气候变化对我国水资源和重大水利工
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收稿日期：2021年9月15日；修回日期：
2022年1月13日第一作者：秦鹏程（1986—），通信作者：刘敏（1963—），资助信息： 中国气象局软科学研究重大项目（2022ZDAXM03）；国家重点研发计划（2018YFE0196000, 2018YFC1508000）
气候变化对我国水资源和重大水利工程
影响研究进展
秦鹏程1 刘敏1 夏智宏1 刘绿柳2
（1 武汉区域气候中心，武汉 430074；2 国家气候中心，北京 100081）
摘要：全球气候变化正在改变地球水循环过程，导致地表水资源总量和时空分布格局的改变，从而对人类社会的水资源开发、利用和管理造成深刻影响。文中综述了国内外气候变化对水资源和水利工程影响研究方面的最新进展和认知，分析了当前研究的不足，指出未来需在极端水文事件及其影响、评估模型及流程规范的建立、针对性适应气候变化的应对策略等方面深化研究，以期为推进气候变化对我国水资源和水利工程影响评估及适应气候变化的对策研究提供参考。关键词：气候变化，水循环与水资源，水文模型，水利工程DOI：10.3969/j.issn.2095-1973.2022.06.002
Progress in Assessing the Impacts of Climate Change on China’s Water Resources and Major Water
Conservancy Projects
Qin Pengcheng 1, Liu Min 1, Xia Zhihong 1, Liu Lüliu 2
(1 Wuhan Regional Climate Center, Wuhan 430074 2 National Climate Center, Beijing 100081)
Abstract: Climate change is altering the global water cycle,  leading to variation in the total amount as well as the spatial and temporal distribution of surface water resources. This can exert significant impact on the development, utilization and management of water resources. We summarized the recent progress and understanding of the impacts of climate change on water resources and water conservancy projects in China and around the globe. We also identified the deficiencies of the current research and pointed out the future research directions. It is concluded that further studies should be conducted in assessing changes in hydrological extremes and their impacts, developing models, tools and technical guidelines for impact study, and identifying strategies to adapt to future climate change. It is expected to provide reference for promoting the studies on assessing climate change impacts on water resources and water conservancy projects as well as on the identification of coping strategies.
Keywords: climate change, hydrological cycle and water resources, hydrological model, water conservancy project
0 引言
新年适合发朋友圈的句子自工业革命以来，随着大气中温室气体浓度的持续增加，地球气候系统正经历一次以变暖为主要特征的显著变化。气候变暖通过改变水循环过程影响降水、蒸发、径流、冰川积雪等的时空分布，进而导致地表水资源总量和时空分布格局发生改变，并对人类社会的水资源开发、利用和管理造成深刻影响[
1-3]
。在全球变暖背景下，地球水循环的加剧导致洪涝和干旱
等极端水文事件的发生频率和强度增加，伴随着人口增长和社会经济发展对水资源需求的增加，未来全球水资源短缺问题将更加突出[4]
。与此同时，为了实现水资源的合理配置和高效利用，人类通过广泛修建水库、大坝、堤防等工程设施，对天然河川径流进行管理和开发，在气候变化影响下，水利工程设施的运行效益及其自身安全均可能受到严重影响[
5-7]
。因此，开展气候变化对水资源及其管理系统的影响评估，尤其是未来气候变化的影响预估，对水资源的规划管理及其可持续发展具有重要意义。
过去的几十年来，已有许多研究致力于研究和揭示水循环要素的演变特征、气候变化对水循环过程的影响机理、气候变化对水资源系统的潜在影响以及应对气候变化的适应性管理策略等，在研究方法、影响后果、影响机制和应对策略等方面取得了丰硕的成
果。文中综述气候变化对水资源和水利工程影响研究方面的最新进展和认知，讨论和展望当前研究的不足及未来研究方向，以期为开展水资源评估相关研究及流域水资源的规划和管理提供参考。
气候变化对水资源和水利工程影响的研1
究方法
气候变化对水资源的影响评估是全球变化研究的重点领域之一，出于不同的研究和应用目的，学者们提出了众多指标和方法用于量化气候变化对水资源的影响，以径流为例，常用的指标如表1所示[8]。根据气候变化影响的事实是否已经发生，可将气候变化对地表水资源的影响评估分为已发生的气候变化影响评估和未来气候变化影响预估，由于可利用的数据来源不同，二者在研究方法上有显著区别，其基本研究框架如图1所示。
表1 气候变化对地表径流影响评估常用指标[8] Table1Common indicators for assessing climate change
[8]
win10控制面板在哪标准化径流指数表征某时段内径流量出现概率大小的指数。假
设某时段径流量序列服从Г分布，对其正态标
准化后得到的指数
无量纲
对已发生的气候变化对水资源的影响，学者们利用观测到的径流系列数据，基于随机水文学及数理统计方法（如小波分析、EMD-Hilbert变换、Mann-Kendall趋势分析等），对河川径流的演变趋势、周期变化、突变情况以及空间分异等进行检测[1, 9-10]；结合同时期气象观测数据和土地利用变化信息，一些学者利用灰关联分析、弹性系数分析或水文模型等方法，开展了气候变化和人类活动对径流变化贡献率的诊断和归因分析[11-13]。近年来，随着长序列遥感观测资料的积累，基于卫星反演的降水和蒸散发产品开展
无资料地区和大尺度水循环要素变化的监测和检测成为一种重要的研究手段[14]。
对于未来气候变化的可能影响，多数研究遵从“未来气候情景设计—水文模拟—影响评估”的模式，利用特定的温室气体排放情景下气候模式模拟结果驱动水文水资源模型，通过比较基准时段和预估时段不同气候情景下水资源指标的变化，据此量化评估气候变化的影响[1]。但是，基于气候模式单向驱动水文模型存在时空尺度不匹配和缺少反馈等缺点，近年来，从气候系统出发，将大尺度陆面水文模型与气候模式双向耦合成为一种新的趋势，通过对水循环整体机制的刻画，有望实现对水循环要素趋势检测、归因研究和未来预估的更加科学的认识[4]。与此同时，基于气候情景和水文模型构建水文情势变化的情景，通过耦合水库调度和水力发电模型，为进一步开展气候变化情景下水资源管理系统的运行效益和安全风险的评估提供了可能[15-16]。
已发生的气候变化影响评估未来气候变化影响预估有长系列观测
数据收集准备
时间序列变化检测
无长系列观测
气候变化情景
气候模式
偏差订正与降尺度
水文水资源模型
气候变化影响评估
不确定性评估
数据收集准备
水文水资源模型
参数率定检验
气候变化影响评估
气候弹性模型等
径流变化归因分析
图1 气候变化对地表水资源量影响评估框架Fig. 1The framework for assessing climate change
impacts on surface water resources
五年级英语期末试卷2 气候变化对地表水资源影响的最新认知2.1 气候变化对全球水循环和水资源的影响
疫情中的道别:我想见你最后一面
20世纪中期以来，随着全球气温升高，全球水文循环明显加强[14, 17-18]。观测到的全球尺度水汽、降水、蒸散发、冰川积雪、土壤水和地表径流等的分布、强度和极值都发生了显著变化[3, 14, 19-23]。全球对流层和地表水汽含量呈增加趋势，近40年来全球大气水汽含量上升了3.5%左右[24]。陆地降水的变化趋势不显著，但区域差异极大，中高纬度极端降水事件明显增加[3, 22, 24]。全球地表蒸散发在20世纪中后期呈下降趋势，但近20年来呈显著增加趋势，2003—2019年，全球陆地蒸散
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发量增加（10±2）%[14]，地表湿度增加趋势减缓，全球海洋蒸发与降水的差值在20世纪中期以来呈增加趋势[24-25]。全球冰冻圈普遍退缩，极地冰盖和山地冰川不断融化，北极地区6月积雪面积在1967—2018年间平均每10年减少（13.4±5.4）%，9月海冰范围在1978—2018年间平均每10年减少（12.8±2.3）%[26]。与此同时，全球主要河流在年平均径流量、枯水期低流量和极端洪水方面均发生了一定变化。世界前200条河流中约1/3的河流年径流量有明显的变化趋势，其中45条呈下降趋势，19条呈增加趋势，在季节性积雪区域，冬季径流增加、夏季径流减少，春季最大径流量的日期有所提前[25]。在大洋洲南部、非洲南部、欧洲南部、南美洲东部、北美洲的西部和东部地表径流总体呈减少趋势，而在南美洲大部、欧洲中北部和北美洲中部地表径流呈增加趋势，亚洲、非洲和大洋洲的大部径流变化不显著[19]。然而，观测到的径流变化不同程度受到人类活动（如取用水、水利工程调节、土地利用改变等）的共同影响，有相当大部分流域径流变化的主要驱动力是人类活动[19, 27]，气候变化只是径流变化的主导因子之一。另外，部分区域径流变化存在阶段性和突变现象，在突变前呈下降趋势，突变后呈增加趋势。
基于不同的社会经济发展和温室气体排放情景假设，模拟显示全球平均气温在未来相当长一段时间内仍将继续升高[28]。伴随着气温的进一步升高，预计21世纪全球冰川消退、多年冻土融化、积雪面积和北极海冰范围减小的趋势仍将持续[26]，随着冰川萎缩，冰川供水能力下降，水资源波动将加大。
同时，全球陆地潜在蒸散发极有可能呈增加趋势[3, 25, 29]。全球陆地降水在21世纪总体有不同程度增加，且高排放情景增幅更明显，但时空分布的不均匀性加剧[30-31]，基于最新的第六次国际耦合模式比较计划第6阶段（CMIP6）预估结果与先前的CMIP5预估结果趋势一致，且信度更高、幅度更大[28-29, 32-34]。由于地表潜在蒸散发和降水的不同程度变化以及全球增温和降水变化的区域响应差异，未来全球地表径流的变化呈现明显的区域差异。基于CMIP5模式的预估显示，即使在高排放情景（RCP8.5）下，全球平均气温较当前增加2℃时，仅北半球高纬度地区和非洲东部地表径流呈增加趋势，全球其他大部地区径流减少，同时，干旱的发生频率和强度将有明显增加，全球水资源短缺加剧[35]。进一步的分析表明，随着全球地表温度的升高，流域尺度地表径流的变化并非呈线性的趋势变化，当气温增加至某一阈值时，径流变化趋势可能出现反转[36]。最新的CMIP6多模式集合预估的21世纪地表径流变化格局与CMIP5基本一致，但径流增加的幅度略有增加，且欧洲和亚洲北部径流增加的区域有所扩大[29]。同时，CMIP5和CMIP6模式预估的干旱和洪涝等极端水文事件发生频率、持续时间和强度均呈显著增加趋势，且局部区域变化更剧烈，这意味着未来水资源有效性下降、不稳定性增加[22, 29, 34-35, 37-39]。
2.2 气候变化对中国区域水资源的影响
中国区域水循环的变化符合全球水循环变化的特征，同时具有更复杂的区域特征[24, 40]。自20世纪60年代以来，在气候变暖影响下，中国冰川整体呈现加速退缩和消融之势，内部不稳定加剧；中国融
雪径流在西北地区尤其是新疆天山和阿尔泰地区呈显著增加趋势，东北地区以减少为主，青藏高原有增有减或变化不显著，同时，融雪径流的集中期一致向前推移；中国多年冻土在过去几十年退化明显，多年冻土区大部分流域冬季径流增加[41]。在全球气候变化和人类活动的共同影响下，中国主要河流径流量已观测到不同程度的趋势性变化，但呈现明显的区域差异。对20世纪50年代以来中国主要河流年径流量变化趋势及其成因的综合分析表明[42]，近70年来，中国北方河流年径流量除西北诸河外，大部以下降趋势为主，其中以松花江、辽河、海河、黄河尤为显著，大部河流年径流量在20世纪70年代或80年代存在显著突变，突变前呈增加趋势，之后为下降趋势，这可能是由于人类活动影响加剧所致；南方流域年径流量无显著趋势变化，但年代际变化较大，20世纪60—80年代和21世纪的前10年径流量以偏少为主，20世纪90年代和近10年以偏多为主。气候变化对南方流域年径流影响较北方显著，其中长江上游干流气候变化影响超过70%，珠江流域气候变化与人类活动影响大致相当，北方流域第二松花江、辽河、海河、黄河、淮河年径流变化的成因中人类活动的影响大于气候变化，其中黄河中游人类活动影响超过75%。子流域尺度径流变化的驱动力与大尺度流域存在一定区域差异，北方大部分三级流域的年径流变化趋势和主要驱动力与一级流域一致，南方长江上中游和西南诸河的多数三级流域年径流变化主要驱动力与一级流域基本一致（图略）。
预估显示，21世纪中国降水总体呈增加趋势，且北方地区增幅大于南方[33]，与此同时，受气温升高影响，地表潜在蒸散发显著增加。在中国北方流域，由于地表蒸散发的增长总体小于降水的增幅，地
表径流主要呈增加趋势，在中国南方流域，由于降水增加幅度小，而蒸散发增加幅度较大，地表径流增加不明显
甚至有减少趋势[43-44]。其中，在长江上游和西南高原地区，由于降水增加幅度相对较大，以及高山融雪径流的增加，地表径流呈显著增加趋势[45-46]，但长江中下游地区由于降水变化不明显或有所减少，在21世纪的近期地表径流呈减少趋势，21世纪中期以后可能呈现增加趋势[43]。东南诸河流域和珠江流域21世纪径流变化总体呈下降趋势[43, 47]。然而，研究显示，CMIP5模式对东亚夏季风强度的模拟存在偏差，可能低估了中国东南部季风区的降水量，最新的CMIP6情景下未来中国东南部季风区降水的增加幅度有所增加，预估径流可能呈增加趋势[32-33, 37, 48]。因此，目前对中国南方流域21世纪径流变化的预估还存在较大的不确定性，尤其是对21世纪的近期径流减少趋势及其幅度的预估，很大程度受气候模式对中国东部季风区降水趋势模拟不确定性的影响，而中国北方地区预估径流持续增加的不确定性相对较小，但现有的水文模型对中国冰川融水径流模拟能力欠佳，可能低估了21世纪后期冰川融水径流下降对地表径流变化趋势的影响[45, 49]。与此同时，尽管预估的年径流量有所增加，但较强的季节性变化以及极端径流的增加对水资源的综合利用仍具有较大的挑战性[50-51]。
3 气候变化对水利工程影响的最新认知
3.1 气候变化对全球水利工程的影响
水库、大坝和堤防等水利工程设施是人类通过改变天然河道径流的不均匀分布，合理开发和利用水资源的重要途径，通常具有防洪、供水、发电、航运和改善生态环境等综合效益[52-55]。据统计，全球有超过半数的河流受到人类工程设施的调控和管理[56-57]。然而，由于气候变化导致全球水循环的改变，引起河川径流在时间和空间上的重新分配以及总量的变化，水利工程设施的运行及其效益正在受到气候变化的深刻影响。借助于全球气候模式、水文模型以及水库调度模拟技术，最近20年来已经出现了许多关于气候变化对水利工程影响评估的研究报道。
水库大坝通过蓄泄调节进行兴利调度，对上游来水总量及其时间分布十分敏感。预估的气候变化可能导致全球河流径流量增加，这将有助于水库蓄水和供水效益的发挥[5, 58-59]，但径流季节分布的变化对水库调度和效益的影响更大。在全球典型区域的研究显示，美国大部河流径流的季节分布在未来气候变化情景下将发生显著变化，呈现出丰水期高流量增加、枯水期低流量减少的趋势[59]，这导致水库在丰水期的防洪调度和枯水季节的供水调节能力加强，水库的季节调节效益显著提高[60]。在印度北部贝阿斯河流域，尽管
气候变化可能导致水库来水增加，但时间变率显著增加，水库系统的不稳定性和脆弱性增加[58]。在中国长江上游，气候变化导致径流在年内各月均有不同程度增加，使水库的供水和发电效益提高，水库在枯水季节对下游河段自然流量和生态平衡的影响减弱，但汛期洪水风险和防洪调度压力显著增加[5, 61]。
生产清洁水电是大部分水库的重要功能之一，全球水力发电量约占总发电量的1/5，对保障能源安全和碳减排起着关键作用[55]。全球气候变化可能通过影响河流的径流资源以及用电需求直接或间接影响水力发电量。在全球尺度，van Vliet等[62]和Turner等[63]综合评估了气候变化对全球大型水电站21世纪发电量的影响，尽管预估未来全球平均发电量变化不明显，但在特定区域呈现显著的增加或减少趋势。一些研究也通过更加具体的模型开展了国家和区域尺度气候变化对水电生产的影响预估，如美国[64-65]、加拿大[66]、印度[67]、中国[68-70]和欧洲国家等[71-72]。值得注意的是，气候变化对水电生产的影响同时受到流域水库系统调节库容和调度管理方式的制约，许多研究揭示了在未来气候变化情景下由于极端径流增加，水库防洪调度职能加强，导致弃水增加，水资源利用率下降，发电量对径流变化的响应呈现出非线性的特征（图2）[5, 63, 73]。此外，一些学者同时研究了气候变化对用电需求和水电供应之间供需平衡的影响，揭示了气候变化对电力投资、电网系统稳定性以及温室气体排放的潜在影响[16, 56, 74-76]。
近年来，气候变化导致的水文情势变化对水库运行和安全可能造成的影响正逐渐引起学者和流域管理部门的关注。Fluixá-Sanmartín等[7]从大坝风险的不同组成部分系统综述了气候变化对大坝安全的可能影响，为开展大坝对气候变化的脆弱性评估提供了技术导则，并以西班牙托玛思河上游的一个大坝为例，定量评估了气候变化导致的溃坝风险变化，揭示了气候变化导致入库径流改变造成大坝溃坝风险显著提高的现象[77]。2017年2月位于美国加州北部的奥罗维尔水坝，在经历了持续5年的严重干旱
后因遭遇暴风雨和融雪洪水，主溢洪道泄洪时出现严重损坏引发溃坝风险，造成了严重的社会经济损失和人员伤亡，该事故为极端气候影响下大坝的安全管理敲响了警钟[6]。随后，Mallakpour等[6, 15]系统评估了加州地区主要大坝和堤防设施在未来气候变化情景下面临的洪水风险和遭受破坏的可能性，结果表明，当前百年一遇的洪水在未来发生的可能性将增加5倍以上，未来加州地区水利基础设施因极端洪水而遭受破坏的风险显著，水利
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图3 长江上游流域水资源系统对气候变化的响应
（a ）降水对增温的响应，（b ）径流对降水变化的响应，（c ）发电量对径流变化的响应
Fig . 3 Responses  of  water  resource  systems  to  climate  change
(a ) precipitation  response  to  temperature  change , (b ) streamflow  response  to  precipitation  change , and  (c ) hydropower
generation  response  to  streamflow  change
设施的运行和维护成本显著增加。然而，有关气候变化对全球其他地区水利工程设施运行安全影响的案例研究十分有限。
3.2 气候变化对中国水利工程的影响
中国水资源丰富，但时空分布极不均匀，且与经济社会发展格局不相适应[4]
，水利工程建设规模和数量位居世界前列，拥有南水北调、黄河小浪底、长江三峡、溪洛渡与白鹤滩等世界级水利水电工程，在水资源管理和防洪减灾中发挥了重要作用，同时，水力发电量占全世界水电总量的1/4[78]
。在气候变化情景下，中国水利工程设施运行的水文条件将发生显著变
化，势必对其运行管理和效益的发挥造成一定影响。
南水北调工程是我国南北方水资源优化配置的战略性工程，东线从长江下游调水至天津和胶东半岛，中线从长江中游调水至河南、河北、北京、天津，西线计划从长江上游调水至黄河上游。由于水源区和受水区地理空间上跨度大，且处于不同的气候区，工程效益与南北区域气候条件及其年际间的波动密切相关，并可能受到气候变化的潜在影响[79]
。研究显示，20世纪以来，中线工程水源区与受水区同枯概率处于近500年来高位[80]
，东线和中线工程运行以来，可调出水量与需求量处于紧平衡状态。在未来气候变化情景下，南水北调工程水源区和受水区降水均不同程度
(a )
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P r e c i p i t a t i o n  c h a n g e /%西门子冰箱质量怎么样
Temperature change/℃
(b )
10
20
30
40
30
20
10
S t r e a m f l o w  c h a n g e /%
Precipitation change/%
－40
－20
204060
(c )
70 60 50
40 30 20 10 0 －10 －20 －30 －40
H y d r o p o w e r  c h a n g e /%
Streamflow change/%

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