數(shù)據(jù),確定BRAMS模型中用來計(jì)算熱帶和亞熱帶的生物群落和土壤性質(zhì),諸如有關(guān)植被和土壤參數(shù)化的若干生物物理參數(shù)。
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(yùn)動(dòng),以及分析土地利用變化對(duì)水量和水質(zhì)的影響。使用一個(gè)水文流域作為一個(gè)單位是因?yàn)槠涮卣骱彤a(chǎn)水密切相關(guān)。從物理角度看,傳統(tǒng)水文模型僅使用降雨量作為輸入數(shù)據(jù),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(shí)研究的不斷深入,發(fā)現(xiàn)空中區(qū)域之前的互相影響較為復(fù)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(tài)模型和氣象模型的輸出數(shù)據(jù)作為水流傳播模型的輸入數(shù)據(jù)來估算水量。
研究以EDBRAMS的輸出數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),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(fā)展到最簡(jiǎn)約且已被廣泛應(yīng)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(jì)算過程中忽略了蒸發(fā)、截流、地表徑流和地下水傳播損失的水量,而EDBRAMS模型在對(duì)較大型流域進(jìn)行模擬時(shí),要考慮蒸散發(fā)、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(yīng)用于大型流域的水文研究,并且和大氣模型一起使用時(shí),在亞馬遜流域應(yīng)用表現(xiàn)優(yōu)異。但是,該模型仍然嚴(yán)格將降雨量作為輸入數(shù)據(jù),并且考慮內(nèi)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(gè)框架,該框架能夠利用生態(tài)-氣候模型(尤其是EDBRAMS模型)的輸出數(shù)據(jù)。
最后選擇THMB(輔以生物地球化學(xué)的陸地水文模型)模型,因?yàn)樗诖祟悜?yīng)用中被廣泛使用。該模型用來模擬水流在排水管網(wǎng)的運(yùn)動(dòng),從而獲得河流的流量。它可估算洪水事件、洪水事件對(duì)洪泛區(qū)的影響,以及水文網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。本質(zhì)上,該模型通過數(shù)值高程模型獲取河流路徑和洪泛區(qū)地形圖數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù),將從氣象生態(tài)模型得出的地表和地下排水徑流作為輸出數(shù)據(jù),利用質(zhì)量守恒計(jì)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(qū)規(guī)模與通過河道進(jìn)入洪泛區(qū)的水量、垂直水量平衡、河流和洪泛區(qū)地貌特征有關(guān)。
根據(jù)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(jié)果是否與巴拉那河流域最近幾十年河流主要變化一致??紤]氣象模塊,該模型可模擬諸如土壤蒸發(fā)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(shè)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(xiàn)狀)。研究區(qū)地圖是基于漢特提供的土地利用數(shù)據(jù)得出的,該數(shù)據(jù)包含SAGE和HYDE兩組土地利用數(shù)據(jù)?,F(xiàn)代農(nóng)業(yè)地圖基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)和農(nóng)田歷史數(shù)據(jù)庫確定。
選用1969~1978年和1999~2008年兩個(gè)時(shí)間段作為情景模擬時(shí)間,模擬結(jié)果顯示了這一時(shí)期所觀測(cè)到的水量變化情況。對(duì)比1969~1978年和1999~2008年期間年平均流量數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)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(jié)果重現(xiàn)了巴拉那悖論的重要特征,即模擬結(jié)果增幅為8.5%,實(shí)際增幅為10.5%。單獨(dú)考慮土地利用對(duì)降水的影響,1969~1978年降雨類型相同,但同期土地利用不同導(dǎo)致降水量增幅達(dá)到24.4%,研究結(jié)果表明,土地利用變化對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)致徑流量減小的事實(shí),同時(shí)該結(jié)果也很好解釋了巴拉那悖論。
該研究也對(duì)最近發(fā)生在該區(qū)域的水文循環(huán)現(xiàn)象作出了解釋,即水流的季節(jié)性變化,雨季延遲(某些年延遲高達(dá)兩三個(gè)月),以及極端氣候加劇(洪水和干旱)等現(xiàn)象,這些事件對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了嚴(yán)重后果。對(duì)能源部門來說,既要考慮水庫防洪調(diào)度問題,也要考慮支持火電廠早期運(yùn)行短期決策的水庫調(diào)度安排。
巴西能源部門將選用能穩(wěn)定反映水文序列變化的優(yōu)化模型。因此深化此類研究,了解更多不同類型水文序列對(duì)模擬結(jié)果的影響,都將有助于找到適合巴西的能源模型。
目前,作者正在利用EDBRAMS模型對(duì)塔帕若斯河流域2001~2009年的降雨量進(jìn)行驗(yàn)證,并將模擬結(jié)果與流域內(nèi)某些關(guān)鍵點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。同時(shí),也在對(duì)THMB模型進(jìn)行修改和完善,使模型參數(shù)本地化以適用于塔帕若斯河流域。
在塔帕若斯地區(qū)將開展的下一步研究是:
(1) 提高THMB模型參數(shù)本流域化的精度;
(2) 運(yùn)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(jié)果),通過利用MSUI模型模擬能量,對(duì)塔帕若斯地區(qū)水電站的發(fā)電量進(jìn)行評(píng)估;
(4) 分析對(duì)水電站調(diào)度和設(shè)計(jì)的影響,并對(duì)能量規(guī)劃提出建議(利用步驟3得到的結(jié)果)。
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(chǔ)支持,尤其是為巴西能源部門提供理論支持,因?yàn)槠淠茉礃?gòu)成主要為水電。
研究表明,使用水文模型,同時(shí)輔以生態(tài)模型和大氣環(huán)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(duì)大型流域水文的影響。因此,這為根據(jù)未來氣象和土地利用變化制定水和能源規(guī)劃提供了一種可靠的框架評(píng)估方法。
(盧 路 編譯)
2015-01-05
1006-0081(2015)03-0014-03
P461.8
A