第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 研究背景
水是生命之源，是人类赖以生存和发展的重要物质基础，也是生态环境的控制因素之一。有用的或者潜在有用的水的来源统称为水资源，它的用途涵盖广泛，包含了工业、农业、家庭、娱乐和环保活动等方面，几乎所有这些人类活动都与水资源紧密相关。
自19世纪末以来，随着科技的进步和社会生产力的提高，人类创造了前所未有的财富，推进了整个社会文明的进步。然而，人类在改造自然的同时，也使得生存环境受到了巨大干扰，自然环境的演化也产生了巨大的变化。水是人类赖以生存和发展的必不可少的重要资源之一，确保水资源的可持续利用，是实现社会经济可持续发展的重要前提条件（左其亭，2009）［1］。但是，由于人类活动的影响，地球上的水文过程不断加速，突出表现在：淡水资源量减少、水旱灾害频繁、生态环境恶化等。目前，许多国家和地区已发生了严重的水危机（夏军等，2002）［2］，水问题作为制约区域经济发展的关键性因素之一，引起了全人类社会的广泛关注。
随着社会的发展和进步，水资源问题已经成为全世界共同面临的严峻问题之一，同时我国水资源短缺问题愈发显得突出，水资源的重要性被越来越多的人所认识。我国是一个干旱缺水严重的国家。我国的淡水资源总量为2.8×1012m3，占全球淡水资源的6%，居世界第4位。但是，我国的人均水资源量只有2.3×103m3，仅为世界平均水平的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。在某些地区，水资源缺乏对农业和国民经济的稳定发展以及环境、人类的健康都产生了严重的影响（黄金柏等，2013）［3］。生态环境和水的关系，始终是密不可分的。水多成洪，植被受淹；地下水水位过高，盐碱灾害；地下水水位过低，旱情加重。
随着人口密度的增加，生产生活用水逐渐增加，留给生态环境的水资源逐渐减少；上游的用水增加，导致下游的水资源减少（李秀彬，2002）［4］。从统计数据来看，人口和生活用水总量每年都在增长，人均用水量呈现一种增长趋势，即生活用水量的增长成为一种必然趋势，其原因并不仅限于人口的增长（靳润芳等，2011）［5］。
另外，气候条件的变化，也会直接导致流域水循环过程发生改变，进而对流域以后的水资源形成条件造成影响。由于人口的增加和工业的发展，二氧化碳的排放量急剧增加，进而导致了温室效应的出现，全球气温不断升高。由此带来的我国降水量的影响，特别是针对我国区域降水的变化波动较大（赵振国，1996）［6］。由于我国特殊的地理位置、气候系统与地形特征，使我国成为一个洪涝灾害严重的国家。洪涝灾害对国民经济和社会发展的影响十分严重，据统计，20世纪90年代我国洪涝多年平均年经济损失达1250多亿元。此外，我国是一个水资源相对短缺的国家，水资源人均占有量低，地区分布不均，与此同时，降水的时间分布也非常不均，夏秋多，冬春少，年际变率大，供求矛盾严重制约社会和经济的可持续发展（郭彬斌等，2014）［7］。
近30年来，我国沿海海平面总体上升了90mm，略高于全球平均水平，我国极端天气与气候事件的频率和强度发生了明显变化。当前由于气候变化所引起的系列全球性环境问题已经严重困扰着人类社会，并且逐渐威胁到了生态系统和人类社会的发展。加之人们对水资源的认识不足、浪费及污染等问题，水资源供需矛盾更加紧张，水资源的合理利用和规划管理迫在眉睫。
综上所述，以水问题为纽带，通过对区域进行水文模拟和不确定性分析，从而预估区域的水循环、水环境和水灾害等情况，已经成为了当前水文水资源学科领域的重要研究课题（夏慧平，2001）［8］。
1.1.2 研究意义
北京市属于资源型重度缺水地区，且近几年气候日益干旱，加上人口急剧增长，地下水过度开采，水资源瓶颈日显突出。北京市延庆县城位于研究区内，近20年来城市化发展较为迅速，妫水河流域下游建有水利工程官厅水库。官厅水库建于1954年，曾经是北京市生活和农业的重要水源，但由于污染严重，在发挥40多年作用之后退出饮用水体系，已于1997年丧失水源地功能，导致北京市水资源问题更加严峻，官厅水库重新启用对缓解北京市水资源现状具有重要意义，研究区妫水河流域的水资源规划管理迫在眉睫（程晓光等，2013）［9］。
显著的气候变化也对妫水河流域产生了较为明显的影响。气候变化直接或间接影响着水文要素（如降水、蒸发和径流等）的变化，改变区域的水量平衡，影响区域水资源的空间分布，是影响水文水资源循环与演变的最重要驱动因素之一。开展妫水河气候变化对水文水资源的影响研究，对于理解与解决其可能造成的与农业、工业、城市发展等经济领域密切相关的水文水资源、环境、生态等问题具有重要的理论与现实意义。
气候变化是多方位、多层次的，不仅影响整个自然生态系统，而且也影响着社会经济系统。一方面气候变化必然引起水循环过程的改变，导致水资源在时空上的重新分配以及水资源数量的改变；另一方面气候条件是生态系统最基本的生存要素之一，如温度、适度和降水对生态类型有直接影响，气候变化间接或直接地影响着区域生态系统和自然环境，这些都对人类的生存和发展有显著的影响。同时，气候变化也会影响水文模拟的准确性。将妫水河的气候变化纳入水文模型的研究，不仅有助于减少模型的不确定性，也有助于对妫水河流域做出正确的水资源评价。
妫水河流域土地利用变化作为区域水文水资源变化的重要影响因素之一也纳入水文模型的研究，主要体现在流域蒸散发、产汇流过程及洪涝灾害方面。土地利用类型变化通过改变流域植被截留、下渗、蒸散等水文要素影响流域产汇流特性。不同土地利用类型由于其植被覆盖度等的差异使其存在不同的蒸散发速率。土地利用变化还将影响地表粗糙度和土壤的理化特征诸如疏松程度、透水性等，从而改变流域产汇流特性。早期常用的土地利用变化水文响应方法是对比分析法，但该方法为经验统计法，存在很大局限性。计算机、GIS（地理信息系统）和RS（遥感）技术的发展促进了分布式水文模型的诞生，使水文模拟法成为评估土地利用变化水文响应的主要方法。分布式水文模型具备极强的物理机制，以水文响应单元的概念表达流域空间异质性，在定量分析土地利用变化对水循环的影响上十分有效可信。因此，采用分布式水文模型模拟下垫面变化的水文响应也逐渐成为现今水文过程模拟的热点，研究土地利用变化的水文响应对区域水资源规划和管理有重要指导意义（谢平等，2010）［10］。