半干旱流域气候变化下的需水与地表水供给动态：以黎巴嫩贝卡谷地为例

《International Soil and Water Conservation Research》：Water Demand and Surface Water Supply Dynamics in the Changing Climate of Semi-Arid Basins

为解决半干旱地区水文数据匮乏导致的水资源管理难题，研究人员以黎巴嫩贝卡谷地9 km2未监测子流域为对象，基于SSP1（可持续路径）和SSP3（区域竞争路径）情景，采用Hargreaves法和GR2M集总模型，系统评估了2020–2100年潜在蒸散发（PET）与地表径流（Q）的演变趋势。研究预测，尽管短期PET变化不显著，但到2041年Q将锐减38-52%，长期水资源短缺可能进一步加剧。该成果为制定数据驱动的流域管理策略提供了关键科学依据，对农业水资源规划具有重要实践意义。

　　

气候变化下的水危机：半干旱流域如何应对供需失衡的挑战？

在全球气候变暖的背景下，农业部门正面临着前所未有的压力：作物需水量持续攀升，而淡水供给却日益受限。这种供需矛盾在半干旱地区尤为尖锐，例如位于地中海东部的黎巴嫩。尽管黎巴嫩在中东国家中拥有相对丰富的可再生淡水资源，但其核心农业区——贝卡谷地的利塔尼盆地（Litani Basin）——正遭受着气候变迁、水污染以及人口激增（如叙利亚难民危机）的三重冲击。过去40年间，该流域地表径流持续下降，这被归因于长期干旱、气温上升以及降水模式的改变——表现为短暂而强烈的降雨事件与延长的干旱期交替出现。更严峻的是，政府间气候变化专门委员会（IPCC）预测，到21世纪末，中东地区降水量将减少20-30%，气温将上升2-3°C，这将对水资源量与质造成双重打击，甚至威胁到农业的经济生存能力。然而，在许多发展中国家，水文数据和研究极为有限，使得准确量化地表径流（Q）和潜在蒸散发（PET）的变化变得异常困难，从而阻碍了有效水资源管理策略的制定。正是在此背景下，一项聚焦于黎巴嫩贝卡谷地一个未监测的9 km²半干旱子流域（Kherbet Qanafar）的研究应运而生，旨在揭示气候变化对水资源供需双方的深远影响。

研究方法概览

为了评估未来水文情势，本研究构建了一个系统的建模框架。首先，气候数据源自CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）中的两种共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways, SSP）情景——代表可持续发展路径的SSP1和代表区域竞争与资源高消耗路径的SSP3，时间跨度为2020至2099年，并以1995–2014年作为基准期。气象观测数据（温度、降水等）则来自当地的农业研究机构气象站。其次，在模型选择上，考虑到数据稀缺流域的特点，研究采用了计算高效、参数需求较少的GR2M（Génie Rural à 2 paramètres Mensuel）月尺度集总水文模型来模拟地表径流（Q）。该模型仅需降水（P）和潜在蒸散发（PET）作为输入，其两个核心参数x₁（土壤水分蓄存容量）和x₂（地下水交换系数）通过2012–2019年的观测径流数据进行率定与验证。其中，潜在蒸散发（PET）使用仅需温度数据的Hargreaves方法进行计算。模型性能通过纳什-苏特克利夫效率系数（Nash-Sutcliffe Efficiency, NSE）进行评价，并最终达到了0.723的良好水平。此外，研究还对GR2M模型的两个参数进行了敏感性分析，以辨识影响流域水文响应的关键因子。

研究结果解析

1. 模型性能与气候预测

研究首先验证了GR2M模型在目标流域的适用性。利用2012–2020年的观测数据，模型成功模拟了径流过程，校准后NSE达到0.723，表明模型具有可靠的预测能力（对应文档中的图3）。在此基础上，对长期（2022–2096年）和短期（2022–2041年）的气候变化进行了预测。结果显示，在长期尺度上，与基准期相比，SSP1和SSP3情景下年均气温将分别上升0.76°C和3.38°C，而年降水量则预计分别减少23.65 mm和77.84 mm（对应文档中的图4）。短期来看，至2041年，两种情景下的年均气温预计均上升约0.9°C，降水量也有所下降，但SSP1与SSP3之间的差异在2040年前并不显著，这与IPCC关于SSP路径在中期开始分化的论断一致（对应文档中的图5）。

2. 潜在蒸散发（PET）的变化趋势

随着气温升高，作为衡量作物需水关键指标的PET预计将普遍增加。季节性分析表明，春季和夏季的PET增幅高于秋季和冬季，且SSP3情景下的波动较SSP1更为剧烈（对应文档中的图6a，b）。不过，在短期内（至2041年），PET的波动相对平缓，预计变化幅度在-1%至5%之间，没有出现急剧上升（对应文档中的图7）。

3. 地表径流（Q）的急剧下降

与PET的平缓变化形成鲜明对比的是，地表径流（Q）预计将出现显著且持续的下降。长期预测显示，到本世纪末（2091–2096年），与2022–2026年基准期相比：在相对乐观的SSP1路径下，四季径流将减少15%（秋季）至24%（春季）（对应文档中的图8a）；而在资源消耗严重的SSP3路径下，径流将骤降60%（对应文档中的图8b）。短期趋势同样不容乐观：到2041年，两种情景下的年径流量预计都将减少约40%（对应文档中的图9）。这意味着，尽管作物需水（PET相关）的增长名义上不大，但水供给（Q）的锐减将成为未来农业和水资源管理的核心挑战。

4. 敏感性分析揭示关键控制因子

为了解流域水文行为的内在驱动机制，研究对GR2M模型的两个参数进行了敏感性分析。在保持模型性能（NSE > 0.6）的前提下，分析发现：当改变地下水交换系数x₂时，引起的径流变化幅度（约39%）是改变土壤水分蓄存容量x₁时（约13%）的三倍（对应文档中的图10）。这表明，流域内地表径流的变化对地下水与地表水之间的交换过程更为敏感。这暗示着，气候变化和地下水抽取（一种强烈影响x₂的人类活动）可能是驱动径流变化的主要因素，而土地利用变化的影响相对次要。

结论与讨论

本研究通过可靠的GR2M水文模型，定量揭示了黎巴嫩贝卡谷地半干旱小流域在未来气候变化下面临的严峻水危机。核心结论是：无论走向可持续（SSP1）还是高消耗（SSP3）的未来，地表水供给（Q）的下降都将远超过作物需水（PET）的微弱增长，其中SSP3路径将导致灾难性的水资源短缺。敏感性分析进一步指出，地下水-地表水相互作用（由参数x₂表征）是控制流域水文响应的最关键环节。这意味着，未来地表水的减少很可能迫使农民更多地抽取地下水，形成恶性循环：过度抽取进一步降低地下水位，反过来又减少河流基流，加剧地表水短缺，并推高灌溉成本和能源消耗，最终威胁粮食安全。

因此，研究的意义不仅在于提供了具体的量化预警，更在于为决策者指明了行动方向。短期内，缓解利塔尼盆地水压力的措施应包括：基于作物需水数据的公平水分配、推广滴灌等高效节水技术。为了缓解对地下水系统的压力（即保护x₂），应积极开发非常规水源（如再生水利用），并利用冬季丰水期进行地下水人工补给，以恢复含水层水位。长期策略则需要考虑逐步转向低耗水作物，并提升公众的节水意识。这项发表在《International Soil and Water Conservation Research》上的研究，为数据稀缺的半干旱流域应对气候变化提供了宝贵的科学工具和决策依据，强调了在全球变暖背景下，转向可持续发展路径对于保障水资源安全和农业可持续性的极端重要性。