西北干旱区水循环与水资源问题第26干旱气象ARIDMETEOROLOGYVo1。26No。2June,2008文章编号:lOO6—7639(2008)一02一OOOl一08西北干旱区水循环与水资源问题(1。中国气象局兰州干旱气象研究所,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室,甘肃兰州730020;2。兰州区域气候中心,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州730020;3。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所,甘肃兰州730000;4。甘肃省水文水资源勘测局,甘肃兰州730000)引言摘要:从现实条件和可持续发展的角度初步归纳了全国水资源短缺的空间格局,评述了西北干旱区水资源的现状和趋势,简要分析了西北干旱区水循环和水资源利用的特点和规律,概括了西北干旱区水循环和水资源高效利用研究的进展和动态,初步探讨了西北干旱区水资源高效率利用的科学对策。最后,提出了西北干旱区水循环和水资源高效利用研究方面的某些重要科学问题。关键词:西北干旱区;水循环;水资源利用;研究进展;科学问题中图分类号gP461。8文献标识码:A水分是宇宙生命基础,也是气候系统中最活跃的因子,它以不同相态和形式存在于自然界之中,并参与气候系统中各个圈层的物理,生物,甚至化学过程,它是气候系统各圈层物质和能量传递的重要载体之一。

水分对全球变化的响应也十分敏感,它在任何一个环节的异常表现都有可能牵动气候系统的其它环节甚至与全局密切联动…。气候系统的水分运动或输送总是表现为不同尺度的循环过程,以此支配地球表面丰富多彩的自然活动和千姿百态的生命过程,进而影响着整个地球环境演化和生命进化的过程。水分循环过程的特征和变化规律与自然因素和人类活动均密切相关。随着自然要素的变化和人类行为的改变,地球上不同尺度水分循环的特征和规律均发生着比较明显的变异,这又会反过来在不同尺度上对地球环境和人类生活产生比较深刻的影响。水分既是生命体的重要组成部分,也是人类生命体赖以维持的重要条件之一,因此水资源对人类来说是首要的自然资源。不仅如此,人类对水资源条件的适应性也相当脆弱,人类事实上只能生存在相当局限的水分条件范围。只是在地球演化的历史长河中出现了比较短暂的水分和温度适宜时段,才诞生出了地球生命,进化出人类,并逐步形成人类文明。实际上,水分多寡的环境条件都会给人类带来灾难性的影响。在人类社会发展史中,自然界水分条件与人类需求总是在不同空间和时间尺度上表现出明显的矛盾和冲突。它的兴衰大多与气候影响下的水资源条件变化密切相关。所以,人类社会的发展史实际上也是一部改造水分环境和水资源条件的历史,无论是古代的大禹治水,还是今天的南水北调,人类社会一直在为改善水资源条件而不懈奋斗。

全球水资源分布基本上决定了地球文明和社会发展的时空格局。在全球来看,干旱的非洲大陆,中东和中亚地区始终处于贫穷而萧条的状态;而雨水丰沛的欧美大陆则经济发达,发展迅速。就我国而言,干旱缺水的西北地区经济落后,文化不发达;而水量丰富的东南沿海地区则经济繁荣,文化昌盛。如今,随着全球人口的迅速增加,水资源短缺已经不再只是区域性问题,而已经上升为全球性问题,它与能源问题一起已成为当今人类社会可持续发展的重大挑战,也日益成为牵涉国家外交和国际战略的重大问题一引。我国西北与中亚相连的内陆干旱区位于欧亚大陆腹地,是全球最大的一块内陆干旱区,处于这块内陆干旱区的中国西北干旱区是我国最主要的水资源收稿日期:2008—04—24;改回日期:2008—04—28基金项目:国家自然科学基金项目(40575006)资助作者简介:张强(1965一),男,甘肃靖远人,研究员,博士生导师,主要从事大气边界层,陆面过程,干旱气候与环境等领域的研究短缺地区。而且,该地区高原和大型山脉分布广泛,是我国主要外流河和内陆河发源地,水分循环过程十分特殊,也十分重要l4J。在人口增长和经济发展及气候变化的多重压力下,该地区已经出现十分严重的水资源和生态环境安全隐患,甚至已经对全国沿长江和黄河流域的水资源形势提出严峻挑战。

同时,全球气候变化和人类活动也对该地区水循环规律产生着明显的影响。纵观全球,世界上还没有那个地区的水循环特征与我国西北干旱区比较类似,也没有那个地区的水资源开发能为西北干旱区提供比较成熟的经验。为此需要全面综合分析西北干旱区的水循环规律和水资源特征,探讨针对该地区水循环特点来应对水资源短缺的方法和措施,为我国西北地区社会和经济发展提供切实可行的科学对中国水资源短缺特点我国总体上是一个水资源短缺的国家,并且水资源分布和变化复杂多样J。全国大致可分为3种典型水资源短缺类型:第1种类型是由于常年降水稀少引起的水资源短缺,称其为干旱气候型水资源短缺。这种类型的水资源短缺从根本上决定了整个区域的社会基础和生存环境,该种类型地区一般生态环境较差,生活条件落后,发展基础薄弱。我国西北干旱区和内蒙古一带就是干旱气候型水资源短缺的代表性地区。第2种类型是由于区域人口承载量过大引起的水资源供需失衡,称其为社会发展型水资源短缺。这种类型的水资源短缺地区一般生态环境不错,发展程度比较高,社会基础也比较好,但进一步发展受到了水资源短缺的明显制约。我国华北的京,津,唐地区就是社会发展型水资源短缺的代表性地区。第3种类型是由于气候变化引起自然降水波动,使得长期形成的依赖充沛水资源条件的生产和生活方式在降水减少时段受到了一定程度的限制,称其为社会依赖型水资源短缺。

这种类型的水资源短缺地区大多社会基础良好,经济发达,发展程度高,由于阶段性缺水而影响了社会经济的稳定发展,并造成一定程度经济损失。我国东南沿海和中原大部分地区正是社会依赖型水资源短缺的代表性地区。西北地区水循环特点和水资源现状在我国西北地区,虽然总体上以干旱气候背景为主,但由于其范围广阔,高原和高山众多,所以该地区不仅是长江和黄河等主要外流河的源区和主要产流区,而且还广泛分布着内陆河水系。所以,它既有独特的内陆水循环过程,又是全球水循环的重要组成部分q]。长期以来,该地区水资源依靠自然界独特的水分循环过程基本保持着脆弱的平衡关与其它区域相比,西北地区水循环和水资源特征比较突出。。,主要表现为:水资源形成区与消耗利用区相互分离(水资源形成在高原或高山地区,而消耗在平原,绿洲和荒漠地区),水资源的时空分布显着不均匀,地表水与地下水相互转换十分频繁,水资源受全球变暖影响比较敏感,水资源以冰川,积雪,地下水,湖泊及地表径流等多种形式共存。西北地区高原和山区降水及冰川和积雪消融汇流而形成的河川径流大部分由长江和黄河等主要外流河向东输送,经过沿途引灌和提灌及蒸发消耗一部分外,剩余部分最后汇人大海。

另一部分通过内陆河流输送在广阔的山前平原下渗转化为土壤水和地下水及通过蒸发蒸腾进人大气。在内陆河流域的山前平原,水资源进行频繁多次的地表水,土壤水,地下水之间相互转化,各种水资源分量之间的关系错综复杂。 目前,人类活动正在一定程度上逐渐无意识地 破坏着西北地区水循环的系统性和有机性,并在某 种程度上已经打破了自然界水资源原有的脆弱平 衡:如江河中上游大量拦水或引水,使下游出现断 流;过量开采地下水,造成许多区域地下水漏斗。甘 肃省武威市漏斗区面积扩大到10km 以上,漏斗中 心水位深达75m;甘肃省永昌县漏斗面积扩大到 150km 以上,中心水位埋深达57m。这些漏斗区 水位埋深已经远远超出了农作物和自然植被根系所 能分布的深度。这种上游大量拦水或引水及地下水 的过量开采都是对水循环过程的人为改变。大量拦 水或引水加大了蒸发消耗分量,减弱了下游的径流 分量,改变了水资源分布的格局及参与全球水循环 的程度。地下水的开采是机械强迫的水分输送方 式,减弱甚至中断了通过植物根系和土壤抽吸的自 然输送过程,改变了地下水的输送方式和循环速度, 影响了地下水对生态过程的参与程度和地下水的动 态平衡特征【l。

就水资源现状而言,西北地区是我国水资源短 缺最严重的地区之一,水资源在西北地区生态安全 箜塑张强等:西北干旱区水循环与水资源问题3 和社会经济发展中具有至关重要的作用。最近 的统计表明,西北地区可利用的总水资源量约为 1364 亿ITI,人均水资源占有量约为1573m;每年 总用水量811 亿ITI,人均用水量940ITI。西北地 区平均引水率高达60%以上,远远超过国际上引水 率低于50%的参考警戒值。尤其是一些内陆河流 域引水率极端偏高,如新疆乌鲁木齐河流域和甘肃 河西石羊河流域引水率高达160%以上,引水量大 大超过了水资源总量,严重破坏了水资源的自然平 衡,导致湖泊萎缩和地下水位快速下降。由于水 资源紧缺,不仅限制了西北地区的社会经济发展,而 且面临土地退化和自然灾害增加的严峻趋势。近 50a 来,西北地区沙漠化土地面积达674。9310 hm;天然森林面积减少49%～58%,草地面积减少 16%～92%;干旱,沙尘暴等灾害发生频数增加,灾 害程度加剧。如果这种情况得不到有效遏制,将 会导致内陆河下游绿洲全面消失,高原和荒漠湖泊 干涸,高山冰川和积雪消亡等生态环境灾难。 随着人口增长和经济发展对水资源需求的进一 步增加,以及全球变暖对水循环过程和生态需水规 律的改变,西北地区水资源危机将会更加突出,影响 也更加深刻。

据初步估计,西北地区2030 年以前经 济社会发展对水资源的需求量每年还将比现用水量 新增80 亿ITI。西北地区许多流域水资源供需矛盾 将会更加突出,水资源的合理调配和开发及高效利 用无疑会成为该地区社会,经济发展中亟需解决的 重大科学问题之一。 水循环与水资源利用研究进展3。1 国际水循环和水资源研究动态 早在20 世纪50 年代国际上就已经提出了全球 宏观水文循环的初步物理图像,但由于缺少必要的 观测资料,尚不能给出全球水文循环比较定量的结 果。直到20 世纪70 年代,随着世界天气监测网的 建立和新的观测手段的使用,资料情况才有了明显 改进,水文和气象学家开始尝试对全球水文循环进 行定量估算。但80 年代前,国际上对气候系统的物 理过程研究仍然主要以能量循环为核心,对水文的 研究则主要集中在对水资源现状调查方面,而并没 有十分关注水分循环和水分平衡的物理特征及水资 源的演化规律。所以这期间并没有得出对全球水文 循环比较清晰的认识,对区域或流域水分循环的了 解就更加十分有限。 从20 世纪80 年代开始,由于人口快速增长,全 球范围的水资源紧缺问题及其引起的生态环境退化 问题日益突显,许多国际研究机构开始从以研究大 气环流为主的能量循环问题转向了以解决社会可持 续发展和生态环境问题为主的水资源和水分循环问 题。

在这种形势下,水分循环在气候模拟中也越 来越被重视。近20 个阶段:第1阶段的研究与水资源的评 价工作紧密相关。对全球及某些区域水资源储量, 水资源的再生能力有了比较客观的认识。这一阶段 可以称为水循环要素的定量分析阶段,主要是利用 观测资料进行统计分析,通过定量计算水文循环过 程的各要素值,分析全球及某些区域水文循环的时 间,空间分布特征,探讨全球或典型区域水文循环各 要素变化规律。第2 阶段的研究与气候变化紧密相 关,可称为气候变化对水资源的影响研究阶段。其 研究主要集中于2 个方面,一是气候变化对水文循 环和水资源的影响;二是水文循环对气候变化的敏 感性。通过这一阶段的研究,对内陆区域和全球水 循环对全球气候变化的响应有了初步认识。 特别是进入20 世纪90 年代以来,国际上组织 实施了一系列较大规模的水科学研究计划,如国际