環(huán)境變化對水資源影響研究進展及其借鑒與啟示

栗士棋，劉 穎，程芳芳，李柯星，王國慶

(1.鄭州大學 水利科學與工程學院，河南 鄭州 450001；2. 水利部應對氣候變化研究中心，江蘇 南京 210029；3. 鄭州市氣象局，河南 鄭州 450048；4.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029)

2013年IPCC第五次全球氣候評估報告指出，近130 a全球氣溫平均升高0.85 ℃。同時還預測，與1986—2005年相比，預計2081—2100年全球表面溫度可能上升0.3～4.8 ℃[1]。水作為受氣候變化影響最直接的因子之一，隨著全球氣溫升高，徑向環(huán)流發(fā)展增強，冷暖空氣流動與交匯增加，產生強降水與強蒸發(fā)，導致水資源、旱澇等極端水文事件頻率增加[2]。相關研究表明，在全球200條較大的河流中，有22%的河川徑流量呈現(xiàn)顯著減少趨勢[3]。氣候變化驅動降水、蒸發(fā)等水文要素發(fā)生改變，打破區(qū)域原有水量平衡，進而影響水資源的重新分布。變化環(huán)境對水文過程的影響受到全球學者的廣泛關注。

我國國土幅員遼闊，呈西高東低的階梯形分布態(tài)勢，西部處于歐亞大陸，東部瀕臨太平洋[4]。復雜的地形地貌，多樣的季風類型，以及東西部社會經(jīng)濟發(fā)展不均衡導致的人類活動水平差異，使我國水情帶有明顯的區(qū)域性特征。因此開展變化環(huán)境下區(qū)域水資源研究，對于我國水資源的保護、開發(fā)和利用，具有重要的現(xiàn)實意義。

針對環(huán)境變化對水資源影響，本文重點綜述了變化環(huán)境下河川徑流及水資源演變規(guī)律，以及氣候變化對水資源影響相關研究成果，歸納了目前相關研究分析評價方法。結合河南省面臨的水資源問題，討論了針對全球變暖背景下河南省水資源評價需要重點開展的研究任務。

1 變化環(huán)境下河川徑流與水資源演變

1.1 徑流演變特征分析方法

河川徑流序列演變包括趨勢、突變以及周期等特征，理解河川徑流演變特征對區(qū)域水資源規(guī)劃和可持續(xù)利用產生直接影響，因此受到流域管理部門以及科研工作者的較多關注[5]。

河川徑流序列趨勢分析中，目前采用較多的有線性回歸法、Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗、Spearman秩次檢驗、滑動平均檢驗等方法[6]。羅蔚等[7]選取鄱陽湖17處水文站，用M-K檢驗對鄱陽湖1956—2008年徑流趨勢進行分析，認為1956—2008年鄱陽湖徑流量呈不顯著上升趨勢。陳婷等[8]采用線性回歸、M-K非參數(shù)檢驗等方法對漢江上游徑流演變特征進行研究，認為漢江上游徑流量在20世紀60年代和80年代分別增加12.34%和22.2%，90年代徑流量減少23.81%。邱臨靜等[9]采用M-K趨勢分析和Sen斜率估計法對延河流域徑流變化進行分析研究，認為夏季徑流量占全年的53.46%，延河徑流量從20世紀50年代到90年代呈上升-下降-上升-下降趨勢。張洪波等[10]考慮到剔除序列自相關性對原趨勢存在破壞，通過集成回歸變異-去趨勢-方差變異等檢驗方法，提出改進的白化M-K趨勢檢驗方法。將改進白化M-K法與傳統(tǒng)白化M-K法應用于林家村、神木、趙石窯三站實測水文序列進行趨勢分析，結果表明，在剔除序列自相關性表現(xiàn)上，改進白化M-K法對原序列趨勢破壞較小。

河川徑流序列突變性分析中，Pettitt突變檢驗法、Mann-Kendall(M-K)突變分析法、有序聚類分析、雙累積曲線法等方法在研究中應用較為廣泛[6]。劉晶等[11]采用Pettitt突變檢驗法對塔里木河源流區(qū)1956—2016年徑流數(shù)據(jù)進行突變分析，結果表明，阿克蘇河和葉爾羌河在1993年顯著突變,突變越度為14.66億m3和7.42億m3。Shimin Tian等[12]利用M-K突變分析法對黃河下河沿、石嘴山、三湖河口、頭道拐水文站1950—2014年徑流進行突變分析，認為四站分別在1989、1986、1978、1982年發(fā)生徑流序列突變，造成徑流突變年份不同的原因是由于龍羊峽和劉家峽水庫的調節(jié)作用。楊思雨等[13]用滑動t檢驗、有序聚類分析和雙累積曲線法對1961—2015年涇河流域序列進行徑流突變分析，三種方法綜合分析后認為徑流突變年份為1970年、1996年和2003年。Seongil Jo等[14]提出一種新的貝葉斯水文突變分析法，首先構造一個選擇先驗分布，求出回歸模型的后驗樣本，再對突變點的后驗均值進行分析。對韓國15臺站1971—2012年最大日降水量進行分析，認為Icheon和Wonju兩站序列發(fā)生突變。

河川徑流序列周期性分析中，常用的有小波分析法、功率譜周期分析法、諧波分析法、極大熵譜周期分析法等方法[6]。莫崇勛等[15]用Morlet小波分析法研究了變化環(huán)境下澄碧河流域平塘站年徑流深、雨季徑流深和枯季徑流深周期特征，結果認為，年徑流深和雨季徑流深周期一致，第一主周期20 a，第二主周期6 a，第三主周期3 a，枯季徑流深主周期分別為24 a、9 a、5 a。張亞璇等[16]采用功率譜分析和小波分析法對西天山鞏乃斯河流域1958—2015年徑流周期進行分析，認為年徑流量主周期為4 a、11 a和19 a。趙麗娜等[17]采用功率譜分析和極大熵譜分析對陜北地區(qū)綏德、神木、趙石窯等12個測站年徑流序列進行周期研究，認為陜北年徑流主周期為3 a、11 a、21 a，與魏娜等[18]的分析基本一致。謝平等[19]提出一種基于相關系數(shù)的周期變異分級法，根據(jù)水文序列及其周期的相關系數(shù)，選取閾值，對周期變異程度進行分級。將此方法應用于內蒙古二連浩特氣象站、拐子湖氣象站和黑龍江呼瑪氣象站1961—2013年降水序列，認為二連浩特數(shù)據(jù)序列無周期變異，拐子湖數(shù)據(jù)序列周期弱變異，呼瑪數(shù)據(jù)序列周期中變異。

總的來看，徑流演變特征分析方法多樣，不同方法分析的結論有時會產生差異。對水文、氣象系列演變特征宜采用多種分析方法進行綜合診斷，同時，結合區(qū)域環(huán)境變化的實際情況，最后得出較為科學客觀的結論。

1.2 變化環(huán)境下水資源演變態(tài)勢

氣候變化直接影響水資源時空分布、對降水、蒸發(fā)等水文要素產生影響，進而使水資源總量發(fā)生變化，水情發(fā)生改變，洪水、干旱等極端災害發(fā)生頻率增加。隨著社會不斷發(fā)展，人類活動強度的增大，以土地利用/植被覆蓋(LUCC)為代表的人類活動對水資源態(tài)勢影響加大。因此，變化環(huán)境下水資源演變規(guī)律的研究越來越被相關研究者所重視。

Naik P K等[20]對氣候變化下哥倫比亞河流域水資源演變進行定量研究，結果表明，哥倫比亞河原始流量下降16.5%，氣候變化原因占9%，農業(yè)灌溉原因占8%。在Piao S等[21]的研究中，長江流域年徑流量呈不明顯增加態(tài)勢，黃河流域徑流量呈持續(xù)減少態(tài)勢，氣候變化與人類活動是導致變化的主要和次要原因。Dai A等[22]選取全球925條河流進行徑流分析，世界前200條大的河流中，約有三分之一表現(xiàn)出顯著趨勢，呈下降趨勢的約有19條河流，上升趨勢的約為45條。人類活動對徑流影響大于氣候變化。王金星等[23]對南北方河流進行研究，結果表明，南方徑流春季呈增大趨勢，北方徑流冬春季呈減少態(tài)勢。劉晶等[24]對中國水資源規(guī)律進行分析，認為近20 a水資源總量呈不明顯減少趨勢，東部區(qū)域水資源增加、中西部水資源減少。

總的來看，受環(huán)境變化的影響，全球范圍內，一些河流徑流量具有了顯著的變化。我國水資源量總的呈現(xiàn)正常略減的趨勢，主要集中在黃河[25]、海河、遼河等北方河流。氣候變化與人類活動是引起變化的兩個主要驅動因子，其中人類活動對徑流的減少作用更大。隨著環(huán)境的快速變化，開展變化環(huán)境下區(qū)域水資源演變研究是科學支撐區(qū)域水資源評價的重點工作。

2 氣候變化對水資源影響研究

2.1 氣候變化對水資源評價模型影響

水文模型是水文學研究者的重要工具，主要用于概化和模擬水文現(xiàn)象[26]。在氣候變化對水資源影響評價中，水文模型作為評價的主要工具，受到相關學者的廣泛關注而快速發(fā)展。在目前的研究中，使用的模型主要分為經(jīng)驗統(tǒng)計模型、概念式水文模型和分布式水文模型三類。

經(jīng)驗統(tǒng)計模型主要應用于早期研究中，利用數(shù)學思維找到水文要素之間的相關關系，建立統(tǒng)計模型，揭示流域徑流長期變化規(guī)律。經(jīng)驗統(tǒng)計模型中，比較有代表性的是Sherman L K[27]提出的水文單位線經(jīng)驗統(tǒng)計模型。經(jīng)驗統(tǒng)計模型是研究降雨徑流的重要手段，其優(yōu)勢在于可以對降雨、徑流進行高精度模擬，較好還原研究區(qū)情況。

隨著水文學研究的不斷深入以及科學技術的不斷發(fā)展，概念式水文模型逐漸被學者所青睞，并在20世紀70年代取得快速發(fā)展。廣大研究者所熟知的斯坦福流域水文模型、新安江水文模型、Tank模型、SCS模型、API模型等均在此時出現(xiàn)，得到大面積應用。Jung-Hun Song等[28]將雙曲線參數(shù)模型與Tank模型相結合建立日降雨徑流模型，將該模型應用于韓國地區(qū)，認為模型提高了降雨徑流的模擬精度。概念式水文模型將流域作為一個整體處理，結構相對簡單，易于操作，在目前水文預報和水資源管理中得到廣泛的應用。

分布式水文模型對流域特征參數(shù)進行精細刻畫，能夠較好地對水文過程進行模擬，在氣候變化對水資源影響評價中得到較好應用。研究中常見的分布式水文模型有SWAT模型、TOPMODEL模型、Mike-SHE模型、VIC模型等。G.Q. Wang等[29]利用M-K統(tǒng)計分析法與VIC模型相結合的歸因識別法對氣候變化下的黃淮海流域水資源變化進行研究，認為氣候變化會加劇黃淮海水資源短缺。唐雄朋等[30]利用SWAT模型對氣候變化下雅魯藏布江拉孜站進行徑流模擬，結果表明，SWAT在高寒河源區(qū)適用性較好。在RCP2.6(溫室氣體低排放)、RCP4.5(溫室氣體中等排放)、RCP8.5(溫室氣體高排放)情境下，徑流分別增加了11.8%、14.0%和16.5%，認為未來研究區(qū)內徑流呈現(xiàn)增加趨勢，冰川、積雪消融速度加劇。分布式水文模型是目前開展大區(qū)域或全球尺度水文過程模擬和氣候變化影響評價的重要工具。

相比而言，統(tǒng)計模型具有較高的模擬精度，其缺點在于外延精度不高。概念性水文模型將流域作為一個整體處理，無法刻畫降水、下墊面空間異質性對流域水文循環(huán)過程的影響。分布式水文模型進行水文分析需要研究區(qū)具有詳細的數(shù)據(jù)資料，在資料不全的研究區(qū)中存在較大的局限性。因此，在實際應用中應根據(jù)流域的實際情況選擇適宜的水文模型。

2.2 氣候變化對區(qū)域水資源影響

近幾十年來，國內外開展了大量氣候變化對區(qū)域水資源影響研究工作，取得了很多突破。目前研究的主要方向有五個：水循環(huán)要素變化的檢測與歸因分析、氣候變化與人類活動對水文水資源影響的定量評估、未來氣候變化情境下水循環(huán)與水資源的演變趨勢預估、氣候變化對極端水文事件的影響研究、氣候變化下水資源適應性管理策略[26]。

Qiang Zhang等[31]將M-K趨勢檢驗與線性回歸法結合，對長江流域水沙特征進行分析，認為1990年后長江干流含沙量呈現(xiàn)下降趨勢。David Labat等[32]對20世紀氣候變化下各大洲徑流量進行研究，認為溫度每升高1 ℃，徑流量增加4%。美國和加拿大等國研究者的研究表明，隨著全球氣溫升高，極端水文事件發(fā)生頻率增高[33]。王國慶等[34]對變化環(huán)境下嵐河流域進行研究，認為1968年后上靜游站實測徑流量減少50%以上，1969—2015年人類活動影響量占徑流減少量的76.1%。金君良等[35]對氣候變化下海河流域水資源演變趨勢進行研究，認為未來2021—2050年海河流域水資源呈略微增加趨勢，流域北部水資源增加更為明顯。

未來氣候變化對區(qū)域水資源具有顯著的影響，河川徑流受氣候變化與人類活動雙重制約，在干旱區(qū)人類活動對河川徑流的影響相對較大，氣候變化對徑流的絕對影響具有增大趨勢[37]，全球變暖對區(qū)域水資源的影響在未來水資源管理中應引起足夠的重視。

3 環(huán)境變化影響研究對河南省的借鑒

3.1 河南省水資源現(xiàn)狀及存在問題

河南省地處平原，省內黃河、海河、淮河、長江四大流域交匯，是我國的農業(yè)大省、人口大省，用水量巨大。資料統(tǒng)計表明，河南省多年平均降水量776 mm，全省人均水資源467 m3，僅為全國平均水平的22%，水資源嚴重匱乏。同時，省內水資源分布不均，南部的南陽盆地年徑流量為100～200 mm，而北部的豫北平原僅為40～50 mm。氣候變化影響下，年內降水量相差極大，汛期徑流量可達到全年的70%。人類活動下的水資源影響主要表現(xiàn)在農業(yè)灌溉上，全省農業(yè)用水量占全年用水量50%以上，在農業(yè)用水量較大的豫東與豫北地區(qū)，河道汛期后基本斷流。變化環(huán)境下，省內一些河流實測徑流量總體呈減少趨勢，北部、東部減少明顯。相關學者預測[37]，隨著氣溫升高和人類活動影響，2030年全省缺水量將達到150億m3左右，約占當年總需水量的25%。

總的來看，河南省水資源存在以下問題，(1)省內嚴重缺水，人均、畝均水資源量低于全國水平。(2)水資源空間分布不均，南方多于北方，大大限制了以農業(yè)為主的豫北地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展。(3)氣候變化背景下，水資源總量急劇下降，加劇了水資源短缺。

3.2 河南省水資源評價方面的借鑒

降水是決定區(qū)域水資源多寡的重要氣候要素，氣溫變化通過影響蒸發(fā)進而對區(qū)域水資源情勢產生一定影響。河川徑流是重要的水資源形式，水利工程修建、農田灌溉、以及土地利用等大規(guī)模人類活動也對河川徑流產生重要影響，理清變化環(huán)境下河川徑流演變、科學評估未來氣候變化下區(qū)域水資源情勢是對科學規(guī)劃水資源利用、支撐河南經(jīng)濟社會高質量發(fā)展的重要前提基礎工作?；谀壳碍h(huán)境變化對水資源的影響研究進展，面對快速發(fā)展的經(jīng)濟社會，在全球變暖背景下河南省水資源評價的主要任務包括以下方面：

(1)近60 a河南省氣候、水文要素演變。收集河南省氣象站點、重點水文站點氣溫、降水、徑流資料，分析近60 a來氣候要素的時空演變特征，研究變化環(huán)境下河川徑流演變態(tài)勢

(2)構建覆蓋河南省全境的分布式流域水文模型。根據(jù)河南省的水文、氣候、地理特征，選取適宜的流域水文模型，以省內典型流域為對象，率定模型參數(shù)；基于水文氣候的相似性，實現(xiàn)參數(shù)的區(qū)域化，構建基于格點的河南省分布式水文模型。

(3)未來氣候變化對河南省水資源的影響?；贑MIP-V的全球氣候模式GCMS情景資料，分析河南省未來氣候變化趨勢，采用降尺度的氣候情景資料驅動構建的河南省分布式水文模型，評估未來氣候變化情景下的河南省水資源情勢。

4 結 語

隨著全球溫度升高、經(jīng)濟社會快速發(fā)展，特別是干旱半干旱區(qū)河川徑流發(fā)生顯著變化；流域水文模型是評估區(qū)域環(huán)境變化對水資源影響的重要工具，氣候變化對干旱區(qū)徑流的影響具有增大趨勢。

河南省水資源問題突出，未來氣候變化將對水資源管理帶來嚴峻挑戰(zhàn)，系統(tǒng)分析變化環(huán)境下河南省水資源演變趨勢，定量評估未來氣候變化對水資源的影響，可為河南省科學應對氣候變化、強化水資源適應性管理提供重要的參考依據(jù)。