1.1　研究背景和意义

1.1.1　研究背景

水是生态系统的控制性要素，与气温、光照并列为三大非生物环境因子。作为一种可再生性资源，水资源的数量是非常有限的，在很大程度上依赖于水循环系统。流域水循环是水资源形成、演化的客观基础，也是水环境与生态系统演化的主导驱动因子。然而，随着人口的不断增长和经济社会的高速发展，人类社会对流域水循环系统的影响不断增强：温室气体及气溶胶的排放改变了水循环的动力条件、下垫面的变化改变了水循环要素的参数特性、人工取用耗排水改变了水循环的结构，再加上土地利用的变化、大规模水利工程的建设以及工业与城市的飞速发展，流域水循环已经从原来的“自然”模式占主导逐渐转变为“自然-社会”（或“自然-人工”）二元耦合模式（王浩等，2004），特别是在平原和城市等高强度人类活动地区更为突出。在高强度人类活动的缺水地区，地表径流、地下径流和河川径流等自然水循环通量的日益减少，而取水量、用水量、耗水量及排污量等社会水循环通量的不断增大，已影响了流域水循环系统原有的生态和环境服务功能，引发了一系列的资源、环境与生态问题（贾仰文等，2010）。

观测资料表明，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化，我国的气候变化趋势与全球的总趋势基本一致。近百年的全球气候变暖不只表现在气温升高，也表现在气温变率加大、极端天气气候事件趋多、趋强。《2016年中国气候公报》显示，受超强厄尔尼诺影响，我国气候异常，极端天气气候事件多，暴雨洪涝和台风灾害重，气象灾害造成的经济损失大，气候年景差。2016年，全国平均气温较常年偏高0.81℃，为历史第三高；四季气温均偏高，其中，夏季气温为历史最高。全国平均年降水量730.0mm，较常年偏多16％，为历史最多，四季降水量分别偏多53％、22％、6％、37％。2016年，我国暴雨较多，南北洪涝并发，全国26个省（自治区、直辖市）出现不同程度的城市内涝。一系列极端气候灾害造成了巨大的经济损失，气候变暖也加剧了全球水循环的转化过程，驱动降水、蒸发、径流等水文要素的变化，改变流域或区域水量平衡，影响水资源的时空分布。

水资源系统在受到以全球变暖为特征的气候变化影响的同时，也受到了取用水和下垫面变化等人类活动因素的强烈干预。20世纪50年代以来，全球工业发展迅速，人口急剧增长，人类对水资源的需求也在以惊人的速度增加。在20世纪的100年中，世界人口增加了2倍，而人类用水却增加了5倍。据全国水资源综合规划统计，1949年，全国总供水量仅为1000亿m3左右；2016年，全国总供水量达6040亿m3，增加了5倍多。另外，由于全球人口增长和城市化建设，1970—1995年年间，全球耕地面积增加了0.26亿hm2，草地面积增加了2.2亿hm2，森林面积减少了4.6亿hm2。据《中国可持续发展遥感监测报告（2016）》（顾行发等，2017），遥感监测20多年期间，我国耕地面积变化最显著，其动态变化面积高于所有其他土地类型；耕地面积先增后减，呈现明显的阶段性特征，2000年面积最大。2010年全国耕地21.36亿亩，依然多于20世纪80年代。在草地、林地、未利用土地、耕地、水域和城乡工矿居民用地等6类土地中，城乡工矿居民用地变化幅度最大，2010年扩大为20世纪80年代末的1.32倍，其中城镇用地扩大了1.76倍，农村居民点扩大了1.10倍。

随着全球气候的持续变暖和经济社会的不断发展，人类的用水需求也会越来越大，水资源对气候条件和人类活动等环境变化的脆弱性加大，区域水资源量能否支撑当地经济社会的可持续发展、未来水资源如何演变等已经成为公众普遍关心的问题。因此，变化环境下的水资源演变及相关科学问题不仅是一个综合的环境问题，而且是一个复杂的经济问题和社会问题，已经成为了全球科学界和各国政府强烈关注的一个热点问题。影响水资源演变的因素有许多，除了气候系统中降水、温度等要素的自然变异外，还有温室气体排放导致的气候变暖、包括人工取用水及下垫面变化在内的区域高强度人类活动，以及其他一些未知和不确定因素。如何定量评估这些因素对水资源演变的影响、区分各个因素对水资源演变影响的轻重主次，换言之，如何在导致水资源变化的诸因素中区分自然和人类活动对水资源演变的影响、定量阐述导致水资源演变的自然和人为因素的作用，为水资源综合管理和气候变化应对提供实践指导，已成为现代水文水资源学研究的关键科学问题之一。

近年来以全球变暖为主要特征的气候变化对水循环系统的影响日益凸显，加剧了水循环系统的复杂性，致使对变化环境下的水循环系统进行模拟和预测的难度也在不断加大。尽管国内外学者针对二元水循环模拟开展了大量工作，其中最具代表性的是王浩等（2006）基于二元水循环理念研发的二元水循环系统模拟模型，为高强度人类活动地区的水循环模拟提供了强有力的工具，但由于在气候变化对水循环影响机理等方面认识的不足和相关技术的不成熟，现有模型和方法尚不能科学辨识水循环演变过程中气候变化、取用水和下垫面改变等人类活动因素以及自然因素的作用，给未来气候变化条件下的水资源预测和水资源综合管理增加了难度和不确定性。2008 年美国加利福尼亚大学Barnett等在《Science》上发表了题为“美国西部人类活动导致的水文变化（Human-induced changes in the hydrology of the Western United States）”的学术论文，指出“美国西部1950—1999年年间径流量、冬季气温、积雪量等变化的60％是受人类活动影响”。可见，气候变化对水循环过程的影响日益加剧，在某些流域其贡献已经超过了自然因素以及取用水和下垫面改变等人类活动因素。该研究是有关水循环演变的归因研究的首次探索，但只考虑了气候变化一个因素的影响，无法定量区分取用水、下垫面改变等其他人类活动因素对水资源演变的贡献。国内有关该问题的研究也没有一套系统的方法。随着近年来气候学的不断发展，气候模式的模拟性能和精度也在不断提高，人们对气候变化的水文水资源效应的认识也在逐渐深入，开展辨识气候变化和人类活动等因素在水资源演变过程中贡献研究的时机已经成熟。

作为中国的政治、文化中心，近几十年来，海河流域的气候和环境条件发生了巨大变化，气候变暖、下垫面变化、人工取用耗排水等区域高强度人类活动对水循环造成了强烈影响。1980年以来，海河流域地表来水减少了41％，水资源总量减少了25％；和20世纪50年代相比，湿地萎缩了80％，年深层地下水开采量超过了60亿m3；而流域内水资源开发利用率已经达到了123％。水资源短缺不仅影响了海河流域的经济社会发展，还导致了严重的生态环境问题，给流域可持续发展带来了巨大挑战。那么，造成海河流域水资源量衰减的原因是什么？是气候系统的自然变异，还是以全球变暖为特征的气候变化？或者是包括下垫面变化、人工取用水在内的区域高强度人类活动？如何定量区分不同因素在海河流域水资源演变中的贡献？同时，海河流域对环境变化非常敏感，在未来气候以及区域人类活动等环境变化条件下，流域水资源将如何演变也是一个迫切需要回答的问题。

1.1.2　研究意义

基于上述背景，在国家重点基础研究发展计划（973）项目“海河流域水循环演变机理与水资源高效利用”中设立了第四课题“海河流域水循环及其伴生过程的综合模拟与预测”（2006CB403404）。本书基于课题四的部分研究成果，从理论方法和实例应用两个方面对变化环境下流域水资源演变及其归因研究的相关内容进行了总结和提炼。

在理论方法方面，针对如何定量评估气候系统的自然变异、温室气体排放导致的气候变暖、人类活动及其他一些未知和不确定性因素对流域水资源演变的影响以及变化环境下流域水资源演变规律识别两大国际难点问题，在国内外相关研究工作的基础上，将目前广泛应用于气象和气候学中变量归因分析的“基于指纹的归因方法”应用到流域尺度水资源演变研究中，系统总结提出变化环境下流域水资源演变的归因方法，为定量区分气候系统的自然变异、温室气体排放导致的气候变暖以及包括下垫面变化和人工取用水在内的人类活动等因素对流域水资源演变的贡献提供一种新的思路；综合考虑未来气候、区域高强度人类活动以及相关调控措施等环境条件的变化，通过设定不同的情景，对流域未来水资源演变情势进行预估。

在实例应用方面，选取对气候变化非常敏感、人类活动强烈、水问题突出、具有重要战略地位的海河流域为典型流域，在明确海河流域水文气象要素时空演变特征的基础上，应用变化环境下流域水资源演变的归因方法对海河流域近40年（1961—2000年）的水资源变化进行归因分析，定量区分气候系统的自然变异、温室气体排放导致的气候变暖以及包括人工取用水和下垫面变化在内的区域高强度人类活动等因素对流域水资源演变的贡献。考虑到未来气候、人工取用水和下垫面等环境条件的变化，以及经济结构调整、跨流域调水、地下水开采回补控制等水资源调控措施，对海河流域不同情景下未来30年（2021—2050年）水资源的演变情势进行预估和分析，以期为流域水资源综合管理和经济社会可持续发展提供决策参考。

本研究提出的变化环境下流域水资源演变的归因方法，不仅可以拓展变化环境下流域水循环演变驱动因素识别的理论和研究方法，丰富“自然-人工”二元水循环的理论体系，为科学识别流域水循环演变的驱动因素和定量区分不同影响因素在流域水循环演变过程中的贡献提供一种新的思路，具有重要的学术意义，而且还可以通过该方法在研究区域的应用，结合相关研究成果，为未来气候变化条件下的水资源综合管理以及相关规划和措施的制定提供科学依据，具有重要的实践应用价值。