1.2　国内外研究动态

1.2.1　气候变化对水资源的影响

气候变化将改变全球水循环的现状，导致水资源时空分布的重新分配，并对水循环的各要素如降水、蒸发、径流等造成直接影响。气候变化对水文水资源影响的研究在20世纪80年代中期才引起国际水文界的高度重视，1985年，世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）出版了《气候变化对水文水资源影响的综述报告》，之后又出版了《水文水资源系统对气候变化的敏感性分析报告》。1988年，WMO和联合国环境规划署（United Nations Environment Programme，UNEP）共同组建成立了政府间气候变化专业委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC），专门从事气候变化的科学评估，并定期总结最新的科学成果，目前已公布了五次具有权威性的气候评估报告（FAR，1990；SAR，1996；TAR，2001；AR4，2007；AR5，2013）；国际水文科学协会（International Association of Hydrological Sciences，IAHS）召开的第19届、第20届国际大地测量学与地球物理学联合会（International Union of Geodesy and Geophysics，IUGG）（1987，1991）和第四届、第六届水文科学（IAMAP-IAHS）联合大会（1993，2001）等都设立了相关专题，另外，国际水文计划（International Hydrological Programme，IHP）、世界气候研究计划（World Climate Research Programme，WCRP）、国际地圈生物圈计划（International Geosphere-Biosphere Programme，IGBP）的“水文循环的生物圈方面（Biospheric Aspects of Hydrological Cycle，BAHC）”、地球系统科学联盟（Earth System Science Partnership，ESSP）以及国际全球环境变化人文因素计划（International Human Dimensions Programme on Global Environmental Change，IHDP）等均涉及气候变化对水资源影响的研究，这些国际项目和国际会议极大的推动了气候变化对水文水资源影响研究的发展。

我国自20世纪80年代起也迅速开展了气候变化对水资源影响的研究。从“七五”到“十五”国家科技攻关项目都设立了气候变化对水资源影响相关专题（水利部应对气候变化研究中心，2008）。由于西北和华北是我国主要缺水地区，在“七五”期间，设立了“中国气候与海平面变化及其趋势和影响研究”重大项目，首先就气候变化对西北、华北水资源的影响进行了研究。在“八五”国家攻关项目“全球变化预测、影响和对策研究”中，设立了“气候变化对水文水资源的影响及适应对策”专题。在“九五”科技攻关项目“我国短期气候预测系统”中，也设有专题“气候异常对我国水资源及水分循环影响的评估模型研究”，选择了淮河流域和青藏高原作为研究区域。刘春蓁（1997）以平衡的GCM模型输出作为大气中CO2浓度倍增时的气候情景，采用月水量平衡模型，研究了我国部分流域年、月径流、蒸发的可能变化。王国庆等（2000）在分析了气温变化对黄河流域蒸发能力影响的基础上，采取假定气候方案，分析了黄河主要产流区径流对气候变化的敏感性，最后根据全球气候模型GCMs输出的降水、气温结果，估算了温室效应对主要产流区水资源的影响。高歌等（2000）利用华北地区近50年的气候、水资源等相关资料，分析了极端气候事件对水资源的影响，并在气候模式预测结果的基础上，简要分析了华北地区未来气候变化对水资源的可能影响。陈德亮等（2003）应用两参数分布式月水量平衡水文模型并结合两个全球模式提供的未来气候变化情景，就未来气候变化对长江中游地区径流的影响进行了分析探讨。曹丽菁等（2004）利用NECP/NCAR的1948—2003年分析格点资料，研究了华北地区大气水分气候的变化及其对水资源的影响。袁飞等（2005）应用大尺度陆面水文模型-可变下渗能力模型VIC（Variable Infiltration Capacity）与区域气候变化影响研究模型PRECIS（Providing Regional Climate for Impacts Studies）耦合，对气候变化情景下海河流域水资源的变化趋势进行了预测。此外，国内学者还对黄河源区、海河流域、黑河流域、石洋河流域、塔里木河流域、洮河流域等不同典型流域开展了气候变化对水资源的影响研究（蓝永超等，2006；王钧等，2008；李金标等，2008；徐长春等，2006；姚玉壁等，2008）。

总体来看，国内外气候变化对水资源影响研究主要集中在气候变化对流域水循环及其伴生过程的影响、气候变化对流域/区域可供水量的影响、气候变化对干旱/洪水发生频率和强度的影响、气候变化对农业需水量的影响、气候变化对水质的影响、气候变化下的水安全适应性对策研究以及气候变化影响的不确定性等方面，研究方法基本上遵从“未来气候情景设计-气候模式-水文模型-影响评估和适应性对策”的模式（张建云等，2007；王顺久，2006；江涛等，2000）。

1.2.2　人类活动对水资源的影响

区域人类活动是水资源演变的重要驱动力之一，人类活动对水文水资源的影响主要体现在以下几个方面：水库、塘坝等水利工程拦蓄对径流的影响，人工取用水对径流的影响，地下水开采对径流的影响，水土保持对径流的影响，以及城市化建设对径流的影响等。Szilagy（2001）发现美国Republican河1977—1996年阶段的平均径流深较1948—1968年阶段减少了约40％，这一减少不完全是水文气象条件变化的结果，而主要是由流域内修建水库、农业灌溉、植被改变以及水土保持等人类活动综合作用的结果。美国河流洪水频率委员会1999年指出“很少有关于人类活动对洪水量级及其频率影响事件的记录”。而美国Mississippi河1993年、1995年、2001年洪水，Red河1997年洪水以及Tar河1999年洪水过程及其重现期都受到人类活动的影响而变异显著。Pinter等（2001）对Mississippi河结合水位变化趋势进行洪水频率重新计算表明，S.t Louis站1993年洪峰重现期小于100年一遇，远低于先前的一些计算结果。而国内如华南地区的一些河流几乎年年出现超20年一遇甚至50年一遇洪水，水文过程及其特征重现期明显出现了变异，原因之一就是下垫面发生了改变。

人类活动对水资源演变的影响具有双向性：人工取用水、改变下垫面等区域人类活动可以导致当地水资源量及其时空分布的变化，而当地水资源情况反过来又影响着人类对水资源的开发利用方式。

人工取用水是区域人类活动影响水资源的主要形式。人工取用水是指水资源从天然水循环系统中取出到最终回归天然水循环系统当中的一系列过程，包括供水-用水-耗水-排水等过程。人工取用水在循环路径和循环特性两个方面改变了天然状态下的流域水循环特征。人类对地表水和地下水的开采改变了天然水循环的流向，从天然主循环圈分离出一个侧支循环，地表水的开发减少了河流水量，地下水的开采改变了包气带和含水层的特性，影响了天然地表地下水量交换特性。用水和耗水改变了主循环圈的蒸发和入渗形式，最后通过排水过程将侧支循环回归到主循环圈中。“供-用-耗-排”人工侧支循环和天然主循环相互响应，相互反馈，二者之间存在紧密的水力联系，循环通量此消彼涨（仇亚琴，2006）。

国内在人工取用水对水资源的影响方面也进行了一些探索。任立良等（2001）利用长期水文观测数据，研究了中国北方地区人类活动对地表水资源的影响，认为河道外用水量的增加是导致中国北方地区实测径流减少的直接原因；干旱、半干旱地区人类活动对河川径流的影响程度强于湿润地区。王浩等（2005）通过设定不同的用水及下垫面情景，应用基于物理机制的分布式水文模型WEP-L进行水文模拟，基于不同情景下模拟结果对比，定量评价了人工取用水和下垫面变化对黄河流域水资源演变的影响。仇亚琴等（2006）应用分布式物理水文模型结合设定的降水、人工取用水及下垫面条件变化的8个情景，定量分析了三川河流域降水、人工取用水、下垫面条件变化以及三个驱动因子综合起来对各层次水资源演变的影响。

下垫面是地形、地面覆盖物、土壤、地质构造等多种天然和人工因素的综合体，是影响流域水循环过程的重要因子。自然因素对下垫面的影响是一个长期的、缓慢的过程，从小的时间尺度上看，人类活动对下垫面的影响更为剧烈。人类在利用自然并改造自然的活动中，逐渐改变了流域的下垫面条件，这些活动包括农业活动、水利工程建设、水土保持和城市化建设等。农业活动是人类较早开始的改造自然的活动，从零星的种植活动到大规模的耕地建设，到近几十年来随着人口的增长逐渐出现的陡坡开荒、毁林造田，砍伐森林和过度放牧等。大面积的农业活动改变了局地的微地貌和地势，改变了表层土壤结构，影响了水循环的产汇流过程。拦蓄、引水工程、供水与灌溉工程等水利工程建设改变了河流的天然形态，影响水的汇流过程。水库的调蓄作用改变了水资源的时空分布，导致了蒸发、入渗等水循环要素通量的增加，改变了水文的天然情势。20世纪中叶我国开展的小流域治理等水土保持建设在减少水土流失的同时，也改变了地表覆盖条件、地面坡度，改变了局地的植被条件和土壤水动力特性，影响了水循环的垂向和水平过程。城市化是具有重要水文影响的又一种下垫面变化。城市化的结果使地面变成了不透水表面，如路面、露天停车场及屋顶，而这些不透水表面阻止了雨水或融雪渗入地下，影响了入渗、蒸发及径流等水文过程。另外，由于不透水表面要比草场、牧场、森林和耕地平滑，使得城市区域的地表径流流速加大。随着径流量的增加、区域内各部分径流汇集到管道及渠道里，因而使区域内不同位置的汇流加快，改变了天然水循环的自然规律（仇亚琴，2006）。

国外目前人类活动的水文效应研究主要集中在土地利用和覆被变化（Land-Use and Land-Cover Change，LUCC）对水资源的影响方面。LUCC水文效应的研究，早期大都采用实验流域的方法，自1970年以来，一些国际组织先后开展了土地利用和覆被变化的水文水资源效应研究和水文响应研究，逐渐从实验流域观测统计分析转向水文模型方法，由只关注土地利用和覆被变化造成的结果转向揭示土地利用和覆被变化对水文和水资源影响的过程与机理。Onstad和Jamieson于1970年最先尝试运用水文模型预测土地利用变化对径流的影响。1995年，IGBP和IHDP共同推出了一个详细的LUCC 研究计划，为世界各国的研究确定了方向。

我国也有不少土地利用和覆被变化对水资源演变影响方面的研究。刘昌明（1978）曾分析了黄土高原区不同下垫面条件对产流的影响。郝芳华（2004）采用基于Arcview GIS的SWAT模型研究黄河下游区不同下垫面条件对产流的影响。从1988年至1996年，有很多研究机构采用“水文法”和“水保法”，研究黄河中游多沙粗沙区开展水土保持对河川径流量的影响，利用流域内水文站的水文观测资料和降雨径流基本规律，研究水保措施对径流变化的影响；或者根据各支流水保措施的数量及其蓄水指标反映径流量的变化量（汪岗等，2002）。崔远来等（1996）依据北京城区及近郊大量实测雨洪资料，以不透水比为综合参数，建立了城市综合产流模型。目前，土地利用和覆被变化对水资源的演变影响的研究主要集中在水土保持、森林、城市化建设对径流及蒸发的影响上，而对整个水循环过程的研究则比较少。

1.2.3　水资源演变的归因研究

国内在水资源演变的归因研究方面尚没有统一和成熟的方法，不同学者采用不同的方法主要在分离气候变化和人类活动对水文要素的影响方面开展了一些探索性研究，这些方法可以分为两类：一类是分项调查法，首先假定人类活动和气候变化是影响径流变化的两个相互独立的因子，将人类活动对流域显著影响之前（大规模人类活动之前）的时期作为基准期，人类活动影响期间自然径流量的还原则是通过分项计算一些主要的人类活动的用水量，然后与实测河川径流量叠加得到；另一类是水文模型法，若在人类活动显著影响前，流域具有一定长度的实测水文气象资料，则利用这些资料率定的水文模型参数基本上可反映流域的自然产流状况，然后保持模型参数不变，将人类活动影响期间的气候要素输入水文模型，进而可计算延展相应时期的自然径流量，通过对比人类活动影响期间的实测径流量、还原的自然径流量和基准时期的实测自然径流量，进而可分离评判人类活动影响期间各因素对流域径流的影响。采用水文模拟途径研究气候变化和人类活动对水文水资源的影响，具有还原的人类活动影响期间的自然径流量与基准时期的实测自然径流量之间有成因上的一致性、不需要大量详细而具体的人类活动资料等优点，采用该方法的关键是水文模型的合理研制（陈晓宏等，2010）。

分离气候变化和人类活动对流域水文要素的影响的研究成果多见于我国长江流域以北地区及西北干旱区，而华南湿润区的类似研究成果则比较少见。石羊河流域的研究表明（李金标等，2008），其近几十年来的自然水循环系统平衡状态遭到破坏，人为因子在水资源变化过程中起主导负作用，其影响力占总影响力的58.48％，大大超过降水因子22.35％的正作用，气候因素远远低于人类活动的影响。新疆和田河流域尽管多年平均降雨量呈增长趋势，河川径流却呈现微弱的递减趋势，除去气候因素外，与农业灌溉规模和流域内工程引水量逐年加大成正相关（吴益，2006）。王国庆等（2006）用SIMHYD模型将气候变化和人类活动分别对径流的影响分开，分析了环境变化对黄河中游汾河径流情势的影响。贺瑞敏（2007）用澳大利亚水平衡模型（AWBM），将人类活动和降水变化对径流的影响分开，分析了环境变化对黄河中游伊洛河流域径流量的影响。陈利群等（2007）利用2个分布式水文模型SWATS和VIC进行模拟，研究土地覆被变化与气候波动对径流的影响，把二者影响的贡献率区分开来，分析了黄河源区气候和土地覆被变化对径流的影响。许炯心等（2007）以1956—1980年作为人类活动较弱的“基准期”，而以1981—2000年为人类活动较强的“措施期”，用多元回归模型将人类活动和降水变化对径流的影响分开，研究了嘉陵江流域年径流量的变化及其原因。罗先香等（2002）利用1976年以前菜嘴子站的实测降水、降水强度、温度、蒸发量等气候因子资料，建立径向基函数人工神经网络模型，利用1976年以后的实测降水、降水强度、温度、蒸发量资料预测1976年以后的天然径流量，对天然径流估计值与实测值进行比较，对三江平原沼泽性河流径流演变的驱动力进行了分析。刘佳嘉（2013）提出了一种水循环演变多因素归因分析方法，能够将不同时期多因素综合影响变化量分解为各因素单独贡献量，且确保所有因素贡献量累加总和刚好等于多因素综合影响下的变化量，以渭河流域1980年前后水循环演化为例，分析了气象要素、水土保持措施、农业灌溉用水以及工业生活取用水四大因素的贡献。张树磊等（2015）针对近50年径流量显著减少的中国主要流域，包括松花江、辽河、海河、黄河和汉江等，采用基于Budyko假设的流域水热耦合平衡方程，估计了流域年径流量变化的气候弹性系数和下垫面弹性系数，分析了1980—2000年与1960—1979年及2001—2010年与1960—2000年相比的年径流变化，分析了各流域径流变化的原因。

国外在变量变化的归因方面则有一套比较系统、成熟的方法，即基于指纹的归因方法（Hasselmann，1997）。该方法目前被广泛应用于气候变化领域。由于采用统计方法很难分辨出气候自然变异和人为强迫变化各自对径流变化的贡献，随着气候科学及气候模型的发展，在IPCC第四次评估报告中，开始采用气候模型分离自然气候变异与人为气候变化对观测的径流变化的贡献，并采用信号-噪音比值来评价观测及预测的径流变化趋势中人为气候变化及自然气候变异的贡献，给出人为气候变化影响大于气候自然变异影响的地区，以及自然气候变异影响可能仍起主要作用的地区（IPCC，2007）。目前气候变化的归因方法主要是基于Hasselmann于1997年提出的指纹（fingerprint）方法，主要在全球尺度对近地表温度（Thorne等，2003）、海洋热容量（Barnett等，2001、2005）、地表气压（Gillet等，2005）、降雨（Lambert等，2004）等变量的变化进行归因分析，最近在极端事件方面也开展了归因研究（Hegerl等，2006）。近年来，考虑先验信息的贝叶斯方法也被应用到检测与归因研究中。有关这两种方法的介绍，请参考文献（IDAG，2004）。在水资源变化的归因研究方面，目前只有Barnett等在美国西部流域做了一些探索工作（Barnett 等，2008）。

1.2.4　水循环要素变化的检测与归因

对已经观测到的水循环要素变化进行检测和归因，是当前国际上气候变化与水文水资源研究的重要内容。长期以来，对水循环要素变化的分析都是建立在序列长期变化稳定和气候稳态的假定前提下，即水文现象是稳定的随机变量、长序列水文均值为常数，由过去观测得到的统计规律可以外延用于对未来的预估。虽然在20世纪70年代后，随着人类活动加剧，大大改变了下垫面条件及流域特性与河道水文情势，在流量系列的分析中开始考虑流域尺度上人类活动的水文效应，但对水文分析而言，稳态的气候假定仍是一个重要的前提条件。然而，地球系统科学的研究表明，水循环是气候系统多圈层中的一个重要部分，它们相互作用。因此，实际中气候变化背景下的水文序列是非线性和非稳态的，它不仅包含了水文和气候系统自然变异的部分，而且包括了人为气候变化（温室气体排放导致的气候变暖）的影响以及流域下垫面变化的影响等部分。因此，在流量变化趋势的检测中分离出气候变化的影响，不仅对水资源规划与管理和水利工程设计具有重要的应用价值，而且有助于了解人为气候强迫以何种方式、已经或尚未对水文循环产生影响，对认识气候变化对水资源影响的贡献以及改进气候模型的模拟与预测具有重要的科学意义。目前，如何在流量的实测系列中检测和识别出人为气候变化的影响与贡献，是水文和气候学家面临的一个难题（夏军等，2011）。

在IPCC的5次评估报告中，前两次报告的水循环要素影响分析，主要集中在气候均值变化对水文水资源的影响和适应对策研究（IPCC，2001）。自第三次评估报告后，开始注意到径流自然变异问题，并在气候变化影响的归因研究中，强调了气候自然变异对径流影响的检测问题（Milly 等，2002、2005）。在第四次评估报告中，开始采用气候模式分离气候自然变异与人为气候变化引起的径流变化，并采用信号噪声比值来评价径流变化趋势中人为气候强迫变化及自然变异的贡献，识别出人为气候强迫影响显著性大于气候自然变异影响的地区，以及气候自然变异影响可能仍起主要作用的地区（IPCC，2007）。在2013年发布的第五次评估报告中，将人类活动导致过去60年全球变暖这个结论的可信度提高了，认为过去的30年很可能是过去1400年里最热的30年，并且人类的影响是明确的，人类影响是20世纪中叶以来观测变暖的主要原因。目前，一些水文气候学家采用陆地水文模型与气候模型耦合的方法，试图将水文观测数据趋势的检测、归因研究与对未来水文水资源的预估统一起来。虽然还存在很多难点与问题，但是这些方面的探索反映了水文-气候研究的发展态势。该方向的研究能够为决策者及水资源管理者提供更有效的气候变化风险管理信息。

1.2.5　存在的主要问题

在气候变化对水资源影响研究方面，由于在气候变化对水资源的影响评估研究中存在严重的尺度不匹配问题，而统计降尺度方法是解决该问题的关键技术。该方法的理论研究及其在水资源响应评估中的应用主要在欧美国家，在我国则起步较晚，且研究的广度和深度也不够（《气候变化国家评估报告》编写委员会， 2007）。虽然降尺度方法的理论研究已经较为成熟，相关的文章也很多，但是只有大约1/3 考虑了气候变化的影响评估，涉及水文影响评估的仅占1/6 （Fowler 和 Wilby，2007；Fowler 等，2007 ），而其中专门使用统计降尺度方法的则更少。所以，流域尺度上的统计降尺度方法的研究是一个薄弱环节，也是气象学家和水文学家共同关注的重点（褚健婷，2009）。

在区域高强度人类活动对水资源演变的影响研究方面，由于涉及复杂的社会与水的关系，大多数研究仍处于定性描述分析阶段，定量分析下垫面变化、人工取用水等因素对水资源演变的影响尚处于起步阶段，各种因素对水资源演变的深层次驱动机理尚没有明晰。

在水资源演变的归因研究方面，国内尚无统一和成熟的方法，目前的分项调查法和水文模型法主要以统计、还原和修正等作为基本手段，已经不能满足现代二元驱动力作用下流域水循环演变中的人类活动效应研究；多因素归因分析方法虽然能定量描述多因素对水循环演变的影响和贡献，但主要依赖于分布式水文模型进行情景模拟，不同时期需要使用相同的初始状态，并且无法考虑气候自然变异等因素的影响。国际上虽然有成熟的归因方法，但目前的相关研究主要集中于气候变化方面，水资源演变的归因研究则基本属于空白。只有Barnett等人在美国西部流域做了一些探索工作，但只是针对与温度变化有关的变量如积雪水当量、径流达到一半的时间等，并没有涉及径流量、水资源量变化的归因工作；且该研究只考虑气候变化一个因素的影响，没有考虑下垫面变化、人工取用水等人类活动因素的影响，无法定量区分出人类活动和气候变化对水资源演变的贡献。

在水循环要素变化的检测与归因方面，作为气候变化对区域和流域水资源影响研究的基础工作之一，该领域目前存在的主要问题包括：已有研究在采用的资料数量和质量方面仍显不足，例如降水、气温和蒸发变化研究只采用了气象部门700多个站的观测记录，气温和蒸发观测记录还没有对局地人为影响偏差进行订正，气象和水文部门的观测资料尚未进行有效的整合；若干重要要素如地下水、大气水汽输送和实际蒸发量变化趋势没有给予足够关注；对水循环要素大气分量变化的原因进行了大量分析，但对于降水和实际蒸发变化与全球气候变暖的联系还不甚清楚，对于径流变化在多大程度上是由于气候变化引起的，多大程度上是区域人类活动影响造成的，在认识上还存在很大分歧，目前更不清楚全球气候变暖对我国主要江河流量变化的确切影响。我国在自然气候变率与人为气候强迫（温室气体增加、气溶胶排放和土地利用变化）对地表和地下径流变化的影响方面鲜有研究报道。目前对水循环要素变化趋势的认识是不完整的，对于径流量变化原因的理解还是初步的，在人类活动强烈区域和流域，还不清楚气候变化和人类活动各自的影响究竟有多大，更不清楚径流对人为强迫的气候变化的响应到底是多少（夏军等，2011）。