气候变化对西北内陆寒区地表水资源的影响研究

李 舟

(北京节能环保中心，北京100029)

气候是形成和影响地表水资源的重要因素。在全球气候变暖的背景下，内陆寒区出山径流量的变化对中下游地区社会经济发展、防汛抗旱和生态环境保护有着直接的影响。气候因素中的降水和蒸发直接影响着径流量的大小和变化，降水量多、蒸发量小径流量就多，反之则少。气温等因素通过影响降水和蒸发间接影响着径流［1］。全球变暖将在总体上引起地球表面蒸散发量的增加，因而将引起降水量的增加。现今气候模拟计算结果表明，当地球表面气温平均升高1.5～4.5℃时，全球年均降水量将增加3%～15%，但在时间和空间上的分布是极不均匀的，当一些地区的降水量增加时，另一些地区的降水量有可能减少。在全球水资源日趋紧张的情况下，气候变化对水资源的影响已受到普遍关注。

1 情景定义

情景(Scenario)描绘了未来世界发展的各种可能性。一个情景由许多相互关联的变量组成，在一系列连贯的有关主要发展驱动因素及其相互关系的假设或理论基础上，形成对未来世界的总体描述。由于许多物理系统和社会系统的未来演变是不可预测的或者预测结果具有很大的不确定性，因此情景有助于我们了解复杂动态系统的未来发展的可能性。情景不是对未来的预测或预报:预报描述了极有可能发生的未来，而情景只描述了也许会发生的未来，各种不同的情景构成了可供选择的未来世界的发展蓝图;预测通常是基于一个或多个变化的历史趋势进行简单外推，而情景是一种把有关未来的定性构想与基于模拟的定量表达联系起来的工具，以此加深我们对于复杂系统运行机制、行为特征以及发展过程的认识。

对于科学评估和决策过程来说，情景是一种有用的工具。在气候变化领域，情景是进行气候模拟、评估气候变化影响和脆弱性、选择适应和减缓措施以及分析气候变化相关政策的基础。

2 水资源对气候变化的敏感性分析

天然径流对气候变化的敏感性是指一个或几个气候变量(如气温、降水等)的较小变化对天然径流产生的放大效应。如果某一流域的气候变幅较小，而它对水文水资源产生的放大效应很大，则称这一水文水资源系统对气候变化的反应敏感。敏感性是反应水资源系统对气候变化适应能力的一项重要指标，对敏感性进行研究对于揭示不同流域水文要素响应气候变化的机理和差异有一定的作用［2］。

IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)给出的敏感性定义是:系统受到与气候有关的刺激因素影响的程度，包括不利和有利的影响。与气候有关的刺激因素是指所有气候变化特征，即平均气候状态、气候变异和极端事件的频率与强度。这些影响可以是直接的(如气候均值及气候变异变化所引起的作物产量变化)或间接的(如海平面上升引起的沿海地带洪水频率增加而造成的损失)。水文要素对气候变化的敏感性是指流域的径流、蒸发及土壤水对假定的气候变化情景响应的程度。

假定的气候变化情景由给定的降水变化(如0，±10%，±20%)和气温变化(如0，±1，±2，±3℃)组合而成。水文要素对不同气候情景的响应表示为

式中:WP，T为现状径流量，m3;WP+ΔP，T+ΔT为降水变化 ΔP、气温变化 ΔT情景下的径流量，m3;ηΔP，ΔT为径流量在降水变化 ΔP、气温变化ΔT情况下的变化率，%。

在敏感性研究中，假定气候变化情景不改变历史气候的时空分布，且未来将重现降水、气温和蒸发缩放后的序列。在相同的气候变化情景下，响应的程度愈高则水文要素就愈敏感，反之则不敏感。对径流敏感性进行分析可以确定影响径流变化的主要因素和次要因素。然而，水文要素对假定的气候变化情景的响应程度并不是对未来气候变化条件下的预测［3］。

3 研究区概况

研究区为石羊河流域。石羊河位于甘肃省河西走廊东部的乌稍岭以西、祁连山北麓，流域面积4.16万km2，属河西走廊三大内陆河之一。石羊河发源于南部的祁连山区，自东向西由大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、金塔河、西营河、东大河、西大河等8条河流汇集而成，上游祁连山区属于高寒湿润、亚湿润、亚干旱区，年平均降水量500～700 mm，年蒸发量800 mm左右，河道径流以大气降水和高山冰雪融水为主要补给水源。上游的祁连山区是石羊河水资源的主产区，面积1.1万km2;中下游属于河西北部温带干旱区，年均降水量150～250 mm，年蒸发量800～1800 mm，是石羊河水资源的径流区和排泄区。

4 不同气候情景下的地表径流模拟分析

选取石羊河水系之一的西大河50%平水年设计来水保证率下的年径流量作为本底值进行情景分析。

根据未来气候的可能变化趋势，设置9种气候情景方案:降水变化( －10%，0，10%)，气温变化( －1 ℃，0，1 ℃)，两两组合形成未来气候变化的9种假想情景。根据径流敏感性的定义，利用水文模型计算各种气候情景下的径流量及气候变化对径流的影响，其结果见表1。

表1 不同气候情景下西大河年径流量的变化

由表1可以看出:①在年降水量不变的情况下，气温下降比升高对年径流量的影响略大，气温每升高1℃，西大河年径流量将减少9.59%;每降低1℃，年径流量增加12.15%。②在气温不变的情况下，降水量增加相同的幅度与减少相同的幅度对年径流量的影响基本相当，即当降水量增加或减少10%时，西大河年径流量将增加或减少约18%。③降水量增加同时气温降低对年径流量的影响程度最大。当降水量增加10%、气温降低1℃时，西大河年径流量将增加31.34%。

为了分析径流对气候变化敏感性的一般性规律，图1给出了西大河流域气温、年降水量与年径流量变化关系曲线。

图1 西大河流域气温、年降水量与年径流量变化关系

由图1关系曲线和表1数据可以得出以下认识:①西大河年径流量随降水量的增加而增大，随气温的升高而减小，年径流量对降水和气温变化的敏感性同等显著，二者是影响径流变化的两大主要因素。②气温对径流的影响随降水的增加而更为明显，二者同时变化加速了对年径流量的影响，如当气温降低1℃、年降水量增大10%时，年径流量变化幅度达到最大，为31.34%。

5 不同气候情景下径流年内分配的变化

气候变化不仅影响着年径流量的变化，而且也将改变径流在年内的分配。假定在50%平水年不同气候情景的月径流量模拟(降水量变化ΔP=±10%和保持不变，气温变化ΔT=±1℃和保持不变)，从中选取4种有代表性的组合方式，即A1(ΔP=10%，ΔT= －1 ℃)、A2(ΔP=10%，ΔT=1 ℃)、A3(ΔP=－10%，ΔT=1℃)、A4(ΔP=0%，ΔT=0 ℃)。表2和图2为西大河在这4种气候情景下径流量的年内分配情况。

表2 不同情景下西大河年径流量分配过程 亿m3

图2 水资源情景分析中的西大河年内径流量分配

由表2和图2可以看出:①自上而下4条变化曲线依次为A1、A2、A4、A3。在 A1与 A3情景下，径流量变化幅度最大，两种情景使得径流量向同一个方向加速变化。②气温变化对径流量的影响随降水的增加显得更为明显，各曲线之间的间距在汛期达到最大，说明气温和降水二者同时变化加大了对汛期径流量的影响。如图2所示，A3与A4情景相比，西大河径流量在7—9月最大减少0.1亿m3;1—4月及12月份敏感性不显著，5月份起变化幅度开始增大，原因为径流量会因高山冰雪融水而增加，同时温度升高在冬季对径流量的影响很小(从图中看不出有较明显的变化)。这主要是融冰(雪)水的补给量增量与蒸发量增量相抵消所致，另外融雪径流对流域的影响相对滞后，融雪径流大部分补给为土壤水。③相比而言，非汛期降水和气温变化对径流量的影响程度相当，汛期降水变化对径流量的影响更为显著，如:当气温保持增加1℃时，降水量在其间变化20%(A2和A3情景下)，西大河8月份的径流量变化0.14亿m3;当降水量保持增加10%时，温度在其间变化2℃(A1和A2情景下)，西大河8月份的径流量变化0.11亿m3。④从年内的分布来看，5—8月份的径流量对温度的变化反应更加强烈，这意味着在未来气温变化的研究中，气温增幅对径流年内分配变化的影响将更加重要。

6 结语

(1)气候变化对水资源的影响主要表现在以下3个方面:①加速或减缓水气的循环，改变降水的强度和历时，变更径流量的大小，加大洪灾、旱灾的强度与频率，以及诱发其他自然灾害等。②对水资源有关项目规划与管理的影响，包括降水量和径流量的变化以及由此而产生的海平面上升、土地利用、人口迁移、水资源的供求和水力发电变化等。③加速水分蒸发，改变土壤水分含量及其渗透速率，由此影响农业、森林、草地、湿地等生态系统的稳定性及其生产量等。

(2)研究表明，西大河年径流量会随年降水量的增加而增大，随气温的升高而减小。因此，应根据气候变化对中下游受水区制定相应的用水配水方案。

［1］高惠芸.新疆阿克苏河流域径流量对气候变化的响应研究［D］.乌鲁木齐:新疆师范大学，2007.

［2］史玉品.黄河源区气候变化及其对水资源的影响［D］.南京:河海大学，2006.

［3］王国庆.气候变化对黄河中游水文水资源影响的关键问题研究［D］.南京:河海大学，2006.