1、气候变化对地下水补给影响分析
一、计算方法
多年平均地下水可开采量采用下述步骤进行计算。首先对研究区地下水总补给量由下式：
∑Qre=Qrre+Qwre+Qlre+Qfre+Qpre++Qlere (7-5)
式中：∑Qre为地下水系统补给量之和；Qrre为河道渗漏补给量Qwre为井灌回归量；Qlre为侧向流入补给量；Qfre为渠灌田间渗漏补给量；Qpre为降水入渗补给量；Qlere为越流流入补给量。
对于典型井灌区，地表水严重枯竭(张光辉等，2012)，河道渗漏量(Qrre)可计为0；渠灌渗漏补给量(Qfre)可计为0。故在典型井灌区尺度上，地下水总补给量计算公式变为：
∑Qre=Qpre+Qwre+Qlre+Qlere (7-6)
由包气带水量平衡方程式可知，在灌溉季节降水入渗补给量和井灌回归补给量可用下式计算：
Qwre+Qpre=P+I+Eg-R-E-ΔW (7-7)
式中：P为大气降水量，mm；I为实际灌水量，mm；Eg为潜水蒸发量，mm，该区地下水埋藏较深，该项计为0；R为地表径流量，mm，对于典型井灌区，该项计为0；E为实际作物蒸散发量，mm；ΔW为土壤水变量。故式(7-7)可变为：
Qwre+Qpre=P+I-E-ΔW (7-8)
式中符号意义均同前。当P+I-E＞0时，多余水分进入土壤，增加土壤含水量，当土壤含水量大于田间持水量时，形成大气降水入渗补给；当P+I-E＜0时，土壤水分形成蒸散发，无法形成大气降水入渗补给。
在非灌溉季节降水入渗补给量用下式计算：
Qpre=P-E-ΔW (7-9)
式中符号意义均同前。当P-E＞0时，多余水分进入土壤，当土壤含水量大于田间持水量时，形成大气降水入渗补给；当P-E＜0时，土壤水分减少部分，形成蒸散发，大气降水入渗补给计为0。
将式(7-8)和式(7-9)带入式(7-6)得到：
∑Qre=P+I-E-ΔW+Qlre+Qlere (7-10)
式中符号意义均同前。对于多年平均土壤含水量(ΔW)基本保持不变，记为0。计算过程中认为侧向流入补给量(Qlre)和越流流入补给量(Qlere)基本保持不变，采用多年平均实测值(张兆吉等，2009)。
二、对年际变化的影响
在利用式(7-5)～式(7-10)计算农业区总补给量的计算过程中，农作物灌溉定额是一个重要的计算参数。考虑到未来节水技术的发展，农业灌溉定额可能会降低。在计算过程中分采用现状灌溉定额，300mm(采用河北省DB13/T1161.1-2009发布的标准灌溉定额)、在现状基础上降低20%(240mm)和在现状基础上降低30%(210mm)三种情景。
利用公式(7-5)～式(7-10)可计算得到研究区2011～2060年系列多年平均地下水总补给量。现状气候条件RCP下，采用现状灌溉定额进行计算，地下水总补给量为211mm。《华北平原地下水可持续利用调查评价》(张兆吉等，2009)中石家庄平原区总补给量为189.7mm，误差率为11%，为了保证计算结果的准确性，在计算过程中将利用上述公式计算的总补给量修正到189.7mm，其余计算情景按同比例修正。计算结果见表7-2。
表7-2 不同气候情景及灌溉定额下石家庄平原农业区未来地下水补给量变化特征
从表7-2可以看出，RCP4.5气候情景的地下水补给量较现状气候条件均有不同程度的增大，且随着灌溉定额的减小，补给量增大幅度有所减少。在300mm灌溉定额下，RCP4.5气候情景的补给量较现状气候条件增大10.7mm；在240mm灌溉定额下，增大8mm；在210mm灌溉定额下，增大6.3mm。
从地下水超采角度来看，RCP4.5气候情景的地下水超采量较现状气候条件均有不同程度的减少。在300mm灌溉强度下，RCP4.5气候情景的超采量较现状气候条件减少9.9mm；在240mm灌溉定额下，减少7.2mm；在210mm灌溉定额下，增大5.5mm。
三、对年内变化的影响
利用公式(7-1)和公式(7-3)计算RCP 和RCP4.5两种气候情景下，以月为计算单元的多年平均(50%)年份灌溉需水量，利用公式(7-5)～公式(7-10)计算以月为计算单元的多年平均地下水总补给量，如图7-9所示。
图7-9 不同气候情景下粮食作物需水量及地下水总补给量年内变化特征
a—现状气候条件灌溉定额为300mm；b—现状气候条件灌溉定额为240mm；c—现状气候条件灌溉定额为210mm；d—RCP4.5气候情景灌溉定额为300mm；e—RCP4.5气候情景灌溉定额为240mm；f—RCP4.5气候情景灌溉定额为210mm
在农作物灌溉需水量方面，4种气候情景下的年内变化趋势基本相同，1～4月呈连续大幅上涨趋势，4月达到峰值，从气候变化角度分析，RCP4.5气候情景的峰值较现状RCP减小10mm；5～8月一直呈下降趋势，9月小幅上涨后，10～12月连续下降。4～6月是主要灌溉需水月份，也是井灌区需要开采灌溉的主要月，两种气候情景占全年需水量的比例分别是61%和63%。
从图7-9可以看出，年内地下水总补给量演变大体上可分为地下水缓慢累积、持续超采和逐步恢复三个阶段。
1～3月为地下水缓慢累积阶段。此阶段粮食作物需水量较小，降水量基本能满足作物生长需求，不需要进行开采灌溉，地下水补给量得以不断累积增加，但补给量较小。从气候变化分析，现状气候条件下1～3月的地下水补给量约占全年的比例的5.2%，RCP4.5气候情景较现状比例增大5.7%左右，达到10.9%。
4～6月为地下水持续超采阶段。此阶段农作物需水量大幅增加，现状气候条件较1～3月增加了543%，RCP4.5气候情景增加了573%。但是降水量仍然较小，现状气候条件较1～3月增加了427%，RCP4.5气候情景增加了183%，远远不能满足作物的生长需求，需要大幅开采地下水进行灌溉，两者气候情景作物灌溉需水量分别是1～3月的6.9倍和7.5倍。由于降水量较少，至6月份，现状气候条件下地下水总补给量仅为43.1mm，RCP4.5气候情景为64.59mm。按研究区灌溉制度，4、5和6月各进行一次灌溉，灌溉定额按300mm、240mm和210mm计算，现状气候条件在三种灌溉定额下的超采量分别为171.3mm、126.2mm和110.3mm，RCP4.5气候情景较现状气候条件在三种定额条件下的超采量均有不同程度的缩小，分别为160.4mm、118.2mm和103.9mm。
7～12月是地下水逐步恢复阶段。其中，7月和8月是研究区雨季，降水量除能满足农作物生长需求外，还可以产生大量降水入渗补给，是产生地下水资源补给的主要时段，决定了全年的地下水资源可恢复程度。从气候变化角度分析，在现状气候条件下，7、8月产生的地下水总补给量占全年比例的56%，RCP4.5气候情景占全年地下水总补给量的比例较现状气候条件有所减小，为38%。至12月底，现状气候条件在三种灌溉定额下的超采量较6月底分别恢复了36%、61%和76%。RCP4.5气候情景在三种定额下的超采量较6月底分别恢复了38%、64%和80%。
从以上讨论可以看出，4～6月因作物需水量增大，降水量较少，需大量开采地下水进行农业灌溉，灌溉定额(开采量)的大小决定了地下水超采量的多少。从气候变化角度来分析，RCP4.5气候情景下的超采量较现状气候条件有所减少。7～12月在降水量增大和开采量减小的双重影响下，地下水超采得到逐步恢复，且灌溉定额越小，恢复程度越大。从气候变化角度来分析，RCP4.5气候情景下的地下水超采恢复程度较现状气候条件有所增大。
2、未来气候变化对作物需水量的影响
石家庄平原区种植的主要农作物为冬小麦和夏玉米，种植面积占农作物总种植面积的70%以上，为一年两季轮作种植。因此，本研究以冬小麦和夏玉米为代表作物进行计算。计算时间段为2011～2060年。
为了将未来气候情景与现状气候条件进行对比，采用由中国国家气候中心研制的NCC/GU-WG(2.0)天气发生器软件生成2011～2060年现状气候条件(RCP)气象数据作为对照。该模拟软件由中国国家气候中心根据全国671个气象站点1961～2000年的逐日气象资料率定研制，具有较高的精度，见表7-1，软件操作方便，直接选用相应模拟站点，然后点击输出按钮即可，主要为2011～2060年逐日降水量、最高气温、最低气温和日照时数等。
表7-1 模拟气象数据与实测数据之间的对比
注：表中最高气温为多年平均日最高气温，最低气温为多年平均日最低气温，降水量为多年平均降水量，日照时数为多年平均日照时数。实测数据来自中国气象数据共享服务网。
一、计算方法
采用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式计算农作物需水量，计算公式如下：
石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究
式中：ETo为参照作物需水量，mm；Rn为地表净辐射，MJ/m2；G为土壤热通量，MJ/m2；T为2.0m高处日平均气温，℃；U2为2.0m高处风速，m/s；es为饱和水气压，kPa；ea为实际水气压，kPa；Δ为饱和水气压曲线斜率，kPa/℃；r为干湿表常数，kPa/℃。以上计算公式所需基础计算数据有逐日最高温、逐日最低温、平均风速、平均相对湿度及日照时数等，其余计算参数均可由相应经验公式计算获得。本文计算过程在联合国国际粮农组织研发的EToCalculatorV32软件上实现，空气湿度(%)选用 【Tdew=Tmin+2℃】 按钮，风速(m/s)选用 【light tomoderate wind】 按钮，选用 【interior lacation】 按钮。
农作物灌溉需水量采用如下公式计算：
IR =KcETo-Pe (7-2)
式中：IR为灌溉需水量，mm；Kc为作物需水系数，采用刘钰等(2009)的实测数据；Pe为作物生育期内有效降水量，mm。
作物生育期内有效降水量(Pe)采用如下公式计算，计算时间单元为旬。
石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究
式中：P为作物生育期内的降水量，mm。
二、数据来源
由于MPI-ESM-MR大气环流模型的输出数据分辨率较低(1.865°×1.875°)，需要进行降尺度处理。本文采用统计降尺度软件SDSM(4.2)，对.5气候情景模式的逐日最高气温和逐日最低气温进行降尺度处理，预测因子为地面2.0m温度场和海平面气压场，统计模型校核期为1961～1975年，验证期为1976～1990年。
图7-1和图7-2 为研究区逐月最高气温和逐月最低气温实测数据与模拟数据1976～2010年系列。采用归一化均方根差(RMSE)来度量实测与模拟系列的差异化程度，其计算公式为式(7-4)，用两者相关性来度量其一致性。
图7-1 逐月最高气温实测数据与模拟数据之间的对比
图7-2 逐月最低气温实测数据与模拟数据之间的比较
一般认为，RMSE＜10%为极好，10% ＜RMSE＜20%为好，20% ＜RMSE＜30%为中等，RMSE＞30%为差。两者相关系数越接近1，说明两者相关性越好(图7-3)。
图7-3 实测逐月气温数据与降尺度数据相关关系
a—最高气温；b—最低气温
石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究
式中：Si为模拟值，℃；Ri为实测值，℃；R为实测平均值，℃。经计算，1976～1990年年均最高气温的归一化均方根差(RMSE)为8.9%，为极好水平，年均最低气温的为22.6%，为中等水平；从相关系数来看，最高气温为0.98，最低气温为0.99，均很高，说明实测值与模拟值一致性较好。
由于对降水序列进行降尺度处理相对复杂，且运用SDSM(4.2)软件降尺度所得到的数据较同期实测数据误差较大。本文参考了丛振涛等(2010)人的研究方法，采用如下步骤进行降尺度处理：
(1)分别统计大气环流模型 MPI-ESM-MR 历史输出数据(1961～2000年)和RCP4.5气候情景2011～2060年输出数据1～12月降水量平均值。
(2)对比分析计算RCP4.5情景模式下1～12月降水平均值分别相对于历史输出数据1～12月平均值的增大程度。
3)将计算得到的RCP4.5情景模式下1～12月降水量平均值相对于历史输出数据的增大幅度分别计算叠加到由NCC/GU-WG(2.0)天气发生器模拟生成的石家庄站2011～2060年1～12月降水序列，从而得到石家庄站RCP4.5情景模式下的逐日降水序列。
主要计算流程如图7-4所示：
图7-4 逐日降水量降尺度计算流程
三、结果分析
以气温为横坐标，作物需水量为纵坐标，建立相关关系图(图7-5)。从图上可以看出，随着温度的升高，两种气候情景下农作物需水量均呈直线递增关系，但递增幅度有所不同。在现状气候条件下，气温每升高1.0℃，农作物需水量增大40.7mm，RCP4.5情景下，需水量增大27.8mm。从未来50年2011～2060年农作物平均需水量来看，现状气候条件为1107mm，RCP4.5情景增大到1139mm。
图7-5 不同气候情景下年均最高气温对作物需水量的影响
a—RCP；b—RCP4.5
利用公式(7-2)和公式(7-3)可以计算得到石家庄平原区2011～2060年作物灌溉需水量。以降水量为横坐标，灌溉需水量为纵坐标，建立相关关系图(图7-6)。可以看出，随降水量的增大，两种气候情景下灌溉需水量均呈直线递减关系，但递减幅度有所不同。在现状气候条件下，降水量每增加100mm，灌溉需水量减小40mm，RCP4.5情景下，需水量减少45mm。
图7-6 不同气候情景下年均最高气温对作物灌溉需水量的影响
a—RCP；b—RCP4.5
从多年平均水平来看(2011～2060年)，现状气候条件灌溉需水量为715mm，2011～2035年期间为709mm，2036～2060年期间为720mm。RCP4.5需水量为712mm，2011～2035年期间为707mm，2036～2060年期间为717mm。为了定量评价气候变化对年需水量的影响，以需水量大于750mm为高强度灌溉需水量，700～750mm为中强度灌溉需水量，小于700mm为低强度灌溉需水量，则在现状气候条件下(RCP)，低强度灌溉需水量年占42%(2011～2060年)，中强度占34%，高强度占24%；RCP4.5气候情景下，低强度需水量年所占比例较现状气候条件增大8%，中强度减小6%，高强度减小2%。
从年际角度来看，现状气候条件下，在2011～2035年期间，灌溉需水量在5%显著水平上呈明显下降趋势，下降速率为13.5mm/10a，2036～2060年期间，无明显上升或下降趋势(图7-7)。RCP4.5气候情景下，在2011～2035年期间，灌溉需水量下降速率较现状气候条件下有所增大，为15.7mm/10a，同样在2036～2060年期间，灌溉需水量无明显上升或下降趋势(图7-8)。
图7-7 现状气候条件下石家庄平原区2011～2060年期间灌溉需水量演变特征
图7-8 RCP4.5气候情景下石家庄平原区2011～2060年期间灌溉需水量演变特征
3、气候变化将如何对水质造成影响
首先我们需要在以下几点达成共识：1、气候是一直在变化中的；2、即使人类出现前，气候就一直在变化着的；3、关于气候变化的确切成因目前无法给出一个确切的答案，有历史记录的气候数据（包括传说）也在1万年以内，就此判断气候变化的成因是相当荒唐的，越准确的推断越荒唐；4、仅就第四纪而言，地球就经历过多次温度上升（间冰期）和下降的过程（冰期），表述这个过程的时间尺度基本都在万年（电影《冰河世纪，ICE AGE》就是对此推测演绎的）；5、目前就气候变化成因的讨论仅仅局限在温室气体的变化，以及由此可能导致温室效应增强对气候变化的影响方面。这种讨论是相当不靠谱的——如同仅分析土壤中沙石含量就要推测出50年以后这块地香蕉的产量一样（这块地在吐鲁番）。6、但这种探讨绝对是有益的，因为我们关心的气候变化是在变化幅度和变化速率上远超历史上的记录数据（也许不一定，中国历代的农民起义往往伴随着恶劣气候的发生——旱灾或涝灾；这方面做认真研究的人不多或没有），这很可能与工业革命后人类活动的强度以及对自然的改造能力的大幅度提升有关，比如温室气体排放的能力超出自然的缓冲或调节能力范围（更确切地说是超出了人们对自然调节的幅度的耐受能力范围），只是人们仍希望生活在遥远过去的天地中，这是问题的关键。
关于气候变化的成因目前接受程度比较广泛的是温室效应说：温室气体排放导致进入地表的太阳能很难逸散，由此导致地表温度升高，洋流乃至大气环流条件发生改变，进一步水汽运转方式以人们不特别熟悉的方式运行（也就是所谓极端气象、气候现象出现的频率较高），对人类的生产生活造成严重影响。
对水资源的影响：这里仅涉及淡水资源——时空分布不均匀进一步加剧；水资源利用效率下降，水资源利用成本上升；水资源的紧张态势应得到应有的重视；水利设施的修建、维护、保养工作需得到加强。
4、气候变化对水文水资源的影响评价
我国水资源现状及面临形势的分析报告
壹） 我国水资源现状
我国是一个水资源短缺的国家，水资源时空分布不均。近年来我国连续遭受严重干旱，旱灾发生的频率和影响范围扩大，持续时间和遭受的损失增加。目前全国 600多个城市中，400多个缺水，其中100多个严重缺水，而北京、天津等大城市目前的供水已经到了最严峻时刻。与此同时，由于人口的增长，到2030 年我国人均水资源占有量将从现在的2200立方米降至1700至1800立方米，需水量接近水资源可开发利用量，缺水问题将更加突出，因此，节约水资源，强化水资源稀缺意识已刻不容缓，大家得从我做起，从自身做起，节约每一滴水。 此外，我国水资源开发中还存在着其他问题： (1) 洪水灾害对国民经济发展和社会安定存在潜在威胁 (2) 水分利用效率不高 (3) 水资源普遍受到污染 2003年，淮河、海河、辽河、太湖、巢湖、滇池，其主要水污染物排放总量居高不下。淮河流域仍有一半的支流水质污染严重，海河、辽河生态用水严重缺乏，其中内蒙古的西辽河已连续五年断流。太湖、巢湖、滇池均为劣五类水质，总氮和总磷等有机物污染严重。以黄河为例，工业污染是黄河水污染的主要原因，占废污水排放总量的73％，每年由于水污染造成的经济损失约115亿元至156亿元。同时，令人担忧的是，沿黄地区许多农田被迫用污水灌溉，给区域内居民健康带来危害。据初步测算，区域内每年人体健康损失达22亿至27亿元。黄河水污染同时还带来水资源价值损失、城镇供水损失，并增加了处理污水的市政额外投资，每年总损失近60亿元。地球上的水虽然看上去很多，然而在当今经济技术条件下，可供人类开发利用的水资源并不多。据专家估计，地球上的13.86亿立方公里水资源总量中，其中 96.7％的水集中在海洋里，目前还无法利用。而大陆上所有淡水资源总储量只占地球上的水量的3.3%，这3.3%里的85％集中在南极和格陵兰地区的冰盖和高山渺无人烟的冰川中，在现阶段内也难以利用。地球上实际上能为人类开发利用的水资源主要是河流径流和地下淡水。地下水占地球淡水总量的22.6%，为8600万亿吨，但一半的地下水资源处于800米以下的深度，难以开采，而且过量开采地下水会带来诸多问题。河流和湖泊占地球淡水总量的0.6%，为 230万亿吨，是陆地上的植物、动物和人类获得淡水资源的主要来源，可是由于水体污染，这一部分可以利用的水资源又在急剧减少。大气中水蒸气量为地球淡水总量的0.03%，为13万亿吨，它以降雨的形式为陆地补充淡水。目前能够为人类开采利用的河流径流和地下淡水一般只能达到40％。我国多年平均降水总量为6.2万亿m3,除通过土壤水直接利用于天然生态系统与人工生态系统外,可通过水循环更新的地表水和地下水的多年平均水资源总量为 2.8万亿m3，水资源总量居世界第六位,仅次于巴西、前苏联、加拿大、美国和印度尼西亚。按1997年人口统计,我国人均水资源总量为2200m3, 人均占有量仅有世界平均数的¼，居世界第121位 ,被列为世界上12个贫水国之一。随着工农业生产的发展，从1980年到1999年，我国社会经济总用水量增加了约四分之一，从4437亿立方米增加到 5591亿立方米。其中农业用水占70%，工业用水占20%，生活用水占10.1%。
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贰）我国水资源面临形势
a）新世纪面临的重大水问题
当代人口、资源和环境的协调发展已成为国际社会共同关注的重大战略问题，中国是世界人口大国，但人均淡水资源却是贫国。我国水资源可利用量、以及人均和亩均的水资源数量极为有限，降雨时空分布严重不均，地区分布差异性极大，这是我国水资源短缺的基本特点。目前水资源短缺问题己成为国家经济社会可持续发展的严重制约因素。但我国水资源可利用量是有限的，从目前现状来看，就全国而言，人均占有淡水资源量只有2200 立方米，从地区来看，水资源总量的81%集中分布于长江及其以南地区，其中40%以上又集中于西南五省区，这是先天决定的水情。从人均占有量来看，人均占有淡水资源量南方最高和北方最低可以相差十倍，西部比东部可以高达五、六百倍。这是我国北方属于资源型缺水的根本原因，南方地区水资源虽然比较丰富，但由于水体污染，水质型缺水也相当严重。目前全国性的干旱缺水越来越严重，尤其北方地区发生水危机已不是危言耸听。
(一) 主要灾情
进入90年代，中国水旱灾害和水污染频繁发生，水多、水少、水脏与水环境恶化问题越来越严重。
(1)洪涝灾害：累计的直接经济损失超过了1.1万亿元，约相当于同期财政收入的1/5。直接经济损失超过1000亿元的年份有1994年(1797亿元)、1995年(亿元)；直接经济损失超过2000亿元的年份有1996年(2208亿元)、1998年(2684亿元)。世界银行曾测算，中国每年洪涝灾害损失100多亿美元。
(2)干旱灾害：由于供水不足每年直接影响工业产值2300亿元，正常年份和较旱年份，粮食减产在100～250亿kg(正常年份，如1996年减产100亿kg，较旱年份，如1994年、1995年减产粮食250亿kg)，但遇到严重干旱年份粮食减产曾高达近500亿kg(如1997年，北方一些地区干旱持续时间长达100多天，黄河下游发生了有史以来，断流天数、断流河长均创历史记录。这一年因旱粮食减产476亿kg，对粮食生产造成的损失是新个中国成立以来最严重的年份)。世界银行曾测算，中国每年干旱缺水造成的损失约为350亿美元。
(3)水环境：一是水土流失，区域性、局部性的治理成效较大，但面上的水土流失治理进程缓慢，边治理、边破坏的现象还很严重，特别是开发建设项目人为造成新的水土流失急剧增加。全国平均每年因开发建设活动等人为新增的水土流失面积达1万平方公里，每年堆积的废弃土石约30亿吨，其中20％流入江河，直接影响防洪保安。二是水体污染严重，由于工业废污水排放量的急剧增长，并未经处理直接排放到河道里，导致了以淮河、太湖污染为代表的水环境恶化。世界银行发表的中国环境报告测算，中国仅水和大气造成的污染，年损失为540亿美元，占中国年GDP的8%。这就表明，水环境质量在继续恶化，造成的经济损失也十分巨大。
以上这三大灾害合计年均经济损失达1000亿美元，占全国年GDP的15%左右。从这三大灾害损失来看，进入21世纪这三大灾害，水资源源的短缺和水环境恶化将上升为主要矛盾。
(二)主要矛盾
1. 水资源短缺形势严峻
五十年来，全国水资源开发利用率已达到21%。特别是近20年来，由于供水能力增长缓慢，1978～1998年全国供水能力年增长率约为1%左右，而同期国民经济以8～12%的高速度增长，同期人口又增加了约2.5亿，更加剧了缺水矛盾。值得注意的是，由于人类活动的影响，降雨与径流关系，产流与汇流条件都在发生变化，有些江河的天然来水量己呈现衰减的趋势。黄河下游频频发生断流、海河成为季节性河流，以及内陆河部分河流干枯，2000年发生的旱灾，经济损失严重，充分暴露了我国城市供水系统和农村抗旱能力的脆弱性，是水资源供需矛盾的集中表现。
目前，全国每年缺水量近400亿m3，其中，农业每年缺水300多亿立方米，平均每年因旱受灾的耕地达4亿多亩，年均减产粮食200多亿公斤；城市、工业年缺水60亿立方米，直接影响工业产值2300多亿元；农村还有2400多万人饮水困难；在全国668座城市中，有400多座缺水，其中100多座严重缺水。天津市由于连续四年遭受华北干旱影响，为天津供水的潘家口水库水位已接近死库容，于桥水库已无水可供，直接威胁到天津市的生活和生产用水，尽管采取一系列限制用水措施，但今冬明春用水水源仍难以保证。为此，国务院批准了水利部制定的“引黄济津”应急输水工程的实施方案。
进入21世纪，随着我国人口的增长、生活质量水平提高、城市化进程加快，人均水资源占有量将进一步减少，而用水量却进一步增加，水资源供需矛盾更加突出，缺水已成为影响我国粮食安全、经济发展、社会安定和生态环境改善的首要制约因素。维护生态环境安全的
2.水已成为维护生态环境安全的严重问题
全国现有土壤侵蚀面积367万平方公里，占国土面积的38%，其中水蚀面积179万平方公里，风蚀面积188万平方公里，其中黄河中上游和长江上游地区，以及海河上游地区水土流失最为严重。严重的水土流失使我国每年平均损失耕地100多万亩，流失土壤50多亿吨，导致生态环境恶化，河湖泥沙淤积，加剧了洪、旱和风沙灾害。我国自然生态脆弱，加之不合理的人类活动，进一步加剧了水土流失、土地退化和水体污染。
全国地下水由于长期超采，又不能得到回补，目前年超采量达80多亿立方米，已形成了56个区域性地下水位下降漏斗，导致部分地区地面沉降、海水入侵。部分干旱和半干旱地区由于不合理的水资源开发利用，导致下游河道断流、河湖萎缩，下游有些尾闾与湖泊消亡，生态环境严重恶化，胡杨林大面积枯死；草场退化，荒漠化加剧，沙尘暴发生频率增加；此外，有些灌区和绿洲，由于大水漫灌、排水不畅，导致严重的土壤次生盐渍化，土地质量下降，农业生产能力衰减。
1999年全国年排放废污水总量606亿吨(不包括火电直流冷却水)，其中工业废水占67%，生活污水占33%。根据1999年水质监测资料，对全国11.36万公里河长进行评价的结果，Ⅰ、‖类水河长只占30%，Ⅲ类水以上的河长占70%(其中Ⅰ类水河长占 5.5%，‖类水河长占24.5%，Ⅲ类水河长占32.4%，Ⅳ类水河长占12..6%，Ⅴ类水河长占7.8%，劣Ⅴ类水河长占17.2%)。
b）十大挑战
邓小平同志指出：“要善于从战略上看问题，要研究下世纪前五十年的发展战略和规划。采取有力步骤，使我们的发展能够持续、有后劲。”水利发展面临着严峻的挑战，我们要抓住机遇迎接挑战，把水利建设作为保障经济社会持续发展的一项重大战略措施来抓。
(一)人口增长出现峰值，人均水资源量降到低谷。我们面临的是庞大的人口基数，如果2030年人口增长达到峰值总人口就达到16亿，人均占有水资源将下降到1750立方米。人口的增长不仅增加对水的需求，而且增加对资源和生态环境的压力，对水的有效利用会带来负面影响。因此，未来50年中国人口的增长是对水资源和水环境最大的挑战，也是对可持续发展最大的挑战。
(二)水的供需矛盾更加尖锐，开发利用更加艰难。中国水资源总量为2.8万亿立方米，专家们根据国际上评估的标准认为，中国水资源的可利用量大约为 10000-11000亿立方米，1997年，我国年总用水量达到了5623亿立方米。按照21世纪中叶中国达到中等发达国家水平的战略目标，初步估计，我国未来水需求将达到7500-8000亿立方米，在现有基础上再增加1500-2200亿立方米的供水能力。鉴于区域发展的不平衡，可经济开发的水源不仅受到区域性的限制，而且可开发利用的水资源的难度也越来越大，因此，中国未来水资源的开发利用将更加艰难，供需矛盾将会更加尖锐。
(三)经济快速增长相应废污水排放量将急剧增长。未来50年，这种发展趋势对供水基础设施建设提出了挑战。基于目前废污水的处理和回收利用偏低的现状，如果未来50年工业用水成倍增加、城市化水平成倍上升、小城镇快速发展，废污水的排放量将会数倍、甚至十几倍的增加，势必加剧水环境的恶化。因此，中国将面临解决水资源短缺和废污水处理、水环境治理的巨大压力。
(四)全球气候变化的影响，北方地区水资源紧缺矛盾更加尖锐，南方地区洪涝灾害可能更加严重。目前全球气候变暖、臭氧层破坏、土地退化、沙化、海平面升高、资源匮乏等将造成一系列的全球性的环境问题，已引起全世界的关注。全球气候变暖对中国降水、水资源和地区性的分配，以及可利用量势必会带来影响，尤其是北方地区将会带来不利的影响。因此，可以预见未来50年内，水旱灾害防治任务更加繁重，尤其北方地区水资源短缺的矛盾将会更加尖锐。
(五)北方地区缺水形势严峻，黄河及其以北地区河道断流情况加剧。中国北方地区水资源短缺是随着人口、经济社会发展而逐步加剧的。黄河断流、天津城市用水告急就是北方地区水资源供需矛盾的集中表现。黄河断流的原因虽然有许多因素，但主要因素是经济发展导致用水量急剧增加，管理不善和用水浪费造成的，还包括区外引水等因素。专家们分析认为，在未来10-30年内，黄河每年将缺水40-150亿m3，如果未来50年，黄河流域干旱频率增高，黄河中下游泥沙淤积量增加，有可能加重水资源短缺和治黄的难度。黄河以北紧邻的海河流域，尤其是京、津两大城市早在70年代、80年代就出现用水危机。进入21世纪如果北方缺水不能未雨绸缪，我国北方地区缺水问题将直接影响国家经济发展和社会稳定。
(六)粮食增长主要在北方，产粮区与水资源不相匹配的矛盾更加尖锐。在中国历史上水利与经济区的形成和转移密切相关，盛唐时期生主要经济区在北方，当时水利设施的数量的比重占全国41%，到宋朝主要经济区转移南方，北方水利建设被忽视，这时水利设施的数量只占7%，到清朝北方又成为政治经济中心，水利设施的数量又上升到占全国49%。
新中国成立以后，我国的粮食生产主要在南方，曾形成“南粮北运”格局。然而，随着南方经济的发展，粮食生产比较效益下降，水利建设力度减小，粮食增长主要转移到北方，产粮区与水资源不相匹配的矛盾更加尖锐，导致北方旱灾更加严重。在1985年以前，中国长江以以南地区的粮食生产总量占全国粮食生产总量的比重略高于人口占全国人口的比重，南方地区人口占全国总人口的57.1—57.8%，粮食产量占全国粮食总产量的57.2—61.5%，50年代、60年代、70年代前期，南方粮食在低消费水平下，自给有余，余粮调给北方，1953—1959年年均南方净调给北方粮食332.97万吨，1960—1969 年年均净调给北方粮食174.54万吨，1970—1975年均净调给北方粮食192.82万吨，从而形成“南粮北调”的格局。
由于经济发展，南方粮食生产比较效益下降，农田水利建设比北方明显减缓。1998年南方地区有效灌溉面积35978万亩，比1980年只增加1679万亩,仅增加了4.9%，其中，东南沿海地区还减少了912万亩，减少了12.4%。而北方地区有效灌溉面积由30979万亩增加到40554万亩，增加9575万亩，增加了30.9%，其中，东北地区有效灌溉面积由3242万亩增加到6533万亩，增加3291万亩，增加了一倍多。蒙宁新区和华北地区灌溉面积也有很大的增加。
随着南方农田水利建设的减缓，粮食播种面积的减少等因素的影响，导致粮食增产在全国的贡献率大幅度减少。表8—17中列出了南北方1985年前后在我国粮食总产增产中贡献率的变化。1952—1985年我国粮食增产量中，南方占61.4%，北方占38.4%。1985年以后，粮食生产地区格局发生了巨大逆转，北方地区的粮食生产的增量比重已上升到69.4%，其中华北地区占25%，而南方粮食生产增量却下降为30.6%。全国粮食总产量中，北方地区由1985年占40.7%上升到48.4%，南方地区由59.3%下降到51.6%。人均拥有粮食，北方由表1985年的349公斤增加到1998年的484公斤，增加了38.7%；而南方地区由372公斤只增加到377公斤，几乎没有增加。
随着南方粮食生产的减缓，导致了南方粮食总量不足。根据国家计划委员会农村经济司、国家统计局农调总队研究，1978—1990年平均南方粮食自给率100%以上，1991—1994年平均粮食自给率下降至95.2%，1997年南方粮食自给再下降到95.9%,每年需要从北方调运粮食1400万吨以上。粮食产销地区格局逆转为“北粮南运”，这种格局的急剧变化，对未来50年粮食生产总量的增长将产生严重的影响。目前，北方地区水资源短缺的矛盾己十分尖锐，如果未来年粮食生产总量的格局不发生根本性的变化，那么，未来北方，尤其是华北地区水资源短缺的矛盾将更加尖锐。
(七)水利工程将进入百年期，巩固改造任务繁重。我国水利设施目前面临着两大威胁：一是现有水利基础设施面临着萎缩衰老的“危机”，二是工程保安、维修、更新、配套任务大，这是历史遗留下的问题。到21 世纪中叶这些水利基础设施将逐步进入百年期。由于种种历史原因，当时对自然规律认识不足，按经济规律、按照基本建设程序办事不够，设计标准普遍偏低，再加上重骨干、轻配套，重建设、轻管理。因此，许多水利基础设施配套差、尾工大、设备老化失修、管理水平低，运行状态不良，至今没有能充分发挥应有的效益。如果未来50年，现有水利基础设施不能巩固、提高和充分发挥效益，那么现有水利基础设施存在的问题很可能成为经济社会发展最大的制约因素。因此，随着水利基础设施逐步进入百年期，巩固改造任务愈加繁重。
(八)科技含量和管理素质低，提高科技和管理水平任务艰巨。从目前来看，我国科技水平与发达国家相比，存在着很大的差距。因此，未来水利基础设施效益和水资源利用率的提高，缓解水资源短缺矛盾，都取决于科技水平和管理水平的提高。在水利领域，目前水利科技贡献率只有32%左右，水的有效利用和节水技术的应用没有引起高度的重视，在水利建设的指导思想上，重建设、轻管理，管理机构不健全，管理人员素质普遍较低。因此，进入21世纪，依靠科技进步，提高水利科技水平和管理人员素质的任务十分迫切，也十分艰巨。
(九)水价过低，建立水市场经济体制任重道远。目前水价格偏低不利于节水和水资源的有效利用，也不利于各方面资金投入到水资源的开发利用上来。国内外经验表明，提高供水价格，可以促进节约用水和延长工程使用年限。因此，制定有利于水资源可持续利用的经济政策，对缓解水资源的供需矛盾至关重要。 30多年来，国家发布的收取水费和水价改革的文件，至今未能完全到位，很重要的一个原因，就是人们缺乏对水的认识，更缺乏水是商品的意识。加上农业一直是用水大户，它更难靠市场经济来调节。因此，从总体来看，水市场体制的建立任务十分艰巨。
(十)管理体制分割，影响水资源的统一管理。实践表明，水利涉及到农业、工业、水运交通、城镇建设、生态环境、以及人民的健康水平等等；水资源利用涉及到防洪、排涝、灌溉、水电、供水等等；水利是国民经济和社会发展第一位的基础设施。但是长期以来，无论是思想认识上、还是经济体制上，水利只作为农业的一个重要方面，一直没有作为国民经济的基础设施对待。目前水资源分地区、分部门的管理体制，既不利于水资源的有效利用，也不利于生产力的发展。因此，“多龙管水”的时代应当尽快结束，现
5、温室效应会对水循环有影响吗？为什么
温室效应径流水土流失
中图分类号：P461+.5文献标识码：A文章编号：1006-797306-0231-02
一、前言
大气层中CO2、CH4和氮氧化合物等气体，可以让太阳辐射透过，但对地球向宇宙释放的红外线起阻碍作用，并吸收转化为热量，使地球表面的温度升高，这种现象称为温室效应。近半个多世纪以来，由于全球人口数量的增加，人类经济活动的增强和现代工业的发展，矿物燃料的大量使用和森林面积的不断减少，导致大气中的CO2、CH4和氮氧化合物等气体的浓度在明显升高，导致全球变暖、海平面上升、海洋风暴增多等全球性气候变化。
温室效应导致的气候变暖，必然从多方面影响河流，其中包括径流量、水土流失、河流生态系统等等。本文将尝试概括介绍温室效应导致的全球变暖对我国河流的影响。
二、温室效应导致全球变暖对我国河流径流量的影响
气候变暖从以下几个方面影响河流径流量：
降水。降水是一切水资源的总来源。气温升高将使水文循环更加强烈，导致更多的蒸发和降水，引起某些地区严重的干旱和暴雨。
蒸发。一般认为，若假设其它条件没有太大的变化，气温升高将导致区域潜在蒸发增加，而实际蒸发还受其它因素的影响。气温升幅越大，蒸发增幅越大。
土壤含水量。土壤水分含量将受到气候变化影响而改变现有的时空分布规律。
当温度升高时，无论夏季或冬季，也无论降水量增加或减少，土壤含水量都表现出减少的趋势，其最大减少值出现在夏季。
冰川。未来全球变暖将导致我国西北高寒山区冰川萎缩，以冰川补给为主的河川径流也将随之逐渐减少。
气候变化对地表径流的影响的定性猜测及定量评价，有许多不同的方法。为进行大范围甚至全球尺度上的研究，宏观的水文模型与GCMs输出结果的连接是一种比较好的方法。游松财等，利用间分辨率为月；空间分辨率是0.5×0.5经纬度网格。采用IPCC的数据中心的7个GCMs的输出结果和CCSR/NIES，依据流域单元边界，累加流域内各网格点的地表径流获取各流域内的地表径流平均值。得出黄河和长江流域未来不同气候情景下地表径流变化：①黄河流域的地表径流将增加。②长江上游四川段的夏季径流增加，春季径流减少，但全年总趋势是增加；全年大部分时间，长江中游的上段的径流是增加的；长江下游的夏季及秋季径流将减少，然而春季的径流将显著增加。
另外，游松财等还认为，中国的地表径流是增加的。在东北、华北、西北、西南、华中及华南地区径流是增加的。各个不同的GCMs输出的结果所显示的未来中国地表径流的变化的趋势也不尽相同。
西南诸河流域、西北内陆河流域、黑龙江流域、鸭绿江流域、图门江流域、辽河及辽东半岛诸河流域、黄河流域、海河流域、滦河流域、淮河流域等的地表径流将增加。福建、浙江及台湾的夏季径流稍微减少，但春季径流大幅度增加。珠江、广东及广西的沿海河流及海南岛的径流总体趋势是增加，但是基于有些气候情景模拟的结果显示这些地区的夏季径流将减少。
三、温室效应带来的全球变暖对水土流失的影响
根据降雨——径流、侵蚀的相关性分析，水土流失和径流量、降雨、植被密切相关。径流量增大将引起地表和细沟中水流的剪应力增大，从而增强水流对土壤分散力和对泥沙的输移力。增大径流量和径流率，其它条件不变，土壤流失量将增大。随着降雨的增加，溅蚀和沟间侵蚀量也增大。引起径流和土壤流失灵敏度不同的主要原因之一是植被量的不同。
全球变暖会导致未来的水循环更加剧烈，暴雨和干旱天气增加。暴雨的频率增加，将直接导致水土流失和土壤侵蚀的加剧。水文模式模拟的结果表明，对于我国的半干旱地区，若降雨量增加10％，蒸发量增加4％，则地面径流量增加18％。对于干旱地区，在给定的上述降雨量和蒸发量条件下，地面径流量将增加30～50％，从而加剧水土流失和土壤侵蚀。根据未来50年我国气候变化的猜测，华北、西北地区夏季明显增温，土壤含水量将减少，而黄河径流将增加，因此对水土流失严重的黄河流域的水土保持极为不利，有可能加速河道淤积。而长江上游夏季径流增加也可能加剧水土流失程度。另外，假如未来10～20年间全球平均温度若上升2℃，将导致10～15％的永久冻土融化，从而增加滑坡、泥石流等地质灾难的发生频率和强度，进一步加剧水土流失程度。
四、全球气候变化对河流淡水生态系统的影响
全球气温升高无疑会改变生物的生存环境，进而影响生存在其中的生物。淡水水体的平均温度由于全球气温升高而升高，使冬季的冰冻期缩短，夏季的最高水温上升，直接影响整个淡水生态系统。一般淡水动物都是变温动物，它们的生长繁殖、种群结构和地理分布，非凡是个体的早期发育，都受到温度的制约。另外，一些冷水鱼类，在其正常的性发育过程中需要较低的温度。冬季温度的升高无疑会降低其繁殖率。
绝大多数的水生生物需要氧进行呼吸，缺氧可引起鱼类和其他水生生物的大量死亡。水温升高会使水中氧气溶解量下降，有机体的呼吸强度增强。两者叠加作用使水体缺氧更加严重，对水生生物造成极大伤害。
温度的变化还会引起生态系统中生物组成和多样性变化。全球变暖，导致气候形态在较短的时间内发生较大变化，使自然生态系统无法适应，从而改变生物群落的边界。水温升高势必使一些喜高温的生物数量增加，而适应低温生活的生物数量减少，以致群落优势种发生演替，并改变了整个食物链和食物网。
五、应对气候变化对水资源系统影响的建议
1．加强水资源的开发利用
解决干旱地区供水问题最有效的方法是最大限度地开发、利用宝贵的雨水资源，加强空中水资源的开发利用。同时做好“北水南调”、“西水东调”工程，以实施水资源优化配置，缓解供需矛盾。
2．保护生态环境，多植树造林，提高森林覆盖率、改善气候
森林覆盖率的提高可以减小洪水的强度，极大地提高了土壤的蓄水量，林地土壤蓄水量通过转换，增加枯水季节的地表径流量和地下水资源，并能改善生态环境和气候，提高水资源的利用效率。
3．提高降水资源的利用率，创建节水型城市与工农业系统
应提高全民的资源价值观念，通过立法、行政、经济等措施使全社会形成节约用水的良好风尚。修建保水梯田，发展径流农业、雨养农业，是利用雨水解决缺水的一种途径。应广泛研究和推广抗旱和节水保水技术，提高降水利用率，使之增加自然水循环的降水能力。
4．加强水环境治理
河流水质受流速、流量及混浊度的影响，对于干旱区水量少的季节性河流，河流水质将会受到严重影响，流量减少和季节变换将波及鱼类及水生生态系统；半干旱区的常年流水河流也可能因干旱发生频率的增加而向季节性河流转变。故应大力进行加速污水治理，使其资源化。
5．加强气象服务工作，提高对不利气候条件的抗御能力
目前气候变化的研究已有较多成果，中、短期天气预告准确率有了很大的提高，科学地利用这些成果、结果，将给水库的存蓄、排放，水利工程的选址、布局，水资源的合理调配起很大的指导作用。
6、气候变化对水圈的影响
全球气候变暖，会加快水圈中水体的蒸发。海洋中的水体蒸发量增加，会导致沿海地区降水量增加，洪涝灾害加剧。而内地由于水体蒸发，会导致地表和水体和浅层土壤中的水体被蒸发到空气中，气候会趋于干旱。
总体来说，会使水循环异常。