2.3 气候变化对流域水资源系统影响分析

2.3.1 水资源系统概念与组成

水是人类及一切生物赖以生存的必不可少的重要物质，是工农业生产、经济发展和环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源。水资源（water resources）一词由来已早，具有鲜明的时代特征。随着经济社会的进步，水资源的内涵也在不断丰富和发展。1977年，联合国教科文组织（UNESCO）和世界气象组织（WMO）定义水资源为“可利用或有可能被利用的水源，这种水源应当有足够的数量和可用的质量，并在某一地点为满足某一用途而得以利用”。1987年，《中国大百科全书》在大气科学、海洋科学、水文科学卷中定义水资源为“地球表层可供人类利用的水，包括水量（水质）、水域和水能资源，一般指每年可更新的水量资源”。1992年，《中国大百科全书》在水利卷中定义水资源为“自然界中各种形态（气态、液态或固态）的天然水”。

系统是由若干个既相互有区别又相互有联系和作用的部分所组成，并处于同一的外部环境之中，具有实现一个或若干个目标要求的有机整体。水资源系统是流域或地区范围内在水文、水力和水利上互有联系的天然系统和人造系统相结合组成的复杂系统，包括水体（河流、湖泊、地下水等）、自然地理条件（地质、地形、植被等）、工程单元（水库、渠道、闸站等）、综合开发目标（如防洪、发电、灌溉和航运等）、多种约束（水质、水量要求等）和多种影响（社会、经济、生态等）元素。水资源系统的特点表现在其组成系统的物质形式是水和与水有关的自然、社会因素。因此，水资源系统兼具自然性与社会性两方面的特征：水资源系统是自然系统的重要组成，与自然界的生态、环境有着天然的渊源和联系；同时，它又是社会系统的一部分，与人类社会和经济发展有着密切的关系。

2.3.2 气候变化对水资源量的影响

气候变化条件下，气象要素的改变将打破流域水文循环平衡，特别降水总量、强度、形态、历时的变化，融雪时间的变化，蒸发和散发的变化，将直接引起区域水资源量的改变。同时，气象要素空间分布的改变、流域水利工程调度方式的改变、人类活动影响的加剧等因素也会引起局部地区水资源量的变化。此外，极端降水和干旱事件强度、历时、频次的加剧将造成水资源量短期内的剧烈波动，气候变化条件下旱涝的频繁交替也将造成水资源总量年际间的变化加剧，这对于地区市政、工业、灌溉、航运和环境供水安全将构成严峻威胁。而且，不同用户之间对水资源的竞争将更加激烈，具有最低优先级水权的用户最可能遭遇水资源危机，这对于地区经济发展和生态环境的保障将产生一定的负面影响。

2.3.3 气候变化对防洪减灾的影响

在气候变化条件下，流域降水的变化将直接引起径流时空分布规律发生变化，改变洪水的峰值、洪量、历时、发生时间等特性。同时，以极端降水为代表的极端天气事件发生的强度、频率、历时等在全球范围均呈加剧趋势，水旱灾害的年、季交替越来越突出，特别超常规的洪水和干旱事件，对流域的防洪抗旱安全构成了严峻威胁。不仅如此，区域降水不确定性的增加也直接导致洪水不确定性的显著上升，对流域防洪减灾工作带来了新的挑战。此外，对于以融雪径流为主的流域，不同的融化模式将改变凌汛的频率和时间，例如温度升高导致融雪过程的提前，致使春汛提前到来的可能性大大增加。并且，台风、暴雨等极端天气事件发生的频次、强度和分布规律发生改变，其所造成造成的灾害损失和影响也更大，区域防洪减灾安全面临一定挑战。

2.3.4 气候变化对水资源开发利用的影响

气候变化导致水资源时空分布规律发生变化，水资源供需矛盾更加突出，危机进一步加剧，未来流域水资源的开发利用面临诸多挑战与变革。水资源开发利用体系亟需得到全面提升和优化。其中，工程体系亟需得到进一步巩固和提升，对于病危老旧的水利工程应及时进行维护、改造和加固，新建水利工程应充分论证，进一步提升和优化其综合效益，一方面满足新形势下水资源开发利用的需求，另一方面适应流域水文规律的变化，同时新时期以水资源为代表清洁能源的利用率和利用方式也面临更高的要求。水资源开发利用非工程措施也亟需得到进一步优化，如水文监测预报、水资源实施优化调度等先进科学技术的应用与推广，水资源管理制度的改革与创新等。同时，当前水利工程调度运行方式多基于历史气象水文资料的分析，其背景是水文序列平稳性的基本假定，而在流域水文循环过程和水资源时空分布规律发生改变后，水文条件变化不确定性也相应增加，传统调度方式如何适应气候的变化，应对其非稳态特性和不确定性风险，在保证流域安全的前提下，充分发挥新形势下水资源的综合效益，这对水资源的科学开发利用提出了更新和更高的要求。

2.3.5 气候变化对水资源需求的影响

水资源需求包括居民生活用水、工业用水、农业用水等。农业用水所占份额最大，且对于气候的变化最为敏感。对于不同地区和不同作物，气候变化对需水量的影响程度并不相同，主要由以下三方面因素共同作用影响。首先，气候变化可能引起地区蒸散发量的上升或下降，进而导致农业用水需求的增加或减少。第二，大气中CO₂浓度的增加将提高作物对水资源的利用效率，并减少对于水资源的需求。对于部分地区，气温升高可能引起特定作物生长季节和种植面积的变化，并改变该地区农业发展对于水资源的需求。气候变化对于工业需水的影响可以分为直接影响和间接影响两类，直接影响以占工业用水总量60%的冷却水的影响最为显著。气候升高会使进入冷却系统的原水水温升高，而冷却塔等周边的气温升高将使温差减小，这两者都将降低冷却效率，增大工业冷却需水量。此外，气候变化还将通过影响工业产品需求量，间接影响工业用水总量。如夏季气温的升高会导致空调、冰箱等的用电量增加，而冬季气温升高会减少供暖所需的煤、天然气等工业产品的需求量，这些都会影响工业的总需水量。居民生活需水量主要由地区经济发展水平、气候、水源与水量、生活习惯等因素共同决定。随着气温的升高，生活用水中洗涤、卫生、饮用等用水量将随之增加。研究表明，气温每升高1℃，生活用水量增加1.0%左右。

2.3.6 气候变化对水质的影响

气候系统中气温、降水等因素与水体中营养物和污染物的循环紧密相关，在气候变暖背景下，这些因素的变化也将引起水环境系统的变化，对水质构成影响。气温升高将导致水体温度的相应上升，加快水体中关键化学反应过程的反应速率，对水化学过程造成影响。同时，水温升高导致水体携氧量下降，造成溶解氧浓度降低，生物降解作用的可用氧量减少，削弱水体的自净能力。另一方面，降水的时空变化主要通过改变水体污染物的迁移和稀释过程而对水质产生影响。同时，强降水事件也将引起面源污染负荷的增加，并使得重金属、致病微生物、有毒物质等污染物进入河流的风险上升，对水质构成潜在威胁。由干旱所引起的水量减少问题也会影响水体中营养物、污染物的降解和稀释作用。此外，在冰川和永久冻土融化的地区，气温升高将导致原固结的土壤更易于侵蚀，改变沉积物的运移过程，从而对水质产生影响。

2.3.7 气候变化对水生态的影响

生态系统是指在一定的空间内生物成分和非生物成分通过物质循环和能量流动相互作用、相互依存而构成的一个生态学功能单位。气候变化对水生态系统的影响机理非常复杂，例如气温、水量、水质、径流和洪水情势的时空分布变化等均会对生态系统造成干扰和影响。对于河湖生态系统，全球变暖致使中、高纬度地区水生植物的生长期将有所延长，湖水分层明显，表层营养流失，深层氧气减少，引起入侵水草的增加。同时，降水变化以及更频繁和更高强度的扰动事件（如干旱、暴雨、洪水等）将对脆弱的湿地生态系统产生显著的不利影响。对于海岸和河口生态系统，气候变化可能通过降雨和局地径流的变化，影响海岸带生态系统的盐分、沉积物、营养物质和水分状况。并且，海平面上升也将带来一系列水生态问题，河口盐水入侵、沿海土地盐渍化加剧等。除此之外，全球气候变化对于生态系统的影响还包括：水资源供需矛盾导致地下水超采量进一步增加，部分地区降水量偏少引起荒漠化问题的加剧等方面。这些变化将引起水生生物的栖息地特性的改变，威胁水生生物的栖息、繁衍和生存，造成生物种群和数量的减少，打破地区水生态平衡，危害地区生物多样性。