环境变化对水资源影响研究进展及其借鉴与启示

2020-01-05栗士棋程芳芳李柯星王国庆

水利科学与寒区工程 2020年5期

栗士棋，刘颖，程芳芳，李柯星，王国庆

(1.郑州大学水利科学与工程学院，河南郑州 450001；2. 水利部应对气候变化研究中心，江苏南京 210029；3. 郑州市气象局，河南郑州 450048；4.南京水利科学研究院，江苏南京 210029)

2013年IPCC第五次全球气候评估报告指出，近130 a全球气温平均升高0.85 ℃。同时还预测，与1986—2005年相比，预计2081—2100年全球表面温度可能上升0.3～4.8 ℃[1]。水作为受气候变化影响最直接的因子之一，随着全球气温升高，径向环流发展增强，冷暖空气流动与交汇增加，产生强降水与强蒸发，导致水资源、旱涝等极端水文事件频率增加[2]。相关研究表明，在全球200条较大的河流中，有22%的河川径流量呈现显著减少趋势[3]。气候变化驱动降水、蒸发等水文要素发生改变，打破区域原有水量平衡，进而影响水资源的重新分布。变化环境对水文过程的影响受到全球学者的广泛关注。

我国国土幅员辽阔，呈西高东低的阶梯形分布态势，西部处于欧亚大陆，东部濒临太平洋[4]。复杂的地形地貌，多样的季风类型，以及东西部社会经济发展不均衡导致的人类活动水平差异，使我国水情带有明显的区域性特征。因此开展变化环境下区域水资源研究，对于我国水资源的保护、开发和利用，具有重要的现实意义。

针对环境变化对水资源影响，本文重点综述了变化环境下河川径流及水资源演变规律，以及气候变化对水资源影响相关研究成果，归纳了目前相关研究分析评价方法。结合河南省面临的水资源问题，讨论了针对全球变暖背景下河南省水资源评价需要重点开展的研究任务。

1 变化环境下河川径流与水资源演变

1.1 径流演变特征分析方法

河川径流序列演变包括趋势、突变以及周期等特征，理解河川径流演变特征对区域水资源规划和可持续利用产生直接影响，因此受到流域管理部门以及科研工作者的较多关注[5]。

河川径流序列趋势分析中，目前采用较多的有线性回归法、Mann-Kendall(M-K)非参数检验、Spearman秩次检验、滑动平均检验等方法[6]。罗蔚等[7]选取鄱阳湖17处水文站，用M-K检验对鄱阳湖1956—2008年径流趋势进行分析，认为1956—2008年鄱阳湖径流量呈不显著上升趋势。陈婷等[8]采用线性回归、M-K非参数检验等方法对汉江上游径流演变特征进行研究，认为汉江上游径流量在20世纪60年代和80年代分别增加12.34%和22.2%，90年代径流量减少23.81%。邱临静等[9]采用M-K趋势分析和Sen斜率估计法对延河流域径流变化进行分析研究，认为夏季径流量占全年的53.46%，延河径流量从20世纪50年代到90年代呈上升-下降-上升-下降趋势。张洪波等[10]考虑到剔除序列自相关性对原趋势存在破坏，通过集成回归变异-去趋势-方差变异等检验方法，提出改进的白化M-K趋势检验方法。将改进白化M-K法与传统白化M-K法应用于林家村、神木、赵石窑三站实测水文序列进行趋势分析，结果表明，在剔除序列自相关性表现上，改进白化M-K法对原序列趋势破坏较小。

河川径流序列突变性分析中，Pettitt突变检验法、Mann-Kendall(M-K)突变分析法、有序聚类分析、双累积曲线法等方法在研究中应用较为广泛[6]。刘晶等[11]采用Pettitt突变检验法对塔里木河源流区1956—2016年径流数据进行突变分析，结果表明，阿克苏河和叶尔羌河在1993年显著突变,突变越度为14.66亿m3和7.42亿m3。Shimin Tian等[12]利用M-K突变分析法对黄河下河沿、石嘴山、三湖河口、头道拐水文站1950—2014年径流进行突变分析，认为四站分别在1989、1986、1978、1982年发生径流序列突变，造成径流突变年份不同的原因是由于龙羊峡和刘家峡水库的调节作用。杨思雨等[13]用滑动t检验、有序聚类分析和双累积曲线法对1961—2015年泾河流域序列进行径流突变分析，三种方法综合分析后认为径流突变年份为1970年、1996年和2003年。Seongil Jo等[14]提出一种新的贝叶斯水文突变分析法，首先构造一个选择先验分布，求出回归模型的后验样本，再对突变点的后验均值进行分析。对韩国15台站1971—2012年最大日降水量进行分析，认为Icheon和Wonju两站序列发生突变。

河川径流序列周期性分析中，常用的有小波分析法、功率谱周期分析法、谐波分析法、极大熵谱周期分析法等方法[6]。莫崇勋等[15]用Morlet小波分析法研究了变化环境下澄碧河流域平塘站年径流深、雨季径流深和枯季径流深周期特征，结果认为，年径流深和雨季径流深周期一致，第一主周期20 a，第二主周期6 a，第三主周期3 a，枯季径流深主周期分别为24 a、9 a、5 a。张亚璇等[16]采用功率谱分析和小波分析法对西天山巩乃斯河流域1958—2015年径流周期进行分析，认为年径流量主周期为4 a、11 a和19 a。赵丽娜等[17]采用功率谱分析和极大熵谱分析对陕北地区绥德、神木、赵石窑等12个测站年径流序列进行周期研究，认为陕北年径流主周期为3 a、11 a、21 a，与魏娜等[18]的分析基本一致。谢平等[19]提出一种基于相关系数的周期变异分级法，根据水文序列及其周期的相关系数，选取阈值，对周期变异程度进行分级。将此方法应用于内蒙古二连浩特气象站、拐子湖气象站和黑龙江呼玛气象站1961—2013年降水序列，认为二连浩特数据序列无周期变异，拐子湖数据序列周期弱变异，呼玛数据序列周期中变异。

总的来看，径流演变特征分析方法多样，不同方法分析的结论有时会产生差异。对水文、气象系列演变特征宜采用多种分析方法进行综合诊断，同时，结合区域环境变化的实际情况，最后得出较为科学客观的结论。

1.2 变化环境下水资源演变态势

气候变化直接影响水资源时空分布、对降水、蒸发等水文要素产生影响，进而使水资源总量发生变化，水情发生改变，洪水、干旱等极端灾害发生频率增加。随着社会不断发展，人类活动强度的增大，以土地利用/植被覆盖(LUCC)为代表的人类活动对水资源态势影响加大。因此，变化环境下水资源演变规律的研究越来越被相关研究者所重视。

Naik P K等[20]对气候变化下哥伦比亚河流域水资源演变进行定量研究，结果表明，哥伦比亚河原始流量下降16.5%，气候变化原因占9%，农业灌溉原因占8%。在Piao S等[21]的研究中，长江流域年径流量呈不明显增加态势，黄河流域径流量呈持续减少态势，气候变化与人类活动是导致变化的主要和次要原因。Dai A等[22]选取全球925条河流进行径流分析，世界前200条大的河流中，约有三分之一表现出显著趋势，呈下降趋势的约有19条河流，上升趋势的约为45条。人类活动对径流影响大于气候变化。王金星等[23]对南北方河流进行研究，结果表明，南方径流春季呈增大趋势，北方径流冬春季呈减少态势。刘晶等[24]对中国水资源规律进行分析，认为近20 a水资源总量呈不明显减少趋势，东部区域水资源增加、中西部水资源减少。

总的来看，受环境变化的影响，全球范围内，一些河流径流量具有了显著的变化。我国水资源量总的呈现正常略减的趋势，主要集中在黄河[25]、海河、辽河等北方河流。气候变化与人类活动是引起变化的两个主要驱动因子，其中人类活动对径流的减少作用更大。随着环境的快速变化，开展变化环境下区域水资源演变研究是科学支撑区域水资源评价的重点工作。

2 气候变化对水资源影响研究

2.1 气候变化对水资源评价模型影响

水文模型是水文学研究者的重要工具，主要用于概化和模拟水文现象[26]。在气候变化对水资源影响评价中，水文模型作为评价的主要工具，受到相关学者的广泛关注而快速发展。在目前的研究中，使用的模型主要分为经验统计模型、概念式水文模型和分布式水文模型三类。

经验统计模型主要应用于早期研究中，利用数学思维找到水文要素之间的相关关系，建立统计模型，揭示流域径流长期变化规律。经验统计模型中，比较有代表性的是Sherman L K[27]提出的水文单位线经验统计模型。经验统计模型是研究降雨径流的重要手段，其优势在于可以对降雨、径流进行高精度模拟，较好还原研究区情况。

随着水文学研究的不断深入以及科学技术的不断发展，概念式水文模型逐渐被学者所青睐，并在20世纪70年代取得快速发展。广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模型等均在此时出现，得到大面积应用。Jung-Hun Song等[28]将双曲线参数模型与Tank模型相结合建立日降雨径流模型，将该模型应用于韩国地区，认为模型提高了降雨径流的模拟精度。概念式水文模型将流域作为一个整体处理，结构相对简单，易于操作，在目前水文预报和水资源管理中得到广泛的应用。

分布式水文模型对流域特征参数进行精细刻画，能够较好地对水文过程进行模拟，在气候变化对水资源影响评价中得到较好应用。研究中常见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统计分析法与VIC模型相结合的归因识别法对气候变化下的黄淮海流域水资源变化进行研究，认为气候变化会加剧黄淮海水资源短缺。唐雄朋等[30]利用SWAT模型对气候变化下雅鲁藏布江拉孜站进行径流模拟，结果表明，SWAT在高寒河源区适用性较好。在RCP2.6(温室气体低排放)、RCP4.5(温室气体中等排放)、RCP8.5(温室气体高排放)情境下，径流分别增加了11.8%、14.0%和16.5%，认为未来研究区内径流呈现增加趋势，冰川、积雪消融速度加剧。分布式水文模型是目前开展大区域或全球尺度水文过程模拟和气候变化影响评价的重要工具。

相比而言，统计模型具有较高的模拟精度，其缺点在于外延精度不高。概念性水文模型将流域作为一个整体处理，无法刻画降水、下垫面空间异质性对流域水文循环过程的影响。分布式水文模型进行水文分析需要研究区具有详细的数据资料，在资料不全的研究区中存在较大的局限性。因此，在实际应用中应根据流域的实际情况选择适宜的水文模型。

2.2 气候变化对区域水资源影响

近几十年来，国内外开展了大量气候变化对区域水资源影响研究工作，取得了很多突破。目前研究的主要方向有五个：水循环要素变化的检测与归因分析、气候变化与人类活动对水文水资源影响的定量评估、未来气候变化情境下水循环与水资源的演变趋势预估、气候变化对极端水文事件的影响研究、气候变化下水资源适应性管理策略[26]。

Qiang Zhang等[31]将M-K趋势检验与线性回归法结合，对长江流域水沙特征进行分析，认为1990年后长江干流含沙量呈现下降趋势。David Labat等[32]对20世纪气候变化下各大洲径流量进行研究，认为温度每升高1 ℃，径流量增加4%。美国和加拿大等国研究者的研究表明，随着全球气温升高，极端水文事件发生频率增高[33]。王国庆等[34]对变化环境下岚河流域进行研究，认为1968年后上静游站实测径流量减少50%以上，1969—2015年人类活动影响量占径流减少量的76.1%。金君良等[35]对气候变化下海河流域水资源演变趋势进行研究，认为未来2021—2050年海河流域水资源呈略微增加趋势，流域北部水资源增加更为明显。

未来气候变化对区域水资源具有显著的影响，河川径流受气候变化与人类活动双重制约，在干旱区人类活动对河川径流的影响相对较大，气候变化对径流的绝对影响具有增大趋势[37]，全球变暖对区域水资源的影响在未来水资源管理中应引起足够的重视。

3 环境变化影响研究对河南省的借鉴

3.1 河南省水资源现状及存在问题

河南省地处平原，省内黄河、海河、淮河、长江四大流域交汇，是我国的农业大省、人口大省，用水量巨大。资料统计表明，河南省多年平均降水量776 mm，全省人均水资源467 m3，仅为全国平均水平的22%，水资源严重匮乏。同时，省内水资源分布不均，南部的南阳盆地年径流量为100～200 mm，而北部的豫北平原仅为40～50 mm。气候变化影响下，年内降水量相差极大，汛期径流量可达到全年的70%。人类活动下的水资源影响主要表现在农业灌溉上，全省农业用水量占全年用水量50%以上，在农业用水量较大的豫东与豫北地区，河道汛期后基本断流。变化环境下，省内一些河流实测径流量总体呈减少趋势，北部、东部减少明显。相关学者预测[37]，随着气温升高和人类活动影响，2030年全省缺水量将达到150亿m3左右，约占当年总需水量的25%。

总的来看，河南省水资源存在以下问题，(1)省内严重缺水，人均、亩均水资源量低于全国水平。(2)水资源空间分布不均，南方多于北方，大大限制了以农业为主的豫北地区社会经济发展。(3)气候变化背景下，水资源总量急剧下降，加剧了水资源短缺。

3.2 河南省水资源评价方面的借鉴

降水是决定区域水资源多寡的重要气候要素，气温变化通过影响蒸发进而对区域水资源情势产生一定影响。河川径流是重要的水资源形式，水利工程修建、农田灌溉、以及土地利用等大规模人类活动也对河川径流产生重要影响，理清变化环境下河川径流演变、科学评估未来气候变化下区域水资源情势是对科学规划水资源利用、支撑河南经济社会高质量发展的重要前提基础工作。基于目前环境变化对水资源的影响研究进展，面对快速发展的经济社会，在全球变暖背景下河南省水资源评价的主要任务包括以下方面：

(1)近60 a河南省气候、水文要素演变。收集河南省气象站点、重点水文站点气温、降水、径流资料，分析近60 a来气候要素的时空演变特征，研究变化环境下河川径流演变态势

(2)构建覆盖河南省全境的分布式流域水文模型。根据河南省的水文、气候、地理特征，选取适宜的流域水文模型，以省内典型流域为对象，率定模型参数；基于水文气候的相似性，实现参数的区域化，构建基于格点的河南省分布式水文模型。

(3)未来气候变化对河南省水资源的影响。基于CMIP-V的全球气候模式GCMS情景资料，分析河南省未来气候变化趋势，采用降尺度的气候情景资料驱动构建的河南省分布式水文模型，评估未来气候变化情景下的河南省水资源情势。