变化环境下流域水资源演变效应分析

2023-10-26 理论教育版权反馈

【摘要】：为科学识别出各项自然和人工因子对三川河流域水资源演变的影响，本章又采取情景对比模拟的方式对不同影响因子的水资源演变效应进行分析。具体是在模型中只考虑某种因子变化，保持其他因子不变，然后对比模拟结果来评价该项因子的水资源演化效应。为综合描述坡面和河道共同引起的水资源演变，以2000 年现状下垫面、分离用水条件为基础，三川河断面各年代水资源评价结果见表7-11。分区“片水”资源演变。

为科学识别出各项自然和人工因子对三川河流域水资源演变的影响，本章又采取情景对比模拟的方式对不同影响因子的水资源演变效应进行分析。具体是在模型中只考虑某种因子变化，保持其他因子不变，然后对比模拟结果来评价该项因子的水资源演化效应。本章考虑的自然、人工因子变化类型主要包括气象要素、人工取用水、水保措施和下垫面变化四大类。

1.气象要素对水资源的影响

对2000年现状下垫面、分离用水条件下各年代水资源量进行模拟，对比分析各年代气象要素对水资源的影响。

（1）分区“片水”资源演变。

以2000年现状下垫面、分离用水条件为基础，三川河流域各年代水资源评价结果见表7-10。

表7-10　三川河流域气象要素对“片水”资源的影响

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从表7-10可以看出，三川河流域1980～2000年系列年均降水量较1956～1979 年系列低4．2%，造成广义水资源量减少4．6%，径流性水资源量减少18．4%，其中地表水资源量偏小18．3%，不重复量偏小15．4%。20世纪90年代降雨下降导致水资源衰减厉害，1990～2000年系列年均降水量较1956～1979 年系列低6．9%，造成广义水资源量减少6．6%，径流性水资源量减少21．1%，其中地表水资源量偏少20．7%，不重复的地下水资源量偏小14．3%。在三川河流域，降水减少引起的地表水资源量的衰减要比地下水资源量大，狭义水资源总量的衰减比广义水资源总量大。

（2）控制断面水资源演变。

为综合描述坡面和河道共同引起的水资源演变，以2000 年现状下垫面、分离用水条件为基础，三川河断面各年代水资源评价结果见表7-11。

表7-11　三川河流域气象要素对断面水资源的影响

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从表7-11 可以看出，三川河断面1980～2000年平均天然河川径流量为1．86 亿m3，比1956～1979 年减少了21．2%；不重复量为0．077 亿m3，比1956～1979 年减少了15．4%；狭义水资源总量为1．94 亿m3，比1956～1979 年减少了20．8%。受降水减少影响，总的变化是天然河川径流量和狭义水资源量减少。1990～2000 年平均天然河川径流量为1．81 亿m3，比1956～1979 年减少了23．3%；不重复量为0．078 亿m3，比1956～1979 年减少14．3%；狭义水资源总量为1．89 亿m3，比1956～1979 年减少了22．9%。

2.人工取用水对于流域水资源演变影响

人工取用水对于流域水资源演变的定量计算，可以在二元水循环模型中，保持降水和下垫面条件不变，即采用2000年下垫面1956～2000年降水系列模式，取天然水循环和人工取用水耦合、分离两种情景分别进行模拟，然后对比其结果，即可得到人工取用水对流域水资源演变的影响。

（1）分区“片水”资源演变。

人工取用水改变了水资源的天然分配状况，引起了流域产水条件以及水循环路径的改变。从表7-12 可以看到，人工取用水改变了三川河流域水资源的构成：地表水资源量减少了0．11 亿m3，不重复量增加了0．10 亿m3，地表水资源量的减少和不重复量的增加使得狭义水资源总量减少了0．01 亿m3。另外，人类大量取用地下水降低了地下水位，增加了包气带的厚度和土壤储存水的容量，因而有效蒸散发量增加了0．13 亿m3；狭义水资源量的减少和有效蒸散发量的增加使得广义水资源总量增加0．12 亿m3。

表7-12　人工取用水引起的水资源量变化

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造成以上结果的主要原因：一方面是取水—用水—耗水—排水改变水资源的分布，影响了地表径流的产水条件，而地下水的开采又致使包气带厚度增加，增加了地表径流的入渗量，减少了地表径流量；另一方面人工开采地下水使得地下水水位降低，减少了地下水向河流的排泄量，从而使不重复量增加。不重复量受地下水补给量和排泄量的影响；地下水资源量主要受降水入渗量和地表水体入渗补给量的影响；降水入渗量和地表水体入渗补给量除受岩性、降水量、地形地貌、植被等因素的影响外，还受地下水埋深的影响，当地下水水位埋深较浅时，补给系数随着水位埋深增加而增加，当地下水水位埋深超过某一临界值时，补给系数接近零值，而人工开采地下水改变了地下水的排泄方式，袭夺了潜水蒸发以及河川基流量。这些因素共同导致不重复量增加。

虽然人工取用水对狭义水资源总量影响不大，但是改变了水资源量的构成。广义水资源量有明显增加，说明人工取用水下增加了降水的有效利用量。

对比结果可见，人工取用水改变了产水条件，影响了水资源量的构成。主要表现为以下两方面：

1）改变狭义水资源的构成。人工取用水通过袭夺基流，减少了地下水的河川排泄量，从而使得河川径流量有明显减少。如果开采地下水的量在一定限度内，地下水补给量不变或者有所减少，不重复的地下水资源量增加；如果开采量太大，包气带加厚导致地表水不容易补给地下水，则会减少不重复的地下水资源量。

2）改变广义水资源的构成，主要表现在有效降水利用量的增加上。人工取用水造成地下水位下降，包气带增厚，一定程度上增加了有效的土壤水资源量，有利于降雨的就地利用。虽然总的广义水资源量没有太大变化，但由于水资源构成的变化却带来了一系列的生态环境后效应，包括河流生态系统的维护和地下水超采负面生态环境后效等。

（2）控制断面水资源演变。

两种情景下的45 年系列各主要控制断面站水资源评价结果见表7-13。从表7-13 可见，有取用水情景下三川河断面河川径流量为2．03 亿m3，不重复量为0．18 亿m3，狭义水资源总量为2．21 亿m3，分别比无取用水情景减少了8．1%、增加125．0%、减少了3．5%。

表7-13　2000年下垫面条件下的断面水资源评价结果　单位：亿m3

pagenumber_ebook=109,pagenumber_book=99 (www.chuimin.cn)

3.水保措施对水资源的影响

水保措施的数量、质量及其分布状况是分析水保措施水沙效应的基础，水沙基金第一期研究统计了三川河流域各时期的水土保持面积，并进行大量扎实、细致的基础工作，通过合理确定梯田、林地、草地、坝地四大水保措施的保存率，得出了一套较为切合实际的数据。因此以下采用第一期水沙基金核实的水土保持面积，采用天然状态下的水循环研究模式，以1956～2000年降水系列为研究背景，设置以下两种情景，对照分析不同下垫面情景下的水循环过程，以揭示三川河流域水保措施（梯田、林地、草地和坝地）的水文及水资源趋势性效应。

情景1：将1996 年水保面积插值得到2000 年面积，并使用2000 年土地利用遥感解译数据，模拟三川河流域2000年下垫面条件下的水循环过程。三川河流域四种水保措施（梯田、林地、草地和坝地）的总面积为1728km2，其中林地面积为1338km2，草地面积为53km2，梯田面积为311km2，坝地面积为26km2。

情景2：假设2000年下垫面条件下所有水保措施的土地利用类型全部置换为裸地，模拟三川河流域水循环过程。

（1）分区“片水”资源演变。

水土保持改变了局部水循环条件，使得流域水循环各要素的演变过程发生变化，从而使得各水资源构成也发生了相应的改变。

由表7-14可知，在情景1 下垫面条件下，全流域多年平均地表水资源量为2．30 亿m3，不重复量为0．084亿m3，地下水资源量为1．20 亿m3，狭义水资源总量为2．38 亿m3，广义水资源量为16．53 亿m3，约为狭义水资源总量的6．95 倍；情景2 下垫面条件下，全流域多年平均地表水资源量为2．74 亿m3，不重复量为0．076 亿m3，地下水资源量为1．19 亿m3，狭义水资源总量为2．81 亿m3，广义水资源量为14．31 亿m3，约为狭义水资源总量的5．09 倍。

表7-14　水土保持对水资源量的影响

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比较两种情景的模拟结果可知，水土保持减少了地表水资源量，但是增加了地下水资源量以及有效蒸发量，增加了降水的直接利用量，提高了降水的有效利用率。水保措施加强了水循环的垂向过程而削弱了水循环的水平过程，因而地表水资源量减少0．44 亿m3，减少幅度为16．0%；降水入渗增加，则导致地下水资源量增加0．01 亿m3，增加幅度为0．6%。由于潜水蒸发增加了水分的垂向运动而减少了地下径流，不重复量增加0．009 亿m3，增加幅度为11．5%；在地表水和不重复量的共同影响下，狭义水资源总量减少0．43亿m3，减少幅度为15．2%；植被蒸发以及地表截留增加，使得有效蒸散发量增加2．65亿m3，增加幅度为23．0%；广义水资源量增加2．22亿m3，增加幅度为15．5%。在各中水资源量中，变化率最大的是有效蒸散发量，可见水土保持增加了植被对降水的直接利用量，增加了水分的生态效用。

（2）控制断面水资源演变。

两种情景下的45 年系列后大成控制断面站水资源评价结果见表7-15。从表7-15 可以看出，后大成断面有水保情景下河川径流量为2．21 亿m3，比无水保情景下减少了17．8%；不重复量为0．084亿m3，比无水保措施情景下增加9．5%；狭义水资源总量为2．29 亿m3，比无水保措施情景减少了17．3%。

表7-15　现状下垫面有、无水保措施情景下的断面水资源评价结果　单位：亿m3

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4.下垫面变化对于流域水资源演变影响

下垫面是影响流域水循环过程的重要因子，流域下垫面是地形、地面覆盖物、植被、土壤、地质构造等天然和人工多种因素的综合体。随着近几十年来社会经济的高速发展，三川河流域大面积水土保持、工农业生产、生态环境建设、水利工程建设以及土地利用结构变化改变了三川河流域的宏观以及微观下垫面条件。

下垫面条件对于流域水资源演变的定量计算，可以在二元水循环模型中，保持其他输入因子不变，即采用1956～2000年降水系列天然水循环模式，取2000年下垫面与历史下垫面两种情景分别进行模拟，然后对比其结果，即可获得下垫面条件对流域水资源演变的定量影响。

（1）分区“片水”资源演变。

植树造林、人工梯田、淤地坝等水保措施增加了地表植被的覆盖度，增加了地表的截流、叶面蒸散发以及植被的蒸腾量，同时改变了降水的入渗条件，相应减少了地表径流和地下径流量，增加了生态对于降水的有效利用量；水库建设增加了地表截流和渗漏、蒸发，使得地表径流减少，地下水的补给增加。另外城镇化率的提高导致不透水面积大幅度增加，从而减少了地表入渗，使得地表径流增加，进一步使地下径流减少。在各种因素的综合作用下，流域地表、地下产水量受到影响，进一步导致入渗、径流、蒸散发等水平衡要素的变化，改变水资源量的构成。采用二元水循环模型进行计算（表7-16），初步得出：地表水资源量减少4．3%，不重复量减少2．8%，地下水资源量变化不大，有效蒸散发增加7．1%，狭义水资源总量减少4．3%，广义水资源总量增加了5．3%。下垫面变化引起的广义水资源总量的变化要小于狭义水资源量总量的变化。

表7-16　变化下垫面条件下水资源量的评价结果

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