瀾滄江-湄公河流域干旱分析及上游水庫影響

2021-01-25 05:04:44楊澤川許鳳冉張學(xué)君白音包力皋穆祥鵬胡宏昌

中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報 2020年6期

劉慧，楊澤川，許鳳冉，張學(xué)君，白音包力皋，穆祥鵬，胡宏昌

（1.中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所，北京 100038；2.水利部國際經(jīng)濟技術(shù)合作交流中心，北京 100038；3.中國水利水電科學(xué)研究院防洪抗旱減災(zāi)研究所，北京 100038；4.清華大學(xué) 水利系，北京 100084）

1 研究背景

干旱是影響最大的自然災(zāi)害之一，往往對農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、供水、環(huán)境等方面造成巨大影響[1-4]。瀾滄江-湄公河流域是連接?xùn)|南亞六國的重要紐帶，該地區(qū)以農(nóng)業(yè)和漁業(yè)為主，對降水和湄公河依賴度高[5]。近年該流域在干季（12月至次年5月）干旱頻發(fā)（如2004/2005、2009/2010、2012/2013、2015/2016、2019/2020年等）[6]，給各國造成了巨大損失[7-10]。

和地球上其他大型流域相比，瀾滄江-湄公河的水文過程更接近天然過程[11]。但隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，該流域的水利工程建設(shè)正在迅速增加。瀾滄江干流“兩庫七級”梯級水庫在2010年至2015年間建成，其中第一座多年調(diào)節(jié)水庫——小灣水庫于2010年汛期開始發(fā)揮調(diào)蓄作用[8]。湄公河干流的第一個水電站——沙耶武里水電站于2019年建成，湄公河支流截止2009年共有26座大型和中型水庫，但規(guī)劃和在建大中型水庫達(dá)99座[5]。

關(guān)于水利工程對瀾滄江-湄公河水文過程的影響，已有一些研究基于歷史數(shù)據(jù)或未來氣候變化情景數(shù)據(jù)進(jìn)行定量評估，然而由于瀾滄江-湄公河地區(qū)自然地理條件復(fù)雜、觀測資料和水利工程調(diào)度資料短缺，所采用的數(shù)據(jù)、模型和假設(shè)不同，雖然對于變化趨勢（削峰補枯）的結(jié)論一致，但結(jié)果卻有較大的差異[8，12-16]。如湄公河委員會（MRC）和中國水利部研究[8]認(rèn)為，受水利工程影響2010-2015年間瀾滄江徑流量平均每年減少4.9%，而氣候變化使年徑流量平均減少20%。HAN等[16]的研究認(rèn)為人類活動對瀾滄江2008—2014年的徑流變化貢獻(xiàn)率約為95%。另外，氣候變化的不確定性也進(jìn)一步增加了水利工程影響評估的不確定性。Lauri等[17]的研究表明，采用不同的GCM數(shù)據(jù)驅(qū)動模型可能導(dǎo)致不同的預(yù)估時段（2032—2042）和基準(zhǔn)期（1982—1992）的徑流變化，雨季為-11%～+15%，干季為-10%～+13%。

根據(jù)水循環(huán)不同環(huán)節(jié)的水分虧缺，干旱分為氣象干旱、水文干旱和農(nóng)業(yè)干旱。當(dāng)前瀾滄江-湄公河的干旱研究仍多集中于氣象或農(nóng)業(yè)干旱分析，如基于模型或再分析降水?dāng)?shù)據(jù)重建歷史干旱事件、基于有限的地面站觀測分析干旱的時空特征[18-21]。Zhang等[18]基于VIC模擬瀾滄江-湄公河土壤水分，并建立對應(yīng)的干旱指標(biāo)，較好的重建了2004/2005和2009/2010年干旱事件，并能夠?qū)υ摰貐^(qū)的農(nóng)業(yè)干旱進(jìn)行實時評估。Tang和Cao[19]基于瀾滄江流域的8個氣象站數(shù)據(jù)，計算SPI指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)瀾滄江下游區(qū)域發(fā)生洪旱的頻率更高，東南亞季風(fēng)和青藏高原季風(fēng)是影響該地區(qū)洪水和干旱的關(guān)鍵因素。Guo等[20]的研究表明，湄公河南部和北部較中部更容易發(fā)生干旱，發(fā)生在三角洲地區(qū)的干旱往往具有時間長強度高的特點。周婷等[21]利用1977—2010年的38個氣象站降水資料，采用SPI分析瀾滄江-湄公河流域的氣象干旱時空分布特征以及2009/2010年干旱。目前對流域水文干旱及其與氣象干旱之間關(guān)系的相關(guān)研究較少。

本文基于氣象干旱指標(biāo)和水文干旱指標(biāo)，分析該流域干旱演變趨勢；選擇2010年前后的兩場典型流域氣象干旱（2009/2010和2012/2013）作為研究對象，分析干旱特征，以及氣象干旱和水文干旱之間的聯(lián)系；分析瀾滄江梯級水庫的補水作用。相關(guān)工作有利于科學(xué)認(rèn)識近來發(fā)生的全流域干旱，而且有利于流域內(nèi)國家從全流域視角調(diào)整合作戰(zhàn)略，采取合理的措施共同應(yīng)對旱情，減少災(zāi)害損失，保障流域經(jīng)濟社會發(fā)展。

2 研究區(qū)域概況

瀾滄江-湄公河流域及其干流主要水文站位置如圖1所示，水文站信息如表1所示。景洪水電站是瀾滄江最末一級水電站，因此選擇位于景洪水電站下游的景洪水文站作為瀾滄江流域的代表水文站開展相關(guān)分析?；诳色@取的數(shù)據(jù)，在湄公河干流選擇了7個水文站開展分析，并分別選取清盛（Chiang Saen）、穆達(dá)漢（Mukdahan）和上?。⊿tung Treng）站作為湄公河干流上游、中游和下游的代表站。圖1中不同顏色的區(qū)域代表對應(yīng)水文站的集水面積/區(qū)間匯水面積。

瀾滄江-湄公河流域在2012年10月至2013年4月期間遭遇了氣象干旱災(zāi)害，干旱的范圍和強度與2009/2010年干季發(fā)生的干旱相當(dāng)。而不同的是，中國小灣水庫在2010年汛期開始具備調(diào)蓄能力，并在2012年11月至2013年4月的干季期間對下游進(jìn)行了“補水”。由于兩場干旱發(fā)生在臨近年份，本文認(rèn)為其自然地理和社會經(jīng)濟變化可以忽略，即流域內(nèi)用水等因素基本不變，氣象干旱和水文干旱關(guān)系的演變主要是氣候因素和水利工程引起的。

圖1 水文站及其集水區(qū)域

表1 瀾滄江-湄公河干流主要水文站信息

3 數(shù)據(jù)和方法

3.1 數(shù)據(jù)降水?dāng)?shù)據(jù)采用全球陸面數(shù)據(jù)同化產(chǎn)品（Global Land Data Assimilation System，GLDAS）。GLDAS數(shù)據(jù)是基于全球觀測數(shù)據(jù)以及四個陸面過程模型模擬結(jié)果，采用數(shù)據(jù)同化方法得到覆蓋全球的高精度（2.5°到1km）的數(shù)據(jù)集。研究中采用的GLDAS降水序列長度為1948—2014年，空間分辨率為0.25°×0.25°，范圍為瀾滄江-湄公河流域。

水文數(shù)據(jù)包括清盛、瑯勃拉邦、廊開、那空帕儂、穆達(dá)漢、巴色和上丁等湄公河干流的主要水文站點的1985—2016年逐日流量數(shù)據(jù)。

3.2 研究方法從氣象、水文角度出發(fā)，計算SPI和SRI干旱指標(biāo)，作為氣象干旱和水文干旱的監(jiān)測診斷指標(biāo)，并利用Mann-Kendall趨勢檢驗方法進(jìn)行干旱趨勢分析。進(jìn)一步選取大型水利工程建設(shè)前后的兩場干旱（2009/2010年和2012/2013年）進(jìn)行干旱特征對比分析。

SPI是氣象干旱評估的常用指標(biāo)[21-22]，被推薦應(yīng)用于所有國家的氣象干旱指標(biāo)，其定義和計算過程參見國際氣象組織（WMO）相關(guān)文件[23]。表2為國家標(biāo)準(zhǔn)《氣象干旱等級》（GB/T 20481-2017）對SPI值的干旱等級劃分。SRI（或SSI）是參考SPI計算原理提出的標(biāo)準(zhǔn)化徑流指數(shù)，該指數(shù)基于長序列月徑流計算，用于月尺度以上的水文干旱評估[24-26]，其干旱等級劃分同SPI。

當(dāng)SPI的統(tǒng)計尺度達(dá)到6個月時，其信息往往可以和河道水文變化情況聯(lián)系起來[23]。Gibson等[24]用6個月尺度的SPI和對應(yīng)尺度的徑流指標(biāo)開展流域干旱分析。因此，本文分析湄公河干流主要水文站集水面積上的氣象干旱和水文干旱聯(lián)系時，采用6個月尺度的SPI（SPI6）和6個月尺度的SRI（SRI6）。在展示氣象干旱年際波動時，采用12個月尺度的SPI（SPI12），SPI12更能反映大范圍長歷時的嚴(yán)重干旱，若非連續(xù)12個月時段內(nèi)顯著濕潤或干燥，該指標(biāo)會接近0。

Mann-Kendall檢驗法是降水、干旱趨勢檢測的常用方法，該方法可判斷變化趨勢是否顯著，以及是否發(fā)生突變，并確定突變發(fā)生的時間[27-30]。具體計算過程可參考相關(guān)文獻(xiàn)，本文中采用的顯著性水平為0.05。

表2 基于SPI的干旱等級劃分

4 結(jié)果及分析

4.1 年際變化特征瀾滄江-湄公河流域的SPI12序列如圖2所示。總體而言瀾滄江-湄公河流域的SPI無顯著變化趨勢，呈洪旱交替變化，基于SPI12指標(biāo)分析得到，1948—2014年間瀾滄江-湄公河流域達(dá)到中旱等級的年份包括：1968、1992、1971、1958、1993、2010、1967和1955年（按照SPI遞增順序）。本研究的結(jié)果和Guo等[20]的研究結(jié)論基本一致，其中1992—1994年是1981—2014年間干旱最嚴(yán)重的時期，SPI12小于-1。圖3展示了SPI序列的Mann-Kendall趨勢檢驗結(jié)果為顯著的網(wǎng)格及其變化趨勢，從圖3中可知流域內(nèi)局部有SPI增大（降水增加）的趨勢，包括瀾滄江源頭、瑯勃拉邦周邊和巴色至上丁區(qū)間，這些區(qū)域在干季、雨季和全年尺度上的趨勢相似。

瀾滄江-湄公河干流主要水文站集水面積上的SRI趨勢分析結(jié)果如表3所示。從表3可知，瀾滄江-湄公河全流域年尺度SRI變化不顯著。干季SRI（徑流）總體呈增加趨勢；雨季各區(qū)間變化趨勢不同，下游上丁站SRI略有下降趨勢。

4.2 典型干旱特征瀾滄江-湄公河干流水文站集水面積2009/2010、2012/2013年干季的SPI6計算結(jié)果以及對應(yīng)SRI6結(jié)果如圖4所示。2009/2010年和2012/2013年干季所有水文站對應(yīng)集水面積的SPI6均小于0（即降水偏少），整個流域平均SPI6值分別為-0.38和-0.43，即2012/2013年旱情總體比2009/2010年嚴(yán)重。從圖4中可看出2009/2010年干季比2012/2013年干季干旱面積大。但是，2012/2013年出現(xiàn)干旱的地區(qū)其強度達(dá)到了中旱程度，而2009/2010年為輕旱。對比圖4中2009/2010年和2012/2013年干季的SRI可知，2009/2010年湄公河干流主要水文站均發(fā)生了水文干旱，而2012/2013均未出現(xiàn)水文干旱。

圖2 瀾滄江-湄公河流域12個月尺度的SPI序列

圖3 具有顯著變化趨勢的SPI變化趨勢空間分布（1948—2014）

表3 1986—2016年SRI變化趨勢

由圖4可知，2009/2010年的SPI6和SRI6表現(xiàn)出較好的一致性，各水文站集水面積的氣象干旱多為輕旱，水文干旱大多為輕旱或中旱；而2012/2013年的SPI6和SRI6表現(xiàn)差異顯著，氣象干旱為無旱或中旱，水文條件為多年平均狀態(tài)或偏豐狀態(tài)。這說明在2012/2013年干季上游實際來水接近或大于天然徑流量，本文認(rèn)為湄公河上游段的上述現(xiàn)象主要源于瀾滄江水庫發(fā)揮的“補枯”作用。而那空帕農(nóng)站以下河段的SRI指標(biāo)增大，可能來自湄公河中下游產(chǎn)流能力較強的支流的徑流補給或其他水利工程對徑流的調(diào)節(jié)。正如有關(guān)研究指出，湄公河干流的水文過程變化不只來自瀾滄江梯級水庫，湄公河支流建設(shè)的水庫也有影響[14]。如湄公河支流Nam Theun河上的跨流域引水發(fā)電項目Nam Theun 2水電站對湄公河干流穆達(dá)漢水文站水情的影響，泰國境內(nèi)Ubol Ratana、Sirindhorn和Lam Pao3個水庫對湄公河干流巴色水文站水情的影響等，這些影響還有待進(jìn)一步研究。

圖4 2009/2010、2012/2013年干季的SPI6空間分布以及各水文站的SRI6

圖5 2009/2010年、2012/2013年和多年平均干季徑流量

4.3 瀾滄江梯級水庫的補水作用根據(jù)瀾滄江-湄公河干流水文站點1960—2009年的多年平均月流量[8]和2009/2010年、2012/2013年干季逐月流量資料，計算得到其干季徑流量，如圖5所示。結(jié)果顯示，2012/2013年干季，景洪水文站干季徑流量由多年平均118.2億m3增大至169.0億m3，增加了50.8億m3，增幅達(dá)43%；2012/2013年干季徑流量比2009/2010年增加67.0億m3，增幅66%。清盛水文站2012/2013年干季徑流量由多年平均177.9億m3增大至231.5億m3，增加了53.6億m3，增幅30%；2012/2013年干季徑流量比2009/2010年增加58.9億m3，增幅34%。景洪站的多年平均（1960—2009）干季徑流量占清盛站的比例為66%，2012/2013年干季增大到73%。2012/2013年瀾滄江干流梯級電站發(fā)揮的調(diào)豐補枯作用使湄公河干流，尤其是清盛站的旱季徑流量較多年平均增加顯著。

根據(jù)景洪站和清盛站1960—2009年和2010—2015年的流量資料，統(tǒng)計分析了這兩個水文站干季徑流量占年徑流量百分比在瀾滄江干流梯級水庫運行前后的變化情況。結(jié)果顯示，瀾滄江干流梯級水庫運行后，景洪水文站干季徑流量由天然情況下的118.2億m3（1960—2009年間干季徑流量占年徑流量的21%）增大至177.7億m3（2010—2015年干季徑流量占年徑流量的41%），增加了59.5億m3（占比增加20%）。清盛站干季徑流量占年徑流量的比例由21%增大到33%?？梢钥闯觯瑸憸娼闪魈菁壦畮觳粌H在2012/2013年干季發(fā)揮了補水作用，而且在其運行后總體上增加了湄公河干流干季徑流量。考慮到干季是湄公河流域農(nóng)業(yè)用水高峰期[31]，瀾滄江干流梯級水庫的運行對于緩解湄公河干季的旱情以及保障全流域可持續(xù)發(fā)展方面具有積極作用。

5 結(jié)論和建議

（1）瀾滄江-湄公河流域年降水趨勢性變化不顯著。1948—2014年間瀾滄江-湄公河流域達(dá)到中旱等級的年份包括：1968、1992、1971、1958、1993、2010、1967和1955年。SPI變化趨勢顯著的地區(qū)包括瀾滄江源頭、瑯勃拉邦周邊和巴色至上丁區(qū)間，這些區(qū)域的SPI呈增大趨勢（降水增多）。

（2）瀾滄江-湄公河年徑流量變化趨勢不顯著。干季SRI（流量）總體呈增加趨勢；雨季各區(qū)間變化趨勢不同，下游上丁站SRI（流量）略有下降趨勢。

（3）瀾滄江-湄公河流域在2009/2010和2012/2013年干季經(jīng)歷了兩場氣象干旱，其中2012/2013年總體較前者嚴(yán)重。2009/2010年湄公河干流沿程均發(fā)生了水文干旱，而2012/2013年各站均未發(fā)生水文干旱。鑒于兩個氣象干旱年份臨近，流域內(nèi)其他變化較小，湄公河干流上游段出現(xiàn)上述現(xiàn)象應(yīng)主要源于瀾滄江水庫發(fā)揮的“補枯”作用。

（4）2012/2013年干季，瀾滄江梯級水庫發(fā)揮徑流調(diào)節(jié)作用，景洪水庫下泄流量比多年平均徑流量增加50.8億m3，增幅達(dá)43%；2012/2013年干季比2009/2010年同期徑流量增加67.0億m3，增幅66%。清盛水文站2012/2013年干季徑流量比多年平均徑流量增加53.6億m3，增幅30%；同時2012/2013年干季徑流量比2009/2010年增加58.9億m3，增幅34%。即2012/2013年瀾滄江干流梯級電站發(fā)揮的調(diào)豐補枯作用使湄公河干流，尤其是清盛站的旱季徑流量較多年平均增加顯著。多年數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，瀾滄江干流梯級水庫運行后總體上增加了湄公河干流干季徑流量，對于緩解湄公河干季旱情和保障流域可持續(xù)發(fā)展方面有積極作用。