水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 促进斯威士兰和平与繁荣的基于气候变化的水资源管理 英文来源： Managing water under climate change for peace and prosperity in Swaziland[J]. Physics and Chemistry of the Earth 30 (2005) 943–949 作者：Jonathan I. Matondo，Graciana Peter，Kenneth M. Msibi 翻译：许云锋 摘要：日渐增强的温室效应将会导致全球温度升高（℃），这将导致部分地区降水增加，而部分地区将减少（±20％）。预计气候变化几乎会影响人类活动的所有方面。本文的重点是在气候变化下促进斯威士兰和平与繁荣的水资源管理。通过输入降雨径流模型得出大气环流模型（GCM）的结果（降雨，潜在蒸散量，气温等），进行评估气候变化对水文和水资源变化的影响。通过对3个流域，即姆布鲁兹河（姆布鲁兹河（Mbuluzi））、科马提（Komati）和恩瓜武马河（Ngwavuma）的研究，评价气候变化对斯威士兰水文水资源的影响。 MAGICC模型可用来模拟斯威士兰气候条件给定的基本参数。在评价过11个大气环流模型中有三个能够很好地模拟斯威士兰的降水。这三个大气环流模型分别是：the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL), the United Kingdom Transient Resalient (UKTR)和the Canadian Climate Change Equilibrium (CCC-EQ)。这三个项目的大气环流模型被用来规划2075年斯威士兰的温度和降水变化。此信息可用来生成这三个流域2075年的温度、降水和潜在蒸发量。此信息也可用来校准WatBall降雨径流模型。模拟结果（考虑到用水）显示：6月~9月科马提河（Komati）和恩瓜武马河（Ngwavuma）这两个流域缺水，5月~9月姆布鲁兹河（Mbuluzi）流域缺水。农业部门在科马提河（Komati），姆布鲁兹河（Mbuluzi）和恩瓜武马河（Ngwavuma）这三个流域采用高效用水措施（即滴灌）可以节约的水量分别为：³106m³（³/s）、³106m³（³/s）、³106m³（³/s）。节约的水可以用于其他经济活动，同时也符合斯威士兰对下游沿岸国家南非和莫桑比克的放水义务。 关键词：温室气体，气候变化，大气环流模型，Watball模型，模拟结果，水资源的高效利用 30
水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 1 简介 温室效应将导致全球变暖的同时也相应地改变了每个国家或地区的平均降水，变化范围有20%上下(WMO/ICSU/UNEP, 1989)。一般来说，通常认为很罕见的洪水则频繁地出现在某些地区，同时干旱和用水紧张的问题也在其它地区凸现出来(Miller, 1989;Shaakee, 1989; IPCC, 1990)。因此，有必要在当地水平下进行气候变化对水文及水资源的影响评估。这个评估包含GCM模型和水文模型的应用(Kunz, 1993).。这种方法已经在这三个流域得到应用。 Matondo等人（2004）已经做出了这三个流域已知气候变化下的模拟结果，此结果包括不考虑取水情况的枯水年、丰水年和平均年三种情况。本文则提出了考虑规划取水需要下，气候变化对这三个流域内水文水资源的影响。 2 背景 斯威士兰王国位于非洲的东南部，处于南纬25°~28°，东经31°~32°。斯威士兰是一个内陆国家，距离印度洋海岸线大约48~225公里，其所有进出境活动都必须经过其邻国南非或莫桑比克。斯威士兰国土面积为17360平方公里，是南半球最小的国家。斯威士兰的北、西、南三面为南非所环抱，东与莫桑比克为邻。国土面积虽小，但是在地形、地质及气候上都有其特别之处。斯威士兰位于Maputoland中心，有报告表明斯威士兰具有非洲南部最大的生物多样性。 图1 斯威士兰境内流域分布 斯威士兰境内有四种不同的地理区域即：Lowveld、Middleveld、Highveld 和 Lubombo，这样可以清晰看出其地势和海拔(Murdoch, 1970)。斯威士兰属于亚热带气候， 31
水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 有着夏季湿热和冬季干冷。不同地理区域发生了进一步的气候变化，这导致了三种清晰分明的气候类型。 Highveld地区的气候特点是夏季潮湿和冬季干燥，且其年均降雨量为1500毫米。这里的气温变化从盛夏的33℃左右到中冬的0℃左右。而在Lowveld地区则是另一个极端，它属于亚热带气候。这个地区的年均最低降雨量为450毫米左右。这里昼夜温差极大，最高温度可达30℃。这个地区有很多半干旱地带，也可能会沙漠化。整个斯威士兰境内的暴雨频率比总降雨的频率还均匀。75%~83%的降雨量（月平均）来自夏季（10月~5月）。斯威士兰的水资源主要有地表水（河流、水库）、地下水和大气水分。斯威士兰有七大流域，分别是洛马蒂河（Lomati）、科马提河（Komati）、姆布鲁兹河（Mbuluzi）、乌苏图河（Usutu）、恩瓜武马河（Ngwavuma）、蓬戈拉河（Pongola）和卢邦博河（Lubombo）（见图1）。最后的两个流域（Pongola和 Lubombo）较小，也没有充分利用，且水资源委员会还没有对这两个流域进行分水。所以，这两个流域还没有水文站。除了科马提河（Komati）和乌苏图河（Usutu）这两个流域源于南非，其余均源于斯威士兰境内。此外，斯威士兰境内的所有河流均为国际河流。所以，地表水开发利用必须与河流流域内的其他国家（南非和莫桑比克）进行协商合作。 3 方法论 由人类活动引起的气候变化导致了全球气候变暖。全球气候变暖将导致年均降雨量变化在20%左右(IPCC, 1990)。未来某些地区将会出现一些罕见的极端自然灾害。大气环流模型（GCMs）提出了由空气中日渐增多的二氧化碳及其他微量气体导致的气候变化趋势。GCMs可以数字化地表示整个地球气候系统，它还能模拟地球表面每个点的大气活动过程。姆布鲁兹河（Mbuluzi）、科马提河（Komati）和恩瓜武马河（Ngwavuma）这三个流域的人口可以由1997年人口普查的记录确定。叠加流域得出普查薪酬图，从而确定此流域的人口。通过耗水量的不同，可以将人口分农村人口和城市人口。牲畜数目可以通过流域内的取水槽获得。表1显示了这三个流域的人口信息。 表1 1977年三个流域人口普查信息 流域 人口 牲畜数量 灌溉面积（公顷） Mbuluz 11500(城市) i 107200 10000 62000(农村) 92000 (城市) Kom ati 67600 5000 4000(农村) 32
水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 Ngwa 88000(城市) vuma 54700 4000 795(农村 ) 预计2075年气候变化对水文水资源的影响可以进行评价，且考虑规划取水量。所以，在预测了2075年的人口后可以确定流域的用水需求。人口预测的方程分别为几何曲线方程（公式1）、幂曲线方程（公式2）和对数方程（公式3和4；Shryock et al., 1976） Pt=P0(1+r)t (1) Pt=Pn0e (2) Pt=(1/a)/(1+e-rt) (3) Pt=K/(1+a+bte) (4) r是人口增长率，t是年数，a和b是常数，e是自然对数的底数。公式（2）可以进行人口预测的简单应用。表2显示了三个流域的预测人口数和灌溉面积。但是需要知道的是艾滋病和其他2075年之前出现的绝症都能影响预测人口数量。一些行为方式的改变也有可能影响到人口增长率，例如现代科技提高了婴儿的出生成活率。因此，这里的人口预测可能是一种最差情况的预测，即在未来75年间会一直保持着很高的人口增长率。 表2 预测三个流域的人口数和灌溉面积 流域 人口 灌溉面积（公顷） Mbuluzi 1076319 6000 Komati 2153779 17000 Ngwavuma 1175378 12000 表3 预计2075年各流域用水 流域 活用水及工业用水 灌溉用水 总耗水 （万m³/年） （万m³/年） （万m³/年） Ngwavuma 1600 7200 8800 Mbuluzi 6600 20400 27000 Komati 1900 24000 26000 农村每人每天用水约为40升，城市和工业用水则约为167升(Matondo、Msibi, 2001)。甘蔗地灌溉用水每公顷每年用水约为1400毫米。但是，在未来高效节水技术会逐渐普及，很可能会降低规划用水量。假设水土保持措施能够实施，未来牲畜总数会有一定的减少。 33
水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 表3显示了每个流域的生活用水和灌溉用水量。 4 气候变化下规划用水对水供应的影响 恩瓜武马河（Ngwavuma）流域的规划用水为每年8800万m³，这相当于每天毫米的降水。姆布鲁兹河（Mbuluzi）流域的规划用水为每年27000万m³，这相当于每天毫米的降水。科马提河（Komati）流域的规划用水为每年26000万m³，这相当于每天毫米的降水。每个流域的规划用水都比得上不同气候变化情况下的模拟流量，包括枯水年、丰水年和平均年三种情况。 5 研究结果 要评价出气候变化对斯威士兰三个流域（科马提河（Komati）、姆布鲁兹河（Mbuluzi）和恩瓜武马河（Ngwavuma））的影响，可以通过以下三个大气环流模型：the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL), the United Kingdom Transient Resalient (UKTR)和the Canadian Climate Change Equilibrium (CCC-EQ)。上述模型可以很好地模拟斯威士兰实测气象数据（降雨量）。所以，上述模型的模拟结果（温度、降雨量变化和土壤水分蒸发蒸腾损失总量（2075年））可用来输入标准WatBall模型(Matondo et al., 2004; Yates and Strzepek, 1994)来预测三种气候变化情况（低、中、高）下三个流域2075年的丰水年、枯水年和平水年的流量，同时还考虑规划取水。最大气候变化情况下三个河流枯水年的流量已经被本文选中并显示在图2-4中。之所以选择这个模拟结果，是因为这个结果代表了气候变化下最坏的情况。所以，从最坏情况模拟的结果可以制定出缓解气候变化对水资源影响的措施。 图2 Komati流域实测与模拟流量的对比 34
水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 图3 Mbuluzi流域实测与模拟流量的对比 图4 Ngwavuma流域实测与模拟流量的对比 从图2可以看出，冬季时将无法满足科马提河（Komati）流域的用水需求。剩余水也无法满足生态用水的需求。所以，这将导致环境恶化。科马提河（Komati）是一条国际河流。上述结果可以看出由于气候变化未来只有极少量的河水流量流入南非和莫桑比克。所以，日渐激烈科马提河（Komati）的争水问题，可能会导致莫桑比克、南非和斯威士兰这三个科马提河流经国发生冲突战争。 图3对最大气候变化下考虑取水姆布鲁兹河（Mbuluzi）流域的枯水年的实测流量和模拟流量进行了对比。从图3看出，5月~9月缺水。正如科马提河（Komati）流域一样，气候变化下河流流经国将会因有限的水资源发生冲突。在这种情况发生前，合作和调整措施都显得尤为重要。 图4对最大气候变化下考虑取水恩瓜武马河（Ngwavuma）流域的枯水年的实测流量和模拟流量进行了对比。从图4看出，6月~10月缺水。所以，这几个月没有水可供生态环境使用，更没有水从斯威士兰流出。因为恩瓜武马河（Ngwavuma）流入南非汇入莫桑比克的马普托河（Maputo），所以整个冬季的缺水势必要引起这三个国家的冲突。 35
水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 6 高效用水对水供应的作用 气候变化下流量的减少显而易见。所以，用水部门必须适应贫乏的可用水资源。在工业生活用水（占总需水的4%）上应该不会有显著的节水。斯威士兰的主要用水为灌溉用水，占96%。所以，只能将节水的希望放在农业用水上。 图5 枯水年气候变化下Komati流域实测数据与在UKTR-High模型内采用节水措施与不采用时模拟数据的对比 图6 枯水年气候变化下Mbuluzi流域实测数据与在UKTR-High模型内采用节水措施与不采用时模拟数据的对比 36
水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 图7 枯水年气候变化下Ngwavuma流域实测数据与在UKTR-High模型内采用节水措施与不采用时模拟数据的对比 表2列出了三个流域的规划灌溉面积。现在采用滴灌的地区面积和喷灌的地区面积差不多。采用喷灌的甘蔗产地用水大约是1400毫米/（年*公顷）。随着科技发展，将来唯有更高效的灌溉技术。从喷灌灌溉转换为滴灌灌溉将节约20%的水量，即节约280毫米/（年*公顷）。所以，在科马提河（Komati）, 姆布鲁兹河（Mbuluzi）和恩瓜武马河（Ngwavuma）这三个流域采用高效用水措施可以节约的水量分别为：³106m³、³106m³、³106m³。图5-7进行了考虑高效节水措施应用后实测流量和模拟流量的对比。 图5显示出在冬季采用高效用水措施比不采用时能够节约更多的水。所以这些节约的水可以满足生态用水需求，以及向南非和莫桑比克出境水量的需求。 图6可以看出在冬季采用高效用水措施比不采用时能够节约更多的水。采用高效用水措施后姆布鲁兹河（Mbuluzi）流域将不会缺水。这些保留下来的水可以满足在冬季生态用水和向莫桑比克出境的水量。 图7显示出在冬季采用高效用水措施比不采用时能够节约更多的水。采用高效用水措施后恩瓜武马河（Ngwavuma）流域将不会缺水。这些保留下来的水可以满足在冬季生态用水和向南非和莫桑比克出境的水量。 7 调整措施 人类活动特别是土地应用的改变极大地影响了河流的现状。这国家的过度放牧导致土地退化以问题的形式出现了。落后的耕作方法也同样会导致土地退化。人口增长都将压缩农业用地。上述的行为在未来如果等不到治理，这个国家在夏季将频繁经历洪水。只是因为土地退化导致了渗透率降低从而增大了径流量。洪水也将沉积物带到水库，从而减小了水库容量。 影响降雨的上述变化的时间范围和水资源工程项目(大坝、灌溉渠、排水系统等 (Shaakee, 1989)的计划、审批、筹措资金、建设及其整个经济寿命用的时间差不多。所以，无论变化的方向和程度，调整措施都有意义。 可以确定的是斯威士兰将在气候变化下的三种情况（枯水年、丰水年和平水年）减少用水。所以，水资源的计划、发展、操作及管理都随推动节水的政策措施发展而发展。Miller（1989）提出调整措施须针对发展有力的水资源系统和把气候变化的不确定性列入 37
水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 长期计划的技巧。Matondo和Msibi (2001)已经提出了针对处理预测气候变化影响的水资源调整意见，而在本文中进行全面地列举。 8 现存基础设施的调整方案 调整措施（铺设渠道衬砌、改变进水口位置、用封闭管道代替露天管道、把独立的水库合并成一个系统、利用人工灌溉减少蒸发量）； 针对气候变化可能导致的水量增加的措施（坝顶加高、增大管径、清除库底淤泥增大库容）； 建设新的基础设施（水库、水电体系、输送系统、跨流域调水）； 对现有的供水系统进行非正式管理（修改操作规范、采用地表/地下水联合供应、整体操作水库系统、协调供需） 需求调整 节水措施和提高水的利用率 － 生活用水（节水厕所、节水浴室、烹饪用水重复利用、高效裂缝修补器、循环水洗车、雨水收集） － 农业用水（夜晚滴灌、渠道铺盖、封闭管道、用水效率上的改进、排出水循环使用、废水利用、网络管理） － 工业用水（可利用工业废水循环使用） 技术调整 － 生活用水（节水厕所、高效用水、绿化用水调整、双供水系统、非饮用水循环使用） － 农业用水（低耗水作物、庄稼高效用水、滴灌、微型喷灌、低能耗、精确灌溉系统、能使用排出水的耐盐作物、废水收集站） － 工业用水（干燥清洁技术、密闭循环降温技术或空气降温技术、循环用水的机器、改变产品类型） － 电力用水（增加水库和水电站、低水头水力发电、高效水轮机） 利用市场/价格进行调节 － 利用水价改变部门间水用途 9 总结 38
水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 MAGICC模型已经可以根据基本条件模拟斯威士兰气候的基本参数。11个大气环流模型已经得到应用，其中三个能很好模拟斯威士兰实测降雨。这三个模型分别是：the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL), the United Kingdom Transient Resalient (UKTR)和the Canadian Climate Change Equilibrium (CCC-EQ)。上述三个模型已经用于模拟2075年斯威士兰温度和降雨变化。这样就可以得到2075年这三个流域的温度、降雨量和潜在土壤水分蒸发蒸腾损失总量。此信息也可用来校准WatBall降雨径流模型。模拟结果（考虑规划用水）显示科马提河（Komati）和恩瓜武马河（Ngwavuma）这两个流域在6月到9月间缺水，姆布鲁兹河（Mbuluzi）流域在5月到9月缺水。农业部门在科马提河（Komati）, 姆布鲁兹河（Mbuluzi）和恩瓜武马河（Ngwavuma）这三个流域采用高效用水措施（即滴灌）可以节约的水量分别为：³106m³（³/s）、³106m³（³/s）、³106m³（³/s）。农业部门采用高效的用水措施（如滴灌）可以在冬天有足够的水满足用水需求。这些保留下来的水可以满足在冬季生态用水和向南非和莫桑比克出境的水量，也减轻对水资源的争夺避免了三个国家间的冲突。已提出的调整措施须针对发展有力的水资源系统和把气候变化的不确定性列入长期计划的技巧。 参考文献 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change), 1990. In: Tegart, ., Sheldon, ., Griffiths, . (Eds.), Climate Change: The IPCC Scientific Assessment. Report prepared by Working Group II. Australian Government Publishing Service, Canberra, Australia. IPCC, (Intergovernmental Panel on Climate Change), 1996. In: Benioff, R. (Ed.), Climate Change 1995: Impacts, Adaptations and Mitigation of Climate Change: Scientific–Technical Analyses. Contribution of Working Group II to the second report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands. Kunz, ., 1993. Techniques to assess possible impacts of climate change in Southern Africa. Unpublished . dissertation, Department of Agricultural Engineering, University of Natal, Pietermaritzburg, South Africa. Matondo, ., Msibi, ., 2001. Evaluation of the Impact of climate change on water resources in Usutu river basin Swaziland. Uniswa Journal of Agriculture Science and Technology 4 (2), 135–146. Matondo, ., Peter, G., Msibi, ., 2004. Evaluation of the impact of climate change on hydrology and 39
水科学研究 2010年第4期 Water Science Research Vol. 4 water resources in Swaziland: Part II. Physics and Chemistry of the Earth 29, 1193–1202. Miller, ., 1989. Global Climate Change—Implications of Large Water Resource Systems. Proceedings of the 1989 National Conference on Hydraulic Engineering, New Orleans, Louisiana. Murdoch, G., 1970. Soils and land capability of Swaziland. Swaziland Ministry of Agriculture, Mbabane. Shaakee, ., 1989. Climate Change and US Water resources: Results from a study by the American Association for Advancement of 948 . Matondo et al. / Physics and Chemistry of the Earth 30 (2005) 943–949 Science. Proceedings of the 1989 National Conference on Hydraulic Engineering, New Orleans, Louisiana. Shryock, ., Siegel, ., Stockwell, ., 1976. The Methods and Materials of Demography. Academic Press, New York. Strzepek, ., Sembled, L., Prishnikya, V. (Eds.), 1996. Water Resources Management in the Face of Climatic/Hydrologic Uncertainties. Kluwer, Dordrecht, The Netherlands. WMO/ICSU/UNEP, 1989. The full range of responses to anticipated climate change. United Nations Environmental Programme: Global Environmental Monitoring System, Nairobi. Yates, D., Strzepek, ., 1994. Comparison of water balance models for climate changes assessment of runoff. Working Paper. IIASA, Laxenburg, Austria. 40
