气候变化对水资源影响的研究现状与展望

来源：SCI期刊网 分类：农业论文 时间：2022-01-06 09:18 热度：

　　摘要：随着科技的发展、人口的激增，人类活动已经触及到地球的方方面面。温室气体的大量排放导致了近年来气候变化无常，也对水资源方面造成很大的影响，同时也对人类生活和自然生态方面造成了许多负面影响。本文综述了当前气候变化对流域水资源量、干旱洪涝频率、水质、农业灌溉水量等4方面的影响，综合考虑了国内国外的研究现状，并对未来研究方向提出一定的预想。

　　关键词：气候变化;水资源;影响研究;研究现状

　　随着社会发展、人口激增和生活水平的提高，人 类 活 动已经影响到人类赖以生存的环境，并导致最近几十年的气候变化。由于温室效应加强引起的全球变暖，有可能会对水文循环产生重大影响(IPCC，1996)。最 近 十 几 年，气 候 变 化 导致各地区的蒸发、降水分布不均，引起了各种自然灾害、各种极端天气频繁发生。2010年国内海南的暴雨、巴基斯坦及印度洪水等各国的自然灾害表明，气候变化对水资源的影响有愈演愈烈之势。IPCC的第二份评价报告就警告全球变暖 就是引起洪水和干旱灾害频繁发生的主要原因。

　　自1988年IPCC成立以来，气候变化对水资源影响便得到中国有关部门 的 重 视。国家也对气候变化对水资源影响方面的各项研究给予了大力支持，其中就包括国家重点基础研究发展计划(973计划)等国家的重大项目。研究气候变化对水资源影响，关键是弄清气候变化对水资源影响机理，同时也是为了有效预防气候变化对水资源影响。在一定时期、一定的技术、经济条件下水资源量是有限的，这 使 得 研 究 气候变化对水资源影响显得格外重要。

　　本文的主要介绍了当前气候变化对水资源影响方面的研究现状，其中分为气候变化对流域水资源量、干 旱 洪 涝 频率、水质、农业灌溉水量等四方面的影响。这 样 分 解 主 要 是参考了目前国内外对水资源研究主要的几个方面。

　　1 国内外研究现状

　　1.1 国内研究现状

　　1.1.1 气候变化对流域水资源量影响方面的研究

　　对于气候变化影响流域水资源量的研究，到现在为止国内已经做了很多，也相当成熟。有的按照事先设定气候变化的影响条件，然后根据这些条件利用模型来进行计算水资源量的变化。陈桂 亚 等[1]根 据IPCC 提 供 的 6种 气 候 变 化 模式，选取较为不 利 的 参 数 组 合，根 据 降 水、气 温、湿 度、风 速、日照等气候要素的变化，建立潜在蒸发量模型，根 据 水 量 平衡模型分析计算气候变化对嘉陵江流域水量的影响。

　　根据长系列资料进行趋势分析、回 归 统 计 等 统 计 方 法，对已有的历史资料进行分析得出趋势规律，最后对未来变化结果进行 推 求。这种方法比较简 单，应 用 较 为 广 泛。常 军等[2]利用河南1956年-2007年气象资料和水资源评价数据，通过线性回归等方法，分析了河南水资源量的时空分布特征及对气候变化，并对气候变化对河南水资源量的影响进行了总结。郝立生等[3]也对河北省的水资源量对气候变化的反应做了相关研究，主要应用研究区域 50年 的 气 候、水资源和预估资 料，通 过 趋 势 分 析、线性相关和复相关、二元线性回归等方法对气候变化与河北省水资源总量的关系进行了分析总结：未来河北省水资源总量会随着降水量的增多而增加。

　　1.1.2 在洪水、干旱频率研究方面

　　近些年来，全球变暖已经引起世界上各地区气候不同程度的变化。气候变化严重影响了世界上一些地区的陆地海洋的水文循环，同时导致了一些极端天气的发生，也 使 得 洪水、干旱等自然灾害频繁发生，威胁人们的生命财产。中 国也未能幸 免，1998 年长江发生了一次全流域的特大洪水、2010年年初西南五省发生严重旱灾、同 年10月 份 海 南 发 生大暴雨导致多处受灾等等，这些都为我们敲响了警钟。

　　为此，国内的学者也做了许多相关研究。主要是研究某一地区的降水、气温等一些长系列资料，通过趋势分析、线性回归、M-K 突变检验等方法进行，最后得出气候变化对洪水、干旱频率的 影 响。其 中，邓 振 镛 等[4]通 过 分 析 中 国 北 方50年来 的 降 水 资 料，得 出：20世 纪90年 代 以 来 夏 季 降 水 量有明显的减少趋势，北方旱灾的频率呈上升趋势，尤 其 是 西北地区干旱 灾 害 连 年 发 生。李 艳 兰 等[5]通 过 对 1961 年 -2009年气温、降水量、干旱指数和广西干旱受灾面积等资 料进行线性倾向计算、阶段性分析、相关分析等方法分析，总结了广西气温、降水量和干旱的变化特征以及气候变化对干旱灾害的影响，分析得出20世纪80年代以来在气候变化的影响下广西严重干旱灾害的频率明显增多。

　　针对洪涝灾害，郭慧等[6]就曾通过对甘肃天水地区强降水和洪涝灾害事件资料的整理，以及对其强降水事件、洪 涝灾害变化特征以及二者间地联系进行了分析研究，得出随着气候变暖这一地区的强降水事件和洪涝灾害呈增加趋势的结论。

　　1.1.3 在水质研究方面

　　关于气候变化对水质影响方面的研究，目前国内还处于理论研究阶段。至于具体的应用实践目前还没太多成功的案例用来参考。夏 军 等[7]对水质主要的影响因素就是人类活动的影响达成 了 共 识。全球气候变化在水文方面主要对水文循环产生了很大的影响，同时也间接地影响了水质[8]。在国内，由于研究的焦点都放在了人类活动对水质的影响，只有少数专家学者对此作出了较为系统的理论研究。夏军等[22]认为人类活动和经济发展所产生的排污是造成水质与水生态恶化的最重要的原因，同 时，气候变化在此基础上具有推波助澜的增益作用，气候变化主要通过改变水温和水文情势进而影响水质和水生态。夏军等[7]还通过对淮河、汉江两个中国代表性的流域调查研究，证明了气候变化对水质的影响，同时也指出了在此方面的研究实验过少，有 很 大 的空白。

　　当然，也有人对水质方面做了一些初步的研究探索。郭立平等[9]利用廊坊市1964年-2003年 间 气 候、水 资 源 等 相关资料，分析了廊坊市气候变化及其对水资源环境的影响特征。在此基础 上，分析出气候变化导致该地区水资源量下降，致使河流自净能力下降。

　　1.1.4 在农业灌溉水量方面

　　中国人口众多但人均水资源量较少，中国又是一个农业大国，随着气候变化对水资源的影响日益加强，对 农 业 的 影响也是相当重要 的。本节主要介绍了国内关于气候变化对农业灌溉水量的研究现状。

　　国内对于此方面的研究已经比较成熟，在各个地区已经广泛应用，主要是通过对过去的资料分析 计算得出结论。如：马鹏里等[10]利 用 甘 肃 省 近 80个 气 象 站 1961年 -2000年的常规气象观测资料以及夏秋主要粮食作物平均生育期资料，采用 FAO 推 荐 的 Penman-Monteith公式结合作物系数，计算了各站夏秋主要粮食作物的需水量，分 析 作 物 需 水量随时间和空间的变化特点以及对气候变化的响应。罗 玉峰 等[11]采 用 FAO56 推荐的方法计算了江苏省高邮 灌 区1955年-2007年 的 水 稻 灌 溉 需 水 量，并 通 过 Mann-Kendall检验对其长期变化趋势进行检验，结合气象因素的变化趋势，分析了气候变化对高邮灌区水稻灌溉需水量影响。

　　还有通过之前 假 定 的 模 式，按照常规的方法进行计算，对比分析推求未来的变化趋势。张 建 平 等[12]在 对 中 国 东 北三省近26年来玉米生育期内参考作物蒸散量变化及玉米需水量分析的基础上，结合《排放情景特别报告》的两种排放情景 A2(强调经济 发 展)和 B2(强 调 可 持 续 发 展)预 估 的 未 来气候模式，研究探讨了未来气候变化模式下中国东北三省玉米需水量的变化趋势。

　　1.2 国外研究现状

　　1.2.1 在气候变化对流域水资源量的影响研究方面

　　气候变化对流域水资源量的研究，在 国 外 起 步 较 早，早在上世纪八九十年代就有一些专家对此方面提出了具体思路。Gleick和 Wood等[13-15]分别设计了评估气候变化对水文水资源的影响计算方法。在计算过程中主要有两个步骤： ① 确定温度、降水和其他气候学变量(如蒸发)的变化;② 利用这些变化确定引起的径流变化。

　　目前在国外，在这一方面的研究大都按照事先设定气候变化的影响条件，然后根据这些条件利用模型来进行计算水资源量的变化这个思路进行评价计算。如：M.A.Mimikou等[16]在两种气候变 化 方 案 下，应 用 WBUDG 水 文 模 型 进 行模拟，计算并评价气候变化对水资源量变化的影响。

　　1.2.2 在洪水、干旱频率研究方面

　　国外在气候变 化 对 洪 水、干旱频率研究方面，不 论 从 理论上还是从实践应用上都比较成熟。其中，也有与国内相同的做法，对历史降雨资料进行趋势分析，如：RajHariSharm等[17]就气候变化对洪水、干旱频率趋势影响问题，做 了 相 关研究，通过对历史洪水资料进行趋势分析、线性回归总结，得出结论：洪水频率及洪水持续天数成明显增高趋势。

　　还有一些学者在气候变化对洪水、干旱频率未来影响的研究方面，采用了先根据研究区域的具体情况，设 定 合 适 的气候变 化 方 案，再 根 据 方 案 进 行 计 算 推 求。DavidCamer-on[18]则 先 采 用 了 有 GCM 和 HadCM3 模型模拟出来的UKCIP02气 候 变 化 模 式，应 用 随 机 降 雨 模 型 TOPMODEL从而得出降雨变化。

　　1.2.3 在水质研究方面

　　国外在气候变化对水质影响研究方面，也处于刚刚起步阶段，但是理论思路上已经有了比较系统的概述。I.Delpla等[19]回顾并总结了各学科的研究成果，通过对主要气候因素(气候变暖和极端气候引发的后果)的研究，阐述气候变化对水质的影响，主要内容有以下两点：第一，考虑气候变化对水源(河流和湖泊)水质指标(包括物理、化学和生物指标)的影响;第二，探讨气候变化对饮用水生产和供水水质的影响。研究结果表明：在气候变化的作用下，饮用水水质呈现下降趋势，导致潜在健康风险增加。

　　在应用上，也有一些专家学者按照“选取适当的指标、设计气候变化方案、应 用 模 型”的 思 路，做 了 相 关 研 究。M.A.Mimikou等[16]在两种气候 变 化 方 案 下，应 用 R-Qual模 型 进行模拟，计算和评价气候变化对水质的影响变化。

　　1.2.4 在农业灌溉水量方面

　　国外对农业灌溉方面的研究大都集中用IPCC推荐的几个模型模拟出几种气候变化模式，然 后 再 采 用 FAO 推 荐 的Penman-Monteith公式等，最后在对比分析气候变化对农业灌溉水量的影响。

　　Tubiello等[20]和 Droogers[21]就 做 过 此 方 面 的 研 究，即直接应用气候变化模型到研究区域的数据中估算农业灌溉水量。但是一个地区的气候在空间上也有变化，影响也不尽相同。Doll[20]研究了世界范围内长期灌溉需水量，并 应 用ECHAM4和 HadCM3两个气候 变 化 模 型，得出世界上三分之二的地区的灌溉需水量将增加。C.S.DeSilva等[23]则 改进了上述方法的缺点，将气候变化模型的模拟出的变化结果根据当地实际情况进行插值，近似地得出了气候变化对农业灌溉水量的空间上的影响。

　　2 目前研究综述及面临的问题

　　气候变化对水资源的影响研究一般包括两个方面：一是对过去资料进行系统归纳计算，分 析 其 影 响;二 是 对 通 过 对来气候条件的预测，推求未来水资源某一方面的影响。前者目前国内外都比较成熟，应用比较广泛。

　　目前气候变化对水资源某一方面未来影响的预测研究，都是在之前原有的常规计算方法的基础上，加上了气候变化这一变化条件。在 进 行 计 算 后，与 之 前 相 比 较，从 而 得 出 气候变化对水资源量的影响。但是如何确定气候变化模式，可以通过下列四种方法。① 假 设 模 式，假 设 未 来 气 温、降 水 变化程度;② 用历史气候资料推测未来气候模式;③ 根据大气环流模式(GeneralCirculationModels，GCMs)等数值试验预测未来气候模式;④ 综合法，即 把 第 二、三类方法进行综合，推测未来的气候模式(如图1)。

　　目前研究面临以下5方面的问题。

　　① 在水质研究方面，国内外还处于理论研究阶段，许 多概念还没定义。其 中，很 多 还 是 空 白，需要专家学者们进 一步研究。人类活动仍然是主要的影响因素。如 何 将 气 候 影响从人类活动影响中剥离出来是一个难题。

　　② 在农业灌溉水量方面，应用Penman-Monteith公式比较广泛，但是其需要的参数过多，有 的 难 以 收 集。虽 然 有 人提出用其他经验公式，但是并没有过多验证。还有目前此方面的研究都是将研究区域作为一个整体，泛泛地评价此地区的农业灌溉水量增加或减少，而忽略了空间上的变化。

　　③ 气候变化趋势分析预测方面目前有很多种方法，如线性回归、Man-Kendall秩次相关检验法、Spearman秩 次 相关检验法等等。这些方法仅是对已有的资料分析，推求未来若干年的上升下降趋势，但是上升下降趋势的周期大小不能确定。小波分析[24]为气候变化及水文系统多时间尺度分析研究提供了强有力的工具，为其提供不同时间尺度下的演变规律和发展趋势，从而为中长期预测提供了依据。

　　④ 目前，数字化模型在气候变化对水资源影响研究中的应用也是一个热点问题。应 用 较 为 广 泛 的 包 括 SHE 模型、IHDM 模型、SWAT模型 等 等。一般是采用不同气候变化情景的气象因素变化值作为模型输入条件，通过模型计算分析得出水资源 对 其 响 应。但是气候变化情景所给出的时间空间尺度较大，这与水文模型都不匹配，因此需要解决气候模式和水文模型之间的接口匹配问题。

　　⑤ 总体上说，当前气候变化对水资源方面的研究主要存在的问题就是 应 用。如何根据具体情况来判断设计气候变化的模式及推求的结果正确与否，是一个重要的问题。

　　3 研究展望

　　限于资料收集量，针对前文提到研究现状及提出的几个存在的问题，提出以下几点的研究展望。

　　① 关于气候变化对水质影响方面的研究，国 内 外 还 处于理论研究阶段。这需要专家学者们共同探讨研究，并对一些主要的概念 进 行 定 义，来确定研究范围。在 应 用 上，这 一方面还算是一个空白，可以先借鉴气候变化对水资源其他方面影响的思路，选取一些合适的指标，进行评价。

　　本文提出了气候变化对水质影响计算模型的大体思路，见图2。气候变化对水质的影响是间接的，主要是通过对流域水量的影响，从而影响水体中污染物浓度变化。人类活动是影响气候变化的主要因素，也是影响水质的主要因素。a.选定基准年，并用基准年的流域水量和某一污染物的排放量，计算该流域污染物浓度;b.可以先参照上文提到的气候变化对水量的影响计算，设计气候变化模式、未 来 人 口 增 长情况及人均需水 量，计算未来流域水量;c.调 查 统 计 污 染 水量及污染物浓度，计算未来水质浓度;d.与基准年作对比，就可以得出变化的百分比。

　　② 计算农业灌溉需水量时，Penman-Monteith公 式 的 确需要很多参数，一些地区难以收集以至于难以推广。针对此问题，可以将研究区域周围的一些数据资料进行收集，采 用水文数据插补延长等方法推算出该地区缺失的数据。或 者根据不同地区的不同情况，可 以 对 Penman-Monteith公 式 进行一定的修改，使 之 简 便 易 算。J.I.López-Morenoa等[25]就在研究庇里牛斯山的水资源管理中，对此公式进行了改进。至于空间上的变化如何确定，本文中也已提到了用插值等方法进行确定，还可以利用遥感技术得到研究区域的地理等条件，再根据这些条件进行小区域划分。

　　③ 设计的气候变化模式是否符合研究区域的具体 情况、评价结果是 否 正 确，这的确是一个复杂的难题。绝 对 意义上的准确，以目前的技术手段是无法做出的。为了尽量满足要求，可以利用多种方法进行综合计算比较，如 可 以 用 模型法设计气候变化模式辅以历史资料归纳法，进而确定气候变化模式是否合适。至于评价结果，也可以以上述方法来进行综合比较。

　　4 结语

　　近些年来，人类活动引起的全球气候变暖已经成愈演愈烈之势，并影响到了水文循环进而对水资源产生了影响。如何科学有效地评价其对水资源的影响才是当务之急。本 文的主要目的就是在综述当前气候变化对水资源影响方面的研究现状的基础上进行总结，并分为气候变化对流域水资源量、干 旱 洪 涝 频 率、水 质、农业灌溉水量等四个方面的影 响，对每个方面的影响的国内外的研究现状进行了概述。在 此基础之上，文中总结分析了目前气候变化对水资源影响方面的研究中存在的几个主要问题，如气候变化对水质方面影响研究停留在理 论 方 面、Penman-Monteith公式需要参数多难以推广、气候变化模式的校验问题等，并就此提出了一些观点看法。——论文作者：许云锋，左其亭

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文章名称：气候变化对水资源影响的研究现状与展望

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