氣候變化對(duì)長(zhǎng)江、黃河源區(qū)水資源的影響

白路遙，榮艷淑

(河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

眾所周知，水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，事關(guān)經(jīng)濟(jì)生態(tài)和國(guó)家安全。在全球氣候變暖的大背景下，水資源問(wèn)題已成為全世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。2011年中央1號(hào)文件對(duì)水資源管理劃定了三條紅線[1]：①確立水資源開(kāi)發(fā)利用紅線，嚴(yán)格實(shí)行用水總量控制；②確立用水效率控制紅線，堅(jiān)決遏制用水浪費(fèi)；③確立水功能區(qū)限制納污紅線，嚴(yán)控排污總量。這三條紅線充分體現(xiàn)了我國(guó)政府對(duì)水資源問(wèn)題的態(tài)度以及水資源問(wèn)題研究的必要性。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者在水資源與氣候變化方面的相關(guān)研究也成果甚多[2-5]。

長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)是長(zhǎng)江、黃河的重要組成部分，源區(qū)的氣候變化不僅對(duì)當(dāng)?shù)氐乃Y源和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要的影響，而且對(duì)其中下游的供水、發(fā)電、航運(yùn)等同樣有重要影響。

近年來(lái)的研究表明，源區(qū)凍土厚度減小、地下水水位下降、冰川消融、湖泊退縮、土地荒漠化等事件的嚴(yán)重程度呈增加的趨勢(shì)[6]，說(shuō)明氣候變暖及人類(lèi)活動(dòng)對(duì)長(zhǎng)江黃河源區(qū)的影響十分顯著。這種影響將會(huì)對(duì)源區(qū)的氣候、植被、生態(tài)環(huán)境，甚至對(duì)源區(qū)水資源分布產(chǎn)生深刻影響。

過(guò)去許多研究都從徑流變化探討源區(qū)水資源的可能變化，例如，謝昌衛(wèi)等[7]的研究表明，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，長(zhǎng)江源區(qū)徑流量呈微弱的減小趨勢(shì)，而黃河源區(qū)的徑流量呈微弱的增加趨勢(shì)。楊建平等[8]的研究表明，氣候變暖導(dǎo)致冰川退縮，冰川融水徑流量增加，但是長(zhǎng)江源區(qū)的冰川融化速度明顯小于黃河源區(qū)，這是因?yàn)辄S河源區(qū)氣候增暖更顯著的原因。時(shí)興合等[9]的研究表明，長(zhǎng)江源區(qū)雨季和過(guò)渡季節(jié)降水量、積雪融水量和高山冰雪融水量所形成的總徑流量呈下降趨勢(shì)。還有人認(rèn)為黃河源區(qū)徑流量進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)呈減小的趨勢(shì)[10]。引起這種變化原因歸結(jié)于年平均氣溫和蒸發(fā)量增大[11]，因此氣候變化導(dǎo)致的流量減小量占總減小量的70%左右[10]，這充分說(shuō)明氣候變化是影響水資源的主要因素。

事實(shí)上，長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)自然條件艱苦，水文站點(diǎn)稀少，能夠全面控制江河源區(qū)的徑流量的水文站更加稀少，所以實(shí)測(cè)的徑流量不能全面代表該地區(qū)的水資源量。對(duì)此，筆者擬從水量平衡理論出發(fā)，探討長(zhǎng)江、黃河源區(qū)的水資源量，以及氣候變化對(duì)水資源的影響。

1 資料和方法

筆者在長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)共選取了22個(gè)氣象站作為代表，以1961—2010年月降水量和月平均氣溫資料作為基本氣候要素。兩個(gè)源區(qū)內(nèi)氣象站的位置示意如圖1所示。所有數(shù)據(jù)均來(lái)自于中國(guó)國(guó)家氣象信息中心。

圖1 長(zhǎng)江、黃河源區(qū)氣象站分布示意圖

長(zhǎng)江、黃河源區(qū)的水資源主要來(lái)自大氣降水和冰雪融水，而大氣降水是長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)水資源的重要補(bǔ)給來(lái)源，但相當(dāng)?shù)囊徊糠忠哉舭l(fā)形式損失掉。因此，根據(jù)水量平衡原理，筆者將降水量扣除蒸發(fā)量后作為該地區(qū)的可利用降水，并以此作為水資源量F的代表。蒸發(fā)量的計(jì)算采用高橋浩一郎[12]的經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中：E為陸面實(shí)際蒸發(fā)量，mm；P為月降水量，mm；T為月平均氣溫，℃。

定義F=(P-E)A為可利用水資源量，其中A為研究區(qū)域的面積，長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)的面積分別為13.77萬(wàn)km2和12.197萬(wàn)km2。下面對(duì)水資源的分析，便是基于這種思路和方法進(jìn)行的。

圖2 降水量年際變化

2 長(zhǎng)江、黃河源區(qū)的基本氣候特征

2.1 降水特征

圖2所示為長(zhǎng)江、黃河源區(qū)1961—2010年降水量的年際變化。由圖2可知，長(zhǎng)江源區(qū)的平均年降水量約為440mm，降水量最大值出現(xiàn)在2009年，為544.2mm，相對(duì)于多年平均值的變化也是最大值；最小值出現(xiàn)在1984年，為353.7mm，極差大約為190mm，相對(duì)變率大約為43%。黃河源區(qū)的年降水量約為590mm，最大降水量出現(xiàn)在1975年，為696.6mm；最小降水量出現(xiàn)在2002年，為463.8mm，極差大約為230mm，相對(duì)變率大約為39%。因此黃河源區(qū)年降水量較多，長(zhǎng)江源區(qū)較少；黃河源區(qū)的年降水量極差較大，變率較小，而長(zhǎng)江源區(qū)降水量極差較小，變率較大。

此外，由9年滑動(dòng)平均曲線可以看出，長(zhǎng)江源區(qū)在1970年代以前和1990年代期間，滑動(dòng)平均值小于多年平均值，說(shuō)明在這兩個(gè)時(shí)段降水量偏少，1990年代后期開(kāi)始，年降水量明顯高于平均值，說(shuō)明從20世紀(jì)末以來(lái)降水增大的趨勢(shì)比較明顯。黃河源區(qū)也有類(lèi)似的變化特征，而且最近20年來(lái)降水增加的趨勢(shì)也很明顯。

2.2 蒸發(fā)特征

根據(jù)式(1)計(jì)算了長(zhǎng)江、黃河源區(qū)的蒸發(fā)量，圖3是最近50年來(lái)蒸發(fā)量的年際變化。由圖3可知，長(zhǎng)江源區(qū)的多年平均蒸發(fā)量約為190mm，最大值出現(xiàn)在2005年，為216.7mm；最小值出現(xiàn)在1984年，為150.7mm。極差大約為66mm。黃河源區(qū)的多年平均蒸發(fā)量約為250mm，最大值出現(xiàn)在2009年，為282.8mm；最小值出現(xiàn)在1986年，為226.7mm，極差大約為56.1mm。此外，由圖3中的9年滑動(dòng)平均值曲線可以看出，兩個(gè)源區(qū)在1990年代以前，蒸發(fā)量基本在多年平均值以下，其后則明顯高于平均值，兩個(gè)源區(qū)蒸發(fā)量的變化具有同步性，而且存在明顯的線性變化趨勢(shì)，蒸發(fā)量增大幅度分別為每年7.6%和8.5%，都通過(guò)了顯著性0.05水平的信度檢驗(yàn)。

圖3 蒸發(fā)量年際變化

2.3 氣溫特征

表1 長(zhǎng)江、黃河源區(qū)逐月平均氣溫 ℃

長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)由于地處青藏高原腹地，多數(shù)氣象站的海拔高度在3500m以上，僅有兩個(gè)站低于3000m，因此源區(qū)多數(shù)月份月平均氣溫在零度以下。表1給出了長(zhǎng)江黃河源區(qū)各月平均氣溫的比較。由表1可以看出，長(zhǎng)江源區(qū)從10月至次年4月，平均氣溫均在0℃以下，負(fù)溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月，正溫期只有5個(gè)月，從5月持續(xù)到9月份，最暖月的平均氣溫不超過(guò)10℃。黃河源區(qū)負(fù)溫持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)江源區(qū)短，僅有5個(gè)月，是從11月持續(xù)到次年3月，而正溫持續(xù)期大約為7個(gè)月，最暖月的平均氣溫超過(guò)11℃。因此，長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)正負(fù)溫度持續(xù)期有所不同，而且黃河源區(qū)的各平均氣溫均高于長(zhǎng)江源區(qū)。這種現(xiàn)象是由于長(zhǎng)江源區(qū)的氣象站海拔高度更高，平均達(dá)到了4200m以上，而黃河源區(qū)的平均海拔高度大約為3500m，因此長(zhǎng)江源地勢(shì)較高，氣溫隨高度降低明顯。

圖4為長(zhǎng)江、黃河源區(qū)1961—2010年年平均氣溫的年際變化。由圖4可以清楚看出，兩個(gè)源區(qū)平均氣溫不僅存在明顯的年際波動(dòng)特征，而且都有明顯的增加現(xiàn)象，氣候傾向率分別達(dá)到了0.35℃/10a和0.37℃/10a，通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。此外還發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)氣溫變化有明顯的一致性，雖然兩個(gè)地區(qū)平均氣溫不同，但是它們?cè)雠倪M(jìn)程是一致的。觀察兩個(gè)源區(qū)氣溫變化，可以發(fā)現(xiàn)，如果以1997年為分割點(diǎn)，那么在1997年以前，氣溫變化比較平穩(wěn)，這一時(shí)期長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)的平均氣溫分別為-2℃和0.9℃；1997年以后，氣溫有了一個(gè)明顯躍升，平均氣溫分別達(dá)到了-0.8℃和2.2℃，兩個(gè)源區(qū)在前后兩個(gè)時(shí)期氣候均值分別變化了1.2℃和1.3℃，說(shuō)明黃河源區(qū)增暖比長(zhǎng)江源區(qū)還要明顯，兩個(gè)源區(qū)年平均氣溫的線性趨勢(shì)也是黃河源大于長(zhǎng)江源。因此，長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)不僅都有氣溫增暖現(xiàn)象，而且黃河源區(qū)的增暖強(qiáng)度要大于長(zhǎng)江源區(qū)。

圖4 年平均氣溫年際變化

3 氣候變化對(duì)長(zhǎng)江、黃河源區(qū)水資源的影響

3.1 水資源變化分析

根據(jù)可利用降水的計(jì)算方法，圖5給出了長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)1961—2010年水資源量的年際變化情況。由圖5可知，長(zhǎng)江源區(qū)多年平均水資源量約為350億m3，最大值出現(xiàn)在1985年，為479.4億m3；最小值出現(xiàn)在1986年，為415億m3。極差大約為237億m3。而黃河源區(qū)水資源量為242.7億m3，最大值出現(xiàn)在1967年，約為549億m3；最小值出現(xiàn)在2002年，約為270億m3，極差大約為279億m3。由9年滑動(dòng)平均曲線可以看出，兩個(gè)源區(qū)表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，都呈現(xiàn)兩個(gè)波谷和一個(gè)波峰的現(xiàn)象，不同的是，最近10年以來(lái)，長(zhǎng)江源區(qū)的水資源量已經(jīng)轉(zhuǎn)為正距平時(shí)期，水資源量基本大于平均值，說(shuō)明長(zhǎng)江源區(qū)水資源量略有增多；而黃河源區(qū)仍處于波動(dòng)中，沒(méi)有增加的跡象。對(duì)比圖4可以發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江源區(qū)水資源增多時(shí)期基本與氣溫升高的時(shí)期相對(duì)應(yīng)，因此氣候變暖對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)的水資源是有影響的。

圖5 水資源量年際變化

3.2 降水變化對(duì)水資源的影響

為了分析氣候變化對(duì)水資源的影響，筆者對(duì)降水量、蒸發(fā)量及水資源量的季節(jié)分配進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析(表2)。從表2中可以看出，長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)的降水主要集中在夏季，夏季降水量占年總量的56%以上，其次是秋季，夏秋兩個(gè)季節(jié)降水總量可占全年的80%以上，因此夏秋多雨、冬春少雨的氣候特征十分顯著。蒸發(fā)也主要集中在夏季，夏季蒸發(fā)量約占全年的50%，秋季和春季次之。季節(jié)蒸發(fā)量與季節(jié)降水量有一個(gè)明顯不同之處，就是春秋季節(jié)蒸發(fā)量幾乎是相同的，而降水量中，秋季降水量明顯多于春季。這種特點(diǎn)可能與溫度有關(guān)，也可能與夏季風(fēng)的進(jìn)程有關(guān)。

表2 長(zhǎng)江和黃河源區(qū)平均P、E、F的季節(jié)分配及占全年的比例

由于水資源量的變化主要取決于降水和蒸發(fā)，因此水資源量也主要集中在夏季，夏季兩個(gè)源區(qū)可產(chǎn)生的水資源量占全年總量的61%，秋季次之，冬春兩季水資源量很少。綜上所述，降水和蒸發(fā)的年內(nèi)變化對(duì)水資源有重要影響。

由于降水量、蒸發(fā)量主要集中在夏秋季節(jié)，因此筆者對(duì)這些指標(biāo)夏季和秋季各月的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析(表3)。從表3中可以看出，降水量的變化趨勢(shì)與水資源量完全一致，降水量增多或減少，水資源量也相應(yīng)的增多或減少。而蒸發(fā)量與水資源量的關(guān)系則顯得較復(fù)雜，有的月份二者同增，有的月份甚至反向變化。

表3 長(zhǎng)江、黃河源區(qū)P、E和F的氣候傾向率

注：*表示顯著性水平超過(guò)了95%。

圖6是兩個(gè)源區(qū)降水量與水資源量的相關(guān)圖，從中可以看出降水量與水資源量有非常好的相關(guān)性，R2都達(dá)到了0.9以上。因此，水資源的變化與降水量有著密切聯(lián)系，這也充分說(shuō)明了降水是水資源補(bǔ)給的重要一環(huán)，而且黃河源區(qū)水資源對(duì)降水補(bǔ)給的依賴(lài)略大于長(zhǎng)江源區(qū)，這也間接表明，長(zhǎng)江源區(qū)水資源的補(bǔ)給可能存在其他方式。

圖6 降水量與水資源量的相關(guān)性

3.3 氣溫變化對(duì)水資源的影響

此外，由水資源量的計(jì)算公式可知，水資源量的變化不僅與降水變化有關(guān)，而且應(yīng)當(dāng)與氣溫有關(guān)系。事實(shí)上，氣溫的高低對(duì)降水的形態(tài)、冰雪消融的程度、蒸發(fā)能力的大小都有不同程度的影響。因此討論氣溫變化對(duì)水資源的影響是很有意義的。

圖7是氣溫與水資源量的相關(guān)圖，由圖中的6階多項(xiàng)式擬合曲線可以看出，長(zhǎng)江源區(qū)的R2約為0.1，黃河源區(qū)R2約為0.2，因此，氣溫與水資源量的相關(guān)性較差，而且不能用線性關(guān)系來(lái)表述，這說(shuō)明氣溫對(duì)水資源量的影響并不像降水量那樣直接，可能是通過(guò)其他方式對(duì)水資源產(chǎn)生影響的。

圖7 氣溫與水資源量的相關(guān)性

事實(shí)上，長(zhǎng)江源區(qū)分布著眾多冰川、積雪和凍土，其總面積占源區(qū)總面積的0.87%，黃河源區(qū)冰川面積明顯小于長(zhǎng)江源區(qū)，其面積比僅為0.11%左右[7]，因此，長(zhǎng)江源區(qū)可稱(chēng)為冰雪融水與降水共同補(bǔ)給水資源的區(qū)域，黃河源區(qū)基本為降水補(bǔ)給型區(qū)域。冰川和凍土等地表物質(zhì)對(duì)氣溫變化非常敏感。源區(qū)的冰川消融時(shí)間基本出現(xiàn)在正溫期的幾個(gè)月中[8]，對(duì)比表2可以看出，氣溫在0℃以上的時(shí)期正是兩個(gè)源區(qū)降水較多、蒸發(fā)量較大和水資源較多的時(shí)期，因此，氣溫升高后，有利于冰川融化，對(duì)源區(qū)補(bǔ)充水資源。

研究表明，長(zhǎng)江源區(qū)冰川總面積在1969—2000年減少了1.7%，并且在1994年以后開(kāi)始明顯退縮[7]，這種現(xiàn)象與氣溫在1990年代后期明顯升高相對(duì)應(yīng)，因此，氣溫是直接影響冰川融化的氣候要素。融冰后產(chǎn)生的徑流是源區(qū)水資源量的重要部分，統(tǒng)計(jì)表明[8]，長(zhǎng)江源區(qū)冰川融水徑流量約占年總徑流量的9.2%，而冰川融水對(duì)黃河源區(qū)徑流的貢獻(xiàn)較小，僅為0.63%。如果考慮融冰僅出現(xiàn)在春末和夏季，那么冰川融化產(chǎn)生的徑流量占夏季徑流的比重會(huì)明顯增加。

另外，氣溫變化可直接導(dǎo)致蒸發(fā)量發(fā)生變化，二者關(guān)系明顯是一種正相關(guān)關(guān)系[13-14]，也就是說(shuō)氣溫增大時(shí)，大氣中水氣壓會(huì)明顯增大，因此大氣保水量會(huì)增多，此時(shí)會(huì)促進(jìn)蒸發(fā)。當(dāng)蒸發(fā)量增大時(shí)，會(huì)消耗地面水資源量，因此水資源應(yīng)當(dāng)減少。所以氣溫對(duì)冰雪融化有積極作用，可增加水資源；但是氣溫升高，又增大蒸發(fā)量，對(duì)水資源有減少作用。因此氣溫對(duì)水資源的影響是復(fù)雜的。

對(duì)于那些以徑流量作為水資源代表的文獻(xiàn)中，多次論及氣溫對(duì)徑流量的影響，例如，研究表明，以冰雪融水為主的河流，暖干與暖濕的氣候時(shí)期徑流量偏豐，而在冷濕與冷干氣候時(shí)期徑流量偏枯。以降水補(bǔ)給為主的河流在冷干和暖干的氣候條件下徑流量偏枯，而冷濕和暖濕的徑流量偏豐，特別是當(dāng)降水量增大50%，氣溫下降1～3℃時(shí)，徑流量可偏大70%以上；對(duì)于溫度偏高，降水量偏少的年份，徑流量會(huì)顯著減少[15]。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，氣溫變化對(duì)徑流量可能造成負(fù)的影響，若降水不變，氣溫升高4℃時(shí)，流域徑流量可能減少15%左右[16]。因此，如果僅考慮氣溫1個(gè)要素，它對(duì)地面水資源的影響(在不考慮冰川消融情況下)將是負(fù)面的。對(duì)于長(zhǎng)江源區(qū)而言，由于冰川分布較廣，氣溫升高導(dǎo)致冰川融化會(huì)彌補(bǔ)一些徑流的損失。對(duì)于黃河源區(qū)而言，由于降水主要集中在夏季，此時(shí)正是夏季風(fēng)活動(dòng)的季節(jié)，夏季風(fēng)可帶來(lái)更多的降水，為黃河源區(qū)的水資源量提供保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

a. 長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)從50年的時(shí)間尺度看，降水量變化不明顯，氣溫和蒸發(fā)量都有明顯的增加趨勢(shì)，但是在最近20年間，降水量、氣溫和蒸發(fā)量均有不同程度的增加趨勢(shì)，尤其是兩個(gè)源區(qū)氣溫的氣候傾向率分別達(dá)到了0.35℃/10a和0.37℃/10a，具有對(duì)全球變暖響應(yīng)的特點(diǎn)。

b. 長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)水資源量的變化呈波動(dòng)變化特征，沒(méi)有明顯的趨勢(shì)變化特征，但是長(zhǎng)江源區(qū)近10年來(lái)水資源明顯增多，這與黃河源區(qū)明顯不同。

c. 降水變化對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)和黃河源區(qū)水資源有直接影響，即降水多與寡直接影響水資源量的多與少。氣溫對(duì)水資源的影響較復(fù)雜，氣溫升高可導(dǎo)致冰川融化，提供更多的融冰水資源，但是氣溫升高又會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)增大，更多地消耗水資源。這可能是近幾十年來(lái)黃河源區(qū)水資源波動(dòng)變化，沒(méi)有明顯增多或減少趨勢(shì)的原因。對(duì)于長(zhǎng)江源區(qū)而言，當(dāng)氣溫變化不明顯時(shí)，降水量帶來(lái)的水資源與蒸發(fā)量消耗的水資源幾乎相當(dāng)，因此水資源量變化不明顯，但是近十幾年來(lái)，氣溫明顯升高，產(chǎn)生了更多的融冰水資源，這可能是近10年來(lái)水資源增多的主要原因。

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