袁林山，張家余，張 力，劉德地

(1.國網(wǎng)湖北黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

0 引 言

在氣候變化的影響下，全球水循環(huán)、水資源分布狀況均發(fā)生了巨大改變。IPCC在2013年發(fā)布的第五次評估報告中指出，隨著CO2等溫室氣體的增排，未來氣溫及輻射強迫將持續(xù)上升，會給水文循環(huán)過程帶來更加深遠(yuǎn)的影響[1]。水文循環(huán)系統(tǒng)中，淡水對人類社會與活動極其重要，但其儲量卻不足全球總水量的1%[2]?？晒┤瞬捎玫牡Y源最主要載體便是河川徑流，水庫作為一種調(diào)節(jié)河川徑流的工程，在使河川徑流更適合人類社會采用、綜合利用水資源與水能及維持生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著重要的作用。因此研究氣候變化對未來河川徑流的影響，進(jìn)而研究未來徑流變化對水庫水力發(fā)電的影響有著重要意義。

氣候變化條件下的未來徑流變化近年來已成為水文學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，其中以全球氣候模式數(shù)據(jù)驅(qū)動水文模型，進(jìn)行流域未來徑流模擬預(yù)測研究，逐漸成為研究氣候變化對流域水資源影響的主流和熱點。郭靖等[3]、王樂等[4]采用統(tǒng)計降尺度方法，將兩參數(shù)月尺度水量平衡模型與全球氣候模式進(jìn)行耦合，分別對南方濕潤地區(qū)的丹江口水庫和贛江流域在不同氣候模式下未來徑流的變化趨勢進(jìn)行了分析研究；Nilawar等[5]利用SWAT模型在RCP4.5和RCP8.5兩種情況下模擬了印度Purna流域未來2009-2031年、2032-2053年、2054-2075年和2076-2099年4個時期月徑流變化情況，發(fā)現(xiàn)氣候變化影響下的未來月徑流發(fā)生了巨大改變。氣候變化通過氣象因素的改變影響未來徑流過程，而未來徑流的變化又直接影響著水庫的發(fā)電出力過程。張建敏等[6]模擬了未來氣候情景，進(jìn)而分析氣候變化對于未來三峽水庫運行期間的發(fā)電、洪澇和干旱風(fēng)險的影響。盡管現(xiàn)有大量的研究討論了氣候變化對于未來徑流及水庫優(yōu)化調(diào)度的影響，但水庫優(yōu)化調(diào)度過程中考慮了多個目標(biāo)，水庫發(fā)電出力與水庫的優(yōu)化調(diào)度之間并不是簡單的線性關(guān)系，因此研究氣候變化下未來徑流條件影響水庫發(fā)電出力的機理具有深遠(yuǎn)意義。

本文以黃龍灘水電站為研究對象，采用SDSM統(tǒng)計降尺度方法，在RCP4.5(中排放)、RCP8.5(高排放)[7]兩種典型濃度路徑下，將BCC-CSM1.1氣候模式輸出的未來預(yù)估數(shù)據(jù)降尺度到研究區(qū)域，然后將降尺度數(shù)據(jù)輸入到率定好的SWAT水文模型，從而得到黃龍灘水電站入庫徑流模擬結(jié)果(2020-2080年)，并與歷史徑流數(shù)據(jù)(1961-2017年)進(jìn)行一致性檢驗，進(jìn)而計算不同徑流條件下黃龍灘水電站的發(fā)電出力情況，分析評價氣候變化對水庫發(fā)電出力的影響，進(jìn)而構(gòu)建分析氣候變化對水電站發(fā)電出力影響的范式。

1 研究區(qū)域概況

黃龍灘水電站位于漢江支流堵河的下游，湖北十堰市黃龍鎮(zhèn)以上4 km的峽谷口處，水電站大壩控制面積11 140 km2，占整個堵河流域面積的95%，壩址多年平均徑流量191 m3/s。水庫總庫容11.7 億m3，調(diào)節(jié)庫容5.985 億m3，設(shè)計洪水位248.2 m，正常蓄水位247.0 m，死水位222.0 m。

黃龍灘水電站于1976年竣工，是一個以發(fā)電為主， 同時具有供水、航運、發(fā)展?jié)O業(yè)等綜合效益的大型水利樞紐。黃龍灘水電站位于丹江口水庫壩址上游約152 km，直接受丹江口水庫回水頂托影響。堵河流域及黃龍灘水電站示意圖如圖1所示。

圖1 黃龍灘水電站示意圖Fig.1 Study area

眾多研究表明，氣候變化下漢江流域未來徑流情況將發(fā)生巨大變化[8-10]。堵河作為漢江的重要支流，研究其徑流過程對氣候變化的響應(yīng)及對水電站發(fā)電出力的影響具有重要價值。

2 研究方法

本文采用SDSM統(tǒng)計降尺度方法，在RCP4.5、RCP8.5兩種典型濃度路徑下，將BCC-CSM1.1氣候模式輸出的未來預(yù)估數(shù)據(jù)降尺度到研究區(qū)域，然后將降尺度數(shù)據(jù)輸入到已率定好的SWAT水文模型，得到黃龍灘水電站入庫徑流模擬結(jié)果，并與歷史徑流數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性檢驗，進(jìn)而計算不同徑流條件下黃龍灘水電站的發(fā)電出力情況，對比分析評價氣候變化對水庫發(fā)電出力的影響。具體實施流程如圖2所示。

圖2 研究方法流程圖Fig.2 Flow chart of research methods

2.1 氣候模式與統(tǒng)計降尺度

全球氣候模式(GCM)是目前進(jìn)行大尺度氣候模擬和研究氣候變化最為可行的方法，但GCM的輸出結(jié)果受到分辨率的限制，只能夠反映出較大尺度的網(wǎng)格氣候變化平均特質(zhì)。流域水文模型所需要的區(qū)域特征精度要求較高，GCM輸出結(jié)果無法滿足，現(xiàn)有研究表明，使用統(tǒng)計降尺度方法[11,12]常常能夠彌補GCM區(qū)域預(yù)測的不足[13-15]，該方法與其他方法相比計算簡單且效果良好[16,17]。

氣候模式數(shù)據(jù)來自美國環(huán)境與保護(hù)中心的全球再分析日數(shù)據(jù)，空間分辨率為2.5°×2.5°。歷史降水、氣溫數(shù)據(jù)(1961-2017年)則選擇漢江流域上游8個國家氣象站點(略陽、佛坪、石泉、鎮(zhèn)安、萬源、商州、安康、西峽)的觀測數(shù)據(jù)。

在選擇氣候預(yù)測因子方面，根據(jù)Wilby等[11]的研究，應(yīng)主要考慮3個方面：①選取的預(yù)測因子與預(yù)測量之間應(yīng)具有較強的相關(guān)關(guān)系；②預(yù)測因子可以從全球氣候模型輸出中相對容易地獲??；③全球氣候模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬選取的預(yù)測因子[18]。

堵河流域所在地區(qū)屬于副熱帶季風(fēng)氣候，該地區(qū)的降水主要影響因素有位勢高度場、海平面氣壓以及濕度等因素[18]。因此，本文選取850 hPa位置比濕、平均海平面氣壓、500 hPa位置風(fēng)速、500 hPa位勢高度、850 hPa地表溫度、2 m地表平均溫度這6個因子作為降水、氣溫的降尺度預(yù)測因子。

2.2 SWAT水文模型

SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型是由美國農(nóng)業(yè)部(USDA)農(nóng)業(yè)研究中心于1994年開發(fā)的流域尺度水文模型，該模型具備相對完備的物理機制且具有連續(xù)性，是基于GIS的半分布式水文模型[19]。SWAT模型具有良好的用戶交互界面，且有著較強的空間數(shù)據(jù)管理、分析和表達(dá)的能力，在眾多的水文模型中具有較強的應(yīng)用優(yōu)勢[20]。SWAT模型可模擬流域中多種水文物理化學(xué)過程，并且在模擬和預(yù)測下墊面、氣候因素變化對流域水文循環(huán)的影響方面有著較好應(yīng)用[21]。

利用歷史實測數(shù)據(jù)進(jìn)行SWAT模型的率定，并將SDSM得到的堵河流域降雨和溫度數(shù)據(jù)輸入到SWAT模型中，可模擬出未來情景下堵河流域各子流域出口斷面的徑流過程，最后演算得到黃龍灘水電站入庫徑流過程。

2.3 一致性檢驗

本文采用方紐曼比率法和累積偏差方法檢驗未來徑流與歷史徑流的一致性。

方紐曼比率被定義為：

(1)

累積偏差法則需構(gòu)造統(tǒng)計量：

(2)

將S*除以樣本標(biāo)準(zhǔn)偏差得到重新調(diào)整的調(diào)整部分和：

(3)

(4)

用以審查一致性的參數(shù)為：

R=max0≤k≤nS**-min0≤k≤nS**

(5)

2.4 水庫調(diào)度與發(fā)電出力計算

水庫調(diào)度的月水量平衡方程為：

Vt+1=Vt+It+Pt-Et-Qt-qt-Nt

(6)

式中：Vt為第t月初的水庫蓄水量，萬m3；Vt+1為第t月末的水庫蓄水量，萬m3；It為第t月的水庫入流量，萬m3；Pt為第t月的庫面降水量，萬m3；Et為第t月的庫面蒸發(fā)量，萬m3；Qt為第t月的發(fā)電用水量，萬m3；qt為第t月的水庫棄水量，萬m3)；Nt為第t月水庫滲漏量，萬m3。

由于黃龍灘水電站的入庫流量是通過SWAT水文模型計算得到，已經(jīng)考慮了庫面降水量Pt、庫面蒸發(fā)量Et以及水庫滲漏量Nt，所以上式可以簡化為：

Vt+1=Vt+It-Qt-qt

(7)

式中：水庫入流量It的計算采用氣候變化條件下的區(qū)域水資源模擬；水庫發(fā)電用水量Qt的計算采用等流量調(diào)節(jié)的水能計算方法。

水電站月出力Nt的計算公式為：

Nt=KQtHt

(8)

式中：K為出力系數(shù)，根據(jù)黃龍灘水電站特性，取7.9；Ht為第t月凈水頭，m。

黃龍灘水電站下游水位直接受丹江口水庫回水頂托影響，因此黃龍灘水電站下游水位直接采用丹江口水庫常規(guī)調(diào)度月平均水位計算。

3 結(jié)果與討論

3.1 入庫徑流模擬預(yù)測

將BCC-CSM1.1模式在代表性濃度路徑RCP4.5、RCP8.5情景下，采用SDSM的降尺度模型輸出的氣溫系列和降水結(jié)果，采用反距離加權(quán)法在SWAT模型進(jìn)行插值，并將其作為輸入模擬未來情景(2020-2080年)堵河流域的徑流過程。黃龍灘水電站歷史(1961-2017年)和未來(2020-2080年)的多年平均流量年內(nèi)分配情況如圖3所示。

圖3 黃龍灘水電站多年平均入庫流量年內(nèi)分配圖Fig.3 Annual average inflow distribution of Huanglongtan Hydropower Station

從圖3可以看出，未來情景下豐水期黃龍灘水電站入庫流量增加，而枯水期入庫流量降低。汛期流量的增加加劇了黃龍灘水電站的防洪壓力，而蓄水期流量降低、年內(nèi)徑流非均勻程度銳化給水庫發(fā)電出力帶來了更大的挑戰(zhàn)。

3.2 一致性檢驗結(jié)果

利用方紐曼比率法和累積偏差方法分別進(jìn)行歷史入庫徑流序列與RCP4.5、RCP8.5預(yù)測的未來入庫徑流序列的一致性檢驗。

(1)由方紐曼比率法可知，根據(jù)歷史(1961-2017年)年徑流資料與RCP4.5情景下的未來年徑流資料(2020-2080年)，可以求得N=0.99；而根據(jù)歷史(1961-2017年)年徑流資料與RCP8.5情景下的未來年徑流資料(2020-2080年)求得N=1.12。所求N值均大于臨界Nα，故在95%的置信水平下，未通過一致性檢驗，歷史徑流資料與未來徑流資料是非一致性序列。

根據(jù)方紐曼比率法與累積偏差方法，歷史徑流資料(1961-2017年)與RCP4.5、RCP8.5預(yù)測的未來徑流資料(2020-2080年)是非一致性序列。

3.3 氣候變化對水庫發(fā)電出力的影響

由于歷史入庫流量資料(1961-2017年)與RCP4.5、RCP8.5預(yù)測的未來入庫流量資料(2020-2080年)是非一致性系列，因此可采用分段方法進(jìn)行頻率分析。

利用矩法估計參數(shù)，得到歷史入庫流量資料的均值為191.0 m3/s，CV=0.29；RCP4.5情景下未來入庫流量資料的均值為202.0 m3/s，CV=0.42；RCP8.5情景下未來入庫流量資料的均值為191.0 m3/s，CV=0.42?？梢姎v史入庫流量資料與未來氣候模式下模擬得到的入庫流量資料在參數(shù)CV上有著較大差異，這意味著在氣候變化的影響下入庫流量有著更大的不均性，出現(xiàn)極端情況的可能性更高。各情景下水庫入庫流量的頻率分布曲線如圖4～圖6所示。

圖4 歷史入庫流量頻率分布曲線Fig.4 Historical inflow flow frequency distribution curve

圖5 RCP4.5情景下未來入庫流量頻率分布曲線Fig.5 Frequency distribution curve of future inflow flow under RCP4.5 scenario

圖6 RCP8.5情景下未來入庫流量頻率分布曲線Fig.6 Frequency distribution curve of future inflow flow under RCP8.5 scenario

利用設(shè)計枯水年法(75%)，采用等流量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行水能計算，推求歷史及未來氣候情境下的黃龍灘水電站保證出力；利用平水年法(50%)，采用等流量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行水能計算，推求歷史及未來氣候情境下的黃龍灘水電站多年平均年發(fā)電量。結(jié)果如表1所示。

從表1可知，利用枯水年法(75%)，采用等流量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行水能計算得到的歷史、RCP4.5、RCP8.5情景下的黃龍灘水電站保證出力分別為5.98、5.26、4.82 萬kW，與歷史入庫流量輸入計算得到的保證出力相比，RCP4.5未來情景下得到的保證出力降低了12.0%，而在RCP8.5未來情景下得到的保證出力降低了19.4%。未來氣候情景下入庫流量序列不均性增加，汛期水量更加豐沛、枯水期水量缺乏，供水期天然來流減少，降低了水電站的保證出力。

表1 各來水條件下黃龍灘水電站保證出力與多年平均年發(fā)電量Tab.1 Guaranteed output and multi-year average annual power generation of Huanglongtan Hydropower Station under various inflow conditions

利用平水年法，采用等流量調(diào)節(jié)方式進(jìn)行水能計算得到的歷史、RCP4.5、RCP8.5情景下的黃龍灘水電站多年平均年發(fā)電量分別為7.43、7.79、7.31 億kWh，與歷史入庫流量輸入計算得到的多年平均年發(fā)電量相比，RCP4.5未來情景下得到的多年平均年發(fā)電量增加了4.8%，而RCP8.5未來情景下得到的多年平均年發(fā)電量減少了1.6%。多年平均年發(fā)電量與水量及水庫的調(diào)蓄能力有關(guān)，在RCP4.5情景下模擬的未來入庫流量均值增大，水量增多，在水庫調(diào)蓄能力足夠的情況下，能夠較好的利用水能進(jìn)行發(fā)電。而RCP8.5未來情景下模擬的未來入庫流量均值改變較小，水量上無較大改變，年內(nèi)分配不均勻程度銳化使得汛期產(chǎn)生棄水、供水期發(fā)電流量較小的可能性增大，從而降低了年發(fā)電量。

4 結(jié) 論

本文利用未來全球氣候模式在代表性濃度路徑RCP4.5、RCP8.5下模擬黃龍灘水電站入庫流量，進(jìn)行一致性分析后，通過水能計算，定量的估計了氣候變化對水力發(fā)電影響的大小，模型和計算結(jié)果基本合理可行。主要結(jié)論如下。

(1)氣候變化影響下的未來徑流變化情況主要體現(xiàn)在年內(nèi)分配不均勻程度銳化，具體表現(xiàn)為汛期徑流增加，枯水期徑流減少，即“豐水更豐、枯水更枯”的特征；

(2)氣候變化帶來的影響使得未來徑流與歷史徑流的一致性發(fā)生改變，徑流序列的統(tǒng)計整體改變將給水電及水資源的利用開發(fā)帶來重大挑戰(zhàn)；

(3)未來徑流年內(nèi)分配不均勻程度銳化，給水電站發(fā)電出力帶來了更大的不穩(wěn)定性，降低了要求保證率下的發(fā)電出力。在未來氣候變化的影響下，水電站發(fā)電出力面臨著更大的挑戰(zhàn)；

氣候變化對水庫未來入庫流量的影響主要體現(xiàn)在流量序列的年內(nèi)與年際分配過程不均勻性增加，具體表現(xiàn)為“豐水越豐，枯水越枯”的特征。水力發(fā)電的保證出力降低，將會改變以歷史系列為基礎(chǔ)的設(shè)計值及以之為基礎(chǔ)的調(diào)度規(guī)則，給水電站調(diào)度提出了新的要求與挑戰(zhàn)。同時現(xiàn)有氣候模式的不確定性還需進(jìn)一步研究。