[加拿大] E. 哈桑扎德 等

水文水資源

供水不確定性隨機(jī)模擬分析應(yīng)用研究
——以加拿大薩斯喀徹溫省流域水資源綜合管理為例

[加拿大] E. 哈桑扎德 等

氣候變暖和土地管理集約化改變了全球大多數(shù)地區(qū)的供水特征。因此，從科學(xué)和社會(huì)的角度，將供水不確定性納入長(zhǎng)期的水資源規(guī)劃和管理十分重要?；诖嗳跣栽u(píng)估的新方法，對(duì)供水變化和需求擴(kuò)張下的水資源綜合管理進(jìn)行了系統(tǒng)分析。分析對(duì)象為加拿大跨省的薩斯喀徹溫河流域，薩斯喀徹溫河水資源保障了該流域市政、工業(yè)及農(nóng)業(yè)灌溉和水力發(fā)電的用水需求。為探索當(dāng)前及未來供水不確定性和灌溉需求增長(zhǎng)條件下對(duì)水資源系統(tǒng)的聯(lián)合效應(yīng)，學(xué)者提出了擴(kuò)大灌溉面積。擴(kuò)大灌溉面積可能顯著影響到北美最大的內(nèi)陸三角洲，即薩斯喀徹溫河三角洲枯水期的峰值流量。研究證實(shí)了對(duì)系統(tǒng)的脆弱性開展隨機(jī)分析的實(shí)用性，采用隨機(jī)分析，可方便人們直觀表達(dá)并理解社會(huì)經(jīng)濟(jì)權(quán)衡這一概念。此性能評(píng)估有助于基于供水不確定性的長(zhǎng)期水資源規(guī)劃和管理。

水資源綜合管理；水資源配置；管理和規(guī)劃模型(SWAMPSK)；脆弱性評(píng)估；薩斯喀徹溫河；加拿大

1 概 述

由于需水量的日益增長(zhǎng)和供水的不確定性，水資源管理將會(huì)對(duì)有限淡水資源的配置發(fā)揮關(guān)鍵作用。雖然歷史數(shù)據(jù)已被用于長(zhǎng)期的水資源規(guī)劃，但有學(xué)者對(duì)這些記錄是否能準(zhǔn)確描述未來的氣候和水文變化情況一直存在質(zhì)疑。他們把穩(wěn)定性定義為不突破歷史水文特征(如年徑流量和峰值發(fā)生時(shí)間)變化范圍，并提出氣候變化和人類對(duì)自然水資源的開發(fā)利用已經(jīng)破壞了這一穩(wěn)定性。人們不再用與歷史徑流相關(guān)的概率密度函數(shù)來作為當(dāng)前和未來水資源決策的準(zhǔn)確依據(jù)。因此，水資源管理的非穩(wěn)定性引起了廣泛的討論。

很多模型已被用來評(píng)估未來徑流狀況，但其結(jié)果取決于氣候模型的選擇、排放情景、降尺度方法以及水文模型的選擇。鑒于與之相關(guān)聯(lián)的如氣候模型結(jié)果的高度不確定性，許多學(xué)者建議在將非穩(wěn)定性分析整合至水資源管理時(shí)不要直接使用氣候模型。有學(xué)者提出了一個(gè)從利益相關(guān)者的需求到區(qū)域脆弱性評(píng)價(jià)的至下而上的構(gòu)架，并將該方法歸類于穩(wěn)健型決策、決策擴(kuò)展、不確定性分析和多目標(biāo)穩(wěn)健型決策。盡管這些方法避免了使用全球氣候模型(GCM)和與其相關(guān)的不確定性，但水文模型的不確定性在相關(guān)決策分析中仍是問題。事實(shí)上，水文模型中的不確定性可能與相關(guān)氣候模型中的不確定性相同甚至更大。這種局限性導(dǎo)致了水文模型不能用于系統(tǒng)脆弱性評(píng)估。有學(xué)者提出了一種基于隨機(jī)合成徑流序列的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和敏感度分析方法，此序列與長(zhǎng)期徑流特征變化相關(guān)，并且將合成徑流的模擬曲線運(yùn)用于水資源脆弱性分析中。

該案例研究是為了將上述新方法運(yùn)用于水資源系統(tǒng)脆弱性分析，并加以擴(kuò)展，將不斷變化的用水需求和供水狀況結(jié)合起來加以分析。此脆弱性分析方法以跨省的薩斯喀徹溫河流域(SaskRB)，尤其是以加拿大西部的薩斯喀徹溫省的水資源系統(tǒng)為研究對(duì)象。上游的艾伯塔省是薩斯喀徹溫河(SR)的主要徑流區(qū)。薩斯喀徹溫省的水資源管理面臨著兩個(gè)主要的挑戰(zhàn)：①氣候變暖改變了艾伯塔省的徑流特征，該特征是薩斯喀徹溫省供水的決定性因素；②盡管農(nóng)業(yè)發(fā)展會(huì)導(dǎo)致各種后果，但薩斯喀徹溫省計(jì)劃在未來增加400%的農(nóng)業(yè)灌溉面積。供水的變化和發(fā)展?fàn)顩r會(huì)影響到水資源系統(tǒng)，這是一個(gè)重要的科學(xué)和政策問題。

本文介紹了一系列薩斯喀徹溫省改變供水條件和不同農(nóng)業(yè)開發(fā)程度的水資源系統(tǒng)的脆弱性評(píng)定分析。①在已有研究基礎(chǔ)上重設(shè)艾伯塔省-薩斯喀徹溫省 (AB-SK) 邊界的徑流參數(shù)。②進(jìn)一步驗(yàn)證此隨機(jī)重建方案，以確保徑流能充分反映不斷變化的供水條件。早期的驗(yàn)證結(jié)果只關(guān)注在重建序列內(nèi)保存下來的徑流長(zhǎng)期特性和時(shí)間依賴性結(jié)構(gòu)。本文深入研究了合成序列如何保存歷史上的逐周流量歷時(shí)曲線、年際特征和空間依賴性。③將重建的徑流與擴(kuò)大灌溉面積情景一并輸入為薩斯喀徹溫省開發(fā)的水資源綜合管理模型。此案例研究中的模擬結(jié)果反映出了許多水利部門潛在的社會(huì)經(jīng)濟(jì)脆弱性，并可向決策者告知此系統(tǒng)中可能面臨的權(quán)衡取舍。

圖1 加拿大薩斯喀徹溫省SaskRB水資源系統(tǒng)概略(包括主要徑流、水庫(kù)和各種用水需求)

2 案例研究

圖1為加拿大薩斯喀徹溫省SaskRB的示意圖，箭頭代表河道，主要河道用實(shí)線箭頭表示，關(guān)鍵的水流改道用虛線箭頭表示。按照加拿大3個(gè)西部草原省份(艾伯塔省, 薩斯喀徹溫省和馬尼托巴省)要求批準(zhǔn)的“水資源分配主協(xié)議(1969)”，艾伯塔省應(yīng)將一半薩斯喀徹溫河水量分配給薩斯喀徹溫省。反過來薩斯喀徹溫省也要將一半的水量分配給馬尼托巴省。薩斯喀徹溫省約80%的供水來源于北薩斯喀徹溫河 (NSR)和南薩斯喀徹溫河(SSR)。只有20%的供水由省內(nèi)的河流提供。NSR和SSR流域面積在艾伯塔省和薩斯喀徹溫省境內(nèi)分別為122 800 km2和146 100 km2，在兩省交界處的年平均流量分別為213 m3/s和215 m3/s。薩斯喀徹溫省境內(nèi)的SSR流入迪芬貝克(Diefenbaker)水庫(kù)，該水庫(kù)庫(kù)容約94億m3，具有供水、防洪、保證生態(tài)用水等多項(xiàng)功能。它也向兩個(gè)子系統(tǒng)輸水，以用于農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電和滿足下游流量的要求。目前薩斯喀徹溫省的水資源系統(tǒng)灌溉面積約為24 100 hm2。根據(jù)目前的運(yùn)行政策，SSR下游的迪芬貝克水庫(kù)環(huán)境需水最小流量為42.5 m3/s，這可通過位于庫(kù)區(qū)的克托(Coteau)河水電站進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)調(diào)節(jié)，迪芬貝克水庫(kù)下游的SSR徑流可為多個(gè)社區(qū)和城市，包括加拿大的薩斯卡通(Saskatoon)市供水。該市境內(nèi)， SSR河的水流匯入NSR形成薩斯喀徹溫河。該河經(jīng)過2座水電站，即尼帕溫(Nipawin)電站和E.B. 壩貝爾(Campbell)電站，繼續(xù)延伸至薩斯喀徹溫河三角洲(SRD)。三角洲地帶為多種獸類、鳥類和魚類物種(包括瀕危物種，如湖鱘)的家園。這樣的環(huán)境多樣性對(duì)于依靠捕魚、打獵和誘捕動(dòng)物為生的土著居民有著較高的文化、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。雖然SR徑流峰值對(duì)于補(bǔ)充SRD生態(tài)系統(tǒng)非常重要，但SRD特大洪水可能對(duì)土著部落造成災(zāi)害，并威脅到他們的安全。SR最終流入馬尼托巴省。

在加拿大大草原，供水的關(guān)鍵水文特征取決于兩個(gè)年徑流特性，即年徑流量和年度峰值時(shí)間。這些徑流特性的變化超過可操作的臨界值時(shí)，水資源系統(tǒng)各種形式的脆弱性便會(huì)顯現(xiàn)。冬季氣候變暖和融雪模式的改變以及冰川融化和艾伯塔省的人類活動(dòng)可能會(huì)影響AB-SK邊界的SSR和NSR年徑流量和發(fā)生的時(shí)間。曾有學(xué)者預(yù)計(jì)SSR每年水量變幅為-22%～8%。他們還發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域溫度的預(yù)計(jì)上升將導(dǎo)致薩斯喀徹溫省冬季變暖且變短，從而影響草原春季融雪和夏季降水的時(shí)間。北薩斯喀徹溫省流域聯(lián)盟估計(jì)NSR每年徑流量的變幅為-23%～15%。NSR和SSR供水的不確定性對(duì)薩斯喀徹溫省經(jīng)濟(jì)和水資源的長(zhǎng)期規(guī)劃是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

應(yīng)謹(jǐn)慎考慮擴(kuò)大灌溉面積，因?yàn)槟壳八_斯喀徹溫省灌溉消耗水量所占比重最大。在供水條件不斷變化和灌溉面積擴(kuò)大的情況下，城市和工業(yè)用水需求短缺并不是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，因?yàn)檫@些需求在水資源系統(tǒng)中具有高度優(yōu)先權(quán)。多年平均情況下，用水僅占年徑流量的20%，并且城市和工業(yè)的用水需求很容易得到滿足。雖然該系統(tǒng)的水可能足以用來滿足多年平均用水需求，但SRD徑流變化、灌溉和非消耗性的水力發(fā)電的平衡及系統(tǒng)應(yīng)對(duì)干旱和洪水的響應(yīng)須受到更多的關(guān)注。

3 方法與材料

本研究的主要目的是評(píng)估在供水條件發(fā)生變化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的條件下SaskRB系統(tǒng)的脆弱性。為此應(yīng)開展以下工作：①基于該流域地理特征、氣候模型預(yù)測(cè)結(jié)果及人類活動(dòng)對(duì)該地區(qū)供水變化的潛在影響，評(píng)估供水條件可能會(huì)發(fā)生的變化；②隨機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)徑流狀況選擇性變化的大匯流;③生成的匯流與經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃均輸入水資源開發(fā)綜合模型(面向薩斯喀徹溫(SWAMPSK)的可持續(xù)發(fā)展水資源配置、管理和規(guī)劃模型)。

3.1 SWAMPSK模型

SWAMPSK是哈桑扎德等學(xué)者針對(duì)在薩斯喀徹溫省境內(nèi)的SaskRB開發(fā)的水資源綜合模型。模型使用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法，廣泛用于水資源建模和管理。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法在近來的水資源研究中已得到驗(yàn)證。SWAMPSK包括動(dòng)態(tài)灌溉需求的計(jì)算和經(jīng)濟(jì)評(píng)估方案。SWAMPSK中的土壤-水分模型在評(píng)估薩斯喀徹溫省主要農(nóng)作物灌溉用水需求時(shí)考慮了氣候和土壤濕度前提條件。水的主要經(jīng)濟(jì)價(jià)值體現(xiàn)在灌溉和發(fā)電上，這通過作物單位產(chǎn)量所需水量和發(fā)電總成本及收益來計(jì)算。該模型的模擬精度通過比較SWAMPSK水量分配組件的模擬結(jié)果與現(xiàn)有的運(yùn)營(yíng)模式和觀察記錄進(jìn)行了驗(yàn)證。SWAMPSK模型的時(shí)間分辨率是每周，時(shí)間跨度為1980～2010年。

3.2 徑流隨機(jī)重建

有學(xué)者提出了隨機(jī)方案用以系統(tǒng)地生成預(yù)期變化下的年徑流量和峰值時(shí)間。簡(jiǎn)言之，該方法使用歷史記錄的逐周流量的經(jīng)驗(yàn)分布規(guī)律，在一些簡(jiǎn)單的假設(shè)下將其打亂后分為兩組，并使用這些擾亂的經(jīng)驗(yàn)分布數(shù)據(jù)產(chǎn)生新的在年均流量和峰值時(shí)間下預(yù)定義的徑流變化。首先，算法中應(yīng)納入一組觀察所得具有每周徑流量的可預(yù)期變化年徑流序列(乘法變化因子)和每年出現(xiàn)峰值的時(shí)間(添加變化因子)。然后，添加的變化因子應(yīng)適用于基于一個(gè)簡(jiǎn)單假設(shè)的年流量序列，得到一個(gè)移位的年際水位圖。移位年徑流量水文圖提供了一套新的周流量中級(jí)經(jīng)驗(yàn)分布。這套新經(jīng)驗(yàn)分布使用分位數(shù)映射的乘法轉(zhuǎn)變因素進(jìn)行進(jìn)一步擾動(dòng)。一組擾動(dòng)的逐周經(jīng)驗(yàn)分布結(jié)果可以保證年際徑流量和峰值時(shí)間的隨機(jī)徑流的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)保留了逐周徑流的時(shí)間自相關(guān)。隨機(jī)抽樣程序基于耦合方法，采用了高斯系數(shù)維持生成年際流量水位圖的暫時(shí)依賴性結(jié)構(gòu)?？捎媚陱搅髁亢头逯党霈F(xiàn)時(shí)間的多組變化重復(fù)該過程，以重建范圍較廣的水流特性的徑流量。

3.3 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了評(píng)估不確定供水條件下薩斯喀徹溫河水資源系統(tǒng)的性能，在AB-SK邊界重建了NSR和SSR徑流量。所選流域每年的流量變幅為-25%～25%，年度水文峰值時(shí)間為-5～8周。年徑流量和流量峰值發(fā)生時(shí)間的指示性變化，可以表示艾伯塔省季節(jié)性需水和水資源管理的影響。

NSR和SSR徑流量的空間依賴性與徑流量重建有關(guān)。p值對(duì)應(yīng)的SSR和NSR歷史上的每周徑流量之間的空間相關(guān)性非常顯著(見圖2)。分析表明，除了12月至次年4月(冬季低流量條件下)每周NSR和SSR流量均顯著相關(guān)(p<0.05)，因此，這種相關(guān)性必須用徑流量重建表示。為了共同重建SSR和NSR徑流量，首先通過預(yù)測(cè)歷史時(shí)間和徑流量產(chǎn)生每周SSR徑流量。對(duì)于有顯著相關(guān)性的幾周，利用線性回歸合成SSR徑流量并基于此流量重建每周NSR流量。每周線性回歸模型采用了SSR的每周實(shí)測(cè)流量作為預(yù)測(cè)變量，并以NSR每周實(shí)測(cè)流量作為預(yù)報(bào)值進(jìn)行參數(shù)化。

圖2 1980～2010年AB-SK邊界的SSR和NSR每周歷史流量之間的空間相關(guān)性分析

考慮了年度徑流流量和每年峰值出現(xiàn)的時(shí)間的變化，即分別用5%和1周步長(zhǎng)將流域網(wǎng)格化。因此，考慮了154個(gè)單元格(11×14每年的流量和峰值出現(xiàn)時(shí)間的變化組合)。對(duì)于每一個(gè)單元格， 生成了每周流量31 a徑流時(shí)間序列(1980～2010年)的200種體現(xiàn)方式，并在模擬期間重建了共30 800(200×154)種流量體現(xiàn)方式。一組(x,y)定義一個(gè)單元格，描述了200種表現(xiàn)形式，其徑流時(shí)間序列不同，但每周年度峰值時(shí)間變化(y)和相對(duì)年際徑流量(x)的徑流具體特性相同。因此，采用歷史每年洪峰出現(xiàn)的時(shí)間和徑流量對(duì)200種徑流體現(xiàn)方式進(jìn)行了標(biāo)記(0,0)。

為了探討擴(kuò)大灌溉面積的可行性，根據(jù)當(dāng)前和可替代的灌溉發(fā)展水平評(píng)估了不確定供水對(duì)水的可利用性影響。簡(jiǎn)言之，S0根據(jù)目前的灌溉需求和前面所述的改變供水條件模擬了SaskRB。情景S1、S2、S3和S4分別模擬了綜合且不確定供水條件下和灌溉面積增加100%， 200%， 300%和400%下的系統(tǒng)，并強(qiáng)調(diào)應(yīng)權(quán)衡基于這些灌溉計(jì)劃所產(chǎn)生的利益和對(duì)其他用水產(chǎn)生的潛在影響。

4 結(jié) 果

4.1 AB-SK邊界重建徑流的檢測(cè)

圖3為在AB-SK邊界重建的SSR長(zhǎng)期年度水位過程線的合集(平均超過31 a)，考慮了年度流量和年度峰值出現(xiàn)時(shí)間的預(yù)定變化范圍。暗區(qū)顯示了整個(gè)合集;光區(qū)突出了歷史上流域沒有改變的重建合集(0，0)。虛線表示預(yù)期的(平均涵蓋200種體現(xiàn)方式)在單元格(0,0)長(zhǎng)期水文體現(xiàn)方式，其與長(zhǎng)期水文(實(shí)線)擬合相當(dāng)好。預(yù)期的長(zhǎng)期水文單元格(-4，-10%)，(4，10%)，(-2，20%)，和(2，-20%)也示于該圖中。

圖3 AB-SK邊界SSR每年預(yù)期的流量過程線(AFH)

圖4 實(shí)測(cè)水流流量過程曲線(實(shí)線)與SSR和NSR水流重構(gòu)合集對(duì)比

圖4為在單元格(0,0)下每周實(shí)測(cè)流量的水流持續(xù)曲線與200種重建水流體現(xiàn)形式。持續(xù)水流曲線表示每周流量的量級(jí)和當(dāng)它們超出模擬周期的時(shí)間百分比。對(duì)于SSR，重建水流的包線包括實(shí)測(cè)水流。對(duì)于NSR，對(duì)比歷史NSR水流量，水流的重建包線在所呈現(xiàn)的值上呈現(xiàn)為上游較小，下游更小，而其余流量歷史曲線部分則更大。然而，一般水流的重構(gòu)包線會(huì)充分覆蓋所觀察到的記錄。

重建徑流的年際屬性，特別是干旱序列的檢測(cè)有助于進(jìn)一步觀察重建和實(shí)測(cè)水流間的相似之處。在此，干旱年被定義為年平均流量小于長(zhǎng)系列的多年平均的年份。圖5為通過SSR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和在(0,0)下與31 a模擬一致的重建體現(xiàn)形式的干旱柱狀圖。圖中呈現(xiàn)了所有干旱序列表現(xiàn)形式及平均狀況。重建的表現(xiàn)形式示出了與觀測(cè)到的干旱序列相對(duì)比的類似干旱年系列。

圖5 實(shí)測(cè)流量的干旱序列與重建的SSR水流干旱序列的比較

圖6 NRS實(shí)測(cè)水流同隨機(jī)重建NSR水流與基于SSR水流估計(jì)的NSR水流的時(shí)間相關(guān)矩陣

理想情況下，重建或基于SSR重建的SSR流量合成徑流時(shí)，需要保持與實(shí)測(cè)NSR相同的時(shí)間結(jié)構(gòu)。圖6(a)為NSR實(shí)測(cè)流量的逐周相關(guān)矩陣圖，圖6(b)為重建NSR流量的隨機(jī)性和獨(dú)立性，圖6(c)為基于重建SSR流量的NSR估計(jì)徑流。除了一些小差異，實(shí)測(cè)徑流的主要時(shí)間特征，不管是獨(dú)立生成還是基于SSR徑流的NSR線性估計(jì)，都被保留下來?；谶@些數(shù)據(jù)分析得出，對(duì)于NSR和SSR合成的徑流，可用于探索供水條件改變下的水資源系統(tǒng)特征。

4.2 對(duì)市政用水的影響

敏感性分析的結(jié)果表明，市政部門很難在供水方面做出改變，也沒有去考慮發(fā)展的條件，因?yàn)樗麄冊(cè)谀壳暗倪\(yùn)行框架中享有高度優(yōu)先權(quán)。當(dāng)前環(huán)境流量需求較低(42.5 m3/s)，并且可以在不同的情景和當(dāng)前運(yùn)行政策中獲得支持。

4.3 對(duì)薩斯喀徹溫省分配協(xié)議的影響

根據(jù)該協(xié)議，薩斯喀徹溫省必須通過SR提供入流和本地流量的50%到馬尼托巴省。分配的比例由流入馬尼托巴省超過本地年徑流量和來自艾伯塔省年徑流量之和所定。分配徑流比(%)必須等于或超過50%。為了研究符合該協(xié)議的流量，基于SR徑流重建的表現(xiàn)形式分析了最小的合約流量。首先，計(jì)算了每種表現(xiàn)形式31 a模擬期最低分配流量。然后，提取每個(gè)單元格中200多種表現(xiàn)形式的最小分配流量作為該單元格最低合約分配流量。

因?yàn)樵u(píng)估(見“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬”)有154個(gè)單元格，總共獲得154種灌溉開發(fā)情景最低分配流量，并計(jì)算相應(yīng)的非超越概率。不同開發(fā)方案的結(jié)果示于圖7。為零的非超越概率和相應(yīng)的分配流量表明，在所有的開發(fā)方案下，薩斯喀徹溫省至少可以分配超過50%的水到下游地區(qū)。

圖7 灌溉發(fā)展情景下和供水條件發(fā)生改變時(shí)馬尼托巴省水分?jǐn)偭康淖钚》浅礁怕?/p>

4.4 對(duì)薩斯喀徹溫河三角洲的影響

通過SR洪水頻率的變化研究上游供水變化和SRD灌溉發(fā)展的影響。水安全機(jī)構(gòu)指出，SR流量超過2 500 m3/s時(shí)，坎伯蘭地區(qū)可能發(fā)生洪水。事實(shí)上，在過去每周SRD都會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)高于2 500 m3/s的流量。例如，2013年艾伯塔省洪水期間，6月的最后一周SRD平均流量為3 700 m3/s，許多人員從坎伯蘭撤離。在供選擇的情景下探索SR洪水頻率的變化，統(tǒng)計(jì)每個(gè)SR流量超過2 500 m3/s的年份數(shù)量。對(duì)于(-4，25%)，(0，0)，(4，25%)每種情況下，計(jì)算了200種表現(xiàn)形式中經(jīng)歷洪水的百分比，分析了每年洪水事件。強(qiáng)調(diào)洪水頻率對(duì)供水條件的變化比增加灌溉面積更為敏感。當(dāng)SSR和NSR流量增加25%，并且在4周后轉(zhuǎn)移，灌溉面積的增加不會(huì)改變SR洪水頻率。甚至在(0,0)條件下，灌溉面積增加對(duì)洪水頻率的影響也較小。與(0，0)，(4，25%)條件相比所有(-4，25%)的洪水頻率明顯下降，這表明降低上游供水條件可以顯著減少SR徑流峰值的數(shù)量。此外，在(-4，25%)單元格，灌溉面積增加可以大大影響SR徑流峰值的發(fā)生頻率。例如，(-4，25%)情況下，S4(9%)情景下1 a中洪水發(fā)生的百分比至少大約是S0(20%)的一半。

4.5 對(duì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的影響

圖8 灌溉農(nóng)業(yè)NB值對(duì)供水和灌溉發(fā)展水平發(fā)生改變的敏感性

在該節(jié)中，評(píng)估和解釋了不確定的供水和農(nóng)業(yè)發(fā)展計(jì)劃對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)和水力發(fā)電經(jīng)濟(jì)的影響。結(jié)果表明，根據(jù)現(xiàn)行的運(yùn)營(yíng)管理，工業(yè)和礦業(yè)需求對(duì)供水和灌溉面積擴(kuò)大的變化不敏感。灌溉農(nóng)業(yè)的年均凈收益(NB)是基于灌溉面積擴(kuò)大情景、水資源可利用量以及成本和收入值計(jì)算的。總之，NB是通過從灌溉農(nóng)業(yè)的總收入減去總成本計(jì)算得出的。圖8示出了供水和利用響應(yīng)面的灌溉面積擴(kuò)大的各種組合的凈收益。圖中，通過200種表現(xiàn)形式得出灌溉農(nóng)業(yè)平均、最小和最大凈收益，被分別呈現(xiàn)在上、中和下列。結(jié)果表明，流量的變化對(duì)與灌溉農(nóng)業(yè)相關(guān)的凈收益有影響，但高峰時(shí)間的變化所帶來的影響是有限的。圖8也意味著隨著灌溉面積的增加(從左移至右)，滿足農(nóng)業(yè)需求的風(fēng)險(xiǎn)也在上升。例如，根據(jù)供水條件，S4中灌溉農(nóng)業(yè)的平均凈收益變化為1 000萬～6 500萬美元。考慮到最小的凈收益和從S0到S4的變化，當(dāng)供水減少時(shí)，凈收益可能為負(fù)值。S4中最小的凈收益從-5 000萬～5 000萬美元不等，凈收益變成負(fù)值是由于年徑流下降了5%。考慮這些結(jié)果，可以認(rèn)為，在當(dāng)前灌溉面積(S0)和可變的供水條件(包括干旱)下，農(nóng)民可能會(huì)獲得較低但相當(dāng)穩(wěn)定的收入。然而，如圖8所示，通過增加灌溉面積400%，在豐水年，農(nóng)民的收入會(huì)顯著增加，在干旱年份，隨著凈收益為負(fù)值而減少。這個(gè)問題表明，決定擴(kuò)大農(nóng)業(yè)灌溉面積可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，并且需要額外的風(fēng)險(xiǎn)分析。

重復(fù)相同的分析來探討年均水電凈收益的變化(見圖9)。與圖8相似，在不同的列顯示了平均、最小和最大水電凈收益。水電凈收益對(duì)年際徑流量變化很敏感，但對(duì)年峰值出現(xiàn)的時(shí)間不敏感。此外，從左到右，對(duì)年度水力發(fā)電凈收益來說，灌溉面積增加的影響比徑流情況變化的影響要小。任何灌溉需求的增加都會(huì)減少夏季水力發(fā)電量。然而，因?yàn)樗Πl(fā)電的峰值出現(xiàn)在冬季，灌溉需求沒有顯著降低年度水力發(fā)電量。

圖9 水電NB值對(duì)供水和灌溉發(fā)展水平發(fā)生改變的敏感性

4.6 徑流重建途徑的系統(tǒng)敏感性

本研究中提出的結(jié)果是在獨(dú)立生成SSR徑流和基于SSR徑流估算的NSR徑流下獲得的。在本節(jié)中，重復(fù)重建測(cè)試程序用以估計(jì)基于NSR徑流生成的SSR徑流，進(jìn)而評(píng)估徑流重建途徑的系統(tǒng)敏感性。針對(duì)不同部門的模擬結(jié)果意味著在變化的徑流情景下各部門行為的整體模式在兩種重建途徑下是一致的。然而，對(duì)于變化的量級(jí)，兩種重建途徑稍有不同。對(duì)比基于NSR重建的SSR與現(xiàn)有灌溉水平下基于SSR重建的NSR，分析了水電凈收益比率的變化。結(jié)果表明，這兩種重建途徑最大差異大約是5%，它發(fā)生在極端徑流條件下。在極端高或低流量條件下，兩種重建途徑存在一個(gè)系統(tǒng)差別。剩余的徑流條件下，兩種途徑之間的差異僅僅是由于隨機(jī)誤差造成的。

4.7 水資源系統(tǒng)對(duì)氣候條件變化的敏感性

基于簡(jiǎn)單的敏感性分析，說明氣候變化條件下對(duì)灌溉需求以及水資源系統(tǒng)的影響?；谖墨I(xiàn)資料，該地區(qū)年降水量的變幅為-10%～15%，年氣溫升高最大值為3.5℃。從溫度升高3.5℃和降雨量下降10%的變化中利于蒙特卡洛抽樣生成200個(gè)表現(xiàn)形式。為了表現(xiàn)出最壞的情況，結(jié)果只顯示灌溉面積增加400%和單元格中低徑流情況(-4，25%)。在SWAMPSK中，氣候條件的變化通過作物需水量和土壤水分的變化直接反映到灌溉用水需求的影響上。降雨和溫度的改變(通過蒸發(fā))也直接影響了水庫(kù)水位。灌溉水源來自迪芬貝克水庫(kù)，因此灌溉需求的變化間接影響到迪芬貝克水庫(kù)的水位。SWAMPSK運(yùn)行使用的是所選的情景變化。分析了迪芬貝克水庫(kù)和薩斯卡通水庫(kù)下游SSR徑流的模擬結(jié)果。這兩個(gè)系統(tǒng)變量的變化可以充分代表供水系統(tǒng)條件的狀態(tài)。結(jié)果基于歷史氣候條件以及氣候條件的變化。分析表明，在低徑流和大面積灌溉條件下，氣溫升高加上降水減少僅僅在干旱時(shí)期可以輕微地影響迪芬貝克水庫(kù)水位。氣候條件的變化對(duì)SSR下游徑流影響不明顯。這種快速的敏感性分析表明，評(píng)估灌溉需水量以及水資源系統(tǒng)對(duì)氣候變化條件的敏感性可能是有價(jià)值的，但從SaskRB區(qū)域性水資源管理角度而言，其重要性不及來水量的變化。

5 討論與結(jié)論

本研究應(yīng)用了將不確定的供水概念與水資源綜合模型相結(jié)合的一種水資源脆弱性評(píng)估。該過程包括構(gòu)建大范圍的隨機(jī)徑流，對(duì)應(yīng)于當(dāng)前和未來可能的徑流特征，并使用通過水電經(jīng)濟(jì)綜合模型生成的合成徑流集進(jìn)行水資源系統(tǒng)綜合分析。為了說明這一點(diǎn)，選擇在加拿大薩斯喀徹溫省境內(nèi)的SaskRB，用一個(gè)可以容納潛在流動(dòng)特性變化的隨機(jī)重建程序生成了艾伯塔省-薩斯喀徹溫省邊界流。合成徑流的包線，包括了30 800種表現(xiàn)形式，并綜合考慮目前灌溉發(fā)展的建議(灌溉面積增加400%)來評(píng)估改變供水條件對(duì)水資源系統(tǒng)發(fā)展的影響。使用SWAMPSK作為一個(gè)集成的水資源管理模型，研究發(fā)現(xiàn)，流態(tài)和灌溉發(fā)展的變化會(huì)影響薩斯喀徹溫省河水的各種用途，然而對(duì)用水部門而言，這種影響的程度會(huì)有很大不同。盡管減少供水和大型農(nóng)業(yè)擴(kuò)張降低了馬尼托巴省下游的配水量，但從SR流出的水量仍可以滿足所有供水和灌溉面積擴(kuò)大情景下的省際間用水需求。結(jié)果還表明，流態(tài)變化的影響比下游SRD灌溉面積的增加更顯著。然而，當(dāng)上游徑流減少時(shí)，灌溉面積的增加會(huì)顯著減少SRD徑流峰值的頻率(比如徑流下降了25%)。相對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉面積的增加，水力發(fā)電部門可能更加會(huì)受流態(tài)變化的影響。結(jié)果表明，增加灌溉面積并不一定會(huì)增加該區(qū)域凈收入，這取決于徑流量和灌溉面積增加的程度。灌溉面積增加對(duì)地表和地下水環(huán)境有影響是公認(rèn)的，然而這些影響并不包括在這項(xiàng)研究?jī)?nèi)。建議開展適應(yīng)性水資源系統(tǒng)管理實(shí)踐的可行性研究，以使薩斯喀徹溫省水資源利用風(fēng)險(xiǎn)最小化和/或利用效益最大化。因此，可以在政策決策中更新針對(duì)水資源系統(tǒng)的響應(yīng)面和壓力測(cè)試分析，從而使各種管理方案的結(jié)果可視化。

本研究存在一些局限性，在未來應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。如研究中是假設(shè)年峰值和年徑流量時(shí)間的變化來充分表征徑流條件的變化。在未來，可尋求保存空間相關(guān)性的改進(jìn)方法。在整個(gè)31 a模擬時(shí)期，水庫(kù)運(yùn)營(yíng)政策保持不變。事實(shí)上這是不可能的，因?yàn)樗Y源管理者將應(yīng)用適應(yīng)性管理策略來面對(duì)徑流特征的變化。同時(shí)還建議使用氣候預(yù)測(cè)和隨機(jī)變化形式來識(shí)別未來可能會(huì)產(chǎn)生的結(jié)果，此外，每個(gè)單元的200個(gè)表現(xiàn)形式都是通過一個(gè)單一的值表現(xiàn)。在未來的分析中，建議呈現(xiàn)出每個(gè)單元所有表現(xiàn)形式的可變性和關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)。

總之，構(gòu)建模擬不同供水情景，利用水資源綜合模型分析其對(duì)系統(tǒng)敏感性的影響，得出了供水狀況的變化會(huì)對(duì)市政、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)造成的影響，對(duì)在全球其他地區(qū)供水不確定性情形下水資源系統(tǒng)的績(jī)效評(píng)估是一個(gè)可行且有益的方法。

楊 菲 柯學(xué)莎 譯

(編輯：朱曉紅)

2016-07-25

1006-0081(2016)12-0013-08

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