全球变化下水文学面临的问题与挑战

水文学作为地球科学的重要分支，研究的核心是水循环规律。在全球变化的背景下，水文学研究内涵及时空尺度发生重大转变，从传统流域尺度向区域和全球尺度延伸，从自然驱动向自然和人类活动双驱动下水循环演变方向发展，从陆面以“水”为主要对象的水文过程向陆面“水-生态”等多过程以及“大气-水文”等多圈层耦合方向发展。从传统工程水文学水文测验、水文预报和水文水利计算(“测、报、算”) 来看，全球尺度水文学研究中的观测内容不仅包括降水、蒸散发、径流等，而且向大气水分、能量、陆面生态等观测延伸；水文预测预报不仅包括中短期洪水、干旱预测预报，而且包括全球气候变化、大规模人类活动下水文过程演变预测；水文水利计算从传统的水库演算、水资源评价、频率计算向水循环通量、水资源演变、非一致性频率计算方向发展。

在全球变化背景下，水文学研究需要认知自然演变和人类活动影响下百年乃至更长历史时期河川径流、旱涝事件等历史演变规律，预测其未来变化趋势。目前，水文学研究主要采取两种途径：一是根据历史资料，建立水文要素与气候、下垫面等影响要素之间的统计关系；二是建立水文模型，根据历史资料进行模型参数率定和验证，分析水文过程历史演变及其影响要素，预测或外推未来演变趋势。这种基于历史观测信息模拟和预测方法的基本前提是历史资料具有足够的代表性，不仅能反映水文历史演变及其影响要素的全过程，而且根据历史数据得出的演变趋势延伸至未来也具有代表性。在自然条件下，水文学通常假设降水、气温等气候要素变化的统计特征(均值、方差)不随时间变化，下垫面稳定，水文过程的长期变化呈现为稳态(stationary)或一致性特征，因此根据历史观测资料建立的降水-径流响应统计关系或水文模型，预测或外推未来具有可行性。但在全球变化背景下，气候及下垫面变化导致水文过程的长期变化呈现为非稳态(non-stationary)或非一致性特征，需要建立新的理论和方法。

太阳辐射和重力作用是形成水循环的驱动力，其为水循环中水的物理状态变化和运动提供能量。降水、潜在蒸散发等是水循环的驱动要素，传统水文学将受气象要素影响的降水、潜在蒸散发等长期变化特征假设为稳态，即不呈现趋势性和跳跃性等变化。如上所述，全球升温背景下，区域性降水和极端降水事件呈现趋势性变化。由于气温升高、太阳辐射量、风速等气象要素趋势性变化的非一致性和非同步性，水循环过程趋势性出现异质性变化，如气温升高背景下潜在蒸散发应呈现增加趋势，但一些地区太阳辐射量、风速等下降导致潜在蒸散发量在20世纪下半叶呈显著下降趋势，引发“蒸发悖论”现象。

在自然条件下，陆面水流运动受重力作用，水从高处向低处流。但在大规模调水工程和地下水开发利用工程中，受人类采用油和电驱动的抽水泵等外力作用，会改变水的自然流动方向和传递速度。增加的额外能量和动力，导致水文过程或降水-径流关系呈现非平稳的变化趋势，例如，农灌区地下水大规模过量开采，导致地下水位持续下降、包气带增厚、河流流量减少甚至枯竭。这种人类活动导致的水文变量非平稳或非一致性变化，降低了水文过程的可预测性，如由历史某一阶段观测资料建立的降水-径流关系或确定的模型参数，应用于另一时期或未来降水-径流模拟和预测将产生系统性误差。

▲ 地下水位下降及包气带增厚

人类活动包括工程措施和土地利用/土地覆盖变化，其水文效应可分为直接影响和间接影响两类 (王浩等，2005)。直接影响包括兴建水库、闸坝、灌渠、跨流域调水、农业灌溉、工业生活用水、河道挖沙等使水循环要素发生时空分布变化的各项措施；间接影响通常是指人类活动通过改变陆面状况、局地气候等影响水循环过程的各种活动，如植树造林、城市化、植被退化、围垦造田等。

相对而言，跨流域引水、大型水库等水利工程措施，这类人类活动时间短、范围小，但可突然改变水循环要素，而且一旦改变，将产生长期持久的显著影响。当水库建成蓄水后，经水库调蓄，河川径流年内、年季变化变缓。而植树造林、城市化等长期的人类活动，其水文效应是渐变的，且对水文要素的影响也是逐渐加重的。如大规模植树造林，随着植被生长，蒸散发量持续增加，可导致径流量减少，径流过程变缓。

变化环境下降水、径流序列统计规律以及降水-径流响应关系具有时变性。现有基于稳定环境背景径流序列一致性前提，即统计规律在过去和未来保持不变不再成立。目前，采用水文模型等方法把径流序列“还原”、“还现”到某一环境背景的一致性修正方法，受流域产汇流过程时空变化规律认识以及水文模拟方法限制，无法准确地描述变化环境下流域水文情势演变规律，“还原”、“还现”序列的可靠性受到质疑。Milly 等(2008)在 Science 发表文章指出，流域径流系列形成的环境背景一致性不复存在，采用现有的工程水文分析方法制定的流域开发利用工程、防洪和抗旱工程的运行调度等，将面临由变化环境带来的风险。因此，正确认识变化环境下水文情势演变规律，提出适应变化环境的工程水文计算的理论与方法，对于水资源的可持续利用、防灾减灾、水利工程安全运行管理以及保证经济发展和社会稳定等具有重要的现实意义。

▲ 工程水文设计两种途径基本假设

▲ 径流非一致性变化示意图

降水、径流等水文要素时间序列的非一致性或非稳定性，体现为概率分布或统计特征 (均值或方差等)的时变性，并且这种时变性受物理成因控制。自从Milly等(2008)提出流域径流系列非稳定性以来，Koutsoyiannis 和 Montanari (2015)对此提出异议，认为目前由于水文观测序列长度较短(如我国大部分水文站点观测资料仅有60多年系列长度)，短时段呈现的非平稳性(下图中的过去)，在长时间序列中具有平稳性，从而认为平稳性是永恒的。因此，需要长时段水文资料分析序列的统计特征变化，并辨识其变化的物理成因，即局部时段均值的变化(图中的局部平均)是确定性的还是随机性的。如果局部时段均值的变化是由确定性成分控制的，则水文序列统计特征具有非平稳性；如果局部时段均值的变化也是随机的，则水文序列统计特征具有平稳性。

▲ 水文序列长期变化示意图

 修改自Koutsoyiannis和Montanari(2015)

降水、蒸散发和径流是水文过程三个最主要的环节，这三者构成的水循环途径决定着全球的水量平衡，也决定着一个地区的水资源总量。在传统水文演变研究中，将气候变化和人类活动等作为水文过程长期演变的驱动力，看作与陆面(水文)过程独立的因变量。在预测未来水文过程演变时，假设未来气候变化条件已知(如采用大气环流模式(general circulationmodels，GCMs)预测结果)，也较少考虑未来社会经济发展对下垫面变化的影响。这种方法适用于针对特定历史时期的水文演变分析，不适用于水文过程长期演变模拟和预测。

▲ 气候及下垫面变化对流域水文过程影响分析步骤

在全球变化背景下，大气-陆面(水文、覆盖)-人类活动之间是相互作用的。例如，大规模森林砍伐和恢复导致的覆盖变化通过影响地表物理特征的变化，如反照率、蒸发蒸腾和地表粗糙度，改变大气和水文过程；同时，降水和水文条件的变化又会影响植被恢复程度和长期稳定性。已有研究表明，如果大面积的雨林被烧毁，相邻区域的降水量会大大减少，导致没有充足的雨水来维持森林的正常生长。如果被毁坏的森林面积相当大，邻近林区所失去的降水量也会相应加大，甚至大到足以加强周期性干旱，使得更多的树木会慢慢死去，进而进一步减少降水量，反过来又加速森林的死亡。当荫蔽大地的树冠消失后，森林地面突然变暖，排放出大量甲烷和二氧化碳，发生一种生物化学的“燃烧”现象。死亡的树干和树枝大量增加，使白蚁群激增，这也会产生大量甲烷。这种反馈过程自身放大了全球变暖的效应(彭少麟，1998)。

气候升温条件下农业用水量将呈增加趋势，农业灌溉用水量的增加又增加了大气中的水蒸气，改变了地表潜热和显热，进而改变了地表土壤湿度和作物长势，影响大气降水、土壤水、植被耗水、地下水转化过程。在城市化进程中，人为改造的下垫面或人工下垫面，形成不透水或弱透水的城市陆面、人工河岸带、立体建筑物，以及一系列取水口、排水口、城市管网等，不仅改变了城市水文过程，而且形成的城市热岛效应改变了局部气候。因此，若按照城市化前历史降水资料作为城市防洪、供水等工程规划依据，随着城市化进程推进，一些设计和规划的结果将不再适应。因此，全球变化背景下，大气-陆面(水文)-人类活动长期演变互为因果关系，需要将上述过程进行耦合。

▲ 气候-人类活动-流域水文相互作用示意图

入渗、汇流、蒸散发等水文物理过程的基础是建立在微单元尺度上的基本微分方程，其求解可以定量描述流域三维空间水文过程动态变化。在实际应用时，基于较为完备的水文物理方程解析解和数值解的模型需要详细的植被、土壤、基岩破碎带、河流水系等下垫面特征资料，气象资料以及地表径流、土壤水、地下水、蒸散发等水文观测资料。受流域下垫面异质性影响，观测尺度(土壤水、地下水位等点尺度、流域出口流量的面尺度)、计算尺度 (如分布式模型网格单元、子流域单元)与水文空间变异尺度(如土壤渗透能力、植被蒸散发等空间差异)通常不匹配，即便在实验流域，观测资料也难以完全满足水文物理模型中参数率定和过程描述的需求。

在流域尺度上，复杂非均质下垫面的产汇流多种路径组合(整合)是引发水文过程复杂化的主要根源。目前，水文模拟和预测主要根据有限观测资料对模型进行训练(参数率定和验证)，得出反映观测期内不同下垫面类型(林地、农田、城市、水域等)产汇流过程或下垫面各种组合特征下的降水-径流响应关系。由于有限的观测资料不足以限定描述水文动态过程的参数或变量，产生异参同效、不确定等一系列问题。但在稳定下垫面条件下，根据历史观测资料训练的模型参数化方案，外推(预测)气候变化和人类活动影响下水文演变的结果，模拟和预测结果的误差放大效应可控、可预估。

▲ 流域下垫面及特征单元划分

非稳定下垫面通常可看成不同类型下垫面 (林地、农田、城市、水域等)的组合发生变化。但由于不同下垫面水文过程的非线性，基于某一特定下垫面特征得出的模型参数或降水-径流响应关系，不能简单地外推(预测)另一种下垫面条件下的水文过程，且水文过程具有非线性特征，下垫面类型组合发生变化下的流域水文过程，不是简单地用各下垫面面积加权线性叠加的结果。因此，非稳定下垫面下流域水文过程受非线性、尺度效应影响，根据历史观测资料得出的结果或建立的关系外推，预测结果不确定性将放大。

为应对环境变化，在科学层面上需要回答气候变化和人类活动对水循环要素变化的影响机理；在工程水文计算方面，需要回答变化环境下暴雨、洪水等水文极值的时空分布变化以及流域水文过程演变趋势。

《气候和人类活动对水循环的影响机理》（陈喜等著．北京：科学出版社，2022.9）一书主要内容是基于国家自然科学基金重大项目“变化环境下工程水文计算的理论与方法”(51190090)以及第一课题“气候和人类活动对水循环的影响机理”(51190091)的研究成果。本书系统分析了我国1950 年以来大气环流、降水、蒸散发、径流等水循环要素的变化特征。根据典型流域(淮河流域、黄河流域等)观测实验资料，探讨气候变化对水循环要素演变特征、辨识方法以及极端水文事件变化的驱动机制，提出区域气候、下垫面以及降水-径流响应变化的定量分析方法。建立水文序列以及降水-径流关系非一致性变化辨识的统计分析方法，构建气候和下垫面变化对径流变化、地表-地下水转化影响辨识的水文模型方法，分析变化环境下水文模拟的不确定性。探讨流域/区域气候-景观-水文特征之间协同演化关系，量化CO₂浓度升高对植被动态及水文过程的影响程度。

第1章介绍全球变化与水循环基本概念，包括全球气候和人类活动的历史过程，全球变化下水文学研究面临的问题和发展途径；

第2章介绍极端降水及旱涝演变，分析我国旱涝时空演变格局及其成因，以论证气候变化下降水系列的非一致性演变规律；

第3章介绍河川径流变化及其影响要素，分析我国主要河流自20世纪50年代以来的年径流变化特征及其与降水、灌溉等的关系，典型流域植被变化、梯级水库、地下水开发利用对河川径流的影响程度，以论证人类活动影响下降水-径流的非一致性演变规律；

第4章介绍流域水文要素时空异质性及变化趋势辨识，分析流域内不同站点极端降水(集中度)时变的非一致性或异质性以及其对流域平均极端降水(集中度)演变趋势辨识的影响，不同气候区潜在蒸散发变化的控制要素以及气象水文要素(如温度)非一致性统计特征和辨识方法，以论证流域尺度水文极值存在的时空非一致性及其驱动要素；

第5章介绍变化环境下流域水文模拟与不确定性分析，针对典型流域，利用概念性水文模型和分布式水文模型区分气候和下垫面变化对径流影响的贡献率，地下水开采对地表水与地下水转化的影响程度，探讨流域水文模型不确定性和概念性水文模型参数的时变性，为评估气候变化和人类活动影响下的水文过程演变提供参考依据；

第6章介绍气候-景观-水文演变互馈机制及定量识别，基于统计分析和 Budyko公式，阐明泾河流域土石山区和黄土高原区气候-景观-水文演变之间互动关系的区域规律以及变化环境对径流和基流的影响程度；利用全球动态植被模型Lund-Potsdam-Jena(LPJ)，量化CO₂浓度升高对植被动态及水量平衡的影响，探讨流域/区域气候-景观-水文之间的依存关系以及协同演化效应。

本文摘编自《气候和人类活动对水循环的影响机理》（陈喜等著．北京：科学出版社，2022.9）一书“第 1 章 全球变化与水循环”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-073203-3

本书围绕全球变化下水循环演变，研究全国和典型气候区大气CO₂浓度和气温升高以及下垫面覆被、水库、灌溉等变化下，大气环流、降水、蒸散发和径流的演变规律。建立水文序列以及降水-径流关系非一致性变化辨识的统计分析方法，构建气候和下垫面变化对径流变化、地表-地下水转化影响辨识的水文模型方法，分析变化环境下水文模拟的不确定性。探讨流域/区域气候-景观-水文特征之间协同演化关系，量化CO₂浓度升高对植被动态及水文过程的影响程度。本书可供水文学、地理学、大气科学、生态水文学等学科研究人员及高等院校相关专业的师生参考。

（本文编辑：刘四旦）