IPCC＿A1B情景下京杭运河21世纪中叶水资源条件时空演化

夏海斌， 乐 群

（1.华东师范大学 城市与城镇更新规划设计研究中心，上海 200062；2.华东师范大学 地理科学学院，上海 200241）

0 引 言

2014年6月，经过7年的努力，京杭大运河终于成功申遗.关于京杭运河的生态环境问题［1］、水质问题［2］、历史遗迹保护［3］、旅游资源开发与保护［4］、航运［5］等问题国内外诸多专家学者已经进行了深入的探讨.而这其中最为关键的是如何尽早地使得京杭运河能够全线通航.现在山东济宁以南的京杭大运河处于通航状态，而济宁以北，特别是过黄河之后的京杭运河自20世纪六七十年代以来长期处于断流和断航状态.只有使得京杭运河能够全线“活态”，其历史价值以及相关遗产的利用和保护才更具意义［6］.京杭运河全线“活化”和复航的关键是水资源的利用和调配［7］.因此，探讨京杭运河所经流域水资源的空间分布特征是科学解决京杭运河水源补给的关键所在.

全球气候变化已引起国际社会的普遍关注.2007年1月底，在法国巴黎发布的政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第4次评估报告指出“20世纪中期以来，气候变暖已经成为公认的事实，如何适应这种变化？如何减缓这个变化？将成为全球面临的严峻的挑战”［8］.Carly等指出像以色列这样的国家，由于气候变化所引起的降水量的改变较之气温变化要显得重要的多［9］.而对于中国而言全球变化所引起的区域水资源变化对京杭运河的复航的影响如何也是值得关注的问题，即有必要探讨一下全球变化条件下京杭运河水资源条件的时空演化问题.本文希望通过模拟全球变化下中国各流域水资源时空演化，并在此基础上探讨京杭运河所经流域的水资源的空间特征和变化趋势，分析京杭运河复航的水资源供给的可能性.

1 京杭运河概况

京杭大运河全长1 700 km，自北而南分别沟通海河、黄河、淮河、长江、钱塘江，涵盖中国东部大部分地区，降雨量从多年平均500 mm到1 500 mm，其所经地区的地形和水资源条件差别较大.由于京杭运河历史上几经疏浚改道，特别是公元1855年黄河改道，夺大清河于利津入海，致使山东境内黄河两岸的运河淤塞，导致其后漕运以黄河为界南北分运.而现在济宁以北的京杭运河基本处于断航的状态.由于历史上京杭运河几经改道，本文京杭运河的水资源条件的分析是基于现代的河道和水资源条件.

1.1 京杭运河的地形

京杭运河地处我国黄、淮、海冲积平原东部边缘地带及长江三角洲的里下河地区、太湖流域两大碟形洼地之内.沿运地势具有三起三伏的特点，起伏之差一般在20～40 m之间.北京至天津段，距离虽短，却高差悬殊，本段系京杭运河的第一降落段.天津往南地面逐渐隆起，到黄河现道止，为第一隆起段.大运河穿过黄河现道之处，是京杭运河最高地点，可视为京杭运河在黄淮之间的分水岭.运河过黄河到南旺以南，地面高度又逐渐降落，直到长江为止，为京杭运河第二降落段.长江以南，运河河床又逐渐隆起，到丹阳北部为最高点，这是第二隆起段，是江南运河的分水岭.丹阳至无锡崇德是第三降落段.从崇德到杭州，河床又略见隆起，这是第三隆起段.由于京杭运河各段地面高度不同，因此各段航道水流的方向也不相同.（见图1）.

图1 京杭运河沿线地势剖面图（来自姚汉源［10］，有修改）Fig.1 Terrain profile around the Beijing－Hangzhou Grand Canal（Yao Hanyuan，1988）

1.2 京杭运河水资源条件分析

京杭运河是不同时期利用许多天然河道、湖泊分段开挖连接而成的，全程共分7段（见图2），从北到南依次为：① 通惠河（北京—通县）.由温榆河、白浮泉、昆明湖和白河加以疏通而成.② 北运河（通县—天津）.利用潮白河下游开挖而成.③ 南运河（天津—临清）.利用卫河下游的一段天然河道开挖而成.④ 会通河，又称鲁运河（临清—台儿庄）.其中济宁以南沿途经南阳、独山、昭阳、微山湖（合称南四湖）等水面.济宁以北的南旺为京杭运河的分水岭，为了在水源上给会通河以接济，修建了著名的戴村坝，引大汶河水经小汶河在南旺分水“济运”，暨“南旺水利枢纽工程”.京杭运河济宁到黄河段运河沿线附近就形成了五个湖泊：安山湖（最北）、南旺湖、蜀山湖、马踏湖、马场湖（最南），合称“北五湖”，与“南四湖”相对应.北五湖现已先后全部干涸“消失”.成了残留在运河沿线的涝洼地，有的成为季节性湖泊.⑤ 中运河（台儿庄—淮阴）.利用泗水下游的一段天然河道开挖而成.⑥ 里运河（淮阴—扬州）.⑦ 江南运河（镇江—杭州）.江南运河北段夏秋以长江水为源，冬春以练湖水为源，建造闸座.江南运河中段，以太湖水为源，水源充足.江南运河南段，水位变动甚小，水多时，苕溪、上塘河、运河等分流洪水；水少时，太湖之水倒灌入运.现黄河以北的京杭运河基本处于断航状态.在现黄河以南地区的京杭运河，若干水系形成的天然或人工湖泊起到了提供京杭运河水源的“水柜”［11］的作用.图3和表1给出了京杭运河所经流域及相关水系空间分布关系.

图2 京杭大运河分段图（来自中国百科网，有修改）Fig.2 Sections of the Beijing－Hangzhou Grand Canal（Chinese Encyclopedia）

图3 京杭运河所经流域及相关水系空间分布Fig.3 Corresponding basins of the Grand Canal and spatial distribution of related streams

表1 京杭运河分段及对应的流域Tab.1 Sections of the Beijing－Hangzhou Grand Canal and the corresponding basins

从以上对京杭大运河的分段和流向可以看出，京杭运河的南北贯通需要解决沿途地形落差起伏所带来的诸多难题，而古代的水利工程专家通过充分利用沿途的天然流域、水系和湖泊，因势利导，辅以“分水济运”等水利工程，促成了京杭大运河的南北通航.现在面对如何重新复航京杭大运河，一些学者对京杭大运河全线复航可能性怀有质疑［12］，还有一些将京杭大运河复航寄希望于“南水北调”东线工程［13，4］，但是从长江至南旺分水脊，长江水需要累积提升30—40 m，近千米的运输距离，这意味着巨大的运营成本.因此探讨京杭大运河沿途流经流域现有水资源条件和未来（21世纪中叶）水资源条件的时空分布和演化趋势，结合古人在贯通京杭大运河的科学实践，在此基础上对京杭大运河复航进行新的探索是本文研究的重点.

2 气候变化下中国降水量模拟分析

为了探讨全球气候变化下中国当代（20世纪后期，以1981—2000年20年均值表示）和未来时期（21世纪中叶，以2041—2060年20年均值表示）气候变化对各流域降水的影响，本文以IPCC（政府间气候变化专门委员会）的A1B情景（CO2中等排放规模情景）模拟出当代降水模拟值（1981—2000年20年均值），见图4，以及21世纪中叶未来降水模拟值（2041—2060年20年均值），见图5.并在中国气象科学数据共享服务网上收集了1981—2000年20年平均降水实测数据.

本文采用了NCAR／PSU（美国国家大气研究中心／宾夕法尼亚大学）共同研究和发展至今的区域气候模式RegCM4，它被广泛应用于大范围的区域气候研究中［15－16］.考虑到未来气候变化过程中温室气体CO2的排放策略，选择全球环流模式EH5OM提供的IPCC报告中A1B情景（CO2中等排放规模情景）模拟数据，并作为驱动区域气候模式的初始场和侧边界条件，它对年平均温度及其变率的模拟与观测值比较接近，同时对降水的年际变化和季节也有较好的模拟性能［17］.模拟时间从2040年10月15日到2060年12月31日，其中2040年12月31日前的数据作为模拟初始化阶段.边界场海表面温度数据来自RegCM4网站SST＿A1B数据内插到模拟区域网格上.

图4 全国历史降水模拟值（1981－2000年20年平均值）Fig.4 Historicalprecipitation simulation value in China（Average values，1981—2000）

图5 全国未来降水模拟值（2041－2060年20年平均值）Fig.5 Futureprecipitation simulation value in China（Average values，2041—2060）

为了提高模拟的可靠性，我们将全球环流模式EH5OM提供的初始场和侧边界条件，单向嵌入RegCM4以驱动对中国当代气候1981－2000年水平分辨率为50 km的数值模拟，经过多次侧边界和积云对流参数化方案的敏感性试验，并与实测值进行对比分析，用以确定适合我国陆地区域且模拟性能较好的参数化方案，以检验RegCM4区域气候模式对我国多年气候平均态的模拟能力.模拟的区域中心是35°N，115°E，南北方向格点数是102，东西方向上的格点数为128.模式的垂直分层为18层，顶层的气压是5.0hPa，大气模块的积分步长为100 s，陆面模块的积分步长是300 s.陆面参数化方案选择的是BATS方案.侧边界指数松弛条件，每6 h输入一次以驱动区域气候模式.投影选择兰伯特投影，海洋通量参数化方案采用Zeng方案.驱动区域气候模式的初始场条件由EH5OM的当代气候资料RF模拟数据提供，模式模拟的时间从1980年11月1日到2001年2月1日，分析对比时选取1981－2000年的模拟数据.边界场的海表面温度数据来自RegCM4网站提供的SST＿20C数据内插到模拟区域网格上.对比资料包括东英吉利大学气候研究组的全球地表月平均资料（CRU）和美国国家环境预测中心提供的NCEP再分析场资料，来检验区域气候模拟对中国陆地地区的气候模拟能力.综合分析可以确定RegCM4模式对中国陆地地区气候模拟效果在目前没有更好模型的情况下还是令人满意的，完全可以用它开展对中国未来气候变化进行情景模拟试验.接下来将1981—2000年20年历史平均降水实测值与同时代IPCC的A1B情景下的模拟数据进行回归，回归的相关系数R达到0.71.由此看出以IPCC的A1B情景模拟出的当代平均降水模拟值基本接近于实测数据.

基于全国当代（1981—2000年20年均值，20世纪后期）和未来（2041—2060年20年均值，21世纪中叶）的降水量模拟，依照全国31个主要流域划分，运用ArcGIS空间叠加和统计功能，计算全国各流域的历史和未来降水量模拟值，并得到两者之间的变化值（见图6）.从图6可以看出，就全国分流域的多年平均降水量的变化而言，未来中国南方流域包括长江流域、珠江流域、元江－红河流域、东南沿海诸河流域，以及山东半岛诸河流域的降水量将会减少.而中国北方地区以及西南的横断山脉地区的降水量会有所增加.就京杭运河的流经流域而言，长江以南的江南运河所处的长江流域降水量会减少.长江以北淮河流域、黄河流域和海河流域的降水量略有增幅.

图6 中国各流域未来40—50年降水量变化Fig.6 Chang of precipitation in China in the next 40—50 years

气候变化对中国区域降水量的变化影响国内不少学者进行了探讨，江志红等［20］采用IPCC＿AR4模式A2、A1B及B1排放情景下21世纪末期的降水量预测，模拟显示各种排放情景下降水变化分布基本一致，年降水增加显著区域为华北、西北及东北地区，长江中下游沿海及以南地区有小幅增加.从降水量变化趋势北方多、南方少而言与本文模拟结果类似.胡伯彦等［21］利用IPCC的A1B情景对21世纪中期中国气候变化趋势进行模拟发现21世纪中期中国区域年总降水的趋势是除西北地区呈下降外，其他地区均为上升，其中江淮地区降水增加最快.钟军等［22］利用CCLM区域气候模式对中国2011－2050年的日降水进行了预估（SRES－A1B情景）发现降水峰度和偏度在江淮部分地区、东北及内蒙中东部等地区呈显著增加趋势，西北地区西部和中部局部降水极值趋于减弱.郝振纯等［23］利用IPCC第四次评估发布的22个全球气候模式模拟淮河流域降水变化，发现绝大多数GCMs模式预测的淮河流域年平均降水都呈增加趋势，A2情景趋势最大，A1B情景次之，B2情景最小.从以上文献与本文模拟结果进行对比，有几方面是相一致的：气候变化下中国各区域降水量变化差异较大，北部降水增多较南部明显.

为了更进一步考察气候变化下京杭大运河流经流域的降水量的变化，本文依据图3的水系的划分应用ArcGIS来计算各小流域的降水量变化.其中位于长江流域下游的太湖流域未来降水量（至21世纪中叶）将降低7.3%.而长江以北的淮河流域、黄河流域和海河流域的各子流域的降水量都将有不同程度的上升.其中海河流域的子牙河流域的降水量增幅为12.5%.其余小流域的增幅大体在5%左右（见图7和表2）.

图7 京杭运河未来40—50年流经流域的单位面积模拟降水量变化Fig.7 Chang of precipitationper unit area of the corresponding basins of the Grand Canal in the next 40—50 years

2 结论与讨论

2.1 京杭运河水资源时空变化趋势

未来京杭运河所流经流域的降水量的变化将直接影响其径流量的变化，从而也进一步影响着京杭运河的水源补给.需要指出的是水资源量的评估是一项十分复杂而繁琐的工作.评价一个流域的年水资源量一般是根据陆面水量平衡原理，还有地貌因素、地下水深埋、本区域耗水等.刘恒等［24］给出了区域水资源条件的15种指标，主要包括降水、蒸发、地表径流、地下水量、水质等方面.本文研究是基于20年的平均气候特征，对水资源的估算主要包含气温和降水两个气候因子，气温的上升主要影响蒸发量的大小.张永勤等［25］研究发现水资源条件对降水的敏感大于对气温的敏感.因此本文近似地用降水量的模拟值表示水资源量.

表2 京杭运河流经流域的模拟降水量及其变化趋势Tab.2 Chang of precipitation of the corresponding basins of the Grand Canal in the next 40－50 years

从总体态势上来看，京杭运河流经流域从南至北，降水量及其所所决定的径流量的绝对值南方大，北方小.但从未来的变化趋势而言，南部太湖流域为负增长，淮河流域、黄河流域及海河流域略有增长.现阶段京杭运河通航为济宁以南河段，其所经淮河各二级流域未来降水量及其对应的径流量幅度在4%～5%之间.太湖流域虽然降水量将有减少的趋势，但其绝对值在整个京杭运河各河段是最高，因此济宁以南运河通航无碍.黄河以北的海河各二级流域降水量增幅较大，大体在6%～8%之间，其中子牙河水系增幅最大，为12.53%.值得注意的是废黄河以北淮河流域的南四湖水系、骆马湖水系以及现属黄河流域的大汶河水系其水系流是向京杭运河集聚，形成了具有集水功能的“水柜”，而海河水系诸多河道由东向西分散入海，无法形成具有集水功能的“水柜”，因此未来京杭运河南旺山脊线以北的复航必须依赖于淮河流域及长江流域的水源供水.淮河流域主要是依托于其未来水资源的增量及水系流向的汇集优势，而长江流域的水源主要依托于绝对值大的优势.

2.2 对南水北调东线工程的水源的探讨

南水北调东线工程在黄河以南基本上依托于京杭运河，通过梯级泵站将长江水累计提高40 m左右越过淮河黄河流域分水界后再向北自流.从京杭运河所经流域的降水及相应的径流量变化趋势而言，淮河流域，特别是其北部的骆马湖水系及南四湖水系的水量在未来将有一定量增幅，如何做好未来淮河流域增加的降水量的问题需要与南水北调东线工程统筹考虑.从积极角度而言，未来淮河流域增加的降水量可以在较小的落差水平下供应黄河以北的运河用水，节约了梯级提水所需的能耗.

2.3 南旺分水枢纽工程及北五湖的功能恢复和利用

在清末黄河改道之前，京杭运河水脊（分水岭）在现济宁以北南旺镇，为了在水源上给鲁运河以接济，修建了著名的戴村坝，引大汶河水经小汶河在南旺分水“济运”，即“南旺分水枢纽工程”.该工程的核心思想是引位于较高海拔的汶河水，在京杭运河“水脊”地带形成若干具有蓄水功能的“水柜”，即“北五湖”，汶河水进入运河后“七分朝天子、三分下江南”，充分地保证了南旺以北的运河航运所需水量.但由于黄河改道大清河，经大清河入海，运河以黄河为南北航运，其后海运兴起、运河年久失修.现“北五湖”现已先后全部干涸“消失”.而大汶河水系成为黄河下游最大的支流水系，汇入东平湖后入黄河，大汶河完全丧失了“济运”的功能.而依托于未来淮河流域水资源量的增加，通过恢复南旺分水工程及“北五湖”不仅能够通过河道自流实现运河穿越“南旺水脊”（即现在的淮河流域与黄河流域的分水岭），同时能够“活态”保存京杭运河沿线最具世界文化遗产价值的“南旺分水枢纽工程”，此外在现今的“南四湖”及黄河边的“东平湖”之间恢复具有“水柜”功能的“北五湖”可以提高京杭运河水量的调节功能，同时对黄河南岸的生态环境也将有改善作用.

2.4 黄河以北的京杭运河的复航

京杭运河全线贯通的关键是黄河以北地区，但无论从黄河改道后的实际状态还是从现今海河流域的水系分布和水量状况，单靠黄河以北的海河流域的河道径流量是无法实现京杭运河的复航的.因此由黄河以南的运河向北“济水”是唯一可行的办法.现在南水北调东线工程在黄河以南依托于京杭运河水道，采取隧道过黄河的方法，黄河以北主要以涵管方式输水，这样就使得黄河以北京杭运河的复航遥遥无期.事实上，无论是“平交穿黄”还是“隧道穿黄”，关键是尽早依托黄河以南水源恢复黄河以北的京杭运河水道，复航是对京杭运河最好的保护.

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