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加州2012-2016年干旱的教训

杰伊·伦德，美国土木工程师学会¹；约苏埃·麦德林·阿祖拉，硕士²；约翰杜兰德³；凯瑟琳·斯通⁴

摘 要

加州长达5年的干旱已经结束，尽管其余波仍在持续。2012年至2016年，加州大部分地区或全部地区遭遇严重干旱，降水、积雪和河流流量大幅减少，气温升高。森林、水生生态系统、水力发电厂、农村饮用水供应、农业和城市的水资源短缺造成了数十亿美元的经济损失，造成了数百万棵森林树木的死亡，使几种鱼类濒临灭绝，并给数百万家庭和企业带来不便和额外开支。干旱还带来了水资源管理方面的创新和改进，其中一些将更好地为未来的干旱做好准备。本文总结了2012-2016年加州干旱的强度和影响，并回顾了在加州水资源管理的更大历史背景下，因干旱而产生的创新。然后讨论了加州和现代干旱管理的经验教训。在为全球化经济服务的现代的、管理良好的水系统中，干旱不一定是经济灾难，但总是会产生影响和挑战，特别是对本地生态系统。在加州和其他所有供水系统，干旱有效地暴露了水资源管理的弱点和准备不足。在这方面，加州的生态系统和小型农村供水的管理者需要学习的最多。

DOI：10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000984这篇文章就是根据知识共享归属4.0国际许可证的条款获得许可，http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。

引言

干旱是可用水暂时低于正常数量的一种现象。干旱可能只持续几周，也可能持续数年或数百年。在这种情况下干旱与气候变化交织在一起。在雨养农业系统中，几周的干旱可能是

毁灭性的。像加州这样的地方，夏季旱季长，气候地中海，每年都会面临美国更潮湿的州有史以来最严重的干旱。

从2012年到2016年，加州经历了历史上最严重、持续时间最长、最温暖的干旱之一。这次干旱对森林、本地鱼类种群、地下水位和地面沉降的许多影响将持续数十年。干旱带来的教训和创新也将持续数十年，并提高加州管理未来干旱的能力。在加州的水资源管理中，过去和未来的干旱总是存在的。加州进入每一次旱灾时，管理机构、政策、基础设施、储水条件以及受过去旱灾影响的用水需求都会受到影响。未来的干旱也在水资源管理者的脑海中浮现，因为他们正在制定协议、合同、储存、基础设施和营销决策，以抑制潜在的干旱影响。

干旱一直是人类和自然生物面临的风险。从历史上看，干旱塑造并摧毁了文明和生态系统。干旱和有时伴随的气候变化与文明的衰落和衰落有牵连(Shimada et al.，1991年；道格拉斯等人，2015年；Krieger .2014；Staubwasser等人，2003年；Drysdale等人，2005年；费根，2009年；魏森，1997年)。对于生态系统来说，当入侵物种形成或物种组成发生变化时，干旱可能是关键事件(Winder等人，2011年)。然而，美国西部的水管理系统已经变得比人们通常认为的更加强大和适应性更强(Fleck 2016)。

干旱来得很慢。储存在土壤中的水，逐渐减少的泉水、水库和含水层抑制了干旱的发生。加州的干旱持续时间可能很长且不确定，可能持续数年、数十年甚至数百年，相比之下，火灾和洪水可能持续数小时至数天，地震则持续数分钟(Stine 1994)。因此，发出干旱开始和结束的信号可能会很混乱。干旱的发生通常是缓慢的，局部强度各不相同，持续时间不确定，而且往往各不相同。与所有形式的灾害一样，备灾大大减少了旱灾损失，而组织是有效备灾和应对的核心。

对人类来说，干旱的影响因经济、基础设施和制度条件以及干旱的水文特征而异。干旱的经济影响取决于经济对水的依赖程度以及区域和全球贸易的程度。全球经济联系极大地减少了干旱的影响(萨姆纳2015；隆德2016a)。全球粮食贸易在很大程度上消除了干旱对文明的生存威胁，并极大地缓解了干旱对经济和公共卫生的影响。灵活储存、移动和重新分配水的基础设施网络和机构也极大地减少了干旱影响(Lund 2016a)。区域水文特征，如大型淡水含水层，可以抑制干旱

¹大学土木与环境工程系的教授。加利福尼亚州戴维斯，加利福尼亚州95616(通讯作者)。电子邮件：jrlund@Ucdavis.edu

²大学环境系统工程代理副教授。加利福尼亚州默塞德市，邮编：95343。电子邮件：jmedellin-azuara@Ucmerced.edu

³大学流域科学中心的助理研究科家。加利福尼亚州，戴维斯，加利福尼亚州95616。电子邮件：jrduand@ucdavis.edu

⁴大学土木工程与环境工程系的研究生。加利福尼亚州戴维斯，邮编：95616。电子邮件：katstone@ucdavis.edu

注：本稿件于2018年1月2日提交；2018年4月24日批复；2018年7月30日在线发表。讨论期开放至2018年12月30日；个别论文必须单独提交讨论。本文是“水资源规划与管理杂志”(ASCE，ISSN 0733-9496)的一部分。

影响。

然而，为将干旱对人类的影响降至最低而采取的行动往往会进一步危及脆弱的生态系统和其他环境资源。

可以说，加州已经重组了基础设施和经济，以适应干旱，但其中许多行动进一步改变了栖息地和溪流，损害了当地物种，这些物种曾经很好地适应了加州的干旱，利用与融雪、泉水、地下水和季节性洪泛平原相连的曾经广阔的栖息地。在下一次干旱之前，当地物种种群在干旱期间的损失往往无法恢复。

本文回顾了加州最近的干旱，并将其置于历史和全球背景下。为加州和全球干旱管理吸取了教训。尽管存在问题和暴露出的弱点，但全球化经济体中准备充分的供水系统通常能相当好地经受住干旱，并随着时间的推移而随着时间的推移而改善，因为暴露在这样的极端环境中。

2012-2016年干旱的水文学

加州2012-2016年的干旱异常干燥和温暖，频率估计在20-1200年一次。作为一个差异很大的州，这个估计范围是合理的。干旱的异常高温使土壤水分消耗得更快，与过去的温度相比，1200年一遇的干旱频率估计1(Griffin和Anchukaitis 2014)。积雪也因高温而减少，假设过去的温度，估计每500年一次(Belmecheri等人)。2016)。从许多指标来看，这场干旱往往是有记录以来最严重的，但当地的评估因地点、面积和干旱指标的不同而有很大不同。中世纪发生了更长时间、更严重的干旱(Stine 1994)。与区域供水相关的区域降雨量、径流量和输水量减少往往是新低，但更频繁地出现在全州15-30年的大约1次(隆德2016a)。不管怎么说，这次干旱异常干燥、炎热和严重。

干旱的高温对于管理者、工程师和科学家如何为未来的干旱做好准备非常重要。变暖的气温占干旱累积水分赤字的25%(M.Dettinger，PersonalCommunication，2017)，而且肯定会减少土壤水分和积雪，减少水库中的冷水，并提高河流温度(Hanak等人，2015b；Mount et al.，2017年)。

加州干旱的主要原因是在加利福尼亚州附近的太平洋上形成了一个“极其坚韧的高压脊”，将大气中的水分从加州分流出去。这个山脊的气候学原因将会争论一段时间(Swain 2015；Singh et al，2016年；Swain等人，2017年)。加州持续数年如此严重的干旱不太可能完全是随机的，很可能与一些更大范围的太平洋和全球气候过程有关(Teng和Branstator 2017)。气候变暖被认为起到了一定的作用(Diffenbaugh等人，2015年)，而且这种模式与气候变化缩小到加利福尼亚州的预测是一致的(Cayan等人，2008年；德廷格，2005)。

加州已经拥有异常多变的气候。文献表明，气候变暖将放大加州洪水和干旱的频率和程度。最近一次干旱的温暖温度可能预示着未来气候变暖的干旱和非干旱年份。更高的气温将加剧许多干旱影响，特别是对土壤水分、积雪、水流和温度敏感型生态系统的影响。

供水

干旱减少了地方、地区、州和联邦水利工程的供水量，而此时正值历史上用水需求居高不下的时期。表1汇总了旱灾每年(2012-2016年)以及旱灾前后多雨年份(2011年和2017年)中央山谷项目和国家水利工程供水量的减少情况，显示了旱情的发展情况。即使在多雨的年份(2011年和2017年)，水利工程也不能满足所有的用水需求。此外，由于立法和/或项目前水权(例如，萨克拉门托河谷“定居点”和圣华金河“交换”合同)的不同，不同的用水用户往往受到不同的法律优先事项的影响。

随着干旱的持续，水利工程的蓄水量减少，输水量减少，在2014年和2015年达到了最低点。在这些年里，一些水务承包商(尤其是Friant)自上世纪50年代该项目开始以来首次收到零交付，有时缺乏替代水源，迫使用户钻新井或从其他有合同分配的人那里购买水。这种适应减少了许多领域的短缺和成本，但也带来了自己的成本和后果。

许多其他当地和地区性的供水供应商也受到了干旱的影响，这些供应商提供了加州人使用的大部分水。一些受影响较小的原因是上游水库规模较大(例如，索拉诺县和科罗拉多河用户)、地下水银行，或水市场转移和保护(特别是在南加州和旧金山湾区的城市)。一些孤立的当地供水受到的影响更深。

主要问题领域

干旱考验着供水系统。2012-2016年的干旱范围和深度足以考验加州的所有水管理部门。按照粗略的经济顺序，受影响最严重的地区是农业(特别是圣华金河谷)、森林、水电、农村地下水供应、娱乐、萨克拉门托-圣华金三角洲、水生生态系统、受保护渔业管理和城市(特别是水力孤立的城市)。

该州的水务会计和水权管理系统也进行了测试。

农业

这场干旱是全州范围内的，尽管当地地下水缓冲了大部分农业影响，但加州大部分农业受到了严重的干旱影响(Howitt等人，2014,2015a,b;Medelliacute;n-Azuara等，2015a;Medelliacute;n-Azuara等，2016）全州范围内可用于农业的地表水减少了约30%，其中约三分之二被额外抽取的地下水所替代，每年增加约6亿美元的抽取成本(表2 2015年)。剩下的10%的全州农业用水短缺是通过休耕或闲置约50万英亩(约占全州灌溉作物面积的6%)，并通过作物的胁迫灌溉、作物转移和提高灌溉效率来解决的。2014-2016年，旱灾给全州农业造成的直接经济损失约为38亿美元(Howitt et al.2014,2015b;Medelliacute;n-Azuara et al.2016)2014 - 2015年，全州农作物收入损失约为17亿美元，这是干旱最严重的两年(Howitt et al. 2014, 2015a, b)，农业产值约为450亿美元/年。72%的损失发生在南部的中央V巷(15%在San Joaquin盆地，57%在Tulare盆地)。这些损失集中在V巷无法获得良好地下水的部分地区。农业地区通过休耕大量的一年生作物来适应干旱，减少对一些作物的灌溉应用(压力灌溉)，并将一些一年生作物转移到新的果园(在第一年减少约40%的水使用量)(Sanchez 2017)。

干旱导致的地下水位下降将在未来多年增加南部中部V巷部分地区的地下水抽取成本，同时由于严重超采含水层上方的土地下沉而导致的干井成本和基础设施能力损失将增加(MacEwan et al. 2017)。

干旱极大地增加了与透支相关的地面沉降，这是圣华金V巷部分地区的一个长期问题(Faunt和Sneed 2015;Sneed等人2013;Borchers等人2014年)。在

些地区，新的地面沉降在干旱期间接近几英尺。下沉对经济的最大影响是，圣华

表1 2011-2017年主要水利工程交付量

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