氣候變化對西北內(nèi)陸寒區(qū)地表水資源的影響研究

李 舟

(北京節(jié)能環(huán)保中心，北京100029)

氣候是形成和影響地表水資源的重要因素。在全球氣候變暖的背景下，內(nèi)陸寒區(qū)出山徑流量的變化對中下游地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展、防汛抗旱和生態(tài)環(huán)境保護有著直接的影響。氣候因素中的降水和蒸發(fā)直接影響著徑流量的大小和變化，降水量多、蒸發(fā)量小徑流量就多，反之則少。氣溫等因素通過影響降水和蒸發(fā)間接影響著徑流［1］。全球變暖將在總體上引起地球表面蒸散發(fā)量的增加，因而將引起降水量的增加。現(xiàn)今氣候模擬計算結(jié)果表明，當?shù)厍虮砻鏆鉁仄骄?.5～4.5℃時，全球年均降水量將增加3%～15%，但在時間和空間上的分布是極不均勻的，當一些地區(qū)的降水量增加時，另一些地區(qū)的降水量有可能減少。在全球水資源日趨緊張的情況下，氣候變化對水資源的影響已受到普遍關注。

1 情景定義

情景(Scenario)描繪了未來世界發(fā)展的各種可能性。一個情景由許多相互關聯(lián)的變量組成，在一系列連貫的有關主要發(fā)展驅(qū)動因素及其相互關系的假設或理論基礎上，形成對未來世界的總體描述。由于許多物理系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的未來演變是不可預測的或者預測結(jié)果具有很大的不確定性，因此情景有助于我們了解復雜動態(tài)系統(tǒng)的未來發(fā)展的可能性。情景不是對未來的預測或預報:預報描述了極有可能發(fā)生的未來，而情景只描述了也許會發(fā)生的未來，各種不同的情景構(gòu)成了可供選擇的未來世界的發(fā)展藍圖;預測通常是基于一個或多個變化的歷史趨勢進行簡單外推，而情景是一種把有關未來的定性構(gòu)想與基于模擬的定量表達聯(lián)系起來的工具，以此加深我們對于復雜系統(tǒng)運行機制、行為特征以及發(fā)展過程的認識。

對于科學評估和決策過程來說，情景是一種有用的工具。在氣候變化領域，情景是進行氣候模擬、評估氣候變化影響和脆弱性、選擇適應和減緩措施以及分析氣候變化相關政策的基礎。

2 水資源對氣候變化的敏感性分析

天然徑流對氣候變化的敏感性是指一個或幾個氣候變量(如氣溫、降水等)的較小變化對天然徑流產(chǎn)生的放大效應。如果某一流域的氣候變幅較小，而它對水文水資源產(chǎn)生的放大效應很大，則稱這一水文水資源系統(tǒng)對氣候變化的反應敏感。敏感性是反應水資源系統(tǒng)對氣候變化適應能力的一項重要指標，對敏感性進行研究對于揭示不同流域水文要素響應氣候變化的機理和差異有一定的作用［2］。

IPCC(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)給出的敏感性定義是:系統(tǒng)受到與氣候有關的刺激因素影響的程度，包括不利和有利的影響。與氣候有關的刺激因素是指所有氣候變化特征，即平均氣候狀態(tài)、氣候變異和極端事件的頻率與強度。這些影響可以是直接的(如氣候均值及氣候變異變化所引起的作物產(chǎn)量變化)或間接的(如海平面上升引起的沿海地帶洪水頻率增加而造成的損失)。水文要素對氣候變化的敏感性是指流域的徑流、蒸發(fā)及土壤水對假定的氣候變化情景響應的程度。

假定的氣候變化情景由給定的降水變化(如0，±10%，±20%)和氣溫變化(如0，±1，±2，±3℃)組合而成。水文要素對不同氣候情景的響應表示為

式中:WP，T為現(xiàn)狀徑流量，m3;WP+ΔP，T+ΔT為降水變化 ΔP、氣溫變化 ΔT情景下的徑流量，m3;ηΔP，ΔT為徑流量在降水變化 ΔP、氣溫變化ΔT情況下的變化率，%。

在敏感性研究中，假定氣候變化情景不改變歷史氣候的時空分布，且未來將重現(xiàn)降水、氣溫和蒸發(fā)縮放后的序列。在相同的氣候變化情景下，響應的程度愈高則水文要素就愈敏感，反之則不敏感。對徑流敏感性進行分析可以確定影響徑流變化的主要因素和次要因素。然而，水文要素對假定的氣候變化情景的響應程度并不是對未來氣候變化條件下的預測［3］。

3 研究區(qū)概況

研究區(qū)為石羊河流域。石羊河位于甘肅省河西走廊東部的烏稍嶺以西、祁連山北麓，流域面積4.16萬km2，屬河西走廊三大內(nèi)陸河之一。石羊河發(fā)源于南部的祁連山區(qū)，自東向西由大靖河、古浪河、黃羊河、雜木河、金塔河、西營河、東大河、西大河等8條河流匯集而成，上游祁連山區(qū)屬于高寒濕潤、亞濕潤、亞干旱區(qū)，年平均降水量500～700 mm，年蒸發(fā)量800 mm左右，河道徑流以大氣降水和高山冰雪融水為主要補給水源。上游的祁連山區(qū)是石羊河水資源的主產(chǎn)區(qū)，面積1.1萬km2;中下游屬于河西北部溫帶干旱區(qū)，年均降水量150～250 mm，年蒸發(fā)量800～1800 mm，是石羊河水資源的徑流區(qū)和排泄區(qū)。

4 不同氣候情景下的地表徑流模擬分析

選取石羊河水系之一的西大河50%平水年設計來水保證率下的年徑流量作為本底值進行情景分析。

根據(jù)未來氣候的可能變化趨勢，設置9種氣候情景方案:降水變化( －10%，0，10%)，氣溫變化( －1 ℃，0，1 ℃)，兩兩組合形成未來氣候變化的9種假想情景。根據(jù)徑流敏感性的定義，利用水文模型計算各種氣候情景下的徑流量及氣候變化對徑流的影響，其結(jié)果見表1。

表1 不同氣候情景下西大河年徑流量的變化

由表1可以看出:①在年降水量不變的情況下，氣溫下降比升高對年徑流量的影響略大，氣溫每升高1℃，西大河年徑流量將減少9.59%;每降低1℃，年徑流量增加12.15%。②在氣溫不變的情況下，降水量增加相同的幅度與減少相同的幅度對年徑流量的影響基本相當，即當降水量增加或減少10%時，西大河年徑流量將增加或減少約18%。③降水量增加同時氣溫降低對年徑流量的影響程度最大。當降水量增加10%、氣溫降低1℃時，西大河年徑流量將增加31.34%。

為了分析徑流對氣候變化敏感性的一般性規(guī)律，圖1給出了西大河流域氣溫、年降水量與年徑流量變化關系曲線。

圖1 西大河流域氣溫、年降水量與年徑流量變化關系

由圖1關系曲線和表1數(shù)據(jù)可以得出以下認識:①西大河年徑流量隨降水量的增加而增大，隨氣溫的升高而減小，年徑流量對降水和氣溫變化的敏感性同等顯著，二者是影響徑流變化的兩大主要因素。②氣溫對徑流的影響隨降水的增加而更為明顯，二者同時變化加速了對年徑流量的影響，如當氣溫降低1℃、年降水量增大10%時，年徑流量變化幅度達到最大，為31.34%。

5 不同氣候情景下徑流年內(nèi)分配的變化

氣候變化不僅影響著年徑流量的變化，而且也將改變徑流在年內(nèi)的分配。假定在50%平水年不同氣候情景的月徑流量模擬(降水量變化ΔP=±10%和保持不變，氣溫變化ΔT=±1℃和保持不變)，從中選取4種有代表性的組合方式，即A1(ΔP=10%，ΔT= －1 ℃)、A2(ΔP=10%，ΔT=1 ℃)、A3(ΔP=－10%，ΔT=1℃)、A4(ΔP=0%，ΔT=0 ℃)。表2和圖2為西大河在這4種氣候情景下徑流量的年內(nèi)分配情況。

表2 不同情景下西大河年徑流量分配過程 億m3

圖2 水資源情景分析中的西大河年內(nèi)徑流量分配

由表2和圖2可以看出:①自上而下4條變化曲線依次為A1、A2、A4、A3。在 A1與 A3情景下，徑流量變化幅度最大，兩種情景使得徑流量向同一個方向加速變化。②氣溫變化對徑流量的影響隨降水的增加顯得更為明顯，各曲線之間的間距在汛期達到最大，說明氣溫和降水二者同時變化加大了對汛期徑流量的影響。如圖2所示，A3與A4情景相比，西大河徑流量在7—9月最大減少0.1億m3;1—4月及12月份敏感性不顯著，5月份起變化幅度開始增大，原因為徑流量會因高山冰雪融水而增加，同時溫度升高在冬季對徑流量的影響很小(從圖中看不出有較明顯的變化)。這主要是融冰(雪)水的補給量增量與蒸發(fā)量增量相抵消所致，另外融雪徑流對流域的影響相對滯后，融雪徑流大部分補給為土壤水。③相比而言，非汛期降水和氣溫變化對徑流量的影響程度相當，汛期降水變化對徑流量的影響更為顯著，如:當氣溫保持增加1℃時，降水量在其間變化20%(A2和A3情景下)，西大河8月份的徑流量變化0.14億m3;當降水量保持增加10%時，溫度在其間變化2℃(A1和A2情景下)，西大河8月份的徑流量變化0.11億m3。④從年內(nèi)的分布來看，5—8月份的徑流量對溫度的變化反應更加強烈，這意味著在未來氣溫變化的研究中，氣溫增幅對徑流年內(nèi)分配變化的影響將更加重要。

6 結(jié)語

(1)氣候變化對水資源的影響主要表現(xiàn)在以下3個方面:①加速或減緩水氣的循環(huán)，改變降水的強度和歷時，變更徑流量的大小，加大洪災、旱災的強度與頻率，以及誘發(fā)其他自然災害等。②對水資源有關項目規(guī)劃與管理的影響，包括降水量和徑流量的變化以及由此而產(chǎn)生的海平面上升、土地利用、人口遷移、水資源的供求和水力發(fā)電變化等。③加速水分蒸發(fā)，改變土壤水分含量及其滲透速率，由此影響農(nóng)業(yè)、森林、草地、濕地等生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其生產(chǎn)量等。

(2)研究表明，西大河年徑流量會隨年降水量的增加而增大，隨氣溫的升高而減小。因此，應根據(jù)氣候變化對中下游受水區(qū)制定相應的用水配水方案。

［1］高惠蕓.新疆阿克蘇河流域徑流量對氣候變化的響應研究［D］.烏魯木齊:新疆師范大學，2007.

［2］史玉品.黃河源區(qū)氣候變化及其對水資源的影響［D］.南京:河海大學，2006.

［3］王國慶.氣候變化對黃河中游水文水資源影響的關鍵問題研究［D］.南京:河海大學，2006.