气候变化对地下水补给的影响

本文提出了一种综合方法，用于评价气候和社会经济条件的变化对地下水补给所产生的区域影响。该方法已应用在英国东英格兰地区。未来地下水的补给受多种因素的影响，包括降雨量和温度的变化、滨海地区的洪灾、城市化、植树造林以及农作物种类和轮耕方式的改变等。

在模拟结果的基础上，讨论了地下水补给评价中存在的不确定性和缺陷的主要来源。在研究未来未知的气候变化的影响时，社会经济情境的不确定性和重要性已逐渐引起重视。随着时间的推移，土壤性质也会发生变化，例如未来土壤的透水性可能会不同于现在的土壤。

若仅仅关注气候变化的直接影响，就会忽视政策和社会经济条件在改造含水层上部地貌中的潜在作用。在评价气候和社会经济条件的变化对地下水系统的影响时，水文地质工作者必须加强与其它领域学者的协作，例如社会经济学家、农业模型研究人员和土壤学家。

一、概  述

很长时间以来，人们已逐渐认识到气候变化对水资源的潜在影响，但与地下水相关的这方面研究相对较少。研究气候变化对地下水的影响，关键是量化降雨量和气温变化对地下水的直接影响（例如，Yusoff等，2002；Loaiciga等，2000；Arnell，1998）。这类研究已经利用了很多模拟技术，例如土壤水均衡模型（如Kruger等，2001；Arnell，1998）、经验模型（如Chen等，2002）、概念模型（如Cooper等，1995）以及更复杂的分布式模型（如Croley和Luukkonen，2003；Kirshen，2002；Yusoff等，2002），但是所有这些模型在研究地下水补给时，只考虑了降雨量和温度的变化，而其它参数保持不变。

更进一步的研究，即考虑气候变化的间接影响并不多，包括土壤（Feddema和Freire，2001）、地面覆盖（Loukas等，2002）、海平面上升引起的咸水入侵（Bobba，2002；Sherif和Singh，1999）及需水量的变化等（Alderwish和Al-Eryani，1999；Meigh等，1999；Chen等，2001）。上述研究标志着从纵向综合研究(仅把气候变化作为一个环境要素）到横向综合研究（在研究过程中，各个环境要素相互作用）的转变。地下水资源受到未来气候和社会经济条件变化的直接和间接影响，但目前对这种影响的评价仍然是不完善的。

当今欧盟委员会的立法，如欧盟水框架指令和硝酸盐指令，逐渐意识到不应将地下水与地形、社会需求和区域水循环割裂开来，而应该从全局角度出发进行地下水的管理。在研究未来的变化（气候或非气候方面的变化）对地下水系统和区域水循环的影响时，很重要的一点（但不是唯一的）是认识这些因素对地下水补给和径流的影响。本文提出了一种评价地下水补给量的方法，该方法考虑了气候和社会经济变化带来的直接或间接影响，并进一步考虑了与未来的补给评价和地下水模拟研究有关的不确定性和潜在的不足。

二、方  法

“英格兰东部和西北部地区的区域气候变化影响及响应研究”（RegIS）（Holman等，2005年，出版中）给出了一种评价区域气候变化影响的方法，该法可以确切地估计局部和区域范围（国家尺度内）内气候变化产生的影响、适应性选择和驱动地貌变化（滨海区、农业区、水体和生物多样性区）的主要因素之间的交互作用。

    在现有的各种“综合评价框架”中（如Argent，2004），选择了“驱动力－压力－状态－影响－响应”（DPSIR）法（欧洲环境署，1998），其中每个组成代表了RegIS法的每个阶段：

    D：驱动力是环境变化的外因（对某一地区来说），例如气候和社会经济条件、国内和国际政策的变化等。通过定性的描述将其引入。

    P：压力是量化驱动力的内在变量（对某一地区来说），例如温度、降雨量等气候要素的变化；人口、补助金等社会经济条件的变化。通过区域性、定量的情境引入。

    S：状态是表征系统对压力变化敏感程度的变量（指标），例如地下水资源量、河流流量、用地面积等。用耦合的模型模拟各因素的影响和各因素之间交叉作用的指示因子。

    I：影响是用于量度状态变量是否达到了某个值（临界值），该值可以指示正面或负面影响，例如最低的地下水位、最小的河流流量、可接受的农业利润等。将临界值用于相关模型的输出结果，可以将“影响”定量化。

    R：响应是社会规划的适应性选择，旨在使负面效应最小化（或者将正面效应和利益最大化）。“响应”要经过利益相关者的识别以及相关模型和专业知识的评价。

RegIS法在别的地方也有介绍（Holman等，2005年，出版中），现将地下水补给方面的内容总结如下：

（1）要在某一气候和社会经济情境进行模拟；

（2）有关的空间和非空间数据，包括数据（1），均来自GIS系统；

（3）利用数据（2）时，根据洪水泛滥的频率估计，海岸和河流模型不适用于农耕地区；

（4）（3）的输出数据及从数据（2）导出的城市、丘陵和森林地区，不包括农业模拟可以确定的耕地和草场用地；

（5）用地分布基于收益率，考虑成本、价格、补贴（某一社会经济情境下的），预测各种作物的产量，同时结合考虑土壤水均衡的作物生长模型的结果；

（6）数据（5）给出了有效降雨量，将其输入水文模型中，可以模拟潜在的补给量、地下水资源量以及河流流量。

（一）情境的输入

利用HadCM2全球大气环流模式的输出结果，英国气候影响计划（UKCIP）建立了名为UKCIP98的气候变化情境（Hulme和Jenkins，1998）。假定2040－2069年期间出现一高一低两种气候变化，分别称为2050年低值和2050年高值，代表预计气温变化的较低一端和较高一端。

即使气候不变，未来世界仍处于不断变化之中，为此引入区域社会经济情境（Shackley和Deanwood，2003）。此外，还需要输入一系列量化的空间和非空间的模型参数。

模拟过程中，各种假设（社会经济条件、CO2排放和气候变化）都是一致的：

Ø    地区企业（相当于IPCC A2排放方案）社会经济情境与2050年气候变化高值相联系。这一情境代表了一种极端情况：在未来50年里，整个社会对气候变化带来的威胁不与理会。这是一种“负面状况”的分析；

Ø    全球可持续（相当于IPCC B1排放方案）社会经济情境与2050年气候变化低值相联系，代表了一种“良好状况”的分析。

对应上述两种情况，分别运行模型。同时，以当前的社会经济情境为基准，评价气候变化和社会经济变化的相对重要性。

（二）对影响的模拟

将空间模拟方法应用在5×5km的地理网格上，可以解决区域内的各向异性问题。虽然模型的运行结果是以5km的网格为单位输出的，但模型也适用于每个网格之内的更小的地理单元，例如泛滥平原、土壤类型及耕地等。RegIS方法也结合了一系列有效的影响模型（Holman等，2005a，出版中），下面对其做一简要介绍。

1、海岸及河流泛滥模拟

海岸及河流泛滥模型（Nicholls和Wilson，2001）用于评价洪水泛滥对农业区的影响。在缺少其它气候参数（如风暴度）的情况下，将UKCIP98海平面升高投影与某一特定退潮时段的水面高度相加，就可以评价海平面升高对潮汐高度的影响。如果泛滥平原在未来10年内抵御灾害（洪灾）的保证度小于1，则不适于耕种；若其在未来1年内的保证度小于1，则既不适于耕种也不适于放牧。

2、农业用地模拟

将农作物种植决策最优化方法（SFARMOD）与农作物生长模型（ACCESS）相结合，即可得到农业用地模型。该方法在Rounsevell等文献中有所介绍（2003）。对应于企业收益率或可行性的变化、土壤使用性的变化及气候或社会经济条件改变所带来的作物模拟产量的变化，利用SFARMOD将农田的长期种植规划最优化，使每种土壤类型，每个网格单元获得最大收益。

3、水资源量模拟

分布式半经验SWANCATCH（地表水硝酸盐汇集）模型（Holman等，2001）用于模拟88个流域和子流域中地表水的天然流动及51个水资源管理区内的地下水资源总量。依据土壤类型水文系统（HOST），SWANCATCH把有效降雨量（能够渗入地下，转化为地下径流的水量）直接导入地表水库或地下水库（Boorman等，1995）。

    HOST是对土壤带中发生的水文过程的概化。英国所有的土壤类型可划分为29个水文响应模型（或HOST类别），对应每个模型给出基流指数（BFI）的校正值和标准径流百分数（SPR）。BFI是来自地下水库的那部分流动的长期均值；SPR是径流百分数，对应于标准降雨量和集水区的湿度情况（Boorman等，1995）。HOST分类法能够预测整个英国范围内无资料地区的河流流量（r2 = 0.79，基流指数估计值的标准误差为0.089）。

    分布式的地下水补给或者河流量转化的数据都很有限，这就为区域研究带来了困难。在水资源管理区内，根据长期年平均地下水资源总量的估计值对SWANCATCH进行区域上的校正（r = 0.97），将9个流域的模拟值与观察值进行对比，对SWANCATCH进行识别（r 分别为0.92和0.99）。

（三）地下水补给影响的研究实例

研究区位于东英格兰，属于英国最平坦的地区，面积较大，包括低于海平面的芬斯沼泽。气候受地形和大陆影响，年平均降雨量为550－750mm，农业以集约耕作为主，大部分地区（芬斯沼泽除外）下伏白垩系或更新统含水层。该地区高度依赖地下水，地下水占公共用水和灌溉用水的绝大部分，同时地下水对于河流的补给和国际重要湿地（如The Broads）的维持具有重要作用。该地区的城市化程度相对较低，只有几个重要的城市，如剑桥和诺里奇。

1、滨海地区

在东英格兰地区，气候变化可能对滨海地区和河谷地区有重要影响。若不采取针对性的措施（或者制定应对未来海平面上升后的防洪标准），那么海平面上升、河水频繁泛滥和地面沉降的互相作用，可能会使东英格兰芬斯沼泽受洪水的严重威胁，导致大规模的土地弃置和盐碱化，诺福克东部河谷地区也会定期遭遇海水泛滥。1938年的洪水使诺福克东部地区经过5年之后才完全恢复过来，因此，滨海地区即使每10年遭受一次洪水泛滥，也将造成用地的重大改变。芬斯沼泽下伏侏罗系粘土，而诺福克东部河谷地区下伏松散含水层，在局部地区具有重要作用（Holman等，1999）。海水的定期泛滥可能会造成土地弃置，位于河谷内或近河谷的钻井位置也会改变。

2、农  业

除了可能遭受洪水的地区之外，东英格兰地区的农田分布受气候影响相对较小，在将来气候变化的情况下，农田分布情况变化不大（从现有的社会经济情境来看）。然而，农作物类型对社会经济条件的变化很敏感。在东英格兰地区，种植春－秋两季作物，其中有大面积的甜菜和土豆，这两种作物都需要人工灌溉。按照当前的市场价格计算，如果地下水开采量增加，土豆的种植面积将翻一番，当然水价也会大幅上涨。

3、咸水入侵含水层

一般认为，滨海含水层中发生海水入侵不是主要问题，因为海平面的上升必然使所谓的安全开采量降低，或者钻孔向内陆地区移动（Arnell等，1994）。然而，在诺福克东部地区，随着土地的弃置和农业政策的改变，部分滨海湿地的排泄量发生变化，这可能造成海水对其下含水层的入侵（Holman和Hiscock，1998）。

4、有效降雨量

将来气候变暖之后，种植时间必然延长，这样土壤的含水量在秋季后期才能恢复，在春季之初又开始减少。这就导致补给期的缩短，尽管很多地区的年降雨量增加，但最终还是会造成有效降雨量（HER）和补给量的减少。

从局部和区域尺度上看，社会经济条件影响年平均HER的预测。从局部地区来看，都市化程度的提高和林地面积的增大，均可导致蒸发量和HER的明显变化。社会经济条件会影响区域范围内的土地利用情况，如春季作物种植量的增加、秋季作物的减少等，都会造成该地区年平均HER的微小变化。

5、反馈效应

由于是首次尝试综合评价气候和社会经济条件的变化，RegIS研究不可避免的存在一些不完善的地方，如不能完全表现出控制地貌变化的各种复杂机理。研究中存在的不足之处包括如下几个方面：

Ø    洪水的实际泛滥程度取决于整个社会对海平面上升和风暴度的重视程度，可以采取如下应对措施：加固防洪堤和海堤，或者重新修建更加坚固的设施（一种工程方法，拆除现有的防洪设施，以重建潮间带生物栖息地，增强防洪能力）。

Ø    在地下水开采与水资源可用性或地表水量/地下水位临界值之间没有建立反馈关系。虽然灌溉用水受到收益率和轮耕的制约，但实际的灌溉用水量被假定为不受限制。虽然水价的上涨可以反映地下水灌溉的农业成本增加（直接开采地下水），但农业部门将面对更多的水资源约束（Weatherhead和Knox，1999）。

Ø    类似的局限性还表现在城市发展情境的设定上，研究中假定城市人口和住房的增加不受水资源的限制。

Ø    在农作物方面，缺少农业供需价格反馈机制，因为研究中假设区域内农作物的供应量不影响其市场价格。

Ø    不同情境（社会经济条件、CO2排放量和气候的变化）中的假设是一致的，这就意味着假设全球各地区的发展道路是相似的。

三、讨  论

在研究东英格兰地区时，得到了评价地下水潜在补给量的方法（Holman等，2005b，出版中），这里不再赘述。所得到的有效降雨量的结果表明，对补给或者径流有贡献的那部分降雨量取决于地形条件。这是因为，在评价未来变化（气候和社会经济方面）对地下水补给的影响时，最重要的问题与下列两个因素有关：计算HER时的不确定性；针对HER如何分配给补给和径流，所做假设中存在的不足。

（一）导致不确定性的因素

1、社会经济情境的输入

利用综合评价方法，可以评价未来变化对水环境的影响。特别值得注意的是，该方法成功地把社会经济因素整合到了土地利用的空间模型中，这样就能定量评价城市化进程、洪水和作物类型的改变所产生的间接影响。

一般说来，气候情境在区域范围内对有效降雨量的直接影响大于社会经济情境对其产生的影响。然而，社会经济情境确实也能在区域范围内引起HER的变化，在局部地区的影响更明显，尤其是在土地利用情况发生重大变化的地区。由于用地分布模拟是从使农田收益最大化的模型中导出的，因此模拟结果对社会经济因素很敏感，因为这些因素可以直接（如社会补助、价格等）或间接（劳动力，输入价格等）地影响作物的收益率。同样，城市化类型的改变依赖于人口变化、住宅密度和家庭规模。

很明显，在上述两种情况下，所有的参数都是不确定的，即使这些参数是在未来情境约束的条件下确定的。虽然情境概念的形成不是一门完美的“学科”（Parson和Granger Morgan，2000），但目前用于探索未知世界的其它方法并不多。情境由此成为气候影响评价的一个组成部分（Leemans，1999），并将继续被科学家和决策者们广泛采用。

2、情境（适应）反馈

情境的主要局限性之一是由尺度边界上的反馈产生的，例如用地面积的变化对农产品价格的影响：增加局部地区某一农产品的供应量可能会导致价格下跌，因为价格依赖于市场供求关系。仅仅利用情境方法并不能很好的处理这些动态因素的跨尺度过程，因此还需要其它的方法（如Cash和Moser，2000），如层次理论或嵌套模型（Easterling，1997）。在研究过程中，曾经试图利用一个宏观（全球）的经济模型来模拟农业用地变化所造成的价格变化反馈（如Parry等，1996；Conway等，1996）。

水文地质学者习惯于高分辨率的、地区性的地下水模型，并与盆地尺度模型嵌套，以便于模拟“内部”模型的边界条件或流量（如Keating等，2003）。同时，如果要包含土地利用和补给的反馈机理，还需要将地下水模型与嵌套的土地利用、地形模块进行耦合。

3、缓解（响应）情境

在评价气候变化对地下水的间接影响时，缓解情境也会带来不确定性。例如，耕地变为能源或生物燃料作物种植区（如短期采伐林）是一种固定碳和生成化石燃料的潜在方法。然而，Kort等人（1998）认为提高土壤中有机组分含量、改善土壤结构及透水性很重要，而Stephens等人（2001）则认为作物消耗了大量的土壤水，这必然导致补给量的减少。

4、时空尺度

在评价地下水补给量时，认为降雨量和降雨强度（影响径流的形成和入渗量）的变化比气温更重要。大量研究表明，降雨强度将有不断增加的趋势，尤其是在大的降雨事件中（如Voss等，2002；Jones和Reid，2001）。将全球气候模型（GCMs）或区域气候模型缩小到适合水文影响的研究尺度，这一方法已广为人知，且Prudhomme等人（2002）也曾对此展开论述，但问题是缺少一种合适的缩小尺度的方法。

空间模拟的尺度也是必须的，这样可以调节数据、模型运行时间和可信度的限制，为满足水文地质学家所要求的空间分辨率（0.5×0.5km或1×1km的数量级），必须采用综合的、多部门的模拟方法。气候变化情境的分辨率一般比较低，经过“不太准确的尺度缩小”后，获得UKCIP98情境的分辨率为10×10km（Hulme和Jenkins，1998），除了应用GCM所产生的变化外，“尺度缩小”并不能增加新的气象认识，因此制约了进一步缩小尺度的可信度。利用GCM中嵌套的高分辨率的区域气候模型产生了新的气候情境UKCIP02，但是也只能支持5×5km的输出。在缩小社会经济情境的空间尺度时，也存在类似更为棘手的问题。

理论上，任何空间尺度的补给模型都能植入这种综合评价模型。但是，空间尺度会制约气候和社会经济情境的分辨率，同时也会制约其它的空间模型，例如土地利用模型，这就意味着输入到补给模型中的空间参数在小尺度下无解。

（二）缺陷

本文在分析过程中做如下假设：在评价气候变化影响时，地貌特征保持不变（除城市化带来的变化外）。多年来，土壤调查部门收集了土壤参数（如土体密度、持水度、渗透系数），用于入渗、径流和土壤水的模拟。参数确定之后，只要土壤性质不变，就可以一直用该模型进行预测。然而，越来越多的证据表明，温带土壤的参数是随时间变化的（Rounsevell等，1999），这将影响未来地下水的补给评价。

1、短期变化

在集约农业中，不同的种植管理体系会影响土壤结构，这样可能会改变土壤的水文特性（如Chambers和Garwood，2000）。这是因为在雨季来临时，各种机械或者牲畜经常要进入农田辅助作业。2000年在英国的4个汇水盆地中进行的对比研究，发现土壤结构普遍退化；而初步的水文影响评价表明，径流量大幅增加（Holman等，2003），补给量相应减少。

气候变化会影响土壤田间持水量的恢复时间。如果田间持水量在秋季后期恢复，那么秋季耕种时间的增加就会降低机械进入土地作业的必需性。当然，如果气候变化，则可能改种其它作物（如向日葵－Harrison和Butterfield，1996；粮食用玉米－Carter等，1992；饲料用玉米－Davies等，1996），并改变当前的轮作方式（如Bowman等，2000），因此，不能忽略对土壤的潜在影响。土地利用模型应当考虑土壤湿度条件造成的限制，这样就可用于评价新作物的种植和轮作方式的变化对地下水补给的影响。

2、中期变化

人们普遍认为，在集约农业体系下，土壤有机碳（SOC）的含量会降低（Reeves,1997）。在不同土壤和不同气候条件下进行的研究（如Cannell和Hawes，1994，Hemanz等，2002）表明，SOC与土壤结构的稳定性正相关，这样土壤才能承受润湿及各种耕耘、运输机械的压力（Tisdall和Oades，1982）。Loveland和Webb（2003）认为，尽管还没有足够的数据来佐证，但普遍认为SOC存在一个非常重要的临界值2%（3.4%的土壤有机质），若低于该值，土壤质量可能会下降。作物种类及轮作方式的变化（如Bowman等，2000）和土壤侵蚀的加剧（如Pruski和Nearing，2002）均可导致SOC的进一步降低（如Webb等所述，2001），因此在入渗和补给的研究中要对此加以关注。

    作物种类的变化会影响碳循环。例如，向日葵的轮作将导致表层土SOC的降低，原因在于耕耘强度的加大及农业残余物的减少（Bowman等，2000）。在作物种类和轮作方式保持不变的情况下，不同的耕种方式（例如传统耕种、少耕种、免耕种）对地表土壤结构的稳定性（Tebrugge和During，1999）及水分运移（如O’Leary，1996；Ankeny等，1995）的影响正逐渐为人们所认识。

3、长期变化

泥炭土对调节汇水盆地的响应具有重要作用（如Bragg，2002），但非常容易被开采、燃烧或排水的破坏。泥炭土一旦疏干，就会在固结和氧化作用下，以每年1－2cm的速度消耗（Cannell等，1999）。泥炭土一般不会位于重要含水层的上面或含水层的排泄区，但泥炭土中地下水的环境作用非常重要——调节下游河流的流量。如果在含有泥炭土的地区建立了地表水－地下水综合模型，而在模型识别过程中没有考虑泥炭的变化就进行预测，那么该模型可能会高估未来的基流量。

（三）综合概念在何时具有价值？

RegIS综合评价法论证了未来的全局变化如何影响地下水的补给，进而能评价地下水资源。然而，该方法的完全实现是一个复杂的过程。因此，我们需要考虑在何种情况下可以采用简单的（如只有气候因素）评价方法。

评价有效降雨量或补给量变化的重要性时，需要考虑地下水可开采量（Quinn等，2004）、水生环境变化的影响（Sophocleous，2002；Baron等，2002；Danielopol等，2003）或未来的地下水质（如Gomez等，2003）。模拟结果表明，气候变化对区域HER的影响较大，而社会经济条件的局部影响较明显，因此，可以得出如下结论：

Ø    只考虑气候变化对地下水影响的简单、直接的评价方法（在现有的土地利用条件下）适用于下列地区：

－当前的地下水资源管理是可持续的，尚有大量未利用的水资源；

－依赖地下水维持的湿地或水生系统很少；

－这种评价方法的实现要有敏感度分析的支持，只能反映出对地下水补给和可持续水资源管理的细微影响。

Ø    部分综合评价法适用于下列地区：

－当前的地下水资源管理是可持续的，但只有少量未利用的水资源；

－农业体系可能发生重大变化，可能是由社会补助的变化或环境立法造成的短期变化，也可能是由气候变化导致的作物种植适宜性改变而产生的长期变化；

－城市面积在发展规划的压力下逐渐扩大；

－土地利用和地下水补给量对滨海地区未来的防洪政策很敏感。

Ø    完全综合评价法适用于下列地区：

－当前的地下水资源管理是不可持续的；

－当地重要的湿地或水生系统依赖地下水的维持，且当前的地下水资源管理是可持续的，但未利用水量很少。

    关于未来变化的程度和范围，我们所知甚少，因此，不可能在模拟地下水补给时，能将所有的影响因素定量化。然而，在存在不确定性的情况下，为保证地下水研究仍然是可靠的，需要：

－在地下水模拟过程中，水文地质学家应当与其它领域的科学家加强协作，以更好的描述或理解这一过程；

－通过全面的灵敏度分析，评价对地下水补给或地下水系统存在的潜在影响。

四、结  论

    本文描述了一种综合方法，用于评价气候和社会经济条件的变化对地下水补给的直接和间接影响，该方法已经用于研究英国的东英格兰地区。地下水补给受到多种因素的影响，包括降雨量和温度的变化、滨海地区的洪水、城市化和地表结壳、植树造林以及作物种类和轮耕方式的改变。在区域尺度上，气候情境比社会经济情境所造成的直接影响更大。然而，在局部范围内，社会经济情境的变化所造成的影响是非常明显的，在社会经济情境导致土地利用情况剧烈改变的地区尤其如此。

    在研究未来未知的气候变化造成的影响时，经济情境的重要性已逐渐引起重视。尽管在应用情境过程中存在诸多不确定性，但若仅仅关注气候变化（温度和降雨量的变化）的直接影响，就会忽视社会经济条件在改造含水层上部地貌中的潜在作用。随着时间的推移，土壤的特性也会发生变化，因此未来土壤的透水性或许不同于现在的土壤。所有这些因素都会影响地下水补给评价的确定性、可靠性和可信度。

在评价气候和社会经济条件的变化对地下水系统的影响时，提倡水文地质工作者与其它领域的科学家共同协作，例如社会经济学家、农业模型研究人员和土壤学家。