氣候變化與人類活動(dòng)對流域水循環(huán)的影響

陳文剛 常喜建 胡 揚(yáng) 李 偉 郝 丹

(中國礦業(yè)大學(xué) 資源學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

流域水循環(huán)研究內(nèi)容主要包括降水、地表水(徑流)、土壤水、地下水的動(dòng)態(tài)過程及其內(nèi)在聯(lián)系和轉(zhuǎn)化關(guān)系。而目前主要以四水轉(zhuǎn)化為主，降水之后的形成地表水徑流與土壤水的條件有關(guān)，地表徑流與產(chǎn)流的重要影響因素就是土壤水分，土壤水形成壤中流進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇硭?地下水必須通過土壤的滲透由降水得到補(bǔ)給，而地下水的上升又將補(bǔ)給土壤水，同時(shí)也能夠以地下徑流的形式流入地表水;反過來地表水也可滲入土壤，通過土壤又滲漏到地下水中。

1 氣候變化對流域水循環(huán)的影響

近百年來，由于工業(yè)化的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，大氣中溫室氣體濃度越來越高，間接地影響到全球氣溫不斷地升高。全球范圍內(nèi)的觀測資料表明，近百年來(1906～2005年)全球平均地表溫度上升了0.74℃，世紀(jì)全球海平面上升約0.17m［1］。而我國平均地表溫度上升幅度在0.5℃ ～0.8℃，海平面上升0.1m～0.2m［2］。氣候變化已然成為人們最為關(guān)心的話題之一。

1.1 地表水對氣候變化的響應(yīng)

氣候變化對于水資源的影響主要表現(xiàn)在氣溫與降水的變化，降水量的變化直接影響到產(chǎn)水量的多少，表現(xiàn)為地面水體及地表徑流量，而氣溫的變化最主要影響到水體的蒸發(fā)量，蒸發(fā)量的變化使得徑流量及產(chǎn)水量隨之變化。

我們可以通過控制氣候T、降水量P的變化利用SWAT模型模擬出不同氣溫T、降水量P情景下蒸騰蒸發(fā)量、徑流量、產(chǎn)水量的變化。于磊等［3］基于SWAT模型的中尺度流域氣候變化水文響應(yīng)中的研究表明隨著降水量不斷的增大，來水量也同時(shí)增加，從而騰發(fā)量、地表徑流量及產(chǎn)水量逐步增加。氣溫變化對騰發(fā)量、徑流量、產(chǎn)水量也有較大的影響。騰發(fā)量隨著氣溫增加而增大，另一方面徑流量以及產(chǎn)水量卻會(huì)隨溫度升高而減小。

同樣我們除了模擬控制變量研究，也需要根據(jù)實(shí)際資料分析氣溫及降水量的變化來研究氣候變化對地表水影響。陳華等［4］就漢江流域1951～2003年降水氣溫時(shí)空變化對比分析闡述了氣候變化對地表水的影響。分別分析降水及氣溫的趨勢，再進(jìn)行比較分析，可看出流域降水變化受氣溫變化的影響，氣溫升高，降水減少，但是降水變化不如氣溫變化趨勢顯著看，主要原因在于影響降水的因素很多，而氣溫僅是其中的一個(gè)。范廣洲等［5］模擬研究了氣候變化對灤河流域豐、枯水年不同季節(jié)水資源的影響，結(jié)果表明了灤河流域地表徑流量、次地表徑流量以及河川徑流量受降水量的變化影響較明顯，受氣溫變化的影響較小。

對以往資料調(diào)查的基礎(chǔ)上，同樣也需要對流域基于氣候變化響應(yīng)未來變化的研究?？衫梅植际侥Ｐ停鶕?jù)實(shí)測降水、氣溫、徑流資料，對該流域未來變化趨勢分析。

郝振純［6］等通過分布式模型對山西省和黃河源區(qū)地表水和水資源的未來變化趨勢作分析。研究中對地表徑流和水資源的未來趨勢分析主要分兩部分完成，首先是根據(jù)所選源區(qū)的條件建立與之相應(yīng)的分布式模型，其次以該模型為工具，輸入資料及參數(shù)，模擬出徑流及水資源的變化趨勢。

1.2 地下水對氣候變化的響應(yīng)

地下水，是貯存于包氣帶以下地層空隙，包括巖石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。地下水是水資源的重要組成部分，由于水量穩(wěn)定，水質(zhì)好，是農(nóng)業(yè)灌溉、工礦和城市的重要水源之一。地下水通過來自降水、湖泊、河流等水源補(bǔ)給與大氣陸地水循環(huán)相連。淺層地下水的補(bǔ)給參與水文循環(huán)［7］。

劉春蓁等［7］在地下水對氣候變化的敏感性研究進(jìn)展中討論到地下水補(bǔ)給率的影響因子及估算模擬，模擬估算中不同尺度的模擬。提出了氣候變化與氣候變異對地下水的不同影響，并且利用實(shí)測資料分析了氣候變化與變異對地下水的影響。結(jié)果表明淺層的地下水主要受制于氣候變化與氣候變異。

而關(guān)于地下水補(bǔ)給的模擬，分為全球尺度和區(qū)域尺度。

全球尺度方面，Doll等［8］研制的全球可利用水與用水模型，結(jié)合灌溉、農(nóng)牧用水與自然徑流，利用收集的全球數(shù)據(jù)，模擬出地下水補(bǔ)給的分布，觀察各個(gè)地區(qū)的異同。

區(qū)域尺度方面，Keese等［9，10］用非飽和流模型估算了區(qū)域尺度在植被根系帶下的地下水補(bǔ)給。水量平衡方程如下:D=P-ET-Ro-△S

式中:D為根系下的深層泄量;P為降水與灌溉量;ET為蒸散發(fā)量;Ro為地表徑流量;△S為水的蓄量變化。

利用氣象數(shù)據(jù)研究不同區(qū)域氣候、土層屬性以及地下水的補(bǔ)給。

2 人類活動(dòng)對流域水循環(huán)的影響

自地球誕生以來，其環(huán)境就在不斷變化。人類出現(xiàn)之前，地球環(huán)境純粹在自然界推動(dòng)力作用下變化;自從有了人類，地球自然系統(tǒng)就面臨人類活動(dòng)的干預(yù)。隨著人類改造自然能力的不斷增強(qiáng)，人類活動(dòng)對流域水文的影響愈加顯著。

并且從流域的產(chǎn)、匯流過程來說，雖然影響其發(fā)生和演變的自然因素主要有降雨、蒸發(fā)、下墊面、匯流等，而這些因素在短期內(nèi)是不會(huì)發(fā)生較大變化的。隨著用水量的不斷增長，人類活動(dòng)在水循環(huán)中發(fā)揮的作用越來越大。

2.1 地表水對人類活動(dòng)的響應(yīng)

王春霞［11］等在對人類活動(dòng)對地表水的影響研究中從顯性及隱性兩方面因素來人類活動(dòng)的影響。其中顯性因素表現(xiàn)在隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需要大規(guī)模的農(nóng)業(yè)灌溉用水以及工業(yè)用水，并且需求量仍然在不斷地提高，這使得河道的徑流量持續(xù)地減少，嚴(yán)重的影響到當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境;而隱性因素方面，由于水土流失問題的嚴(yán)重性，造成地下水的大規(guī)模下降，引起當(dāng)?shù)赝寥腊鼩鈳Р粩嗉雍?，入滲損失量與蒸發(fā)量也隨著增加，使得河道徑流量降低。

水利工程的修建、湖泊的開墾以及跨流域調(diào)水工程的實(shí)施，改變了地下水的分配。龐樹森［12］等在對三峽水庫蓄水期間對徑流影響的研究中討論了其蓄水及運(yùn)行方式，分析了徑流的變化趨勢，并且具體的以三峽水庫蓄水以來第一個(gè)完整運(yùn)行年份2007年的入庫流量數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了減洪及增洪的過程。另外，還以2008-2010年的蓄水運(yùn)行的數(shù)據(jù)對徑流的影響作了詳細(xì)變化分析。結(jié)果表明三峽水客入庫流量變化不大，只在汛期相對減少;而蓄水期對水庫調(diào)節(jié)起較大影響。

據(jù)資料來看，中國北方河川徑流都存在減少的趨勢;除了近年來全球氣候變化的影響，人類活動(dòng)對河流水量的需求也是重要的因素之一。任立良［13］等中國北方地區(qū)人類活動(dòng)對地表水資源的影響研究中以中國北方地區(qū)(黃河、海河、遼河、松花江流域)為例，分別討論近些年由于工農(nóng)業(yè)用水量的增加、天然降水減少對日徑流、月徑流、年徑流以及年代徑流的影響。結(jié)果表明，在扣除了自然條件引起的水量變化之外，人類的一系列活動(dòng)大量取用水是該地區(qū)徑流量減少的直接原因。

2.2 地下水對人類活動(dòng)的響應(yīng)

由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對于生活及工業(yè)用水的需求使得地下水被大量地開采，地下水位持續(xù)下降，從而引發(fā)了大規(guī)模生態(tài)環(huán)境問題。而近些年，為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，在地表水無法滿足需求的同時(shí)，加大了地下水的取用，嚴(yán)重破壞了地表、地下水的轉(zhuǎn)化條件以及地下水的水質(zhì)。

付金花［14］等人類活動(dòng)對奇臺(tái)縣地下水變化的影響研究中以奇臺(tái)縣為例，分析了人類在該地區(qū)取用地下水的歷史情況，同時(shí)分別對奇臺(tái)縣地區(qū)的潛水位變化、泉水出露變化、地表地下水轉(zhuǎn)化條件以及潛水水質(zhì)作了深入的探索。結(jié)果表明在奇臺(tái)縣地區(qū)個(gè)水文條件的變化雖然與其本身自然條件有關(guān)，但究其主要原因還是大規(guī)模的人類活動(dòng)。大規(guī)模人類活動(dòng)引發(fā)了該區(qū)域大量的水文及生態(tài)環(huán)境問題。

同時(shí)人們生產(chǎn)生活中開發(fā)的一些大規(guī)模用地也會(huì)產(chǎn)生較大影響。黃明斌［15］在蘋果基地對區(qū)域水循環(huán)的影響研究中通過比較它們的土壤入滲特性、降雨產(chǎn)流關(guān)系和土壤含水量剖面分布情況，預(yù)測了塬面蘋果大面積種植對區(qū)域水循環(huán)可能帶來的影響。其中在黃土高原渭北部分區(qū)域蘋果基地，由于果園的高入滲特性、低產(chǎn)流率和強(qiáng)烈的蒸騰耗水作用，改變該地區(qū)的水循環(huán)方式，加強(qiáng)了土壤-植物-大氣間垂直水分交換，削弱降雨轉(zhuǎn)化為地表徑流和地下水的比例，從而影響了整個(gè)地區(qū)的水資源。

而城市化進(jìn)程的加快，同樣對地下水的影響不可無視。城市相比于其他地區(qū)，由于地表的硬化，在其地下結(jié)構(gòu)中會(huì)多出一個(gè)地表硬化層。程?hào)|會(huì)［16］等在人類活動(dòng)對城市地下水影響的探討中具體分析到城市地下包氣帶的特征(地表硬化層及人為沉積層)、城市所特有的給排水結(jié)構(gòu)以及城市生產(chǎn)生活帶來的污染。結(jié)果表明城市的地下水系統(tǒng)受大量的人類活動(dòng)影響，與自然狀態(tài)的地下水系統(tǒng)有著很大的區(qū)別。

3 結(jié)語

綜合分析國內(nèi)外有關(guān)于氣候變化與人類活動(dòng)對流域水循環(huán)影響的研究，我們能夠發(fā)現(xiàn)在研究內(nèi)容方面，大多數(shù)只考慮到氣候變化的因素，較少注意到人類活動(dòng)的影響，而人類生產(chǎn)生活與流域水循環(huán)是相互影響，忽略了人類活動(dòng)，就無法準(zhǔn)確分析水資源的變化。另一方面，研究中，多關(guān)注的是地表徑流的變化影響，而缺乏對地下水及地表地下水轉(zhuǎn)化條件的研究。根據(jù)這些問題，我們提出一些展望:

(1)在研究氣候變化為主要因素的情況下，更要關(guān)注人類活動(dòng)以及下墊面變化等造成的水資源變化影響。

(2)關(guān)注地表徑流及水體的同時(shí)，也需要加強(qiáng)對地下水的研究，流域水循環(huán)中，參與四水轉(zhuǎn)化的地下水及土壤水起著極其重要的作用，研究地下水能夠幫助我們更加全面的認(rèn)識(shí)水資源的變化。

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