基于情景证据的松辽流域未来水供给-需求风险人为贡献分析

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Scenario-based evidence for anthropogenic contributions to future water supply-demand risk in the Songliao Basin

　　

本研究构建了面向未来情景的松辽流域水供给-需求风险（Water Supply–Demand Risk，WSDR）评估与归因分析框架。该框架将土地利用模拟、水供给估算、分部门需水计算、风险识别以及反事实归因分析整合为统一系统，实现了对供给侧波动与需求侧增长的耦合评估，同时定量区分了气候变化、人类活动及其相互作用对未来WSDR演变的相对贡献。研究结果表明：未来土地利用在不同情景间存在显著分异，耕地总体呈下降趋势，而SSP5–8.5情景下城镇用地扩张最为强烈。水供给保持高度变率，总需水量则稳步增长，至2100年SSP5–8.5情景下达156.29×10⁸ m³。与此同时，中高发展路径下中高风险区扩展并更加集聚。归因分析显示，在SSP-RCP情景下，WSDR加剧更多地与人类活动相关，其通常贡献总风险变化的60%–80%，而气候变化主要放大供给侧波动。这些结果表明，松辽流域未来水风险较少与水资源量的简单下降相关，而更多地与不稳定供给和持续增长需求之间日益突出的失配有关。

松辽流域作为中国重要的粮食主产区、老工业基地和生态安全屏障，其水供给-需求风险（WSDR）演变研究具有重要的区域代表性和战略意义。该流域面积约125万km²，属温带季风气候，降水时空分布不均，年际变率显著，加之快速城镇化与工农业发展的叠加影响，使其成为研究气候与人类活动耦合作用下未来水风险的典型区域。

当前水供给-需求风险评估研究已从早期的指标法（如缺水指数、水压力指数、人均水资源量等）逐步转向基于过程的耦合框架。然而，现有研究仍存在三方面不足：其一，气候驱动研究往往简化需求侧变化，难以判定风险增长是否源于需求扩张；其二，人类活动驱动研究缺乏对未来气候导致供给侧波动的精细考量；其三，虽有研究尝试整合两者，但定量归因仍显不足，尤其缺乏对未来情景下气候变化与人类活动相对贡献的分解。为此，研究人员在《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表了这项研究，旨在构建"评估-归因"一体化框架，回答水风险变化主要由气候变化还是人类活动驱动这一核心问题。

该研究采用的技术方法体系包含五个关键环节。第一，土地利用模拟方面，研究人员整合了土地利用协调数据集（LUH2）和中国土地覆盖数据集（CLCD），通过分类系统协调将其统一为耕地、林地、草地、水域、城镇用地和裸地六类，采用BP（Back Propagation）神经网络评估用地适宜性并结合空间竞争机制进行空间分配。第二，水供给计算运用InVEST（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs）模型的产水模块，基于Budyko曲线水均衡理论模拟网格尺度产水量，并以1990–2020年松辽流域水资源公报数据进行参数本地化和验证，得到最优季节因子Z为2.12；同时纳入GEORAR和Res-CN数据库中86座主要水库的调节库容及其上游集水区划定。第三，水需求计算分部门进行，工业需水基于GDP和用水定额，农业需水采用作物系数法和有效降水，生活需水依据人口和人均用水定额，生态需水通过生态用地面积和单位面积需水系数估算，其中作物种植分布数据来源于SPAM（Spatial Production Allocation Model）。第四，风险评价构建了基于供需比的对数变换WSDR指数（R_i,t = D_i,t/S_i,t），并通过差分分解为需求侧对数增量与供给侧对数增量之差。第五，归因分析采用反事实情景法，设定仅气候变化的RC情景、仅人类活动的RH情景以及两者均变化的RCH情景，通过对比基准情景R₀，分离气候变化贡献（ΔR_C）、人类活动贡献（ΔR_H）及交互作用贡献（ΔR_int）。

研究结果部分包含四个核心内容。

土地利用模拟结果表明，2020至2100年间主要土地覆被类型呈现情景依赖性分异。耕地所有情景均呈下降趋势，SSP1–2.6情景降幅最大（约36.5%），SSP5–8.5情景降幅较小（约21.8%），转换方向主要为林地和城镇用地。林地扩张幅度差异显著，SSP1–2.6情景增加21.2%，而SSP5–8.5情景仅增4.2%，反映低碳路径下生态恢复更强。城镇用地在所有情景下持续扩张，SSP5–8.5情景增幅最大，集中于现有城市群和交通廊道周边。草地SSP1–2.6情景相对稳定，SSP5–8.5情景下降。水域和裸地变化较小。

多情景水供给与需求结果表明，水供给 historical期年际波动显著但无明确单调趋势，变幅为101.25–179.51×10⁸ m³，空间上高值区位于东部山区和主要河流沿线；未来期SSP1–2.6情景波动较弱且相对稳定，SSP2–4.5情景整体水平较高且后期上升，SSP3–7.0情景波动幅度最大，SSP5–8.5情景波动较强但弱于SSP3–7.0。水需求 historical期从1990年的46.74×10⁸ m³增至2020年的73.88×10⁸ m³，工业需水增幅最大（从5.43增至29.81×10⁸ m³）；未来期SSP5–8.5情景2030年即达102.34×10⁸ m³，2100年升至156.29×10⁸ m³，而SSP1–2.6情景2060年后逐步回落至118.38×10⁸ m³。

水供给-需求风险时空演变结果表明，historical期WSDR空间异质性显著，低中风险区占主导，但高风险的点状分布随时间演变为带状和面状集聚，2005–2015年间东部沿海地区和局部城市群周边中高风险区显著扩展。未来期风险轨迹情景分异明显：SSP1–2.6情景风险变化较缓，高风险区扩展有限；SSP2–4.5、SSP3–7.0和SSP5–8.5情景下，中高风险区在供给不确定性增加和需求持续增长的双重作用下出现大规模溢出和融合，高风险区比例明显上升。

归因分析结果揭示，人类活动对WSDR变化的贡献在四种SSP情景和未来各时期均居主导地位，大多集中在60%–80%之间；气候变化贡献相对较低，多为10%–30%；气候-人类交互作用贡献最小。这一格局在SSP3–7.0和SSP5–8.5情景下尤为稳定。人类活动的主导作用主要与需求侧扩张和用水空间集中相关：经济增长和工业化使工业需水从1990年的5.43×10⁸ m³增至2020年的29.81×10⁸ m³；人口增长和城镇化推动生活需水从4.73×10⁸增至6.92×10⁸ m³；SSP5–8.5情景下城镇用地增加进一步促进工业和生活需水向城市群集聚。气候变化则主要通过改变降水、蒸散发和产水量来增强供给侧变率，尤其在极端年份放大供需缺口，但其贡献未超过人类活动。交互效应表明，气候导致的供给波动在需水增长背景下可进一步放大供需失衡。

讨论部分围绕四个维度展开。关于未来土地利用变化格局与供需结构影响，研究人员指出不同情景下土地利用分异反映了经济社会发展路径与减排政策联合作用下人地关系的重构。通过协调LUH2和CLCD数据集，研究建立了土地转换方向和幅度比较的一致基础。耕地向林地和城镇用地的转换体现了生态恢复、农业结构调整和城镇扩张的联合压力；林地扩张的低碳路径偏好表明协调性的生态保护与减排政策可促进森林恢复；而城镇扩张直接加剧了生活与工业需水并强化了用水空间集聚。与先前研究相比，松辽流域的土地利用转换并非单一的城市扩张主导或生态修复主导路径，而是受耕地保护、工业发展和生态修复共同约束的混合模式，其对WSDR的影响更体现为农业、工业、生活和生态需水的结构性重组而非单纯的覆被转换。

关于WSDR时空演变特征，研究强调松辽流域水供需压力呈持续加剧态势，需水强度从1990年的约37400 m³/km²升至2020年的59100 m³/km²，SSP5–8.5情景下2100年将达125000 m³/km²。与北方季风区其他主要流域相比，松辽流域historically属于中等需求强度组，但高发展高排放情景下其需求强度将急剧上升并逼近海河等传统高压流域水平。因此，未来WSDR加剧不应简单理解为供水减少的后果，而更应视为单位面积需水压力快速累积下，供给波动放大系统性供需失配的产物。Historical期风险从相对稳定的点状分布逐步演进为集聚化、连续化的面状格局，反映了区域水资源系统从局部失衡向更广范围、更具结构性供需失配的转型。

关于人类活动作为WSDR主要贡献者，研究人员将风险变化归因聚焦于两个核心过程：人类活动贡献定义为需求变化的对数增量，气候变化贡献定义为供给侧变化的负对数增量，通过绝对贡献归一化计算相对贡献率。归因设置和结果共同表明，人口与经济增长推动用水规模扩张和结构调适，是导致供需缺口扩大和高风险区融合的首要原因；气候变化通过影响产水过程和增大年际变率放大现有缺口，但未改变风险上升的主导方向。因此，未来风险控制应优先调控需求侧，同时辅以工程调节和适应性配置以缓冲供给不确定性的年际冲击。

关于不确定性与局限性，研究承认结果依赖于SSP假设、土地利用投影和水文模型设置，未来气候变化、经济社会发展和政策调控本身具有不确定性；输入数据质量和空间分辨率可能制约WSDR局部空间格局和变化幅度的精确刻画；反事实归因方法中，土地利用对供需的双重影响、水库调节的人为属性以及气候变化对农业需水的潜在效应仍使归因结果存在简化。

研究结论指出：基于情景的框架成功评估了松辽流域未来水供给-需求风险并量化了气候变化与人类活动的相对贡献。未来土地利用情景分异显著，耕地下降、SSP5–8.5情景下城镇用地扩张最强；水供给高度变率而需水持续增长至SSP5–8.5情景下的156.29×10⁸ m³；中高发展路径下高风险区扩展并集聚。归因表明人类活动贡献占60%–80%的主导地位，气候变化主要放大供给侧波动。未来WSDR加剧较少源于水资源量的简单下降，而更多源于上升需求与不稳定供给之间日益突出的失配。该研究的广泛意义在于表明，大型农业工业流域的未来水风险应被理解为土地利用转型、需求重组和供给不稳定耦合的结果，而非纯粹的水文问题，这一综合视角可为流域尺度WSDR评估与归因、土地利用规划、气候适应及区域可持续治理研究提供有益支撑。