气候因子对水循环的影响及变化环境下的水资源评价方法

2023-10-26 理论教育版权反馈

【摘要】：气候因子对水循环过程的影响是复杂的、多层次的，以下仅研究气温和降水对水循环过程和水资源量的影响。因此，假定气温升高5%和未来预测的极端温度5．8℃，降水量为减少5%、增加5%和10%，同时利用不同气温及降水组合12种情景研究其对水循环及水资源量的影响。气温变化必然引起水文循环的变化。与情景一相比，情景二对水循环及水资源量的影响更大，但水资源变化率与气温变化率的比值减小。

气候因子对水循环过程的影响是复杂的、多层次的，以下仅研究气温和降水对水循环过程和水资源量的影响。

伊洛河流域近50年的气温变化见图8-23。从图上可以看出20世纪50年代是一个持续暖期，以后气温逐渐下降，80 年代以后再次回升。这和王邵武等分析的我国近100 年气候变化趋势是一致的。王邵武等曾分10 个区研究中国近100 年气温变化，秦大河等将序列延长至2000年。图8-24（a）为1880 年西部四个区（西北、新疆、青藏以及西南）平均气温距平（对1961～1990 年），图8-24（b）为东部六个区（东北、华北、华东、闽台、华中和华南）的平均气温距平。

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图8-23　伊洛河流域1956～2000年平均气温变化图

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图8-24　1880～2000年中国西部及东部地区年平均气温变化图

（a）中国西部；（b）东部地区

伊洛河流域1956～2000 年降水量变化见图8-25。其中最大值出现在1964 年，降水深为1144mm，最小值出现在1997 年，仅为441mm。

评价气候变化影响的方法有三种：影响、相互左右和集成方法。气候变化对区域水文水资源影响的研究主要采用影响方法，即What if模式：如果气候发生某种变化，水分循环各分量将随之发生怎样的变化。

我国气候变化影响的研究，主要采用2种气候情景：一种是根据区域气候可能的变化人为给定，例如假定气温升高0．5℃、1℃、2℃等，降水量增加或减少10%、20%等，两者的任意组合构成气候变化的假想情景；另一种是基于GCMs（大气环流模型）输出的情景，一般直接用赵宗慈等给出的7 种平衡的GCMs 预测值作为未来气候情景。以下仅分析气温和降水对水循环的影响，不对未来气候进行预测分析，根据以往研究成果，进行气候情景假定。

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图8-25　伊洛河流域年平均降水变化图

1988年世界气象组织和联合国环境署建立了政府间气候变化专业委员会（IPCC），IPCC分别在1990年、1995 年和2001 年完成了三次评估报告，三次评估报告都对未来全球气候长期变化趋势进行了预测。第一次评价报告指出近100年全球地表面温度平均升高0．3～0．6℃，并利用大气环流模式预测未来全球平均地面温度将升高1．5～4．5℃，全球平均降水量将增加3%～15%；第二次报告中预测到2100 年的气温将升高1．0～3．5℃；第三次报告指出近100年来全球地表面温度增加了0．4～0．8℃，并利用气候模式预测未来100年气温将持续升高，升高幅度为1．4～5．8℃。根据全球模式模拟预测，全球平均的水汽浓度和降水量在21 世纪将会增加。王邵武等选用了IPCC中7 个有代表性的模式，分析出全球年平均气温上升1℃时，中国气温各季与年平均气温上升0．8～1．6℃，降水量增加1．5%～8．2%。高庆先等利用ECHAM4、HADCM2、GFDL R15、CGCMS2、CSIRO5 个大气模式在只考虑温室气体加倍的情景下，预测2030 年我国的气候变化，其中华北大部分、淮河以北地区大气降水将减少，华北北部、内蒙古自治区以及陕甘宁地区大气降水将略有增加，但增、减幅度都很小。根据全球气候变化中国国家委员会工作组在1998年提出的报告，使用现行国内外比较成熟的大气环流模型对中国7 大江河流域进行模拟计算，在假定因温室气体排放量的增加而导致平均气温上升的条件下，不同模型得出的结果可以归纳为3 种情况：全国主要江河年径流量都减少；北方河流的年径流减少，南方河流的年径流增加；北方河流的年径流增加，南方河流的年径流减少。

根据以上研究分析，未来气温呈现上升的趋势，其预测主要集中在0．3～5．8℃，而降水量趋势的预测则各有不同，有增有减，且增加的幅度大于减少的幅度。因此，假定气温升高5%和未来预测的极端温度5．8℃，降水量为减少5%、增加5%和10%，同时利用不同气温及降水组合12种情景研究其对水循环及水资源量的影响。气温和降水是相互影响的，假定气温和降水互相不影响，并假定气温和降水的空间分布不变。

1.气温对水文水资源的影响

伊洛河流域多年平均气温为12．6℃，气温升高5%，则气温增加为0．6℃。选定的基准方案为2000年下垫面、无人工取用水和1956～2000年气象系列。保持模型中的其他输入数据及参数不变，气温变化情景设定为：情景一，将1956～2000 年系列的日气温系列增加0．6℃；情景二，将1956～2000年系列的日气温系列增加5．8℃。

气温变化必然引起水文循环的变化。蒸发蒸腾伴随能量交换过程，气温变化影响地表附近的辐射、潜热、显热和热传导，进而影响蒸发蒸腾过程。而蒸发蒸腾的变化同时引起径流、入渗等水文过程的变化，造成水循环过程和水资源量的变化。

从表8-21 可以看出，气温增加0．6℃引起广义水资源量构成的变化。狭义水资源量减少0．7亿m3，减少2．4%；地表水资源减少0．7 亿m3，减少2．4%；地下水资源量减少0．3 亿m3，减少2．1%；不重复量变化不大。气温的增加，带来地温的增加，地面蒸发增加，根的吸收能力增强，蒸腾增加，因此有效蒸散发增加1．5 亿m3，增加0．7%；广义水资源量变化不大，为0．1 亿m3。

表8-21　气温变化对广义水资源量的影响

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气温增加5．8℃加剧了狭义水资源量及其构成分量的衰减，更加快了地表蒸散发过程。狭义水资源量减少19．0%，地表水资源量减少19．2%；地下水资源量减少16．1%；不重复量变化不大；有效蒸散发增加5．7%，但广义水资源变化不大。与情景一相比，情景二对水循环及水资源量的影响更大，但水资源变化率与气温变化率的比值减小。

从各水资源分项来看，地表水资源量较地下水资源量对气温变化更敏感，狭义水资源量较有效蒸散发量对气温变化更敏感。在不考虑植被生长的环境需求情况下，单从水动力学角度讲，气温升高有利于增加植被的蒸发蒸腾量。

气温变化在影响水资源量的同时，也影响了蒸发量和径流量的年内分配以及径流过程。随着气温的增加，蒸发量呈逐渐增加的趋势，而径流量呈逐渐衰减的趋势，其中7月、8月、9 月气温增加对蒸发量和径流量的影响最大，见图8-26。(www.chuimin.cn)

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图8-26　气温变化及其对蒸发量和径流量的影响

（a）径流量；（b）蒸发量

2.降水对水资源的影响

设定三种情景来分析降水对水资源的影响。保持模型中的输入数据及参数不变，情景三是将1956～2000年系列的日降水量增加5%，情景四是增加10%，情景五是减少5%。

降水是流域水资源的唯一来源，对流域水循环起到至关重要的作用。计算结果表明：各项水资源量变化趋势与降水量的变化趋势一致。

降水增加5%，则地表水资源量增加11．3%，径流系数有所增加，从0．22 增加到0．23；地下水资源量增加7．9%，不重复量增加6．1%，狭义水资源量增加11．2%。随着降水量的增加，狭义水资源量及其构成呈增加的趋势，各水资源量变化率与降水量变化率的比值也呈递增的趋势，即狭义水资源量及其各分量随降水的增加而显著增加。降水量的减少使得各项水资源量都呈现减少的趋势。降水减少5%，则地表水资源量减少10．7%，径流系数由0．22减小到0．20；地下水资源量减少7．9%，不重复量减少6．2%，狭义水资源量减少10．9%，降水量的减少使得各项水资源量都呈现减少的趋势。

从以上分析可以得出：降水改变引起各狭义水资源量及其构成的变化趋势是一致的；地表水资源量较地下水资源量对降水变化更敏感；随着降水的增加，各水资源量显著增加；变化相同幅度时，降水增加对地表水资源及狭义水资源量的影响要大于降水减少对它们的影响，降水增加对地下水资源量的影响及降水减少对其的影响大致相同，而降水增加对不重复地下水量的影响则略大于降水减少对其的影响，详见表8-22。

表8-22　降水变化对广义水资源量的影响　单位：亿m3

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降水的变化也改变了广义水资源量及其构成。降水增加5%引起狭义水资源量增加，使得有效蒸散发增加3．1%，在狭义水资源量和有效蒸散发的共同作用下，广义水资源量增加4．9%。随降水的增加，广义水资源量及其构成呈显著递增的趋势。降水减少5%引起狭义水资源量减少的同时，有效蒸散发量减少3．3%，广义水资源量减少5．0%。从以上分析得出：狭义水资源量较广义水资源量对降水更敏感，并且变化相同幅度时，降水增加对有效蒸散发量及广义水资源量的影响略小于降水减少对它们的影响，详见表8-22。

降水变化在改变水资源量的同时，同样也改变着径流和蒸发的月分配及径流过程，其中对7月、8月、9 月径流以及洪峰径流的影响最大，对蒸发量影响较大的月份也集中在7月、8月、9 月，详见图8-27 和图8-28。

3.综合影响

从以上分析可以得出：气温增加对于广义水资源量的影响不大，但对其资源量构成影响较大；降水变化引起的广义水资源量及其构成量的变化趋势是一致，降水减少和增加引起的各水资源量的变化比例有所不同。

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