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气候变化和人类活动——影响黄河流域水循环

  近年来,受气候变化和人类活动的共同影响,黄河流域的气候和水文状况发生了显著改变,整个流域在过去50年的实测径流量和天然径流量均呈减少趋势,流域的气候整体呈现暖干化趋势。

  流域径流量的减少除与大尺度的气候变暖有关外,区域尺度的植被覆盖变化和人类用水量(如农业灌溉)的增加也是不可忽视的原因。在不同子流域,气候变化和人类活动对径流变化的作用不同:在黄河上游,气候变化的影响占主导地位;在中下游,人类活动的影响甚至与气候变化作用旗鼓相当。

  一直以来,水资源短缺是黄河流域面临的难题。全球变暖背景下的气候变化和人类活动使黄河流域的水循环发生显著变化,对黄河流域水资源量造成影响,也对黄河流域水资源管理提出了严峻挑战。

  水资源量减少趋势最近十几年尤为明显

  统计显示,黄河流域2003—2010年的天然径流量相比1991—2002年增加了27.2%,相比1961—1990年偏少10.1%,整个流域的陆地水储量明显减小,流域整体正面临干旱化的威胁。

  黄河流域降水总量普遍减少,同时降水的年内分配也趋于均匀化。这种降水总量的减少和年内分配的变化都会影响径流,加之流域变暖、植被覆盖度上升和农业灌溉等人为因素导致流域实际蒸散发(流域水分损失)普遍增大,最后使得全流域的产流能力显著下降。“越接近流域下游,降水和天然径流量减少趋势越明显。”对此,中国科学院大气物理研究所马柱国研究员如是说,“基于实际资料分析,我们发现1961—2010年黄河流域水文及气候发生了显著变化,从总体上看,水资源量呈减少趋势。最近十几年,这种减少趋势尤为明显。黄河流域水资源本就匮乏,产流能力和径流量的下降无疑会进一步加剧流域内水资源的供需矛盾。1998—2012年地表水和地下水取用情况表明,黄河全流域取水量多呈现增长趋势,流域内天然径流量中近半数被人类取用而无法入海。因此,黄河流域水资源的供需矛盾较为突出,如何有效管理逐渐减少的水资源成为黄河流域可持续发展面临的巨大挑战。”

  气候变化和人类活动影响水循环

  中国科学院大气物理研究所吕美霞博士认为,黄河流域径流量的改变既受到气候变化的影响,同时又和人类活动关系密切。“气候变化和人类活动已成为影响黄河流域水循环过程及水资源演变规律的两大关键因素。在全球变暖的大背景下,黄河流域的气候正在发生改变,进而影响水资源量的多少。此外,黄河流域受到城市化、农田灌溉、退耕还林等人类活动的影响,特别是经济社会的快速发展对用水需求越来越大,水资源短缺是长期面临的难题。”

  数据显示,1961—2010年,黄河7个水文站(唐乃亥、兰州、头道拐、龙门、三门峡、花园口和利津)的天然径流量呈显著减少趋势。其中,2001—2010年相比1961—2000年黄河天然径流量减少了8.8%~20.8%。

  要定量区分气候变化和人类活动对黄河天然径流量的影响。研究发现,随着植被覆盖度的增加,黄河天然径流量减少。数值模式模拟结果显示,在耕地转变为混交林的情况下,黄河流域降水量增多,蒸发增加而产流减少。退耕还林后植被生长状况得到改善,使得黄河流域降水增加,但增加的降水被更多地消耗于蒸发,最后并没有使径流量增加。

  从未来预估的角度,气象部门也对黄河流域降水量进行了研究。“在全球气候变暖的背景下,不同地区的响应存在差异,各个区域关注的重点问题也有所不同。模式资料显示,围绕全球温升2℃和1.5℃对天气气候事件变化的影响发现,对于黄河中下游地区(山西—河南—山东一线地区)而言,从参考期(1986—2005年)到温升1.5℃,持续性降水事件对总降水日数和总降水量贡献的变化不是很明显。而当温升进一步增加到2℃时,对于两年一遇到百年一遇的持续性降水事件,其贡献均是增加的。”中国气象科学研究院助理研究员余荣分析说。在全球温升2℃的条件下,黄河中下游地区持续性降水事件将明显增加,可能面临更多的洪涝灾害。而关于未来持续性降水事件贡献增加的原因,可能与模式预估情景中排放的设定和相应的大尺度环流系统调整有关。

  作为一种干湿变化的综合指标,黄河流域陆地水储量变化的综合分析结果显示,其在黄土高原减小的趋势越来越明显,而在黄河源区增加趋势却越来越缓慢。这一变化预示着黄河流域正趋于干旱化,水资源供需矛盾将更加突出,这在黄土高原地区尤为明显。黄河源区陆地水储量的增加,主要对应土壤水、径流量和降水增加;黄土高原及下游陆地水储量的减少,对应地下水和径流量的减少。此外,黄河流域的灌溉耗水量也有所增加,从而进一步增大了全流域的蒸散发。

  植被变化对水资源影响不容忽视

  基于已有的研究结果,未来退耕还林工程的进一步实施对黄河径流量的影响不容忽视,如何科学有序地实施退耕还林、还草工程,将是人类面临的重大科学问题。

  “近年来,黄土高原退耕还林取得的成果已成为人们关注的热点。从植被改善情况看,退耕还林工程效果显著,但同时也面临诸多挑战,比如新种植的树木和灌木能否长期存活,人们也开始从科学的角度综合思考工程的可行性。一个值得注意的现象是,退耕还林显著改善了黄河流域的水土流失状况,但黄河径流量却变少了。除气候变化外,土地利用和农业用水等人类活动的影响也已成为干旱化和水资源量减少不可忽视的因素。”吕美霞表示,目前植被变化对水资源影响的研究尚存在争议,一种观点认为植被增加会消耗水分、减少径流量,从而导致可获得水资源量减少;另一种观点认为,植被,特别是森林对水资源量的增加具有积极作用。

  值得一提的是,黄土高原自2000年正式实施退耕还林还草工程以来,植被生长状况得到明显改善,但同时产流量减少。吕美霞认为,定量评估退耕还林还草工程对黄河流域径流量的影响,对今后流域水资源的综合开发利用具有重要指导意义。

  多举措加强黄河流域水资源保护

  影响黄河流域水循环的人类活动包括多种方式,比如城市化、跨流域调水、修建水库、农田灌溉以及水土保持等。马柱国认为,仅笼统地给出所有人类活动的综合作用效果,还不足以为黄河流域的综合开发利用提供明确的科学指导,因此进一步区分不同人类活动方式对径流量的影响具有重要的科学意义和应用价值。

  对于黄河流域水资源的保护和有效利用,不但需要基础理论研究为实践提供科学指导,还需要采取相应的节水措施。

  节水在黄河流域是一个永恒话题。黄河灌溉面积达1.1亿亩(1亩≈0.067 公顷),年引水量超过310亿米3,占总用水量的75%以上。当前,黄河水量调度基本依靠行政配水,对灌区实际旱情掌握较少,需水与配水严重脱节,造成缺水和水资源浪费。因此,如何选择最合适的灌溉时间、灌溉最合理的水量至关重要。黄河流域的农业灌溉主要以漫灌为主,应减少灌溉输水、用水过程中的水分损失,推广节水灌溉。

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