气候变化对石羊河流域水资源的影响分析
摘要
石羊河流域是西北干旱区典型的内陆河流域，水资源短缺问题长期制约区域经济社会发展与生态安全。本文基于石羊河流域1956—2022年的气象、水文观测数据，系统分析了气候变化对流域水资源的影响特征与作用机制。研究表明：近60余年来，石羊河流域气温呈显著上升趋势，增温速率为0.23~0.40℃/10a，其中1994年以来增温尤为显著；降水量呈弱增加趋势，增幅约4.9%~15%；然而，出山口径流并未随降水增加而增加，反而呈现减少趋势，形成“降水增加-径流减少”的悖论。冰川退缩是导致这一悖论的重要成因——石羊河流域冰川径流贡献率自1998年以来持续下降，冰川径流峰值已于21世纪初前后出现。气候变化对径流减少的贡献率达67%，远高于土地利用变化的17%。未来不同情景下流域气温和潜在蒸散发量将持续上升，融雪径流时间提前，水资源供需矛盾将进一步加剧。本研究为石羊河流域水资源适应性管理提供了科学依据，对西北干旱区水资源安全保障具有参考价值。
关键词：石羊河流域；气候变化；水资源；径流响应；冰川退缩
一、引言
石羊河流域位于甘肃省河西走廊东端，是西北干旱区典型的内陆河流域，流域总面积约4.16万平方公里。作为甘肃省三大内陆河之一，石羊河流经张掖、武威、金昌、白银等4市9县（区），是区域经济社会发展和生态安全的重要命脉。然而，石羊河流域人均水资源量约700立方米，仅为全国平均水平的三分之一、全省的二分之一。水资源开发利用率超过100%，用水总量超“十四五”控制指标1.33亿立方米，民勤县到2028年仍超采地下水1.62亿立方米。长期以来，流域水资源供需矛盾极为突出，被称为河西走廊三大内陆河中地表水最少的河流。
在全球气候变暖的大背景下，石羊河流域的气候系统正在发生深刻变化。气温持续升高、降水格局改变、冰川加速退缩，这些变化对流域水资源的数量、时空分布和质量产生了深远影响。与此同时，高强度的人类活动——包括农业灌溉扩张、地下水超采、土地利用变化等——进一步加剧了水资源的紧张局面。气候变化与人类活动的双重叠加，使石羊河流域的水循环过程与水资源演变规律发生了剧烈变化。
近年来，学术界围绕石羊河流域气候变化与水资源响应开展了大量研究。胡铁民等基于1956—2021年数据分析了径流演变特征；曹进军等利用SWAT模型定量辨识了气候变化与土地利用变化对径流减少的贡献；戴君等基于CMIP6多模式预估数据分析了未来气候变化趋势。然而，现有研究多聚焦于单一维度，对气候变化影响水资源的系统性梳理尚显不足。本文在整合前人研究成果的基础上，从气温、降水、径流、冰川融水、蒸散发等多个维度，系统分析气候变化对石羊河流域水资源的影响，以期为流域水资源管理提供科学参考。
二、石羊河流域气候变化特征
2.1 气温变化
石羊河流域气温呈显著的上升趋势，这是该流域气候变化最为突出的特征。近60年来，流域气温持续升高，不同研究给出的增温速率在0.23~0.40℃/10a之间。胡铁民等基于1956—2021年数据的研究表明，近66a内流域气温以0.23℃/10a的速率显著上升。而基于气象资料的研究则显示增温速率达到0.40℃/10a。1960—2009年石羊河流域气温最小增速为0.25℃/10a，高于中国及全球平均增速。
气温上升具有明显的阶段性特征。1994年是石羊河流域气温变化的转折点——此前气温相对平稳，此后显著变暖。与变暖前相比，年平均气温偏高约1.0℃，线性增温速率较之前快了约7倍。从空间分布看，石羊河流域东部地区的增温速度大于流域西部。从季节分布看，秋冬两季升温尤为明显，秋季升高约0.6℃，冬季升高约0.4℃。
石羊河流域新、旧气候态的对比分析进一步证实了这一趋势。以1991—2020年为新气候态、1981—2010年为旧气候态，全流域及各地年气温均呈升高趋势，且升温均极显著。年气温评价等级中高达61.9%的年份向偏低1级转变。
2.2 降水变化
与气温的显著上升相比，石羊河流域降水量的变化呈现出更为复杂的特征。总体而言，流域年降水量呈弱增多趋势，但增幅有限且空间分布不均。
从长期趋势看，1960—2020年石羊河流域年降水量表现为弱增多。新气候态（1991—2020年）较旧气候态（1981—2010年）全流域降水量增幅约为4.9%，其中民勤增幅最大，为6.7%。显著变暖后（1994年以后），流域年降水增加了约15%（约15.8mm）。另有研究显示降水量增幅约为7.8mm/10a。
从季节分布看，秋季降水量增幅最大，春季增幅最小。从空间分布看，天祝县降水增速最快，古浪县最慢。然而，值得注意的是，尽管降水量呈增加趋势，但增幅不足以抵消气温升高带来的蒸发增加效应，流域整体上仍呈现“暖干化”趋势。这一特征在流域下游地区尤为突出——年均蒸发量是降水量的20倍。
三、气候变化对水资源的影响
3.1 对出山径流的影响
气候变化对石羊河流域最直接、最显著的影响体现在出山径流的变化上。出山径流是石羊河流域地表水资源的根本来源，主要依赖上游祁连山区的降水和冰川融水补给。
令人关注的是，石羊河流域出现了一个看似矛盾的现象——降水量增加的同时，出山口径流却呈减少趋势。显著变暖后，出山口径流减少了约2.2亿m³。1956—2009年石羊河上游出山径流量在波动中总体呈微弱减少趋势，径流量变化倾向率为-0.288×10⁸m³/10a。
胡铁民等将1956—2021年石羊河流域上游出山口年径流量划分为三个演化阶段：衰减期（1956—1968年）、稳态期（1969—2009年）和复苏期（2010—2021年）。这种阶段性演化特征表明，径流变化并非单一趋势，而是在不同时期受不同主导因素影响。值得注意的是，2010年以后的“复苏”主要得益于重点治理工程及生态输水等人为干预措施——2019年下游蔡旗断面过水量增加至4.01亿m³，实现了径流的U形复苏。
曹进军等利用SWAT模型定量辨识了径流变化的归因。研究表明，1960—2020年六河水系年平均降水量、平均气温、相对湿度、太阳辐射和平均风速的变化对年平均径流量减少的贡献率分别为75%、53%、55%、55%和52%，土地利用变化的贡献率为17%。综合6个影响因子的耦合作用，气候变化对年平均径流量减少的总贡献率达67%。这一数据充分说明，气候变化是驱动石羊河流域径流减少的主导因素，远高于人类活动（土地利用变化）的影响。
从不同子水系来看，1960—2020年大靖河水系、六河水系和西大河水系年平均径流量下降速率分别为0.01m³/s、0.07m³/s和0.01m³/s。六河水系和西大河水系的径流量突变年分别为1973年和2002年，而大靖河水系尚未出现径流量突变，仍处于自然状态。
3.2 对冰川融水的影响
冰川是石羊河流域重要的淡水资源储备库，对径流的调节功能不可忽视。在全球气候变暖的背景下，石羊河流域的冰川正在经历显著退缩。
1970—2010年间，河西走廊冰川融水每年补给河流约8亿立方米，40年间冰川融水总量达260亿m³，其中石羊河流域冰川融水量达18.16亿m³。然而，冰川融水对出山径流的贡献率存在明显的空间差异和时间变化。石羊河流域冰川融水对出山径流的贡献率约为8.39%。值得注意的是，石羊河冰川径流贡献率自1998年以来持续下降。
从冰川规模来看，石羊河流域面积小于1km²的冰川数量占到88%。这类小规模冰川对气候变化的响应更为敏感。石羊河流域的冰川径流峰值已于21世纪初前后出现。这意味着，冰川融水对径流的“补水效应”正在减弱——在经历了前期冰川加速消融带来的径流增加之后，随着冰川储量的大幅减少，融水径流已越过峰值，进入递减阶段。冰川调节功能减弱后，径流对降水变化的响应将更加敏感，流域水资源的年际波动可能进一步加剧。
黄玉霞等的研究表明，1976年以后流域气候逐渐变暖，冰川消融加快，融水增加。1976—1980年间7月径流量首次超过8月，并维持至1995年，表明这20年间出山口径流峰值期出现在7月。融雪径流时间的提前，改变了径流的年内分配格局，对下游农业灌溉用水的时序匹配产生了不利影响。
3.3 对蒸散发的影响
蒸散发是流域水循环的关键环节，也是气候变化影响水资源的重要途径。石羊河流域的蒸散发变化呈现复杂特征。
一方面，潜在蒸发量呈下降趋势。胡铁民等的研究表明，近66a内流域潜在蒸发量以4.7mm/a的速率下降。这种“气温升高而潜在蒸发下降”的现象被称为“蒸发悖论”，可能与风速减小、日照时数减少等因素有关。
另一方面，实际蒸散发量呈显著增加趋势。基于改进SWAT模型的研究预测，在未来SSP5-8.5情景下，石羊河流域蒸散发量将呈显著增加趋势（P<0.05）。蒸散发的增加意味着更多的降水以水汽形式返回大气，减少了可用于径流和地下水补给的水量，进一步加剧了水资源的紧张局面。
3.4 对地下水与生态环境的影响
气候变化对石羊河流域的影响不仅体现在地表水层面，也深刻影响着地下水系统和生态环境。
从历史演变看，20世纪50至90年代，石羊河流域出山地表水资源减少了15.91%，地下水补给资源减少了42.92%，地下水开采量增大了近10倍，泉水资源衰减了84.3%，进入下游的水资源减少了75%。水资源利用格局的变化直接导致了区域性地下水位持续下降和地下水水质的恶化，产生了植被衰亡、下游绿洲萎缩、土壤盐渍化、土地沙漠化等一系列严重的生态环境问题。
然而，2007年《石羊河流域重点治理规划》实施以来，情况发生了积极变化。蔡旗断面过水量、石羊河年平均流量、青土湖及其周边水域和植被面积显著增加，地下水位稳定回升。调水后青土湖地下水埋深平均抬升1.1m，水面面积增加26.7km²。这一“U形复苏”表明，在气候变化的不利背景下，通过强有力的工程与管理措施，仍有可能实现生态系统的部分修复。
四、未来趋势与应对策略
4.1 未来气候变化情景下的水资源趋势
基于CMIP6多模式预估数据的研究表明，未来不同情景下（2023—2100年），石羊河流域内降水量、气温和潜在蒸散发量均呈显著上升趋势，且随着辐射强迫增加而增大。未来时期石羊河流域的干燥度指数整体减小。民勤盆地是流域内对气候变化最敏感的地区。
从径流来看，基于改进SWAT模型与CMIP6耦合的预测显示，与基准期（1985—2014年）相比，未来78年（2023—2100年）石羊河上游年径流量将呈减少趋势，但早春融雪径流将有所增加。蒸散发显著增加，而融雪量和土壤含水量显著减少（P<0.05）。融雪时间的提前将改变径流的年内分配，使春季融雪径流提前到来，而夏季径流补给减少，与农作物生长关键期的需水高峰可能产生更大错位。
石羊河流域在未来2015—2100年的水资源压力在三大内陆河流域中最高。在不采取跨流域调水等适应性措施的情况下，流域所面临的水资源压力不会降低。
4.2 水资源适应性管理建议
面对气候变化的持续威胁，石羊河流域的水资源管理需要从多个层面协同推进。
加强监测与预警体系建设。应加大对石羊河流域气候变化及其对水资源影响的监测、评估和研究力度。当前，石羊河流域的气候、水文观测资料仍相对有限，不足以充分理解气候变化的潜在范围。应完善气象、水文监测网络，提升数据采集的时空分辨率，为精准决策提供数据基础。
推进跨流域调水与水资源优化配置。应及时推进河西走廊水资源配置一期工程（引大延伸增效工程），在南水北调西线工程规划、“八七”分水方案优化调整中充分考虑石羊河流域的缺水危机。同时，优化流域内水资源调度体系，从技术优化、工程强化、管理创新等维度提升调度效率。
强化农业节水与种植结构调整。石羊河流域经济以绿洲农业为主，粗放式的农业生产模式耗费了大量水资源。现状条件下，流域丰、平、枯水年的适宜灌溉规模分别为27.73万~31.66万hm²、21.55万~25.76万hm²、18.01万~22.03万hm²，需压减2.13万~6.34万hm²以与水资源相匹配。应大力发展节水灌溉技术，调整作物种植结构，降低农业用水占比。
加强生态用水保障。基于生态优先理念指导石羊河流域水资源统一调度。应明确临界、适宜生态需水情景下的生态用水需求，确保生态用水不被挤占。
值得一提的是，在水资源监测与管理的信息化建设中，
机械与电子技术的融合应用正在发挥日益重要的作用——自动化监测设备、智能传感系统、远程数据传输与控制平台，大大提升了水资源管理的精细化水平。正如
今日工程机械领域所强调的，智能化、信息化手段正在深刻改变传统行业的管理模式——这一趋势同样适用于水资源管理领域，智慧节水管理体系的构建将为石羊河流域的水资源安全保障提供有力支撑。
五、结论
本文基于石羊河流域1956—2022年的气象、水文观测数据，系统分析了气候变化对流域水资源的影响，主要结论如下：
第一，石羊河流域气温呈显著上升趋势，增温速率为0.23~0.40℃/10a，1994年以来增温尤为显著，变暖后年平均气温偏高约1.0℃。降水量呈弱增加趋势，新气候态较旧气候态增幅约4.9%。
第二，出山径流呈现“降水增加-径流减少”的悖论。显著变暖后出山口径流减少约2.2亿m³。气候变化对径流减少的总贡献率达67%，是驱动径流减少的主导因素。
第三，冰川退缩是径流减少的重要成因。石羊河流域冰川径流贡献率自1998年以来持续下降，冰川径流峰值已于21世纪初出现，冰川的径流调节功能正在减弱。
第四，未来气候变化情景下，流域气温、降水和潜在蒸散发量均呈上升趋势，但年径流量将减少，融雪时间提前，水资源压力将持续增大。
第五，应对气候变化对水资源的影响，需要加强监测预警、推进跨流域调水、强化农业节水、保障生态用水等多措并举，构建适应气候变化的流域水资源管理体系。
参考文献
[1] 气候变化及人类活动背景下石羊河流域生态与水资源变化特征[J]. 干旱区研究, 2024(10).
[2] 胡铁民, 王增丽, 张亮. 石羊河流域径流演变特征及其驱动机制研究[J]. 黄河水利职业技术大学学报, 2025, 37(3): 1-7.
[3] 石羊河流域水资源对气候变暖的响应及对生态环境的影响[J]. 地球科学进展, 2007(7).
