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汤秋鸿, 黄忠伟, 刘星才, 韩松俊, 冷国勇, 张学君, 穆梦斐. .人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响. 地球科学进展, 2015, 30(10): 1091-1099
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Copyright©2015, 地球科学进展 编辑部
人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响
汤秋鸿1, 黄忠伟1,2, 刘星才1, 韩松俊3,4, 冷国勇1, 张学君1,2, 穆梦斐1,5
1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京 100101
2. 中国科学院大学,北京 100049
3.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038
4.国家节水灌溉北京工程技术研究中心,北京 100048
5. 清华大学水利水电工程系,北京 100084

作者简介：汤秋鸿（1981-）,男,湖南岳阳人,研究员,主要从事水文学研究.E-mail:[WT6BZ]tangqh@igsnrr.ac.cn

基金:国家杰出青年科学基金项目“陆地水循环变化与全球变化的关系”(编号：41425002); 全球变化研究国家重大科学研究计划项目“中国及全球环境风险的区域规律研究”(编号：2012CB955403)资助
摘要

随着人口增长和经济社会快速发展,人类活动已成为陆地水循环变化的重要驱动因子,人类用水活动对陆地水循环的影响越来越受到人们的关注。回顾近年来人类用水活动对大尺度陆地水循环影响方面的研究进展;阐述灌溉、生活和工业用水、水库调节以及地下水利用等典型人类用水活动影响大尺度陆地水循环的过程与机制,并在此基础上探讨了陆面水文模型中人类用水活动参数化方案及其存在的问题。目前,陆面水文模型对人类用水活动的考虑依然不足,使得应用模型模拟陆地水循环和评估变化环境下水资源安全面临挑战。展望未来,深入认识人类用水活动与水系统的影响与反馈,开发考虑人—水系统协同演化的水系统综合评估模型,预估水安全形势的演变趋势,将成为陆地水循环和水资源研究的长期重要任务。

关键词: 人类用水活动; 陆面水文模型; 参数化方案; 陆地水循环
中图分类号:P933 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2015)10-1091-09
Impacts of Human Water Use on the Large-scale Terrestrial Water Cycle
Tang Qiuhong1, Huang Zhongwei1,2, Liu Xingcai1, Han Songjun3,4, Leng Guoyong1, Zhang Xuejun1,2, Mu Mengfei1,5
1.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
4. National Center of Efficient Irrigation Engineering and Technology Research, Beijing 100048, China
5. Department of Hydraulic Engineering,Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract

Along with the increase of population and extraordinary economic and social development, human appropriation of freshwater supply increases rapidly. Anthropogenic activities have become an important driving factor of the large-scale terrestrial water cycle. The hydrological effects of human water use have attracted growing attention. In this paper, we briefly reviewed the recent studies addressing the anthropogenic disturbance of the largescale terrestrial water cycle. The review focused on the direct alteration of the water cycle for human needs, with special coverage for the primary aspects of human water use such as irrigation, domestic and industrial water use, reservoir regulation and groundwater mining. The state-of-the-art parameterization schemes of human water use for macroscale land surface hydrological modeling were introduced and the limitations of the schemes were discussed. Considering the impacts of human water use on the terrestrial water cycle is currently a challenge for macroscale land surface hydrological modeling, which hinders the use of the models in assessing water resources under changing environment. Further studies are needed to understand the interactions between human and water systems, to develop integrated assessment model of coupled humanwater systems, and to assess regional and global water security.

Keyword: Human water use; Hydrological model; Land surface scheme; Terrestrial water cycle.
1 引言

水, 不仅是人类生产与生活的基础, 更是陆地生态系统正常运行的必要条件。然而, 由于水资源时空分布不均匀及经济社会对水资源需求不断上升, 水资源问题在全球许多国家或地区已成为制约社会和经济发展的一个重要因素, 因而引起了人们的严重关注。人类通过取用水活动和改变环境（如气候变化和土地利用/覆盖变化）直接或间接地影响着陆地水循环。人类活动对陆地水循环的影响主要体现在如下几个方面：①直接取水, 比如引水灌溉、跨流域调水、地下水抽取等直接取用水方式导致水循环过程的改变[1]; ②利用水库、闸门等水利工程设施人为控制水循环过程; ③改变下垫面从而影响流域产汇流条件, 如土地利用/覆被变化、城市化、水土保持工程和河道整治等影响蒸发、下渗、产流、汇流等流域水文过程[2]; ④通过蒸散发管理和人工干预天气等影响大气系统从而改变区域水循环过程; ⑤随着人类社会工农业的发展, CO2等温室气体的排放显著增加, 全球气候和生态系统随之变化[3]; 温度、降水、风速、辐射、植被等因子的变化可能会对陆地水循环产生重大的影响[4~8]。人类用水活动不但直接改变了微观尺度的水循环过程, 其累积效应也体现在大尺度陆地水循环中, 给区域水资源形成、调配和利用都带来了深刻影响。因此, 本文重点关注人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响。

2 研究进展

人类活动的水文效应一直是国内外研究者关注的焦点之一。国内早在20世纪70年代末就开始系统地研究人类活动对水文水资源的影响。近年来, 中国国家重大科学基础研究计划（“ 973” 计划）陆续开展了人类活动对陆地水循环影响的研究, 例如“ 华北平原地下水演变与调控[9]” 、“ 干旱区绿洲化、荒漠化过程及其对人类活动、气候变化的响应与调控[10]” 、“ 海河流域水循环演变机理与水资源高效利用[11]” 等项目; 国家自然科学基金也在“ 十一五” 规划中优先发展了“ 陆地表层系统变化与人地相互作用机理” 、“ 水循环与水资源” 等[12]领域, 重点资助人类活动对区域水循环的影响及生态效应等方面研究; 在“ 十二五” 规划中, 国家自然科学基金进一步加大了对人类活动对水循环影响研究的资助, 例如拟重点资助“ 全球系统变化的自然和人类因素” 、“ 人类活动对环境影响机理” 等[13]方面的研究。

国外的早期研究主要围绕国际水文十年（International Hydrologic Decade, IHD）和国际水文计划（International Hydrological Programme, IHP）研究主题展开, 研究内容主要包括水利工程和农业措施对陆地水循环的影响、城市化进程对水资源和水环境的影响、城市水危机等[14]。随着IHP后期阶段和国际地圈生物圈计划（IGBP）的相继实施, 国内外对变化环境下人类活动对水文水资源系统的影响研究也逐渐深入和综合[15]。在变化环境下, 越来越多的学者倾向于将陆地表层中的水看作一个整体, 称之为水系统（Water System）。2001年实施的全球水系统计划（GWSP）将全球变化、大规模水利工程建设和跨流域调水对区域水循环与水安全影响作为重要的研究课题, Vö rö smarty[16]认为各种人为因素以直接或间接方式对区域[17]和全球[18, 19]水循环产生重要影响, 并且提出了大量证据表明人类在更广泛的领域干扰陆地水循环过程, 指出由此导致的水安全和生态安全问题日益突出。

最新的国际水文十年科学计划（2013— 2022）“ PantaRhei” （万物皆流）提出了“ 处于变化中的水文科学与社会系统” （Change in hydrology and society）的研究主题[20]。Sivapalan等[21, 22]提出发展社会水文学（Socio-hydrology）, 呼吁重点关注人-水系统的协同演化, 为水资源综合管理提供基础理论。在这些重大科研项目和国际科学计划的支持和引导下, 已开展了许多人类用水活动影响的分析工作, 对人类用水活动影响过程与机理的认识不断深入, 相关模型研究也取得了丰硕的研究成果[23, 24, 25]。

人类用水活动对陆地水循环的影响非常复杂, 它随着人类用水活动的方式（例如引水灌溉、水库调节等）、时间尺度（年尺度、月尺度等）以及空间尺度（全球尺度、流域尺度等）而变化。现阶段随着水文模型的迅猛发展, 越来越多研究将反映人类用水活动的参数化方案与水文模型相耦合, 定量评估人类活动对水循环的影响。比如, 秦大庸等[26]提出了“ 自然-社会” 二元水循环理论框架, 为变化环境下水循环的基本认知模式、现代环境下水资源衰减规律等提供研究参考; 王浩等[27]建立了海河流域二元水循环模拟平台, 这些研究极大地促进了人类用水活动对陆地水循环的影响分析与模拟研究。

但是, 陆地水循环及其相关地表过程的耦合机制十分复杂, 不同的参数化方案在模型中的应用效果也不同[28], 如何改进人类用水过程在大尺度模型中的参数化表达受到广泛关注。下面本文将回顾灌溉、生活和工业用水、水库调节、地下水利用等人类用水活动对大尺度陆地水循环的影响研究, 重点关注典型人类用水活动对陆地水循环的影响机理, 及其在大尺度陆面水文模型中的参数化方案, 并探讨当前研究中存在的问题。

2.1 灌溉

随着经济社会发展和人口急剧增加, 为满足对粮食的需求, 近几十年来耕地面积显著增加, 相应灌溉用水需求不断加大[29, 30]。灌溉目的是满足灌溉农田作物的水分需求。大规模灌溉将一方面使灌区蒸发增加[31]、地下水位显著变化[17, 32], 灌溉水源的河道径流减少[33]、湖泊水库水位下降[34]。另一方面灌溉将显著改变地表反照率和粗糙程度等陆面特征, 以及陆面和大气之间的水热通量, 引起区域气候系统的改变[35]; 降水、辐射、气温、相对湿度和风速等多种气象要素都有可能受到灌溉的影响[36~39], 进而影响区域蒸散发能力并对灌溉需水产生反馈作用[40~42]。

目前关于灌溉对大尺度陆地水循环影响的研究较多关注于对区域水量平衡的影响。模型模拟是分析灌溉影响的重要研究手段, 而模型可以分为概念性模型和机理性模型。概念性模型主要应用于分析年或多年尺度灌溉对流域或区域水量平衡的影响。Biggs等[36]基于流域水量平衡方程和能量平衡方程模拟了灌溉对印度Krishna流域水热平衡的影响。基于Budyko假设的水热耦合平衡原理是研究流域（区域）蒸散发的重要方法, 但无法应用于灌区。Han等[43]通过考虑灌溉引水将Budyko假设扩展到干旱区绿洲灌区, 分析了灌溉对绿洲水量平衡的影响。

一些机理性模型被用来估算灌溉需水量, 评估灌溉用水对全球或区域陆地水循环的影响。其中, 在灌溉量的模拟上基本可以分为以下几类：①在特定时段将土壤水固定在某个状态（如饱和状态, 田间持水量）来模拟灌溉过程。例如, Lobell等[44]设置作物生长季时的土壤水分维持在饱和含水量来模拟灌溉过程。②根据当前土壤含水率低于某个设定阈值时决定是否开始灌溉, 并当土壤水达到田间持水量或饱和状态时停止灌溉。例如, Tang 等[45]设定根层土壤水下降到凋萎含水量后开始灌溉, 当土壤水达到田间最大持水量时即停止灌溉, 来研究灌溉对黄河流域水循环的影响。Hanasaki等[46]设定当土壤含水量低于75%的田间含水量时需要灌溉, 当土壤含水量高于75%的田间持水量时则无需灌溉。③通过赋予实际的蒸散发量或者灌溉量来模拟灌溉过程。例如Boucher等[35]基于LMDZ模型赋予固定的蒸散发通量来模拟灌溉效应。

在灌溉水源的表达方面, Tang等[47]设置DBH模型（图1）从本地径流取水, 当本地径流不足时, 则从设定的河道径流取水。Hanasaki等[46]和Pokhrel等[48]通过集成作物需水、人类用水、河道汇流及水库调度模块来估算灌溉需水量和水库对河道径流的影响, 从而细化了用水来源的表达。

在之前的研究中, 数值模拟研究关于灌溉对陆地水循环影响在某些方面取得了一些一致的结论, 如引水灌溉导致灌区蒸散发增加、河道径流下降[49~50]等。例如, Tang等[45]利用DBH模型评估指出黄河干流的径流因为农业引水灌溉下降了约40%; Hanasaki等[46]基于H08模型的评估表明全球农业灌溉用水大约占了总的消耗性用水的85%; Rost等[51]基于LPJmL模型评估显示全球尺度上灌溉活动导致陆面蒸发增加了1.9%, 径流减少了至少0.5%。

由于数值模拟研究本身的不确定性, 在模拟灌溉对陆地水循环的影响的程度上各研究存在较大的差异, 并在不同区域较为明显。现有数值模拟研究关于灌溉对水循环的影响的不确定性主要体现在以下3方面：①灌溉面积资料的不确定性。现有的数值模拟研究大多基于联合国粮农组织（FAO）提供的2000年灌溉面积图[52], 缺少对灌溉面积的动态变化的描述, 缺乏不同灌溉数据来源的比对验证, 因而给模拟结果带来较大不确定性; ②作物需水估算的不确定性。不同间作物耗水差异很大, 目前作物分布动态变化的资料尚比较缺乏; ③灌溉活动高度的自发性使得通用的模型参数化方案难以反映现实。灌溉时间、灌溉量、灌溉水源、灌溉方式等方面都和灌溉用水直接相关, 但是往往因时因地而异, 有着不同的物理机制。

图1 考虑灌溉的分布式生物圈水文模型（修改自文献[47]）Fig. 1 The Distributed Biosphere-Hydrological (DBH) model with an irrigation scheme (modified from reference [47])

2.2 生活和工业用水

随着经济社会快速发展, 生活和工业用水急剧增加。由于生活和工业用水能产生较高的经济价值, 其供水往往得到优先保障。当超出了水资源承载能力时, 生活和工业用水增长经常会挤占生态用水, 进而影响生态系统的平衡, 对陆地水循环造成影响。因此, 评估生活和工业用水以及其对陆地水循环的影响是研究人类用水活动对水循环影响的重要组成部分。

当前生活和工业用水对水循环的影响的研究主要采用统计资料估算生活和工业用水量, 将生活和工业用水与陆面水文模型耦合来评估生活和工业用水对水循环的影响。比如, Hanasaki等[46]根据世界粮农组织（FAO）于2007年发布的农业与水信息系统（AQUASTAT）统计数据中提供的世界各国生活和工业的用水配额等信息来估算生活用水和工业用水的时空格局。通过人口密度、国内生产总值（GDP）等统计数据以及国界线分布离散得到每一个网格的生活和工业用水量。Rost等[51]在LPJmL模型中考虑了生活和工业用水, 其中设定居民用水、牲畜用水、工业用水的消耗量分别与人口、牲畜数量以及发电量成正比。

研究显示, 1971— 2000年全球生活和工业用水年平均消耗达到94 km3[51], 其中, 1995年生活与工业用水达到132.4 km3[53]。虽然全球生活与工业用水量远小于全球径流与蒸发的总量, 但是由于区域之间生活与工业用水的差异, 部分地区生活与工业用水开采可能会超出水资源承载力, 进而会对陆地水循环造成影响。

目前预估未来生活和工业用水主要是通过历史统计资料建立生活和工业用水与人口、GDP等社会经济指标之间的关系, 进而根据预估的人口和GDP等经济社会指标来推算未来的用水量。但是, 如何考虑节水型社会建设等举措对生活和工业需水的影响并加以定量评估是今后研究的难点。

2.3 水库调节

水库具有防洪、发电、灌溉等多重作用。通过蓄水和调节河道径流, 水库不仅可以使水资源在时间上的变化更适应于人类的用水要求（如农业灌溉、生活用水等）, 而且可以削减洪峰流量, 起到防洪作用。由于水库对河道径流的显著调节作用, 水库成为陆地水循环和水资源研究中不可忽略的影响因素。模拟水库调节对水循环的影响的重点是将水库调节过程在模型中参数化表达, 主要考虑因素包括以下几个方面：①水库位置和数量; ②水库的库容; ③水库调度方案（何时蓄水及蓄水量, 何时放水及放水量）。

由于大尺度研究往往很难获取众多水库的详细信息, 故大尺度水文模型中的水库调度一般采取通用调度方案。1999年, Meigh等[54]为研究非洲东部和南部地区的水资源短缺问题, 将水库调节方案耦合到水文模型中。水库调节方案中放水阶段的出流量与采用经验关系描述：Qout =Sj1.5, 其中Qout为水库的月出流量, Sj为当月初始库容; 在水库的蓄水阶段, 出流量仅需满足下游需水要求, 若水库蓄满, 则将多余水量泄出。2003年, Dö ll等[55]在WaterGAP模型考虑了水库和湖泊的蓄水调节作用, 并用其模拟全球径流变化。WaterGAP模型中水库调节参数化方案是在Meigh等[54]的基础上改进得到如下公式：

式中：Qout(m3/d)为水库的出流量; kr(0.01d-1)为出流系数; Sr(m3)为水库当前库容; Srmax(m3)为水库最大库容。对于最大库容Srmax, 假设Srmax=Alake, 其中Alake（m2）为水库的面积, H（m）为水库的最大深度（固定为5m）。由于缺乏水库的运行管理方案, 该研究中水库被当作自然湖泊处理。之后, Rost等[51]曾将这一水库调节方案应用到LPJmL模型中, 用于评估全球农业蓝水与绿水的消耗量。Hanasaki等[56]提出了一个水库调节参数化方案用于全球水循环模拟研究; 该方案基于水库调度年, 根据每一个水库的特征、水文条件以及下游的需水量确定水库调节参数, 每年水库出流系数由初始蓄水量和最大库容确定, 水库月出流量由多年平均总入库水量、最大库容、年均入库流量和当月入库流量确定。水库月出流量跟水库主要功能有关, 非灌溉水库只考虑汛期防洪作用, 灌溉水库还需考虑下游需水量再确定出库流量。Hanasaki等[46]将这一水库调节方案耦合到H08模型中, 用于评估水库调节对全球径流的影响。

水库对径流的调节作用会显著改变流域水循环, 这种影响通常与水库调度目标密切相关。一般来说由于削减洪峰的作用, 大型水库调节后会减少径流过程的波动[57]。此外, 水库蓄水后会导致蒸发增加, 尤其在干旱地区, 水库蒸发可占入库流量的10%~20%以上[58]。

由于实际水库调度过程非常复杂, 当前水文模型要准确重现水库调度过程还需进一步研究。对于小尺度或单个水库研究, 通过收集足够的历史水库调度和径流资料便可能在水文模型中构建较为理想的调度参数化方案。相对而言, 大尺度甚至全球尺度的水库调度模拟则面临着诸多问题, 主要体现在以下方面：①缺乏高精度的全球水库和河网信息, 如水库位置、大坝高度、水库面积和深度、水库供水范围等; ②水库和水库群的实际调度规则十分复杂, 而水库历史调度资料极度匮乏, 根据水库主要功能简单分类的参数化方案不足以反映水库的真实调度方式。

2.4 地下水利用

随着社会经济的发展, 人类大量抽取地下水, 导致部分区域地下水位的大幅度下降, 形成地下水降落漏斗, 带来地面沉降、海水入侵等环境问题。调查显示, 目前我国地下水开采总量已占总供水量的18%, 北方地区65%的生活用水、50%的工业用水和33%的农业灌溉用水来自地下水[59]。

当前, 地面观测、遥感和模型模拟等方法被用来定量评估大尺度地下水利用状况。地下水观测井是监测地下水变化的主要手段, 被广泛用于美国High Plains[60]、中国华北平原[61]等淡水含水层系统的地下水利用状况评估; 地下水模型是模拟地下水变化的重要工具, 在地下水研究中也有较为广泛地应用[62]; GRACE重力卫星提高了估算陆地储水量和地下水变化的新手段, Famiglietti等[63]利用GRACE卫星遥感的重力场数据评估了美国加州中央河谷的地下水超采情况; Rodell等[64]将卫星遥感重力场数据与陆面模型相结合, 估算了印度北部地区地下水存储量下降速率, 结果表明在2002年8月至2008年10月间该地区地下水以每年（4± 1）cm等水深的速率下降, 超采的水量约为印度最大的地面水库库容的两倍。虽然卫星重力场数据提供了估算大尺度地下水变化的途径, 但由于重力场受到商品运输、水库蓄水、跨流域调水等人为地表质量变化影响, 检测重力场变化中的地下水信号存在较大不确定性[65]（图2）。

由于缺少大尺度地下水观测, 评估资料缺乏地区的地下水利用状况或预估未来地下水开采量比较困难, 现阶段有一些模型尝试估算全球地下水利用量, 但是不同模型的估算结果存在较大的差异。Konikow[66]主要利用美国的模拟或观测数据以及少量美国以外地区的地下水数据来估算全球地下水的抽取量, 结果显示在1993— 2008年全球的地下水储量下降的速率为127 km3/a。Wada等[67]研究假定灌溉回流量将补充到地下水, 结果显示1993— 2008年全球的地下水储量下降的速率为195 km3/a。最近, Dö ll等[68]将WaterGAP模型与GRACE卫星遥感数据相结合评估了全球地下水量储量变化, 结果显示2000— 2009年全球地下水储量下降的速率为113 km3/a。

现阶段对地下水利用的影响评估依然比较粗略, 未来需要进一步研究地表水与地下水之间的相互作用机理, 阐明农业灌溉、城镇化、海绵城市建设等人类活动对地下水补给的影响机制, 以及地下水开采和回灌的效应。

3 未来研究方向和重要的科学问题

随着我国经济社会的迅速发展, 过去几十年我国的用水需求逐步增长, 人类用水活动日益强烈, 为开展人类用水活动对大尺度水循环和水资源的影响研究提供了天然的实验场。未来研究应结合国际前沿与我国的区域优势, 重点关注一些重要的科学和技术问题, 包括评估人类用水活动影响的监测技术、人类用水活动与陆地水循环的相互作用机制、人类用水需求预估、综合评估模型等。

图2 华北平原2003— 2011年煤炭运输、水库蓄水、跨流域调水等人为地表质量变化对GRACE信号的贡献（修改自文献[61]）Fig. 2 The mass changes of natural surface water, reservoir, coal transport and inter-basin water diversion contributed to the GRACE terrestrial water storage estimates in the North China Plain during 2003-2011(modified from reference [61])

我国的相关研究将面向国家重大需求, 树立生态文明理念, 为保障区域水安全、实现人— 水和谐提供科技支撑, 重点发展人类用水活动及其影响的定量观测与评估方法, 加强遥感监测和科学大数据分析等新技术的应用; 深化人类用水活动演变的基础理论, 加强经济社会发展与水资源需求之间的关系研究, 加强人— 水系统的协同演化规律研究; 提出区域水安全保障的解决方案, 发展水系统综合评估模型, 加强水资源需求趋势和水短缺风险预估, 加强水-能源-粮食的关系和统筹管理研究。

4 结语与展望

陆地水循环是陆— 系统的重要组成部分。它一方面受到气候变化的影响, 另一方面也受到人类用水活动的影响。当前剧烈的人类用水活动已经显著地改变了大尺度水循环, 定量评估人类用水活动的影响对认识区域水循环和水资源演变具有重要的科学意义和实践价值。模型是研究陆地水循环变化的重要工具之一。然而, 当前大尺度陆面水文模型对人类用水活动的考虑依然不足, 使得应用模型模拟变化环境下陆地水循环面临挑战。因此, 需要深入认识灌溉、生活和工业用水、水库调节、地下水利用等人类用水活动的发展规律及其影响水循环的机理, 发展大尺度人类用水活动参数化方案, 模拟和预估陆地水循环和水资源演变。

未来人类活动的不断加强, 预计将对陆地水循环产生更大的影响。陆地水循环变化不仅和气候系统变化有关, 还和社会经济发展路径紧密相连。事实上, 水系统是复杂地球系统中的一部分, 水循环和其他地表过程间有着复杂的相互作用。陆地水循环演变是大气、生态、地貌、人文等多种地表过程变化共同影响下的结果。人类用水活动既改变了水循环, 又受到水循环的制约, 是水系统中独特而重要的过程。

由于人— 水系统的复杂性[69], 定量模拟和预估尚存在不少困难。认识水资源和经济社会发展的相互影响, 开发考虑人— 水系统协同演化的水系统综合评估模型, 预估区域水安全形势的演变趋势, 将成为陆地水循环和水资源研究的长期重要任务。

The authors have declared that no competing interests exist.

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