干旱灾害会场s511.3上午气象年会hl nuist2in

北方干旱化背景下流域水资源的脆弱性郝璐

南京信息工程大学应用气象学院两个案例：1、农牧交错区：老哈河流域2、草原区：锡林河流域郝璐等，20111选题背景

北方干旱化是我国在全球变化背景下一个突出的环境问题，可能增加水资源脆弱性、加剧长期或阶段性水短缺及用水矛盾；人类活动和自然因子在区域环境系统阶段性转折和突变中的作用是开展北方干旱化问题研究的基础科学命题；气候变化的水资源脆弱性是当前研究的热点，通过从定性、半定量分析向机理模型模拟研究的深化，构建既能反映水资源自然属性，又能反映水资源与社会、经济、生态环境联系的区域水资源脆弱性定量评价模型还有待进一步深入研究。

西辽河南源西高东低，多山多丘陵地貌地跨内蒙古、及河北、辽宁两省海拔405m～1935m

流域面积33076km2

年降雨量430.89mm，年际变率大天然径流源于大气降水，属降水补给型研究区

生态敏感区人类活动深刻密集半湿润半干旱区农牧林交错带干旱化表现最为剧烈的地区研究内容数字流域构建=>流域离散化与参数化气、水、地、人变化检测=>初步判断水文水资源变化的成因区分CC与人类贡献率（SWAT）=>揭示水文水资源响应机制构建综合评价模型（SWAT-WEAP）=>评价水资源脆弱性情景模拟与分析=>筛选、构建适应性模式

研究方法数据：

DEM

土壤分布图及理化性质土地利用/覆盖气象数据及再分析数据作物管理数据SWAT水文模型：具有很强的物理机制空间分辨率高：HRU

时间分辨率高：逐日基于GIS

广泛使用和接受模拟分析

土壤水蒸散发径流SWAT模型

如果人口增长和经济发展模式变化会怎样？如果水库运行规则改变会怎么样？如果地下水被更充分地开发会怎么样？引入水资源保护措施会发生什么？生态系统要求更严会怎么样？土地利用/覆盖变化将对径流有什么影响？采用更高效的灌溉技术会发生什么？农作物构成发生变化时会怎么样？如果气候变化改变了需求和供水会怎么样？WEAP把需求端问题，如用水规律、设备效率、回用策略、成本和配水，与供给端问题，如河流流量、地下水资源、水库和调水，放在同等的地位来考虑。WEAP模型研究内容数字流域构建=>流域离散化与参数化气、水、地、人变化检测=>初步判断水文水资源变化的成因区分CC与人类贡献率（SWAT）=>揭示水文水资源响应机制构建综合评价模型（SWAT-WEAP）=>评价水资源脆弱性情景模拟与分析=>筛选、构建适应性模式1、老哈河数字流域信息平台空间数据准备：离散化与参数化DEM河网水系土地利用图1:10万空间离散化：子流域、HRU土壤类型图1:100万研究内容数字流域构建=>流域离散化与参数化气、水、地、人变化检测=>初步判断水文水资源变化的成因区分CC与人类贡献率（SWAT）=>揭示水文水资源响应机制构建综合评价模型（SWAT-WEAP）=>评价水资源脆弱性情景模拟与分析=>筛选、构建适应性模式2.1气候变化趋势及跃变点检测

年降水没有明显的趋势变化，即没有明显变干的趋势。春季降水有显著增加趋势（95%）；其他三个季节则没有显著特征。降水量变化周期为12a。1降水量趋势及跃变年降水变化差值（1949-2006）

年均气温有明显的正趋势变化，并通过显著检验（a<0.01）。有明显的跃变点，跃变点为1986年（a<0.01）。4年均温趋势及跃变年均温变化差值（1949-2006）20图1阈值95%、98%6-8月降水日数图2阈值98%6-8月累计降水

图3阈值98%最高气温6-8月日数

1990s不仅夏季极端降水日数增多，而且极端降水的强度增大。夏季极端高温事件90年代后期后有明显上升趋势，之前变化并不明显。5极端天气变化气温升高趋势明显，在1986年有显著跃变年降水没有明显趋势变化，但春季降水有显著增加趋势90年代夏季不仅极端降水日数增多，而且强度增大结论径流年变化

年径流量1961～2000近40a总体有不显著的减少趋势1961～1990年有显著的减少趋势，即自60年代开始减少，到80年代减少最为明显；90年代又有所回升。1图11961-2000年老哈河多年平均径流量比较2.2水资源变化特征年径流量有不显著的跃变，春季径流量有显著的跃变，跃变年份为1980年，即1961～1980明显大于1981～2000年的平均值。其中4月份比整个春季跃变更为显著，跃变年份亦为1980年。径流跃变

2图老哈河流域径流跃变检测（a:年b:春季c,d:4月份.Vk:CUSUM.Sk:Cumulativedeviation）径流系数年变化

31961～2000年期间，年径流系数表现为显著负趋势变化。在相同的降水量条件下，70年代和90年代产生的地表径流量只有60年代的80%，80年代只有60年代的50%。

1967年为跃变年（a<0.05），1967年发生跃变后，径流系数呈现不明显的波动下降趋势，在1981年附近达到最小值，然后又有所回升。图多年平均径流系数变化(1961-2000年)图径流系数跃变检测(1961-2000)Cumulativedeviation基流变化表不同水文站各年代基流量值单位：acre-ft年份赤峰干沟子60年代105698.316664.170年代64573.811933.480年代38389.79212.9

赤峰水文站80年代与60年代相比，基流量下降了63.7%，干沟子水文站基流量下降了44.7%。总之，从60年代到80年代，老哈河流域基流量下降趋势非常明显。5结论

年径流量近40a期间有不显著的减少趋势，而1961-1990年30a期间有显著的减少趋势；

年径流系数表现为显著负趋势，在相同降水量下，70s和90s产生的地表径流量只有60s的80%，80s只有60s的50%；

60s至80s，基流量下降趋势非常明显。

2.3人口、社会、经济与政策变化特征

总人口呈持续上升趋势、粮食播种面积和耕地面积先降后升再降、粮食总产量和农业总产值先缓慢上升后快速上升再突降、工业总产值和国内生产总值先缓后快持续上升。

社会经济与政策驱动―以敖汉旗为例（1984年前）图敖汉旗牲畜数量指数变化与政策驱动图

以1984年为界，对社会经济变化与政策驱动进行分析，表明社会经济活动的变化受政策影响较大，国家和区域政策变动是驱动社会经济活动转变的一个主要原因。30研究内容数字流域构建=>流域离散化与参数化气、水、地、人变化检测=>初步判断水文水资源变化的成因区分CC与人类贡献率（SWAT）=>揭示水文水资源响应机制构建综合评价模型（SWAT-WEAP）=>评价水资源脆弱性情景模拟与分析=>筛选、构建适应性模式3、基于SWAT模型的水文水资源的响应模拟

流域不同时期水文水资源对气候变化的响应；流域不同时期土地利用/覆盖变化对水文要素的影响；定量区分气候与人类活动在水资源变化中的影响份额

。率定期验证期模型率定和验证Haoetal.,2011径流随降水增加而增大，随气温升高而减小；和气温相比，径流量对降水的响应更为显著；气温升高和降水减少对汛期径流的绝对影响量更为显著。主要结果结果1：径流量对气候变化的敏感性分析径流量变化/%降水变化/%-30-20-100102030气温变化/℃-3-76.57-60.53-37.53-7.7429.9174.6130.74-2-76.85-60.25-36.98-7.0330.2378.15133.43-1-75.15-57.65-33.43-2.2934.8583.13139.150-73.84-56.42-31.73037.2284.63141.331-74.36-57.88-33.39-2.1334.2278.9133.232-74.83-59.19-35.52-5.1430.2673.05126.043-75.27-60.06-36.9-7.1527.7469.22120.62年变化月变化土壤水变化(%)降水变化(%)30↓20↓10↓010↑20↑30↑气温变化(℃)3↓-22.15-11.68-3.911.606.2210.0012.662↓-26.02-16.33-7.86-1.703.197.039.521↓-24.48-14.13-5.800.675.709.2711.500-25.25-13.99-5.720.005.278.9511.491↑-28.11-15.82-7.15-1.394.157.9110.432↑-32.14-18.64-8.91-2.722.756.649.283↑-38.13-21.42-10.68-3.911.125.508.33土壤水含量随气温升高而降低，随降水增加而升高。土壤水对降水的响应比对气温更敏感，但响应程度不如流量显著。结果2：土壤水分对气候变化的敏感性分析

土壤水在气温较高时比较低时响应更为敏感。当降水减少时，土壤水对气温的变化更为敏感，图形上：随着降水的增加，曲线族趋于收敛，而随着降水减少，曲线族趋于发散。降水减少相同幅度比增加相同幅度对土壤水影响更显著。降水对土壤水影响随气温升高而更明显，即气温越高，土壤水对降水越敏感，随着气温降低，降水对土壤水影响愈不显著。土地利用/覆盖变化影响径流量的模拟表明：尽管土地利用、覆盖变化对地表径流及蒸散发的影响小于气候变化的影响，但其加剧了气候变化对地表径流以及蒸散发的影响，使得其波动进一步增大。结果3：土地利用/覆盖变化对水文要素的影响40时段径流量(m3/s)气候变化人类活动观测值模拟值变化值影响值(m3/s)影响值

(m3/s)1961-196733.5230.72---------1968-198518.1048.30-15.4214.78-30.201986-200023.0957.78-10.4324.26-34.69

人类活动是径流量减少的主导因素，1990-2000年，人类活动影响最为明显，但由于降水较多，径流量减少最不明显；人类影响较明显的为1980-1989年，加上降水偏少，径流量减少最为明显；人类活动影响最不明显的是1968-1979年。上游较下游受人类活动影响相对较小。结果5：气候与人类活动因素对径流量变化的影响PeriodClimateinducedDci

(cms)HumaninducedDci(cms)1968-19793.02-4.321980-19860.74-3.571968-19862.18-4.08PeriodClimateinducedDci

(cms)HumaninducedDci

(cms)1968-19792.36-10.231980-1986-1.54-12.661968-19860.31-10.64上游#26#27下游#7Haoetal.,2012研究内容数字流域构建=>流域离散化与参数化气、水、地、人变化检测=>初步判断水文水资源变化的成因区分CC与人类贡献率（SWAT）=>揭示水文水资源响应机制构建综合评价模型（SWAT-WEAP）=>评价水资源脆弱性情景模拟与分析=>筛选、构建适应性模式4、基于SWAT&WEAP模型的水资源脆弱性评价

如果气候与前期类似，按照流域水资源利用现状发展，水资源脆弱性如何如果气候与前期类似，多种水资源利用情景下流域的水资源脆弱性如何如果气候发生变化，按照流域水资源利用现状发展，水资源脆弱性如何不同的气候条件与多种水资源利用情景下流域的水资源脆弱性如何以水短缺量为指标，定量分析气候变化下不同人类利用方式对水资源脆弱性的影响：流域供需系统构建根据老哈河流域历年水文、水资源、社会经济以及实地调查数据，设置水资源供给与需求系统中有形实体空间布局图。Haoetal.,2012结果如果气候与前期类似，按照老哈河流域水资源利用现状发展，需求短缺量最多的是农业用水、其次为工业用水以及农村生活用水，城市生活用水与畜牧业用水需求短缺量最少。需求短缺量增长量最大的仍然是工业用水，后期短缺的水量是前期的10倍多，其次是农业用水，后期短缺量是前期的3.5倍。即农业、工业用水脆弱性最大年变化月变化结果1：气候与前期类似时的水资源脆弱性

改变种植结构、发展畜牧业不仅可短期内有效缓解流域水短缺量，而且从长期看，可以有效缓解水短缺趋势。限制地下水使用是可持续利用水资源的有效措施。水库可有效缓解水短缺量，在极端降水天气增多情景下，这种缓解作用要更为明显。但是基于供水端的措施在暖干化时由于水资源供给来源受限，其适应性有所减弱。非气候变化因素大多时候比气候变化对水资源的影响更大。结果2：气候与前期类似，不同人类利用情景下水资源脆弱性与预案差值与预案差值

气候暖干化下水资源短缺量最多，极端气候情景次之，然后为气候与前期类似情景，暖湿化短缺最少。后期与前期比较，水资源短缺量增长幅度在暖干化下也最大，在暖湿化下增幅最小值得注意的是，升高同样的气温（2℃），减少10%的降水较增加10%的降水对需求短缺量的影响更大。即暖干化天气明显加剧了老哈河流域水资源系统的脆弱性。结果3气候变化下流域水资源脆弱性与预案差值与预案比较不同情景水资源需求短缺量多年平均量与基准相比差值单位：106m3

暖干化气候加剧了人类活动对水资源脆弱性的影响，使得那些缓解水资源脆弱性的人类活动缓解效果更为有效，而使得那些加剧水资源脆弱性的人类活动其程度更有所加深。情景参照预案暖干化暖湿化参照预案基准0.000.000.00地下水过度利用13.8115.6015.66发展畜牧业-384.42-454.23-336.87高效节水灌溉-89.96-103.80-77.80工业高速发展592.89600.52589.45快速城市化13.9513.1513.84水回用计划-34.22-35.78-31.57提高工业水价-11.06-11.10-9.92限制使用地下水-14.82-17.78-11.57种植结构改变I-384.60-454.47-337.03种植结构改变II8.839.737.93增加水库-100.93-103.29-95.95结果4不同气候与人类活动情景下水资源脆弱性50研究内容数字流域构建=>流域离散化与参数化气、水、地、人变化检测=>初步判断水文水资源变化的成因区分CC与人类贡献率（SWAT）=>揭示水文水资源响应机制构建综合评价模型（SWAT-WEAP）=>评价水资源脆弱性情景模拟与分析=>筛选、构建适应性模式5、区域水资源适应模式

供给端模式：是从供给端角度，增加水资源收集与分配，防御水短缺的模式，是考虑充分利用地表水、以及合理利用地下水（有限制地）等措施的模式，其目的是增加供水。

需求端模式：是从需求端角度，有效利用有限水资源，并可改变由于气候变化所导致的水资源胁迫的模式，其目的是如何在满足生产、生活、生态需水前提下，最大程度削减用水。

供需模式：是把水资源需求端与供给端置于同等地位，并以需求端为主，兼顾生产、生活与生态系统可持续发展、考虑气候变化影响的水资源开发利用综合管理模式。管理机制供给端模式需求端模式管理对象供水端需求端管理目的增加水分收集与分配有限水资源的有效利用、合理配置协调水分的供需平衡管理方式防止胁迫、消除胁迫改变胁迫、减缓胁迫是否考虑气候变化影响较少考虑气候变化影响较多考虑气候变化影响相关研究问题河流流量、地下水资源、水库和调水等用水规律、设备效率、回用策略、成本和配水等手段措施加强洪水防御、建造堤堰、水库、利用储水区部门需求分析、水权和分配优先顺序、项目损益分析特点有效，但不能兼顾生产、生活、生态，不可持续有序，可以兼顾生产、生活、生态，可持续需求点措施现状模式P0供给端模式PS需求端模式PD供需模式PDS农业发展畜牧业√√改变种植结构√√高效节水灌溉√√增加水库蓄水√√工业提高工业用水回用率√√提高工业水价√√减缓工业发展速度√√生活降低城市生活用水率√√提高生活用水回用率√√生态增加生态需水√限制使用地下水√√调配上下游水量调配√离河远近水量调配√干湿年份水量调配√不同适应模式采取的措施不同适应模式下水资源供需变化气候与前期类似时，不同适应模式无论是对年内还是年际水短缺的缓解作用差异均很显著，在水短缺年份，四者缓解作用分异更加明显，其中“供需模式”从供给端角度可明显增加可利用水资源量，从需求端角度可有效利用有限水资源，因而显著缓解了水资源压力采取不同的适应模式，气候变化对水资源供需变化的影响是不同的，在供给端和需求端同时采取措施的“供需模式”中，可以明显缓解气候变化所造成的影响，尤其是缓解暖干化气候所带来的影响。不同气候下各种适应模式比较模式情景需求短缺量地下水储量满足度/%现状模式P0S0000.00SE563-0.10SD92-14-1.48SW-61140.90需求端模式PDS0000.00SE7-5-0.04SD17-15-0.60SW-1180.37供给端模式PSS0000.00SE3840.01SD89-10-1.22SW-57100.76供需模式PDSS0000.00SE7-1-0.03SD19-9-0.46SW-1040.2443ModelingLongTermSoilMoistureandEvapotranspirationDynamicsinaTemperateGrasslandinInnerMongolia,ChinaLuHao1,GeSun2,YongqiangLiu2,andGuangshengZhou3

1.IceMe,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,2.USDAForestService3.ChineseAcademyofSciences44TheXilinGolSteppeisoneofthefewwell-preservedareasoftheInnerMongoliagrasslandregion.Theoverexploitationofwaterresourcesinthisbasinhasresultedinaseriesofecologicalandenvironmentalissues,includingthedryingupofriversandlakes,grasslanddegradationandravagingduststorms.45BackgroundConcernsofglobalclimatechangeandlandusechangeinMongoliaPlateauandfeedbacks–averysensitiveregion;Evapotranspiration(ET)isthekeycomponentofwaterbalanceinaridandsemiaridtemperategrasslandswherewateravailabilityisamajorlimitingfactorforecosystemfunctions.UnderstandingtemporalvariationofET

andsoilmoisture

canhelpexplaintheobservedenvironmentalchanges(i.e.,landdegradation,groundwaterdecline,climatechange):grasslandmanagementimplications46QuestionsAskedHasthesoilmoisturechangedsignificantlyduringpast22years(1991-2012)atmonitoringsite,atypicalgrassland,ontheInnerMongoliaPlateau?Couldclimatechangeexplaintheobservedchangesinsoilmoisture?Biggerquestion:Wasgrasslandsdegradationcausedbyclimatechangeorhumaninfluences(overgrazing,groundwateroveruse)?47ResearchSiteXilinhotXilinGolLeagueXilinhot:NationalMeteorologyObservationStation44o08'03"N,116o19'43"E,1030mMeanPrec=281mm,MeanTem:2.3oCSoil:chestnutsoil(Chinesesoiltaxonomy)Vegetation:Stipakrylovii,andLeymuschinensis48MethodsSoilmoisturemeasurements(10,20,50,70,100cm)wasobservedfor22years(1992−2012)every10days/monthDailyETmeasuredbyaweighinglysimeter(2011−2012)andeddyflux(2004−2006).TheMIKESHE,simulateslongtermwaterbalances49Weighinglysimeter

(dailyET)Soilprofile(SoilmoisturecontentandSoilphysicalparameters)

R:Soilrelativehumidity,W:soilmoisturecontent

(weightbased);fc:fieldcapacitymwiswetsoilweight,mdisdrysoilweightEffectiveETareais4.0m2undisturbedsoilcolumnsdeepis2.6mtestaccuracy0.1mm,thesensitivityisof0.01mm.50MIKESHEModelFAOEtoET=

f

(LAI,SMC,Eto,RootD)

KristensenandJensen(1975)RichardsEquationforunsaturatedflowmodelingMODISLeafAreaIndexorMeasuredCalibratedwithSMCandET51Results1.MeasuredSoilMoistureDynamics.2.ClimaticVariabilityandChange.3.MIKEModeledLongtermETandSMC.5210cm50cm70cm100cmDuringthepast22years(1991−2012),soilmoistureatboth70and100cmdepthsdramaticallydecreasedwhileothertwolayersshowedminimumchanges53AnnualMeanRelativeSoilMoistureContent(%)Z-trend:10cm(-0.48),20cm(-0.51),50cm(-2.2,95%),70cm(-2.73,99%),100cm(-1.75,95%)54Climatewarminganddrying(Annual)Increasedtrendinairtemperature;Decreasedtrendofprecipitation(especiallyduringtherainyseasonfromJulytoSeptember);Moreobviouslyinthelasttwodecades.55Climatewarminganddrying(Seasonal)(1956-2001)Growingseasonsshowincreasedtrendinpanevaporationanddecreasedtrendinprecipitation(especiallyfromJul.toSep.)M-Ktest56Thelowestpptis2000s,followedby1980s,then1960s.The1970sishighest,verysimilarwiththe1990s.Theproportionofgrowingseasons(Apr.-Sep.)in2000sdecreasedmost.Thelowesttotaldaysofdailyppt≥10mmis2000s(51d),whichisalsothelowestofppt≥25mm(7d).The1970sishighestforboth,verysimilarwiththe1990s.AnnualmeanpptduringdifferentperiodsTotaldaysofdailyppt≥10mmor≥25mm

PPTindifferentperiods5710-dayPis~30mm,theSMC<50cmchanged,SMCincreasedthanprevious(Fig.a.b)10-dayPis~70mm,theSMC<70cmchanged(Fig.c)10-dayPis~117mm,theSMC<100cmchanged(Fig.d)Watersupplementofheavyraintodeepsoillayersisimportant.Heavyrain:Examplesabcd58MIKESHEResultsDailyET(2011−12)

(Nash-SutcliffeR2=0.73;CorrelationCoefficientR=0.87)Soilmoisturecontent,foursoildepths(10,50,70,and100cm)(1991-2012)(Nash-SutcliffeR2=0.12−0.27;R=0.33−0.78)5960Duringthepast22years(1991−2012),onlyhalfofthetimesdidprecipitationmeetETdemand.62