德國KLIWAS研究項目剖析與啟示

胡健波，朱建華，劉長兵，林宇，熊紅霞

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津300456）

德國KLIWAS研究項目剖析與啟示

胡健波，朱建華，劉長兵，林宇，熊紅霞

（交通運輸部天津水運工程科學研究所水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津300456）

在全球氣候變化的大趨勢下，2008年德國聯邦交通、建筑與城市發展部BMVBS啟動了為期5 a的KLIWAS項目，研究氣候變化對德國境內的萊茵河、易北河、多瑙河這3個主要通航河流的航道與航運的影響，以期在強有力的科學證據支持下，能夠采取及時的預防措施，確保德國水路運輸可持續發展。文章通過介紹德國KLIWAS項目的立項背景、研究內容、研究方法以及主要的研究成果，剖析了KLIWAS項目的特點，并探討了該項目對我國航道與航運應對未來氣候變化研究的啟示。

氣候變化；水路運輸；航道；航運

20世紀以來，全球氣候正經歷著以變暖為主要特征的顯著變化。從1992年的《聯合國氣候變化框架公約》和1997年的《京都議定書》，到2010年的《坎昆協議》，全球氣候變化及其影響日益成為世界關注的熱點。2007年和2013年的IPCC第四、五次氣候變化評估報告［1,2］，都確認了從上世紀以來地球正在發生氣溫升高、海平面升高、極端天氣增多等氣候變化這一不爭的事實。2014年5月，美國發布《第三次氣候變化國家評估報告》，分析了氣候變化對美國農業、衛生、能源、交通、水資源、森林和生態系統等各方面的影響，提出了美國在氣候變化背景下的研究需求；同年12月，我國也發布了《中國第三次氣候變化國家評估報告》，認為中國在特殊的地理環境背景下更容易受到氣候變化的影響，氣候變化影響弊大于利［3］。

在所有的交通運輸方式中，水路運輸是對氣候變化（蒸發加劇、降雨量改變和海平面上升）最敏感的運輸方式。研究氣候變化對我國沿海及內河水路運輸的影響，有助于站在未來情境中看待今天的水路運輸方針政策，提出適應和減緩氣候變化不利影響的對策。2008年，德國聯邦交通、建筑與城市發展部（德文簡稱BMVBS）啟動了為期5 a的KLIWAS項目，研究氣候變化對德國境內的萊茵河、易北河、多瑙河這三個主要通航河流的航道與航運的影響，以期在強有力的科學證據支持下，能夠采取及時的預防措施，確保德國水路運輸可持續發展。本文通過介紹德國KLIWAS項目的立項背景、研究內容、研究方法以及主要的研究成果，剖析了KLIWAS項目的特點與難點，并探討了該項目對我國航道與航運應對未來氣候變化研究的啟示。

1 KLIWAS的歷史背景

自易北河在2002年和2003年分別發生洪災和旱災，德國政府和民眾就開始關注氣候變化對德國航運的影響問題，憂慮包括黃金水道萊茵河在內的德國航運能否可持續發展。2007年，IPCC第四次評估報告［1］基本確定了全球正在發生氣候變化這一事實，而且認為這很大程度上是由人類活動排放溫室氣體造成的，該報告引起了世界各地的廣泛關注；同年，德國聯邦交通、建筑與城市發展部指定其下屬研究機構——德國聯邦水文研究所BfG設立題為“水文與內河航運”的研究項目（圖1），研究未來氣候變化可能對德國的黃金水道——萊茵河的影響。

該項目涉及氣候、水文、水動力、港航工程、航運等多個學科和專業，故采用了多學科模型鏈的方法。第一步，在各種未來碳排放情景模式下，通過運轉氣候模型，預測整個流域的未來降雨量、氣溫和蒸發散量；第二步，以這3個參數的預測結果作為輸入條件，運轉水文模型，預測萊茵河各處水文站的未來流量；第三步，以未來流量的預測結果作為輸入條件，運轉各個河段的水動力模型，預測河段內不同位置的水位和流速這2個參數；第四步，根據這2個參數的預測結果，估計未來萊茵河內河航運的航道通航能力和航運成本。該項目的研究結論認為，受氣候變化影響，德國考布水文站在枯水期低于臨界水位的天數將會增加，可能導致該水文站控制航段的航道通航能力的下降。值得注意的是，由于各個模型預測結果的誤差會通過模型鏈不斷累積放大，該結論的不確定性很大。

圖1 KLIWAS前期項目——“水文與內河航運”（2007）的研究區域、技術流程和主要結果Fig.1 Study area,workflow,and main result of the pilot project“Hydrology and Inland Navigation”（2007）before KLIWAS

德國所在區域屬于西歐海洋性與東歐大陸性氣候間的過渡性氣候，氣候形式十分復雜。IPCC第四次報告的結果表明，21個全球氣候模式中，約有一半認為德國所在區域今后降雨量會增加，而另一半則認為降雨量會減少，氣候變化預測結果的不確定性很大（圖2）?！八呐c內河航運”項目只采用了2個全球氣候模式和3個區域氣候模式，獲得的預測結果是初步的，需要進一步深入研究并完善結論的可靠性。而且“水文與內河航運”項目后續的影響分析較少，基本只到水文站的徑流量為止，沒有開展典型航道、生態環境、社會經濟等的影響分析。只有將相關研究繼續擴展到下游的領域，方能從工程和管理等角度提出有針對性的應對策略。在“水文與內河航運”項目實施兩年后，更加龐大的KLIWAS項目應時而生［4］。

2 KLIWAS的研究內容

KLIWAS項目為德文簡稱，中文翻譯為“氣候變化對德國航道與航運的影響”。項目由德國聯邦交通、建筑與城市發展部資助，總經費達2 000萬歐元，項目起止期限從2009年3月至2013年12月。KLIWAS項目的研究區域為德國境內萊茵河（中上游）、易北河（中下游）、多瑙河（上游）這三條航運較發達的河流所在流域，以素有歐洲“黃金水道”之稱的萊茵河為主。項目主要實施單位均為BMVBS下屬研究機構，包括德國聯邦水文研究所BfG、德國聯邦水運工程研究所BAW、德國聯邦海運與水文地理機構BSH、德國氣象站DWD。項目參與人員來自約20個學科，共計約100位研究人員。

KLIWAS項目的研究目標是回答以下幾個民眾和政府關心的問題：

（1）未來水文情勢的改變會如何影響內河航道的通航能力。（2）未來水文形勢變化是否會改變目前的船型選擇和航運成本。（3）未來氣候變化是否會導致海運和岸線發生改變。（4）未來海上的極端天氣增多是否會讓德國的海港吞吐量下降。（5）未來氣候變化是否會改變內河和河口的泥沙傳輸，目前的航道管理、維護以及航道整治工程是否需要做適應性調整。（6）未來氣候變化是否會改變內河兩岸的生態環境，如何防止和適應。（7）未來氣候變化是否會導致岸灘侵蝕狀況發生改變。（8）未來的沿海港口和碼頭的防護工程是否會面臨更大的壓力。（9）如何去適應未來的氣候變化。

根據研究對象和涉及學科，項目分為5個專題，共30個子專題。

（1）氣候預測驗證與評估：①內河流域的水文與氣象監測數據分析；②內河流域氣候變化預測；③海岸與海上氣候變化預測。

（2）近海水域水文變化預測：①海岸及海洋氣候變化情景的參數化；②氣候變化對海平面上升影響預測與驗證；③氣候變化引起的潮汐特征變化統計；④氣候變化對北海及河口水工建筑的影響；⑤ARGO全球海洋觀測網（海況實時監測）。

（3）氣候變化對近海水域狀況（地形、水質、生態）的影響以及涉及航運和航道的應對措施：①氣候變化對海運及其他海洋利用方式的影響；②沿海港口以及航道在極端氣候條件下的防護措施及應對策略；③氣候變化對北海入?？谀嗌吵练e的影響；④氣候變化對近海水域衛生及疏浚管理的影響；⑤氣候變化對海運航道水工材料的使用壽命及環境行為的影響；⑥氣候變化對污染沉積物的遷移以及航道維護的影響；⑦氣候變化對近海有機污染物的影響；⑧氣候變化所引起的河流徑流量、營養和有機碳的變化對北海入?？谒泻趿康挠绊?；⑨氣候變化及護岸工程對灘涂植被演變的影響。

（4）內河水域水文（泥沙、河床）變化預測及航道和航運方面的應對措施：①氣候變化引起的河流水文變化及其對內河航運經濟的影響及應對措施；②氣候變化對河流泥沙含量和河床演變的影響；③應對河流水文情勢變化的航道整治及水利工程對策；④確保安全、通暢航行的最小航道寬度研究；⑤內河航道結冰過程（機理）研究。

（5）氣候變化對內河航道的結構、生態完整性及其管理的影響：①氣候變化對粘性泥沙含量的影響及其風險研究；②氣候變化對內河營養和浮游植物動態的影響；③氣候變化對內河水域衛生及疏浚管理的影響；④氣候變化對內河有機污染物的影響；⑤氣候變化對內河航道水工材料的使用壽命及環境行為的影響；⑥氣候變化對洪泛區植被的影響；⑦水生生物適應氣候變化評估方法；⑧流域尺度的氣候變化影響評價指標和適應對策。

KLIWAS項目旨在研究氣候變化對內河和海岸水文的影響（流量、水位、潮汐等），以及由水文條件變化而引發的一系列航道與航運相關的影響，并確定是否以及何時需要減緩負面影響的對策。這5個專題的第1個專題負責氣候變化預測，然后根據研究的區域和對象的不同，分為近海海運（專題2和3）和內河航運（專題4和5）兩大部分；每一部分根據學科的上下游關系，前一個專題負責水文預測，后一個專題負責分析水文情勢改變對水下地形、水質、生態、水工建筑物、航運經濟等的影響。

3 KLIWAS的研究方法

KLIWAS項目的難點在于如何盡可能地減少預測結果的不確定性，確保決策（適應氣候變化的措施）的基礎盡可能的可靠。KLIWAS項目繼承前期的“水文與內河航運”項目的模型鏈的方法，通過多個學科的模型，輸入未來的氣候情景模式，預測得到未來航道與航運相關的影響結果；模型運轉過程中，誤差會通過模型鏈不斷累積放大，其中最大的不確定性來自氣候變化預測。一方面，未來的氣候變化趨勢雖然存在，但變化幅度并不十分確定，IPCC第四次評估報告［1］中設定了6組碳排放情景；另一方面，目前的大氣物理數學模型尚不能十分準確地模擬地球的氣候系統，IPCC第四次評估報告［1］中采用了20多個全球氣候模式。KLI?WAS項目在模型鏈中的每一步，都采用了多個模型，通過增加統計樣本的方式，減少預測結果的不確定性［5］。限于篇幅，此處只展示了KLIWAS中內河航運相關部分的模型鏈（圖3）。

圖3 KLIWAS項目中內河航運相關部分的模型鏈［5］Fig.3 Model chain for inland navigation in KLIWAS［5］

研究過程中存在三處關鍵：首先，全球氣候模式并不能很好的模擬歐洲局地氣候，而且預測結果空間分辨率較低，與水文模型不在一個尺度；KLIWAS采用全球氣候模式和歐洲區域氣候模式嵌套的方法，通過動力降尺度，實現未來歐洲地區的高分辨率氣候變化預測。其次，與航運有關的無外乎水量、水下地形和船舶等因素，而與氣候變化有關的無外乎氣溫、降水、風速等因素，通過收集大量已建立的與兩類因素都相關的模型，分析和評價未來氣候變化對航道與航運各個方面的影響，確保氣候變化影響研究內容豐富和完善。最后，根據預測結果以及研究區域的既有水利工程、生態環境系統現狀，綜合多方面因素提出水運行業適應未來氣候變化的對策。

4 KLIWAS的典型研究成果

KLIWAS項目的研究成果十分豐富，限于篇幅，我們在此僅列舉與航運直接相關且在未來可能發生較顯著變化的部分典型研究成果。期望能夠通過具體的案例，引起我國水運行業對氣候變化影響的關注，并為開展相關研究提供借鑒。

4.1 氣候變化對內河水文情勢的影響及適應對策［6］

總體上，德國境內的水文情勢大致可以分為融雪型、降雨型和混合型這三種（圖4-b）。融雪型的水文情勢夏天流量大，冬季流量小，一般萊茵河上游和多瑙河上游多屬于融雪型；降雨型的水文情勢與融雪型相反，夏季流量小，冬季流量大，一般萊茵河的各個支流和易北河中下游多屬于降雨型；混合型是融雪型和降雨型的混合體，各季節流量均衡，一般萊茵河的中游多屬于混合型（混合了上游的積雪融水和支流的降水）。KLI?WAS項目的氣候變化預測結果認為，未來夏季降雨減少，冬季降雨增加，對水文情勢的影響在不同流域存在一定的差異。

圖4 氣候變化對水文情勢的影響預測結果Fig.4 Discharge regime change due to climate change

萊茵河流域，在近期不會發生明顯變化，而遠期夏季流量減少，冬季流量增加，可能造成局部航段夏季更加礙航（圖4-c）。針對這些河段，KLIWAS提出了航道與航運發面的適應對策（具體見下文），并認為通過這些對策，氣候變化并不會對萊茵河的內河通航能力造成顯著影響。易北河流域，在近期不會發生明顯變化，而遠期夏季流量減少，冬季流量變化不明顯（圖4-d）。KLIWAS認為，易北河流域目前的氣候形勢已經很嚴峻，水資源管理部門早在20世紀60年代開始就已經興修水利工程，使得易北河流域是歐洲大壩密度最高的流域，易北河流域有足夠的水資源管理能力適應未來的氣候變化。多瑙河流域，無論是近期還是遠期，夏季流量減少（遠期比近期更加嚴重），冬季流量變化不明顯（圖4-e）。KLIWAS認為，目前多瑙河流域中的渠化部分能夠在一定程度上緩解氣候變化的影響，但是需要研究并制定適應遠期枯水期水量減少的對策?？傮w而言，在遠期未來，融雪型的水文情勢（以多瑙河艾赫萊婷為代表）有往降水型轉變的趨勢，主要原因是未來氣候變暖導致阿爾卑斯山的積雪儲量減少；降水型（以易北河拉特諾為代表）和混合型（以萊茵河科隆為代表）的水文情勢冬夏兩季差異更大，夏季將會更枯。

4.2 氣候變化對內河航道的影響及適應對策［6］

KLIWAS項目選擇了萊茵河航道的瓶頸段（美因茨至圣戈爾段）作為典型航道，全長64.5 km，通航水深1.9 m。圖5展示的研究結果表明，該航道在近期未來水位變化不明顯，而在遠期未來，大多數的預測結果（去掉極端的結果）認為水位下降約10%～25%，形勢將會變得更加嚴峻。以該航道的控制水文站——考布站2002年的等效低水位徑流量（GIQ2002=750 m3/s）為基準，假設未來徑流量會減少0%、5%、15%或25%。結果表明，如果水位下降在15%以內，現有的3處礙航位置形勢更加嚴峻；如果水文下降25%，將會新增兩處礙航位置。針對該處典型航道，KLIWAS項目提出了三種適應的對策：一是保持現有航道寬度，增加每年的維護疏浚成本（是目前的3倍）；二是在不降低通航安全的條件下，減少目前設計航道寬度中的冗余以減少疏浚量；三是在礙航位置實施航道整治工程?？傮w而言，通過一些人為措施，能夠解決氣候變化對該處航道的不利影響。

4.3 氣候變化對內河航運的影響及適應對策［6］

水深用大船，水淺用小船，是水路運輸行業的常識。萊茵河的研究結果表明，總的來說，氣候變化背景下，近期航運成本變化十分不確定；遠期的航運成本會增加約10%，通航能力會減弱，小船受到的影響相對較小。針對氣候變化造成的影響，長遠的來說未來用小船更加適宜，需要慎重對待目前水路運輸行業中使用大船越來越多的趨勢（圖6）。

4.4 氣候變化對河口的影響及適應對策［5,7］

圖5 氣候變化對典型航道（萊茵河美因茨至圣戈爾段）的影響預測結果Fig.5 Climate change impact on typical waterways（Mainz-St.Goar part of Rhine）

長期的海平面監測記錄表明，德國北部北海地區的海平面上升速度為1.6～2.9 mm/a，剔除陸地沉降的影響，海平面實際上升速度為1.1～1.9 mm/a?？傮w上，海平面上升使得河口地區水深增加，有利于航運的發展；但是，從海防角度考慮（風暴潮），海平面上升產生了較大的負面影響。研究結果表明，易北河口修建防波堤收窄河口的方案（圖7-a），能夠有效的降低風暴潮對防波堤上游河段的影響（潮高降低約20 cm），按照目前的海平面上升速度，該方案可緩減超過百年的氣候變化影響；易北河支流埃姆斯河口現有的防潮閘以及河口兩側的護岸，能夠有效抵御氣候變化的影響，極限是海平面上升115 cm。

3 KLIWAS項目對我國的啟示

我國是世界港口大國和航運大國。截止2013年，全國港口擁有生產用碼頭泊位31 760個，內河航道通航里程12.59萬km，擁有水上運輸船舶17.26萬艘。2013年，全國港口完成貨物吞吐量117.67億t。水路運輸在我國國民經濟與社會發展、對外貿易中發揮著十分重要的作用。在全球氣候變化的大背景下，我國近海區域及內河流域的氣候也在發生較大的變化，可以預見會對水路運輸帶來一系列的影響。圍繞氣候變化對我國港口、航道及航運影響問題，深入開展研究并提出應對措施，有利于制定我國水運行業適應未來氣候變化的發展規劃和應對策略。

與德國類似（圖2），在IPCC第四、五次報告中，我國南部地區的未來降水量變化預測結果不確定性很大，而那里恰恰是我國最主要的內河航運河流長江的流域范圍。長江是我國第一大河，沿江所需的約85%的鐵礦石、電煤和外貿貨物依托長江航運，為流域的經濟社會發展提供了重要支撐與保障。長江和萊茵河分別是中國和歐洲的黃金水道；不同的是，到目前為止長江航運能力的開發尚未完全，自2010年長江黃金水道建設列為國家發展戰略起，長江內河航運的發展步入快速軌道。KLIWAS項目的多模型和模型鏈的思路，體現了銜接氣候變化和水運兩個領域之間的多學科、大團隊合作研究能力；建議借鑒KLIWAS項目的經驗，以長江典型航段和河口為例開展研究，為研究氣候變化對我國航道與航運的影響提供典型示范。

圖6 氣候變化對萊茵河航運的影響預測結果Fig.6 Climate change impact on navigation of Rhine

圖7 海平面上升對易北河河口風暴潮的影響及對策Fig.7Storm?surge peak impacts on Elbe estuary resulted from sea level rise and the adaptive measure

在借鑒KLIWAS項目的研究內容和技術路線的同時，應當根據長江流域和長江航道的自身特點有所側重和取舍，建議開展氣候變化對長江上游土壤侵蝕的影響、氣候變化引起的水沙條件改變對河床演變的影響、海平面上升對河口水工建筑壽命的影響、未來極端天氣氣候事件對航運的影響、三峽大壩等水利工程對氣候變化造成的負面影響的緩解能力等研究、適應氣候變化的長江航運發展規劃和管理、氣候變化對長江沿線綜合交通運輸體系的影響等研究。

［1］Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）.IPCC fourth Assessment Report（AR4）［M］.Cambridge∶Cambridge Univer?sity,2007.

［2］Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）.IPCC fifth Assessment Report（AR5）［M］.Cambridge∶Cambridge Universi?ty,2013.

［3］王文濤,仲平,陳躍.美國《第三次氣候變化國家評估報告》解讀及其啟示［J］.全球科技經濟瞭望,2014,29（9）∶1-6,11. WANG W T,ZHONG P,CHEN Y.Analysis and Interpretation for the third National Climate Assessment of U.S.and Its Implica?tion［J］.Global Science,Technology and Economy Outlook,2014,29（9）∶1-6,11.

［4］KLIWAS.Impacts of climate change on waterways and navigation in Germany,First Status Conference［R］.Bonn∶Federal Ministry of Transport,Building and Urban Development,2009.

［5］Kofalk S,Moser H,Gratzki A,et al.Assessing the impacts of climate change on navigation and waterways in Germany∶support for management decisions［C］//U.S.Section of PIANC.San Francisco：PIANC World Congress，2014.

［6］KLIWAS.Impacts of climate change on waterways and navigation in Germany,Second Status Conference［R］.Berlin∶Federal Min?istry of Transport,Building and Urban Development,2011.

［7］Rudolph E,Schulte?Rentrop A,Schü?ler A,et al.Influence of climate change on storm surge conditions in German Estuaries and testing of probable adaptation strategies［C］//INTERPLANAG?Office Hamburg.Proceedings of 10th International Conference on Hydroinformatics∶Understanding changing climate and environment and finding solution.Hamburg：International Water Associa?tion,2012.

Introduction and enlightenment of KLIWAS research program in Germany

HU Jian?bo,ZHU Jian?hua,LIU Chang?bing,LIN Yu,XIONG Hong?xia
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Environmental Protection Technology on Water Transport Engineering,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In the trend of global climate change,in 2008 the German Federal Ministry of Transport,Building and Urban Development(BMVBS)conducted a five?year research program abbreviated as KLIWAS,to research on the impacts of climate change on waterways and navigation of Rhine,Elbe and Danube in Germany.The catalyst for the Ministry′s research activities was the need to obtain robust scientific evidence of the impacts of climate change on the water systems in Germany and thus on the waterborne mode so as to be able to take precautions in a timely manner that will ensure the reliability of this mode of transport.In this paper,the background,tasks,methods and main results of KLIWAS,state features in KLIWAS were introduced,and enlightenment of KLIWAS was investigat?ed to research on the impacts of climate change on waterways and navigation in China.

climate change;waterborne transport;waterway;navigation

U 656.3

A

1005-8443（2015）05-0439-07

2015-04-09；

2015-06-02

國家國際科技合作專項項目（2013DFA81540）

胡健波(1982-)，男，浙江省寧海人，高級工程師，主要從事衛星和無人機遙感應用研究。

Biography：HU Jian?bo（1982-）,male,senior engineer.