氣候變化與人類活動對流域水循環的影響

陳文剛 常喜建 胡 揚 李 偉 郝 丹

(中國礦業大學 資源學院，江蘇 徐州 221000)

流域水循環研究內容主要包括降水、地表水(徑流)、土壤水、地下水的動態過程及其內在聯系和轉化關系。而目前主要以四水轉化為主，降水之后的形成地表水徑流與土壤水的條件有關，地表徑流與產流的重要影響因素就是土壤水分，土壤水形成壤中流進而轉變為地表水;地下水必須通過土壤的滲透由降水得到補給，而地下水的上升又將補給土壤水，同時也能夠以地下徑流的形式流入地表水;反過來地表水也可滲入土壤，通過土壤又滲漏到地下水中。

1 氣候變化對流域水循環的影響

近百年來，由于工業化的不斷進步和經濟的高速發展，大氣中溫室氣體濃度越來越高，間接地影響到全球氣溫不斷地升高。全球范圍內的觀測資料表明，近百年來(1906～2005年)全球平均地表溫度上升了0.74℃，世紀全球海平面上升約0.17m［1］。而我國平均地表溫度上升幅度在0.5℃ ～0.8℃，海平面上升0.1m～0.2m［2］。氣候變化已然成為人們最為關心的話題之一。

1.1 地表水對氣候變化的響應

氣候變化對于水資源的影響主要表現在氣溫與降水的變化，降水量的變化直接影響到產水量的多少，表現為地面水體及地表徑流量，而氣溫的變化最主要影響到水體的蒸發量，蒸發量的變化使得徑流量及產水量隨之變化。

我們可以通過控制氣候T、降水量P的變化利用SWAT模型模擬出不同氣溫T、降水量P情景下蒸騰蒸發量、徑流量、產水量的變化。于磊等［3］基于SWAT模型的中尺度流域氣候變化水文響應中的研究表明隨著降水量不斷的增大，來水量也同時增加，從而騰發量、地表徑流量及產水量逐步增加。氣溫變化對騰發量、徑流量、產水量也有較大的影響。騰發量隨著氣溫增加而增大，另一方面徑流量以及產水量卻會隨溫度升高而減小。

同樣我們除了模擬控制變量研究，也需要根據實際資料分析氣溫及降水量的變化來研究氣候變化對地表水影響。陳華等［4］就漢江流域1951～2003年降水氣溫時空變化對比分析闡述了氣候變化對地表水的影響。分別分析降水及氣溫的趨勢，再進行比較分析，可看出流域降水變化受氣溫變化的影響，氣溫升高，降水減少，但是降水變化不如氣溫變化趨勢顯著看，主要原因在于影響降水的因素很多，而氣溫僅是其中的一個。范廣洲等［5］模擬研究了氣候變化對灤河流域豐、枯水年不同季節水資源的影響，結果表明了灤河流域地表徑流量、次地表徑流量以及河川徑流量受降水量的變化影響較明顯，受氣溫變化的影響較小。

對以往資料調查的基礎上，同樣也需要對流域基于氣候變化響應未來變化的研究。可利用分布式模型，根據實測降水、氣溫、徑流資料，對該流域未來變化趨勢分析。

郝振純［6］等通過分布式模型對山西省和黃河源區地表水和水資源的未來變化趨勢作分析。研究中對地表徑流和水資源的未來趨勢分析主要分兩部分完成，首先是根據所選源區的條件建立與之相應的分布式模型，其次以該模型為工具，輸入資料及參數，模擬出徑流及水資源的變化趨勢。

1.2 地下水對氣候變化的響應

地下水，是貯存于包氣帶以下地層空隙，包括巖石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。地下水是水資源的重要組成部分，由于水量穩定，水質好，是農業灌溉、工礦和城市的重要水源之一。地下水通過來自降水、湖泊、河流等水源補給與大氣陸地水循環相連。淺層地下水的補給參與水文循環［7］。

劉春蓁等［7］在地下水對氣候變化的敏感性研究進展中討論到地下水補給率的影響因子及估算模擬，模擬估算中不同尺度的模擬。提出了氣候變化與氣候變異對地下水的不同影響，并且利用實測資料分析了氣候變化與變異對地下水的影響。結果表明淺層的地下水主要受制于氣候變化與氣候變異。

而關于地下水補給的模擬，分為全球尺度和區域尺度。

全球尺度方面，Doll等［8］研制的全球可利用水與用水模型，結合灌溉、農牧用水與自然徑流，利用收集的全球數據，模擬出地下水補給的分布，觀察各個地區的異同。

區域尺度方面，Keese等［9，10］用非飽和流模型估算了區域尺度在植被根系帶下的地下水補給。水量平衡方程如下:D=P-ET-Ro-△S

式中:D為根系下的深層泄量;P為降水與灌溉量;ET為蒸散發量;Ro為地表徑流量;△S為水的蓄量變化。

利用氣象數據研究不同區域氣候、土層屬性以及地下水的補給。

2 人類活動對流域水循環的影響

自地球誕生以來，其環境就在不斷變化。人類出現之前，地球環境純粹在自然界推動力作用下變化;自從有了人類，地球自然系統就面臨人類活動的干預。隨著人類改造自然能力的不斷增強，人類活動對流域水文的影響愈加顯著。

并且從流域的產、匯流過程來說，雖然影響其發生和演變的自然因素主要有降雨、蒸發、下墊面、匯流等，而這些因素在短期內是不會發生較大變化的。隨著用水量的不斷增長，人類活動在水循環中發揮的作用越來越大。

2.1 地表水對人類活動的響應

王春霞［11］等在對人類活動對地表水的影響研究中從顯性及隱性兩方面因素來人類活動的影響。其中顯性因素表現在隨著經濟的發展，需要大規模的農業灌溉用水以及工業用水，并且需求量仍然在不斷地提高，這使得河道的徑流量持續地減少，嚴重的影響到當地的生態環境;而隱性因素方面，由于水土流失問題的嚴重性，造成地下水的大規模下降，引起當地土壤包氣帶不斷加厚，入滲損失量與蒸發量也隨著增加，使得河道徑流量降低。

水利工程的修建、湖泊的開墾以及跨流域調水工程的實施，改變了地下水的分配。龐樹森［12］等在對三峽水庫蓄水期間對徑流影響的研究中討論了其蓄水及運行方式，分析了徑流的變化趨勢，并且具體的以三峽水庫蓄水以來第一個完整運行年份2007年的入庫流量數據，詳細分析了減洪及增洪的過程。另外，還以2008-2010年的蓄水運行的數據對徑流的影響作了詳細變化分析。結果表明三峽水客入庫流量變化不大，只在汛期相對減少;而蓄水期對水庫調節起較大影響。

據資料來看，中國北方河川徑流都存在減少的趨勢;除了近年來全球氣候變化的影響，人類活動對河流水量的需求也是重要的因素之一。任立良［13］等中國北方地區人類活動對地表水資源的影響研究中以中國北方地區(黃河、海河、遼河、松花江流域)為例，分別討論近些年由于工農業用水量的增加、天然降水減少對日徑流、月徑流、年徑流以及年代徑流的影響。結果表明，在扣除了自然條件引起的水量變化之外，人類的一系列活動大量取用水是該地區徑流量減少的直接原因。

2.2 地下水對人類活動的響應

由于經濟的飛速發展，人類對于生活及工業用水的需求使得地下水被大量地開采，地下水位持續下降，從而引發了大規模生態環境問題。而近些年，為了滿足經濟發展的需要，在地表水無法滿足需求的同時，加大了地下水的取用，嚴重破壞了地表、地下水的轉化條件以及地下水的水質。

付金花［14］等人類活動對奇臺縣地下水變化的影響研究中以奇臺縣為例，分析了人類在該地區取用地下水的歷史情況，同時分別對奇臺縣地區的潛水位變化、泉水出露變化、地表地下水轉化條件以及潛水水質作了深入的探索。結果表明在奇臺縣地區個水文條件的變化雖然與其本身自然條件有關，但究其主要原因還是大規模的人類活動。大規模人類活動引發了該區域大量的水文及生態環境問題。

同時人們生產生活中開發的一些大規模用地也會產生較大影響。黃明斌［15］在蘋果基地對區域水循環的影響研究中通過比較它們的土壤入滲特性、降雨產流關系和土壤含水量剖面分布情況，預測了塬面蘋果大面積種植對區域水循環可能帶來的影響。其中在黃土高原渭北部分區域蘋果基地，由于果園的高入滲特性、低產流率和強烈的蒸騰耗水作用，改變該地區的水循環方式，加強了土壤-植物-大氣間垂直水分交換，削弱降雨轉化為地表徑流和地下水的比例，從而影響了整個地區的水資源。

而城市化進程的加快，同樣對地下水的影響不可無視。城市相比于其他地區，由于地表的硬化，在其地下結構中會多出一個地表硬化層。程東會［16］等在人類活動對城市地下水影響的探討中具體分析到城市地下包氣帶的特征(地表硬化層及人為沉積層)、城市所特有的給排水結構以及城市生產生活帶來的污染。結果表明城市的地下水系統受大量的人類活動影響，與自然狀態的地下水系統有著很大的區別。

3 結語

綜合分析國內外有關于氣候變化與人類活動對流域水循環影響的研究，我們能夠發現在研究內容方面，大多數只考慮到氣候變化的因素，較少注意到人類活動的影響，而人類生產生活與流域水循環是相互影響，忽略了人類活動，就無法準確分析水資源的變化。另一方面，研究中，多關注的是地表徑流的變化影響，而缺乏對地下水及地表地下水轉化條件的研究。根據這些問題，我們提出一些展望:

(1)在研究氣候變化為主要因素的情況下，更要關注人類活動以及下墊面變化等造成的水資源變化影響。

(2)關注地表徑流及水體的同時，也需要加強對地下水的研究，流域水循環中，參與四水轉化的地下水及土壤水起著極其重要的作用，研究地下水能夠幫助我們更加全面的認識水資源的變化。

［1］IPCC.Climate Change 2007:The physical Science Basis，Summaryfor Policymakers［R］.Cambridge:Cambeidge University Press.2007.

［2］《氣候變化國家評估報告》編寫委員會.氣候變化國家評估報告［M］.北京:科學出版社，2007.

［3］于磊，顧鎏，李建新，朱新軍.基于SWAT模型的中尺度流域氣候變化水文響應研究［J］.水土保持通報，2008，28(4):152～154.

［4］陳華，郭生練，郭海晉，等.漢江流域1951～2003年降水氣溫時空變化趨勢分析［J］.長江流域資源與環境，2006，15(3):340～345.

［5］范廣洲，呂世華，程國棟.氣候變化對灤河流域水資源影響的水文模式模擬(Ⅱ)模擬結果分析［J］.高原氣象，2001，20(3):302～310.

［6］郝振純，李麗，王加虎，等.氣候變化對地表水資源的影響［J］.地球科學——中國地質大學學報，2007，32(3):425～432.

［7］劉春蓁，劉志雨，謝正輝.地下水對氣候變化的敏感性研究進展［J］.水文，2007，27(2):1～6.

［8］Doll P，Lehner B，Kaspar F.Global Modeling of Groundwater Recharge.［A］.In.:Proceedings of Third International Conference on Water Resources and the Environment Research.Dresden:Technical University of Dresden，2002.27 ～31.

［9］Keese K E，Scanlon B R，Reedy R C.Evaluating Climate，Vegetation，and Soil Controls on Groudnwater Recharge U-sing Unsaturated Flow Modeling，Aquifers of the Edwards Plateau，Report 360，Texas Water Development Board，February 2004.

［10］Keese K E，Scanlon B R，Reedy R C.Assessing Controls on diffuse groundwater recharge using unsaturated flow modeling［J］.Water Resources Research，2005，41:1 ～12.

［11］王春霞，馬軍建，黃振平.人類活動對地表水的影響［J］.人民黃河，2005，27(7):10 ～14

［12］龐樹森，許繼軍，徐楊.三峽水庫蓄水運行初期對徑流過程影響分析［J］.長江科學院院報，2011，28(12):118～124.

［13］任立良，張煒，李春紅，王美榮.中國北方地區人類活動對地表水資源的影響研究［J］.河海大學學報，2001，29(4):13～18.

［14］付金花，熊黑鋼.人類活動對奇臺縣地下水變化的影響［J］.水資源與水工程學報，2007，18(2):12 ～15.

［15］黃明斌，楊新民，李玉山.黃土區渭北旱塬蘋果基地對區域水循環的影響［J］.地理學報，2001，56(1):7～13.

［16］程東會，何江濤，劉起峰，鐘佐燊.人類活動對城市地下水影響的探討［J］.新疆環境保護，2006，28(4):22～25.