气候变化对水资源管理的影响与适应性对策

摘要：气候变化对水资源的影响，已引起水管理者的重视。结合国内外相关研究，对气候信息如何在水管理部门应用、气候变化对水管理部门的主要影响进行了梳理，揭示水资源管理者面临气候因子稳态假设等问题的挑战，提出了适应气候变化的水资源综合管理、适应性管理、加强水利工程设施建设等适应性对策。

关键词：气候变化；综合管理；适应性管理

气候变化及其对水资源的影响是国际地学界和水资源管理者关注的共同话题。在2007 年IPCC（政府间气候变化专门委员会）第一工作组和第二工作组的报告提供了气候变化是否实际发生、气候变化影响评估的总结。根据第二工作组为政策制定者的摘要报告，从各大洲和大部分的海洋观测数据表明，许多自然系统正在受区域气候变化、特别是温度升高的影响。IPCC 第四次评估报告对气候变化和水资源给予特别关注[1]，在气候变化与水资源方面总结道，观测到的记录和气候预测提供了丰富的证据表明淡水资源是脆弱的，受到气候变化潜在的强烈影响，对人类社会和生态系统产生广泛的后果。他们还指出现有的水资源管理，不能足够应付气候变化对水资源供给、洪水风险、健康、农业、能源和水生生态系统保障程度的影响。许多国家重视气候变化对水资源管理的影响，并采取措施适应气候变化，如英国在新一轮的水资源规划中，充分考虑未来的气候变化，预测水资源变化[2]。最近美国水管理部门和科技部门联合推出了气候变化与水资源管理报告，以期促进积极应对气候变化对水部门的影响[3]。我国积极应对气候变化影响，跟踪国际前沿，开展了包括气候变化对水资源影响方面的许多研究，在认识气候变化对水资源影响和适应气候变化方面取得许多重要成果[4-7]。对水资源管理者而言，关心的重要方面是气候变化加剧了当前的水资源短缺和增加了洪水风险等问题，使其面临更大的挑战。结合国内外的新进展，本文扼要总结了气候变化对水管理部门的主要影响和适应气候变化的水资源管理对策。

一、气候变化与水资源管理

1.水资源管理者关注的气候变化信息

气候变化对经济社会影响的许多方面是通过改变水循环而产生的，气候变化对水资源管理者发挥积极作用的许多部门存在潜在的影响。对水资源管理者而言，最关心的气候变化主要是温度和降水情势的变化及其相应的影响。

温度增加将改变降水的组成，使降水中降雨的组成增加、降雪的组成减少。降水组成的这种改变将影响径流的来源和时间分布，导致春季融雪径流的减少，更多的冬季降水形成的径流。对永久积雪和冰川补给的河流，温度升高在短期内导致径流增加，但在长期内导致径流减少，这种变化已经在一些地区有过报道[8]。温度增加可能增加植被和陆地表面潜在的蒸发和散发，因此减少流入河道湖泊和水库的水量。海水温度改变和海洋循环的变化，可能增加未来沿海地区暴雨的强度和频率，但存在着很大的不确定性。

降水的变化在各个地区不同，一些地区将增加降水，一些地区将减少降水。降水的季节分布和极端降水可能变化。在未来的气候变化条件下，这种可能的变化将导致干旱和洪水，相对于过去的经验定义，更加频繁和更加严重。

2.气候信息如何被应用在水管理中水资源决策制定和水资源管理的全过程都需要气候信息。气候信息被利用的有效性受到气候学家、水文学家、决策制定者、管理者相互之间协作程度的影响，在不同的层次和尺度上，气候信息的需求和信息资源不匹配现象仍将继续存在。对未来气候状态的假设，表现在对局地和区域的水资源系统（供水、防洪、排水等设施）的规划、设计、运行和改造中。这些水资源系统，传统上依据对不同的时间和空间尺度上气候波动和径流的观测资料确定的气候波动外包线进行设计和运营。由于重点放在近期的径流和天气的历史观测资料，存在一个固有的假设，就是这些因素波动的外包线在未来不发生变化，也就是说，在水资源系统的设计运行中，气候是稳态的，即未来气候与过去气候具有相似的波动模式、极端事件具有相同的概率。总体来看，目前大多数水资源管理者通常假定气候是平稳过程，利用稳态的假定评估未来水文事件的可能性，对这个假设需要检验和认真的评估。

水资源系统一旦被建成，它的运行将受到过去的、目前的和不久将来的气候信息的影响。当更新水资源供给模型、更新水资源系统运行条件以反映近期的气候变化趋势时，过去气候信息将发挥作用。例如重新开发的水资源供给预测模型，将要建立在延长的和最近的径流和气候观测资料的基础上。同样地，重新制定防洪规则，将依据延长的洪水水文资料记录。可利用当前的和不久将来的气候信息，决定水资源系统年度运行目标。例如水资源配置到不同的用户，主要依据现在的水量和预测来水状况，而来水状况主要依据近期气候预测信息。

由于气候信息对水资源系统设计和运行的重要性，很明显，气候变化将转移到关于资源的供给、系统的需求或者运行的要求、运行的约束条件等设计和运行的假定条件，影响到水资源管理的各个部门。这种变化的重要程度，依赖于气候变化对水工程生命周期内运行结果的增量。如果这个增量足够大，系统设计依赖的气候水文波动的假定条件不再有效。除气候变化外，土地覆被和土地利用方式、水资源的消耗、水资源的基础设施，同样影响水资源系统及其管理。

二、气候变化对水管理部门的影响

气候变化对水资源管理部门潜在的影响如下，对部门影响的讨论主要基于IPCC 第四次评估第二工作组报告和IPCC 气候和水技术报告。

1.对可利用水量的影响

气候变化对可利用的水量产生影响，影响水资源的供给。满足市政、工业、灌溉、航运、水电和环境等可以利用的水量是各地区最关心的内容。潜在的气候变化包括降水总量、强度、形态、历时的变化，融雪时间的变化，蒸发和散发的变化。这些将影响可利用水量的变化。在我国最明显的例子是气候变化因素导致华北地区来水量的减少，据全国水资源评价最新成果显示，1980—2000 年水文系列与1956—1979 年水文系列相比，分布于北方的黄河、淮河、海河和辽河4个流域降水量平均减少6%，水资源总量减少25%，其中地表水资源量减少17%，特别是海河流域地表水资源量减少了41%。对现有的水库蓄水量的科学利用，地表水和地下水的联合利用和管理，是水管理者采取的优化利用水资源的战略。不管现有的水利基础设施能够或者不能够适应不同径流量或者径流的不同时间分配的变化，仍然需要积极发挥它们的作用。在经历来水条件减少的区域，不同用户之间对水资源的竞争将增加，具有最低优先级水权的用户最可能遭遇水短缺问题。在这些地区水资源供给的减少将对经济发展和生态环境产生负面影响。

2.对水资源需求的影响

随着温度升高导致的蒸发与散发的增加，农业灌溉用水的需求可能增加。然而由于二氧化碳浓度的增加，作物对水的利用效率的提高，可能减少这种影响。在一些地区可能经历生长季节的延长，这可能增加对水资源的需求。火力发电对水的需求可能增加或减少，依赖于将来水资源利用效率的趋势，以及新的电站的发展。在降水增多的地区，水资源的需求可能减少，取决于农业和市政部门的适应战略。这些需求的可能变化，要求水管理者重新评估现有水需求管理战略的有效性。

3.对水质的影响

气候变化导致的降水和温度变化将对水质产生影响。气温升高将导致水温的增高，影响（动植物的）生活环境的适宜性，影响水化学过程。在湖泊和水库中，水温的改变将影响藻类的潜在暴发，进一步减少水中溶解氧的水平。可利用水量的减少，可能影响河流和湖泊悬浮物、营养物、化学污染物的浓度。降水强度和频率的改变，影响非点源污染。在冰川冰和永久冻土融化的地区，原来固结的土壤可能更加易于侵蚀，改变沉积物的运移，同样对水质产生影响。

4.对防洪的影响

气候变化加剧了防洪形势。减少洪水风险的工程、水资源系统的运行战略、水资源管理决策将可能面临更强和更频的暴雨、流域更多的冬季降雨形成径流等情形。这些变化可能导致一些河流和湖泊更频繁和更严重的洪水。然而，由于气候模型预测和洪水记录资料分析的不确定性，特定地区洪水情势变化的性质存在不确定性，需要更详细深入地研究。应该利用可得到的最近的资料，考虑包括典型洪水峰值的季节迁移的未来气候条件，进行防洪设施的设计和评价。在融雪径流为主的一些流域，由于温度升高融雪过程的提前，已发生春汛提前现象。水库的调度方案可能需要调整，以反映新的洪水情势。不同的融化模式将改变凌汛的频率和时间。在西部高山地区，青藏高原冰川融化增加堰塞湖溃决的威胁。

5.对生态系统的影响

气候变化对生态的影响非常复杂，评估和预测环境变化敏感区对气候变化的响应需要深入的研究。普遍最关心的是局地和短期气候变化对生态阈值的影响，而不仅是通常报道的对平均状况的影响。潜在的水生生态系统的影响包括水温和水质变化、径流和洪水情势的季节变化、由泉水补给流量的大小和时间变化、湿地范围和深度的变化。这些变化影响河岸和两侧陆地的野生动植物。在融冰融雪为主要补给的河流流域，水生生态系统和邻近的动物群落受到气候变化影响的风险非常显著。加速的冰川退缩，导致短期夏季径流增加，长期径流减少，使高海拔河流变成潜在的季节性河流。确定生态系统脆弱性和变化的主要指标，加上精心设计的观测，能够提供气候变化对生态系统潜在影响和响应的深刻认识。利用自然保护区适应常态气候变化情景下气候变化的影响，是重要的保护战略。水资源的管理不但对水生和河流生态系统产生重要影响，而且受这些生态系统中管理目标的重要影响。

6.对水基础设施的影响

气候变化对水基础设施的设计和运行产生影响。对城市雨水、污水处理的基础设施的设计和评估，提高其在可供水量、需水量、水质变化情况下的运行效率，需要充分考虑包括气候变化在内的影响。同样，利用目前管理措施，控制非点源污染情况，如果系统的设计能够充分考虑未来的气候变化条件，控制非点源污染的管理措施将更有效。

三、应对气候变化的水资源管理对策

气候变化是不争的事实，气候变化对水资源已经和仍将产生许多负面影响，气候变化将加剧未来水资源问题。必须在评估气候变化对水资源脆弱性影响的基础上，制定水部门应对气候变化的适应性战略。下面主要从水资源管理和工程建设和运行层面提出适应性措施，提高适应气候变化的能力，减少气候变化的负面影响，保障经济社会的可持续发展。

1.水资源综合管理

潜在的环境和经济社会变化影响水资源管理，气候变化是水资源管理的重要驱动因素之一（图1）[2]。水资源综合管理应该是探索适应气候变化措施的工具，但迄今为止它仍处于初级阶段。成功的水资源综合管理战略应该包括：跟踪社会的先进理念、更新的规划过程、水资源和土地资源的协调、意识到水量和水质的联系、地表水和地下水的联合应用、保护和修复自然系统、供水与需水管理、充分考虑气候变化。

图1 人类活动对水资源及其管理的影响

 表1 总结了保障一般和干旱年份供水的适应性措施，包括综合需水方面和供水方面的战略。供给方面选择通常包括增加蓄水和河道的取水，这可能对环境造成负面影响。有些选择因为包括很大的能量消耗，如海水淡化、提取地下水等措施，与减缓气候变化的措施不一致。

表1 水资源供给和需求的适应性选择措施

传统水资源管理强调供水管理，但水资源需求管理越来越受到重视。减少水资源的需求，作为减少由于气候变化引起的被管理水系统脆弱性的一种方式而被提倡。水需求管理是更好地利用水资源，减少污水和增加经济效益的一个战略。通过更有效地配置现有的供给，需求管理实现水资源需求与有限的可利用水资源供给的平衡。下面对需求管理措施进行分析。

适应气候变化影响的一个战略是建立基于市场的水资源在不同利用者之间的转换机制。国家应提供激励机制，鼓励水权和水资源在不同用户之间的转移。气候变化和需求模式的变化可能增加现有水市场的压力。更多地利用水租赁、水银行、水市场可以增加水权所有者转移水资源到其他用户的机会。水资源的转移可以是长期的，如通过购买水权；也可以是临时性的，如在干旱年份签订购水合同。水市场和高价格提供了采取节水措施的激励机制，特别是在有限供给的干旱时期。另一个战略是通过节水和用水效率的提高，减少水资源的消耗。市政部门通过加强对个体用水的计量和水价格鼓励节水。农业部门通过改变选择作物和灌溉方法以及技术革新，如采取耐旱的作物类型等减少对水资源的消耗。

减少水资源需求的大部分措施发生在由个体生产者、家庭实施的局地层次。水管理部门不仅需要促进不同部门水利用效率的提高，同时还需要提高其自身水系统的管理和传输效率。国家、省、区域和局地的各级水管理机构间更有效的协调和合作，将有助于资料和信息的交流，提高水资源规划水平。中央政府应在研究开发减少水消耗的先进技术方面发挥主要作用。干旱半干旱地区人口的增加，增加了对有限水资源的需求，使这些地区对干旱的脆弱性更明显。国家应根据土地利用规划和功能区划等，限制对脆弱地区的开发。

2.水资源适应性管理

气候变化引起未来水文条件变化不确定性，给水管理者提出了挑战。辨识水文情势潜在的变化趋势非常困难，意味着在弄清水文情势实际变化前就需要制定适应性决策。因此，面对气候变化，水管理需要分析不同的变化情景（情景分析法），这在英国、澳大利亚等一些国家被实际应用。然而情景分析法存在两个主要问题。一是情景分析要求分析几个不同情景，但在不同情景间存在很大不同的影响。二是在一些国家，为了制定风险决策，水管理者需要确定影响结果发生可能性的信息，需要开发建立确定的影响结果的概率分布的技术，需要假定主要影响不确定性驱动因素的概率分布。

处理不确定性问题的另一种方法是适应性管理，包括增加应对不确定性的相对稳健的水管理措施的应用。适应性管理是这样一个决策过程，在面临先前管理实施结果和其他信息增加时灵活调整决策制定过程。适应性管理提供了一个稳健决策标准的框架。适应性管理一般为6 个步骤的循环过程：①评估问题，②设计，③实施，④监测，⑤评估，⑥调整。适应性管理已被应用到评估不同的水库下泄方案对提高下游水生生态系统的影响。实际上适应性管理可以被应用到任何的对于将来存在不确定的动态系统。适应性管理更适用于指导水利工程运行或者制度的变化，而不是建造新的水利设施。工程的解决方案一般比较难以改变，除非这些设计满足未来预测的可能条件。适应性管理提供了风险被辨识、分摊和减少的过程。随着水资源日益紧缺，适应性管理可能得到更广泛的应用。

3.改变现有水利工程的运行方式

适应气候变化的一个方面是通过建立更灵活的现有工程运行方案，更好地利用现有的水资源。现有的工程运行方案基于历史气候资料。例如，防洪调度规则主要根据历史洪水风险的评估，其背景是稳态的气候。由于气候变化，对水库调度规则和确定目标的修正可能获得较好效果。气候变化或流域其他方面如水文以及社会价值的变化，将导致水库蓄水采用比目前利用方式更高的经济或社会价值的新的利用方式。防洪库容将根据更新的水文记录和未来预测进行再评估。一些工程作为流域整体系统的一部分而不是单独考虑各工程本身，进行联合调度将更加有效。

在观测到气候变化将造成明显影响，有改变工程调度运行规则需求的地区，对水库运行方案和干旱应急计划的系统修正，将获得明显受益。对气候变化不是主要驱动因素的地区，可能不需要对运行方案进行评估和调整。由于气候信息的不确定性，管理者需要综合考虑把气候预测纳入水库或河流调度运行获得潜在价值，以及与目前已知的对运行方案调整的成本。

短期来看，通过增加水利工程运行的灵活性，水管理者能够增加应对气候变化的适应能力。一个方面是根据季节对年际的气候预测成果进行调节，当预测到干旱的年份，水库运行者将减少防洪库容。当短期预测出现暴雨事件，应考虑为预期的洪水腾空库容。在更好地预报和把预报融合到水库调度方面，需要更进一步研究。在年尺度上，采用适应性管理方法的水库运行具有灵活性，适应观测到的气候条件。水库年运行计划的制定主要依据现有的水文条件、气候预报和可能的径流情景。水库年运行方案制定应包括利益相关者的参与，对不同径流情景的系统调度规则进行预测。

4.加强水利工程设施建设

管理现存的水利工程包括及时维护、改造和升级，确保应对一系列潜在气候波动的适应性。例如我国大部分的水利工程建于大跃进时期，水利工程老化，需要维护、改造、维修加固。在现在气候条件下，这些工程可能很难在设计水平进行运行，在将来气候变化的情况下，工程运行将更难实现预期目标。对气候变化一个重要的适应措施是评估现存工程，如水库大坝、防洪堤等由于洪水的量级、频率和历时变化可能增加的潜在风险。满足工程目标的备选战略需要进行评估，这可能导致水利工程设施的改变。

减少单一供给水源风险的一个战略是供水水源的多样化，这个途径包括建设新的地表水和地下水储存。地表水和地下水的联合管理有助于地下水的补给。淡水供给另一个来源是海水淡化。海水淡化厂建设和运行需要大量的资本投入和消耗大量的能源，但生产单位淡水的成本已明显下降。含盐水的淡化同样适用于地下咸水。其他增加水供给的途径包括水循环利用，污水处理再回用。

参考文献：

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作者简介：曹建廷（1967—），男，高级工程师，主要从事水资源管理、气候变化对水资源影响研究。