國內(nèi)水資源演變研究進展及對都江堰供水區(qū)水資源演變研究的啟示

吳 鑒，李志琴，劉 飛，王君勤

(1.四川省都江堰管理處，四川 都江堰，611800；2.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

1 前言

四川省都江堰供水區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源總量為100.69億m3，計入入境水量(岷江及區(qū)域內(nèi)中小河流)后水資源總量為272.91億m3，而可利用水資源僅182.36億m3。供水區(qū)當(dāng)?shù)厮Y源人均僅有406m3，按聯(lián)合國教科文組織制定的水資源豐缺標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)屬于極度缺水區(qū)，即使計入入境水資源后人均水資源也只提高到1071m3，仍屬中度缺水區(qū)。隨著成渝經(jīng)濟區(qū)和供水區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人類社會對水資源的數(shù)量和質(zhì)量都提出了越來越高的要求。為保障區(qū)域供水安全，適應(yīng)我省國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，開展都江堰供水區(qū)水資源演變研究是十分必要的。

水資源演變規(guī)律研究的目的在于把握環(huán)境變化的水資源狀況、評估水資源和水循環(huán)對環(huán)境變化及各驅(qū)動因素的響應(yīng)。目前，水資源演變研究主要集中于兩個方面：水資源演變規(guī)律和趨勢分析，水資源演變歸因分析。所采用的研究方法主要有：統(tǒng)計分析法、統(tǒng)計模型、概念性集總式水文模型以及具有物理機制的分布式水文模型四種方法。而在驅(qū)動因子的研究上則主要集中在氣候變化、土地利用/覆被變化以及人工取用水三個類別。

水資源演變的驅(qū)動因子包含自然因素與人為因素。自然因素主要包括氣候因素如降水、日照、風(fēng)速等，以及下墊面條件；人為因素包括人類活動對土地利用/土地覆蓋的改變和人類對水資源的開發(fā)利用。

由于在水資源復(fù)雜的演變過程中，各驅(qū)動因子共同作用，相互影響，且水資源演變也對驅(qū)動因子有反饋作用從而再作用于水資源演變，因此，定量地分析每個驅(qū)動因子對水資源演變的機理以及準(zhǔn)確預(yù)測變化環(huán)境的水資源演變趨勢已經(jīng)成為水資源演變研究的難點。隨著計算機技術(shù)發(fā)展越來越成熟，大尺度分布式水文模型的計算讓水資源演變的定量分析越來越接近實際。

2 氣候變化對水資源演變的研究進展

氣候變化是水資源演變的重要驅(qū)動因子?？傮w看來，全球變暖背景下大部分地區(qū)年平均降水量呈增加趨勢，年平均徑流量多呈減少趨勢。

數(shù)理統(tǒng)計、相關(guān)分析、水文模型等方法是診斷氣候變化背景下區(qū)域水文變化最為常用的工具。不確定性是未來氣候變化影響評價中存在的最大問題，是開展未來氣候變化研究的重要方向和核心內(nèi)容。

王國慶[1]分析了黃河流域未來氣溫及降水的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)未來30年(2021-2050年)黃河流域氣溫將持續(xù)顯著升高，流域降水總體可能增多，但對降水變化預(yù)估的不確定性較大；受氣候變化影響，黃河流域未來水資源量較基準(zhǔn)期可能會略微偏少，流域水資源供需矛盾可能進一步加劇。

張建云[2]發(fā)現(xiàn)由于氣溫升高導(dǎo)致的冰川積雪融化，青藏高原多數(shù)區(qū)域地表河川徑流量呈現(xiàn)增加趨勢，季節(jié)過程也發(fā)生了明顯變化，長江、怒江和雅魯藏布江河源區(qū)徑流增加趨勢尤為顯著。未來預(yù)測分析認(rèn)為，隨著冰川積雪的減少，融雪徑流將會減少，部分河流徑流量會出現(xiàn)由增轉(zhuǎn)減的“拐點”，這將導(dǎo)致該區(qū)域的水資源安全面臨新的問題和挑戰(zhàn)。

王苓如[3]發(fā)現(xiàn)洪澤湖以上流域氣溫升高，流域水量實際蒸發(fā)會增加，導(dǎo)致水資源量呈減少的趨勢；徑流年內(nèi)分配受降水變化影響較大，隨著降水增加，徑流年內(nèi)分配更集中，加大年內(nèi)徑流分配差異，可能加大流域湖泊調(diào)蓄壓力。

流域水資源供需矛盾可能進一步加劇，不確定性是未來氣候變化影響評價中存在的最大問題，是開展未來氣候變化研究的重要方向和核心內(nèi)容。通過以上文獻(xiàn)分析，都江堰供水區(qū)面臨著隨著氣候變暖氣溫升高，流域水量實際蒸發(fā)會增加，水資源量呈減少的趨勢；徑流年內(nèi)分配受降水變化影響較大，隨著降水增加，徑流年內(nèi)分配更集中，加大年內(nèi)徑流分配差異，水資源安全面臨新的問題和挑戰(zhàn)。

3 土地利用/覆被變化對水資源演變的研究進展

土地利用和土地覆蓋變化改變了研究區(qū)的地形地貌，不僅影響區(qū)域的水文循環(huán)，而且對區(qū)域水文過程和生態(tài)過程均具有較為明顯的影響。不同地區(qū)的土地利用變化對水文過程的影響存在一定的差異，土地利用與水文過程的相互作用機制是水資源演變的研究重點之一。

在氣候變化和綠洲開發(fā)日益增強的驅(qū)動作用下，祖拜代·木依布拉[4]發(fā)現(xiàn)新疆克里雅河流域土地利用/覆被發(fā)生了較大的變化，水土資源供需矛盾日益突出，使流域可持續(xù)性研究突顯其重要性。采用地理信息系統(tǒng)和相關(guān)統(tǒng)計法分析了克里雅河流域1995-2015年土地利用/覆被與景觀格局變化過程，氣候變化背景下的地表徑流變化和植被生長狀況，以及在氣候和人類活動影響下的流域水資源利用結(jié)構(gòu)時空變化特征，評價了流域水資源供需平衡和綠洲穩(wěn)定性，為流域水土資源的合理規(guī)劃提出了對策和建議。

孔祥倫[5]研究黃河三角洲近30年土地利用/覆被結(jié)構(gòu)變化、變化軌跡時空特征及景觀格局，發(fā)現(xiàn)1996-2016年黃河三角洲耕地、人工水體、建設(shè)用地面積呈增加趨勢，未利用地、林地、草地和天然水體面積減少；林地、未利用地呈快速減少趨勢。人工水體、建設(shè)用地及耕地的增加速度不斷減緩；草地和天然水體于1986-1996年緩慢增加，1996年后持續(xù)減少。

毛熙彥[6]分析土地利用對水資源影響研究在內(nèi)容和方法層面的發(fā)展，并對研究中存在的不確定性來源進行分析。在內(nèi)容方面，現(xiàn)有研究關(guān)注的用地類型更為全面，尺度更加多樣，更加關(guān)注土地利用變化空間分布的影響，強調(diào)土地利用與氣候變化對水資源影響的區(qū)別與聯(lián)系。在技術(shù)方面，情景分析和分布式水文模型應(yīng)用十分廣泛，土地利用變化模型也逐步為更多的研究所采用。隨著研究向復(fù)雜化和模型化發(fā)展，研究中存在的不確定性有所增加，不確定性的量化對于研究的深入發(fā)展十分必要。除此之外，分析土地利用規(guī)劃與水資源管理目標(biāo)之間的潛在沖突以及在情景構(gòu)建中考慮水資源變化對土地利用的制約，也應(yīng)當(dāng)在未來研究中有所體現(xiàn)。

“人為因素”驅(qū)動軌跡的景觀破碎度、集聚程度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度均高于“自然因素”驅(qū)動軌跡，人類活動在研究區(qū)土地利用/覆被變化過程中起主導(dǎo)作用。隨著成渝經(jīng)濟區(qū)和四川省都江堰供水區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，開展都江堰供水區(qū)土地利用和植被覆被變化研究是水資源演變的研究重點之一。

4 水利工程建設(shè)及人工取水對水資源演變的研究進展

溫川[7]采用實地調(diào)研和實測數(shù)據(jù)分析的研究方法，從瑪河灌區(qū)水資源的演變趨勢及開發(fā)利用兩個方面，詳細(xì)說明了工程運行對灌區(qū)水資源時空分布、防洪調(diào)度、生態(tài)環(huán)境以及水生生物的影響。研究表明新疆肯斯瓦特水利樞紐工程建設(shè)能提高灌區(qū)水資源的利用效率，并不會對灌區(qū)水資源及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生過多負(fù)面影響。

方紹東[8]根據(jù)近年昆明市水資源量監(jiān)測及其開發(fā)利用的有關(guān)資料，昆明城市發(fā)展進程中水資源總量呈減少趨勢，用水結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，生活用水緩慢增加，生產(chǎn)用水小幅減少，城市綠化等其他用水大幅度增長，供用水矛盾日益突出。GDP總量用水量增大，用水效率提高，飲用水水源地水質(zhì)也呈下降趨勢。隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，滇池流域水資源將不能滿足昆明市發(fā)展的需要，城市用水將依賴于外流域遠(yuǎn)距離調(diào)水。

都江堰灌區(qū)內(nèi)已開展多項水利樞紐工程建設(shè)，隨著成渝經(jīng)濟區(qū)和四川省都江堰供水區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市規(guī)模擴大，用水大幅度增長，供用水矛盾日益突出，開展都江堰供水區(qū)水利工程建設(shè)及人工取水對水資源的影響是水資源演變的研究重點之一。

5 分布式水文模型應(yīng)用研究進展

分布式水文模型是研究環(huán)境變化下水文效應(yīng)的重要方法，在探索水文變化規(guī)律、預(yù)測未來徑流等方面發(fā)揮了重要作用。分布式水文模型可以耦合其他因素的基礎(chǔ)上進行歸因分析，因此，分布式水文模型一般需要較為詳細(xì)的水文、氣象、土壤、植被等資料，相關(guān)研究中模型應(yīng)用區(qū)域總體資料較為齊全，大多數(shù)模型的模擬結(jié)果也令人滿意，但其在資料缺乏地區(qū)的應(yīng)用還存在較大的限制[9]。此外，環(huán)境變化改變了區(qū)域下墊面條件，破壞了水文序列的一致性，因此，開展變化環(huán)境下的水文過程動態(tài)模擬研究也是未來水文科學(xué)發(fā)展的重要方向。

金聰[10]以新興江流域為研究區(qū)域，整合流域下墊面信息與氣象數(shù)據(jù)，基于GIS平臺構(gòu)建了SWAT分布式水文模型。模型率定期與驗證期的總徑流相對誤差均在±10%以內(nèi)，Nash-Sutcliffe系數(shù)均在0.90以上，總體模擬效果十分理想。降水與氣溫的變化給流域徑流帶來不同程度的影響，徑流量對降水變化的響應(yīng)比氣溫更加敏感。通過徑流模擬，SWAT模型可以為變化環(huán)境下新興江流域的水資源規(guī)劃與管理工作提供有效的參考依據(jù)。

田富強[11]以雅魯藏布江為對象，利用水文分區(qū)曲線對降雨、融雪和融冰等不同水源主導(dǎo)的流量過程進行劃分，以劃分的流量過程線子集對相應(yīng)水文過程參數(shù)進行分步率定，提高了水文模型參數(shù)的物理性，以此構(gòu)建了雅魯藏布江流域分布式水文模型及參數(shù)集，內(nèi)部多個水文站點和流域雪水當(dāng)量的驗證表明模型具有良好的性能。基于模型解析了2001-2015年間雅魯藏布江的徑流水源組成，對高山寒區(qū)徑流的水源解析有普遍意義，結(jié)果對理解氣候變化下雅魯藏布江徑流變化趨勢有參考價值。

金君良[12]以嘉陵江流域為研究對象，構(gòu)建了嘉陵江流域大尺度分布式VIC模型，通過4個水文站以上流域的水文模擬試驗，結(jié)果表明建立的VIC模型能有效地模擬嘉陵江流域各典型站的日、月徑流過程，模擬的水量平衡誤差在5%以內(nèi)，日徑流過程模擬的確定性系數(shù)均在70%以上，月徑流過程模擬的確定性系數(shù)超過90%。該模型可以用來分析環(huán)境變化對嘉陵江流域水資源及洪水過程的影響。

夏軍[13]以南水北調(diào)中線工程聯(lián)系的跨漢江、黃河和海河多個流域的區(qū)域水循環(huán)模擬、環(huán)境變化影響與水安全研究。重點論述了跨流域調(diào)水的大尺度分布式水文模型(LDTVGM)的研究與展望。目的是探討變化環(huán)境下跨流域調(diào)水的分布式水循環(huán)模型的建立，發(fā)展區(qū)域水循環(huán)動力學(xué)-非線性系統(tǒng)-多源不確定性分析與綜合的理論與影響評估方法，為分析應(yīng)對氣候變化和高強度人類活動影響的區(qū)域水資源安全及應(yīng)對措施的風(fēng)險管理，提供科學(xué)依據(jù)。

隨著成渝經(jīng)濟區(qū)和四川省都江堰供水區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，有必要開展都江堰供水區(qū)水資源演變的研究。開展水文、氣象、土壤、植被等因素相互耦合的分布式水文模型是未來都江堰供水區(qū)水資源演變研究的重要方法。

6 結(jié)語

隨著人類活動加劇、氣候變暖，氣溫升高，全球性氣候變化造成海平面上升、冰川融化，氣候變化對水資源演變過程的影響受到人們越來越多的關(guān)注。而城市化發(fā)展改變了下墊面條件，增加了不透水面積，使洪澇災(zāi)害頻發(fā)，這些問題對流域水資源管理提出了挑戰(zhàn)。氣候變化對水文過程具有直接影響，加強氣候變化風(fēng)險和不確定性分析是未來水資源演變研究的重點。

土地利用變化通過改變流域下墊面特征進而影響區(qū)域水資源狀況，同時，區(qū)域水文情勢對土地利用具有一定的反饋作用；流域分布式水文模型為開展環(huán)境變化影響評價提供了有力的手段，隨著監(jiān)測技術(shù)的日益完善，充分利用多源數(shù)據(jù)進行資料缺乏地區(qū)和變化環(huán)境條件下的水文模擬，是未來水資源演變研究的重要方向。

隨著城市規(guī)模擴大，經(jīng)濟社會快速發(fā)展，飲用水水源地水質(zhì)呈下降趨勢，流域水資源將不能滿足城市發(fā)展的需要，城市用水將依賴于外流域遠(yuǎn)距離調(diào)水。開展都江堰供水區(qū)水利工程建設(shè)及人工取水對水資源的影響是水資源演變的研究重點之一。

隨著成渝經(jīng)濟區(qū)和四川省都江堰供水區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，有必要開展都江堰供水區(qū)水資源演變的研究。開展水文、氣象、土壤、植被等因素相互耦合的分布式水文模型是未來都江堰供水區(qū)水資源演變研究的重要方法。