气候变化与人类活动对流域水循环的影响

陈文刚 常喜建 胡 扬 李 伟 郝 丹

(中国矿业大学 资源学院，江苏 徐州 221000)

流域水循环研究内容主要包括降水、地表水(径流)、土壤水、地下水的动态过程及其内在联系和转化关系。而目前主要以四水转化为主，降水之后的形成地表水径流与土壤水的条件有关，地表径流与产流的重要影响因素就是土壤水分，土壤水形成壤中流进而转变为地表水;地下水必须通过土壤的渗透由降水得到补给，而地下水的上升又将补给土壤水，同时也能够以地下径流的形式流入地表水;反过来地表水也可渗入土壤，通过土壤又渗漏到地下水中。

1 气候变化对流域水循环的影响

近百年来，由于工业化的不断进步和经济的高速发展，大气中温室气体浓度越来越高，间接地影响到全球气温不断地升高。全球范围内的观测资料表明，近百年来(1906～2005年)全球平均地表温度上升了0.74℃，世纪全球海平面上升约0.17m［1］。而我国平均地表温度上升幅度在0.5℃ ～0.8℃，海平面上升0.1m～0.2m［2］。气候变化已然成为人们最为关心的话题之一。

1.1 地表水对气候变化的响应

气候变化对于水资源的影响主要表现在气温与降水的变化，降水量的变化直接影响到产水量的多少，表现为地面水体及地表径流量，而气温的变化最主要影响到水体的蒸发量，蒸发量的变化使得径流量及产水量随之变化。

我们可以通过控制气候T、降水量P的变化利用SWAT模型模拟出不同气温T、降水量P情景下蒸腾蒸发量、径流量、产水量的变化。于磊等［3］基于SWAT模型的中尺度流域气候变化水文响应中的研究表明随着降水量不断的增大，来水量也同时增加，从而腾发量、地表径流量及产水量逐步增加。气温变化对腾发量、径流量、产水量也有较大的影响。腾发量随着气温增加而增大，另一方面径流量以及产水量却会随温度升高而减小。

同样我们除了模拟控制变量研究，也需要根据实际资料分析气温及降水量的变化来研究气候变化对地表水影响。陈华等［4］就汉江流域1951～2003年降水气温时空变化对比分析阐述了气候变化对地表水的影响。分别分析降水及气温的趋势，再进行比较分析，可看出流域降水变化受气温变化的影响，气温升高，降水减少，但是降水变化不如气温变化趋势显著看，主要原因在于影响降水的因素很多，而气温仅是其中的一个。范广洲等［5］模拟研究了气候变化对滦河流域丰、枯水年不同季节水资源的影响，结果表明了滦河流域地表径流量、次地表径流量以及河川径流量受降水量的变化影响较明显，受气温变化的影响较小。

对以往资料调查的基础上，同样也需要对流域基于气候变化响应未来变化的研究。可利用分布式模型，根据实测降水、气温、径流资料，对该流域未来变化趋势分析。

郝振纯［6］等通过分布式模型对山西省和黄河源区地表水和水资源的未来变化趋势作分析。研究中对地表径流和水资源的未来趋势分析主要分两部分完成，首先是根据所选源区的条件建立与之相应的分布式模型，其次以该模型为工具，输入资料及参数，模拟出径流及水资源的变化趋势。

1.2 地下水对气候变化的响应

地下水，是贮存于包气带以下地层空隙，包括岩石孔隙、裂隙和溶洞之中的水。地下水是水资源的重要组成部分，由于水量稳定，水质好，是农业灌溉、工矿和城市的重要水源之一。地下水通过来自降水、湖泊、河流等水源补给与大气陆地水循环相连。浅层地下水的补给参与水文循环［7］。

刘春蓁等［7］在地下水对气候变化的敏感性研究进展中讨论到地下水补给率的影响因子及估算模拟，模拟估算中不同尺度的模拟。提出了气候变化与气候变异对地下水的不同影响，并且利用实测资料分析了气候变化与变异对地下水的影响。结果表明浅层的地下水主要受制于气候变化与气候变异。

而关于地下水补给的模拟，分为全球尺度和区域尺度。

全球尺度方面，Doll等［8］研制的全球可利用水与用水模型，结合灌溉、农牧用水与自然径流，利用收集的全球数据，模拟出地下水补给的分布，观察各个地区的异同。

区域尺度方面，Keese等［9，10］用非饱和流模型估算了区域尺度在植被根系带下的地下水补给。水量平衡方程如下:D=P-ET-Ro-△S

式中:D为根系下的深层泄量;P为降水与灌溉量;ET为蒸散发量;Ro为地表径流量;△S为水的蓄量变化。

利用气象数据研究不同区域气候、土层属性以及地下水的补给。

2 人类活动对流域水循环的影响

自地球诞生以来，其环境就在不断变化。人类出现之前，地球环境纯粹在自然界推动力作用下变化;自从有了人类，地球自然系统就面临人类活动的干预。随着人类改造自然能力的不断增强，人类活动对流域水文的影响愈加显著。

并且从流域的产、汇流过程来说，虽然影响其发生和演变的自然因素主要有降雨、蒸发、下垫面、汇流等，而这些因素在短期内是不会发生较大变化的。随着用水量的不断增长，人类活动在水循环中发挥的作用越来越大。

2.1 地表水对人类活动的响应

王春霞［11］等在对人类活动对地表水的影响研究中从显性及隐性两方面因素来人类活动的影响。其中显性因素表现在随着经济的发展，需要大规模的农业灌溉用水以及工业用水，并且需求量仍然在不断地提高，这使得河道的径流量持续地减少，严重的影响到当地的生态环境;而隐性因素方面，由于水土流失问题的严重性，造成地下水的大规模下降，引起当地土壤包气带不断加厚，入渗损失量与蒸发量也随着增加，使得河道径流量降低。

水利工程的修建、湖泊的开垦以及跨流域调水工程的实施，改变了地下水的分配。庞树森［12］等在对三峡水库蓄水期间对径流影响的研究中讨论了其蓄水及运行方式，分析了径流的变化趋势，并且具体的以三峡水库蓄水以来第一个完整运行年份2007年的入库流量数据，详细分析了减洪及增洪的过程。另外，还以2008-2010年的蓄水运行的数据对径流的影响作了详细变化分析。结果表明三峡水客入库流量变化不大，只在汛期相对减少;而蓄水期对水库调节起较大影响。

据资料来看，中国北方河川径流都存在减少的趋势;除了近年来全球气候变化的影响，人类活动对河流水量的需求也是重要的因素之一。任立良［13］等中国北方地区人类活动对地表水资源的影响研究中以中国北方地区(黄河、海河、辽河、松花江流域)为例，分别讨论近些年由于工农业用水量的增加、天然降水减少对日径流、月径流、年径流以及年代径流的影响。结果表明，在扣除了自然条件引起的水量变化之外，人类的一系列活动大量取用水是该地区径流量减少的直接原因。

2.2 地下水对人类活动的响应

由于经济的飞速发展，人类对于生活及工业用水的需求使得地下水被大量地开采，地下水位持续下降，从而引发了大规模生态环境问题。而近些年，为了满足经济发展的需要，在地表水无法满足需求的同时，加大了地下水的取用，严重破坏了地表、地下水的转化条件以及地下水的水质。

付金花［14］等人类活动对奇台县地下水变化的影响研究中以奇台县为例，分析了人类在该地区取用地下水的历史情况，同时分别对奇台县地区的潜水位变化、泉水出露变化、地表地下水转化条件以及潜水水质作了深入的探索。结果表明在奇台县地区个水文条件的变化虽然与其本身自然条件有关，但究其主要原因还是大规模的人类活动。大规模人类活动引发了该区域大量的水文及生态环境问题。

同时人们生产生活中开发的一些大规模用地也会产生较大影响。黄明斌［15］在苹果基地对区域水循环的影响研究中通过比较它们的土壤入渗特性、降雨产流关系和土壤含水量剖面分布情况，预测了塬面苹果大面积种植对区域水循环可能带来的影响。其中在黄土高原渭北部分区域苹果基地，由于果园的高入渗特性、低产流率和强烈的蒸腾耗水作用，改变该地区的水循环方式，加强了土壤-植物-大气间垂直水分交换，削弱降雨转化为地表径流和地下水的比例，从而影响了整个地区的水资源。

而城市化进程的加快，同样对地下水的影响不可无视。城市相比于其他地区，由于地表的硬化，在其地下结构中会多出一个地表硬化层。程东会［16］等在人类活动对城市地下水影响的探讨中具体分析到城市地下包气带的特征(地表硬化层及人为沉积层)、城市所特有的给排水结构以及城市生产生活带来的污染。结果表明城市的地下水系统受大量的人类活动影响，与自然状态的地下水系统有着很大的区别。

3 结语

综合分析国内外有关于气候变化与人类活动对流域水循环影响的研究，我们能够发现在研究内容方面，大多数只考虑到气候变化的因素，较少注意到人类活动的影响，而人类生产生活与流域水循环是相互影响，忽略了人类活动，就无法准确分析水资源的变化。另一方面，研究中，多关注的是地表径流的变化影响，而缺乏对地下水及地表地下水转化条件的研究。根据这些问题，我们提出一些展望:

(1)在研究气候变化为主要因素的情况下，更要关注人类活动以及下垫面变化等造成的水资源变化影响。

(2)关注地表径流及水体的同时，也需要加强对地下水的研究，流域水循环中，参与四水转化的地下水及土壤水起着极其重要的作用，研究地下水能够帮助我们更加全面的认识水资源的变化。

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

［2］《气候变化国家评估报告》编写委员会.气候变化国家评估报告［M］.北京:科学出版社，2007.

［3］于磊，顾鎏，李建新，朱新军.基于SWAT模型的中尺度流域气候变化水文响应研究［J］.水土保持通报，2008，28(4):152～154.

［4］陈华，郭生练，郭海晋，等.汉江流域1951～2003年降水气温时空变化趋势分析［J］.长江流域资源与环境，2006，15(3):340～345.

［5］范广洲，吕世华，程国栋.气候变化对滦河流域水资源影响的水文模式模拟(Ⅱ)模拟结果分析［J］.高原气象，2001，20(3):302～310.

［6］郝振纯，李丽，王加虎，等.气候变化对地表水资源的影响［J］.地球科学——中国地质大学学报，2007，32(3):425～432.

［7］刘春蓁，刘志雨，谢正辉.地下水对气候变化的敏感性研究进展［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，马军建，黄振平.人类活动对地表水的影响［J］.人民黄河，2005，27(7):10 ～14

［12］庞树森，许继军，徐杨.三峡水库蓄水运行初期对径流过程影响分析［J］.长江科学院院报，2011，28(12):118～124.

［13］任立良，张炜，李春红，王美荣.中国北方地区人类活动对地表水资源的影响研究［J］.河海大学学报，2001，29(4):13～18.

［14］付金花，熊黑钢.人类活动对奇台县地下水变化的影响［J］.水资源与水工程学报，2007，18(2):12 ～15.

［15］黄明斌，杨新民，李玉山.黄土区渭北旱塬苹果基地对区域水循环的影响［J］.地理学报，2001，56(1):7～13.

［16］程东会，何江涛，刘起峰，钟佐燊.人类活动对城市地下水影响的探讨［J］.新疆环境保护，2006，28(4):22～25.