變化環(huán)境下大凌河流域水資源演變規(guī)律分析

郭艷娜

(葫蘆島市水土保持辦公室，遼寧 葫蘆島 125000)

隨著科技的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)水資源的改造能力不斷提升，對(duì)水資源需求越來(lái)越高，污染程度日趨嚴(yán)重，目前地球水資源狀況和水循環(huán)已發(fā)生了重大改變，各地均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的水污染和水緊缺的問(wèn)題，水問(wèn)題已成為制約經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素[1]。為了減少人類活動(dòng)對(duì)水資源改造所造成的污染，減輕嚴(yán)峻的水資源緊缺危機(jī)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)新環(huán)境下的水資源演變規(guī)律做了大量研究。當(dāng)前對(duì)于自然水循環(huán)演變規(guī)律研究相對(duì)比較成熟，主要包含有降雨、截流、蒸發(fā)、入滲和徑流等過(guò)程的研究，研究表明降水受氣候變化和環(huán)境改變影響顯著，是驅(qū)動(dòng)水循環(huán)的主要關(guān)鍵因素。Stockton等學(xué)者通過(guò)建立降雨、氣候和徑流量之間的變化關(guān)系，探討了美國(guó)主要河流在不同氣候環(huán)境下的徑流變化曲線。龍虎等依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析原理，分析了黃河中下游氣候變化和水資源之間的關(guān)系，并針對(duì)引起水資源減少的主要因素提出相應(yīng)的補(bǔ)償措施和治理方法。藍(lán)永超等通過(guò)借鑒歷史有關(guān)祁連山的降雨、氣溫以及徑流等資料，分析了該區(qū)域氣候變化對(duì)山間徑流的影響[2]。

我國(guó)對(duì)水文循環(huán)和水資源演變規(guī)律的研究起步相對(duì)較晚，但隨著近年來(lái)對(duì)水文資源的關(guān)注和重視，國(guó)家和政府啟動(dòng)成立了一系列的項(xiàng)目和計(jì)劃。如在2002年舉辦的第187次學(xué)術(shù)研討會(huì)，主要針對(duì)人類活動(dòng)下水文循環(huán)速率、人類資源二元驅(qū)動(dòng)水循環(huán)以及生態(tài)水文和水文循環(huán)三方面問(wèn)題進(jìn)行探討和交流；2004年成立的973項(xiàng)目，提出的“自然- 人工”二元水循環(huán)演化模型，研究了黃河流域的水資源演變規(guī)律。雖然已有人類活動(dòng)作用對(duì)水文循環(huán)和水資源形成演化過(guò)程的影響的研究，但對(duì)于作用機(jī)理和水資源演變規(guī)律研究相對(duì)較少，處于起步階段，其基礎(chǔ)理論和模型體系尚未成熟。文章基于水資源二元演化預(yù)測(cè)模型，對(duì)變化環(huán)境下大凌河流域水循環(huán)過(guò)程進(jìn)行研究，并以廣義水循環(huán)理論為基礎(chǔ)提出大凌河流域水資源演變規(guī)律[3]。

1 大凌河流域概況

大凌河流域位于我國(guó)遼寧省西部，該流域水土流失嚴(yán)重，泥沙含量較多，大約為57kg/m3。流域大小支干流交錯(cuò)，全長(zhǎng)398km，所占面積約為2.35萬(wàn)km2。大凌河流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，四季分明，日照豐富、溫差大，資料顯示9月和10是該流域的降雨旺季，年降水量約為450～600mm，降雨時(shí)間分布不均勻，徑流量約為16.67億m3。大凌河流經(jīng)低山丘陵區(qū)、山間河谷平原以及下游的平原區(qū)，其中以低山丘陵區(qū)為主，占流域總面積的80%左右。土質(zhì)疏松，物理性能較差，植被覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重，是大凌河泥沙的主要來(lái)源[4]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和環(huán)境氣候的變化，該區(qū)域水資源日趨衰減枯竭，且人類對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)利用量逐年增加，大凌河流域內(nèi)水循環(huán)和水資源演變規(guī)律發(fā)生了明顯改變。文章主要采用二元水循環(huán)理論對(duì)大凌河流域水循環(huán)和水資源演變規(guī)律進(jìn)行模擬，探討分析大凌河流域水資源在變化環(huán)境下的演變規(guī)律和影響因素[5]。

2 水資源影響因素分析

大凌河流域主要流經(jīng)錦州市、阜新市、朝陽(yáng)市、葫蘆島市等5個(gè)地級(jí)市所轄的13個(gè)縣市區(qū)，其中包括牛家溝、哈巴氣、木頭城子、朝陽(yáng)、就連東、義縣以及阜新等15個(gè)雨量監(jiān)測(cè)站。結(jié)合大凌河水資源徑流特征、水文監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布及水利工程實(shí)際情況，參考大城子水文站、朝陽(yáng)水文站以及凌海水文站的1971～2014年逐月實(shí)測(cè)徑流資料和15個(gè)雨量監(jiān)測(cè)站逐月實(shí)測(cè)降水資料，對(duì)研究流域內(nèi)在1971～2014年水資源演變主要影響因素變化情況進(jìn)行分析探討[6]。

2.1 降雨量影響分析

降雨是影響大凌河流域水資源變化的主要因素，且對(duì)流域水資源補(bǔ)充供給起決定性作用。根據(jù)15個(gè)雨量監(jiān)測(cè)站逐月實(shí)測(cè)降雨量資料，選擇的降雨量為年平均降雨量[7]。大凌河流域按地理位置進(jìn)行分段：南北支流上游區(qū)、南北支流匯集區(qū)、大凌河徑流朝陽(yáng)區(qū)、大凌河徑流北票區(qū)、大凌河徑流義縣區(qū)和大凌河徑流凌海區(qū)，大凌河在各分區(qū)、各時(shí)段內(nèi)降雨量年際變化情況見(jiàn)表1。

表1 大凌河各區(qū)年降雨量變化情況 單位：mm

由表1可知，大凌河流域降雨量隨時(shí)間變化呈逐漸減少趨勢(shì)，大凌河全流域2001～2015年均降雨量為518.4mm，相比1971～2000年的590.2mm降低了12.2%，2011～2015年均降雨量為514.3mm，相比1971～2000年均降雨量減少了12.9%。同時(shí)由表1可以看出，大凌河降雨量減少幅度最快的期間為2001～2010年，此時(shí)段也是該流域經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展時(shí)期。2011年以后，降雨量減少速率放緩，年均降雨量達(dá)到最低。

2.2 人類用水影響分析

大凌河流域是遼寧省西部最大的河流，是沿途各市縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活用水的主要供水水源。隨著流域內(nèi)農(nóng)業(yè)和工業(yè)的快速發(fā)展以及人們生產(chǎn)生活用水需求的提高，大凌河流域用水量快速增長(zhǎng)，尤其是在山間河谷平原區(qū)以及下游平原區(qū)用水量增長(zhǎng)過(guò)快，如圖1所示，A為低山丘陵區(qū)，B為山間河谷區(qū)，C為下游平原區(qū)。

圖1 大凌河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)總用水量變化圖

由圖1可以看出，大凌河流域中下游平原地區(qū)從20世紀(jì)90年代用水量開(kāi)始急速增加，與70年代相比用水量增加了將近3倍。上游低山丘陵區(qū)用水量變化相對(duì)較少，相比70年代用水量約提高了1倍。

2.3 土地利用影響變化

大凌河流域土地構(gòu)成因氣候變化和人類活動(dòng)影響已發(fā)生了顯著的變化，資料顯示相比20世紀(jì)70年代，目前該流域植被面積減少了8.5%、草地覆蓋率減少了6.4%；而農(nóng)業(yè)耕地面積持續(xù)增長(zhǎng)，相比20世紀(jì)70年代農(nóng)田面積增長(zhǎng)了13.2%，其中水源灌溉面積是原來(lái)的1.46倍；隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化速度的加快，建筑設(shè)施和工業(yè)建筑占地面積持續(xù)增加，且為提高人類對(duì)水源需求并改善自然生態(tài)環(huán)境，景觀用水面積和水利工程設(shè)施占地面積逐漸增加[8]。

3 水資源模擬及演變規(guī)律分析

3.1 水循環(huán)模擬

文章采用變時(shí)間步長(zhǎng)，運(yùn)用二元演化理論對(duì)大凌河流域進(jìn)行1971～2015年共45年的連續(xù)模擬計(jì)算。其中1971～2000年為模型率定期，率定參數(shù)包括倒水系數(shù)、河床材料以及土壤飽和度等。模型應(yīng)按照以下原則進(jìn)行率定：選取誤差值最小的年平均徑流量、采用Nash- Sutcliffe效率的最大值、選擇與模擬流量相關(guān)性最強(qiáng)的實(shí)測(cè)流量。大凌河水文監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)與率定的年徑流量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 1971～2015年年實(shí)際年徑流量模擬結(jié)果率定 單位：億m3

由表2可知，大凌河流域在1971～2015年年平均徑流量實(shí)測(cè)值與模擬值相差不大，誤差在允許范圍之內(nèi)。其中凌海水文站多年徑流量實(shí)測(cè)值與模擬值誤差最大，為5.6%；而大城子水文站誤差值最小，為1.4%，模擬結(jié)果良好，模擬過(guò)程順利，模型Nash效率系數(shù)在0.7～0.8之間，模型計(jì)算速度快、準(zhǔn)確性較好。

3.2 演變規(guī)律分析

3.2.1 歷史水資源演變規(guī)律

大凌河流域在1971～2015年不同時(shí)段內(nèi)的狹義水資源模擬評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各時(shí)段狹義水資源模擬評(píng)價(jià) 單位：億m3

由表3可知，大凌河流域在2001～2015年狹義水資源總量較1971～2000年降低了4.9%，其中地表水資源減少了6.7%，而地下不重復(fù)水資源增加了2.8%。而對(duì)于2011～2015年的大凌河水資源總量較1971～2010年下降了7.9%，地表水資源衰減8.0%。綜上所述，大凌河水資源量逐漸減少，而近年來(lái)減少速率增加，水資源問(wèn)題日趨嚴(yán)重。

大凌河流域在1971～2015年不同時(shí)段內(nèi)的廣義水資源模擬評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可知，大凌河流域年均降雨量模擬值與實(shí)測(cè)值相差不大，模擬誤差在可控范圍之內(nèi)。大凌河流域廣義水資源在2001～2015年均降雨量模擬值較1971～2000年減少了12.4%，廣義水資源量降低了2.5%，生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)型非徑流水資源利用率略有減低。

表4 各時(shí)段廣義水資源模擬評(píng)價(jià) 單位：億m3

3.2.2 模擬水資源演變規(guī)律

為了對(duì)大凌河流域水資源制定合理的開(kāi)采利用計(jì)劃，建立長(zhǎng)遠(yuǎn)的水資源規(guī)劃目標(biāo)，文章運(yùn)用二元耦合原理建立適用于大凌河流域的水資源演變預(yù)測(cè)模型，對(duì)未來(lái)大凌河流域水資源演變進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。由于未來(lái)氣象變化情況較難預(yù)測(cè)，降雨及人類活動(dòng)存在很多不確定性因素，故對(duì)模型預(yù)測(cè)和定量分析帶來(lái)較大困難[9]。文章不考慮氣候變化因素，各參數(shù)數(shù)據(jù)依據(jù)仍然采用1971～2015年系列資料。大凌河流域狹義水資源和廣義水資源演變模擬評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5和表6。

表5 2030年大凌河流域狹義水資源演變模擬評(píng)價(jià) 單位：億m3

由表5可知，2030年大凌河流域地表水資源總量將演變?yōu)?6.43億m3，地下水資源為36.47m3，不重復(fù)地下水資源為17.84億m3，水資源總量為74.27億m3。與當(dāng)前水資源狀況相比，大凌河水資源總量減少了14.36億m3，地表水資源減少了13.88億m3，地下水和

表6 2030年大凌河流域廣義水資源演變模擬評(píng)價(jià) 單位：億m3

不重復(fù)地下水資源均有一定的減少，分別為2.07億m3和0.48億m3。不同區(qū)域內(nèi)，水資源演變情況不同，其中地表水資源減少量過(guò)多主要是由于生態(tài)環(huán)境和植被林草等破壞嚴(yán)重，導(dǎo)致降雨水資源不能很好地被儲(chǔ)蓄保存而流失。由表6廣義水資源演變模擬結(jié)果可知，到2030年大凌河流域有效降雨量為673.62億m3，無(wú)效蒸發(fā)量為319.17億m3，與目前相比，降雨量有所增加，但無(wú)效蒸發(fā)量也有所增大，且無(wú)效蒸發(fā)量增加幅度大于降雨量增加幅度，這主要是由于農(nóng)田發(fā)展和生態(tài)環(huán)境發(fā)展所引起的[9]。

4 結(jié)論

文章運(yùn)用二元演化原理建立大凌河流域水資源演變預(yù)測(cè)模型，對(duì)1971～2015年大凌河狹義水資源和廣義水資源演變進(jìn)行模擬，并對(duì)未來(lái)2030年水資源演變進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明受氣候變化和人類活動(dòng)影響，大凌河流域水資源演變發(fā)生了明顯變化，主要有以下幾方面：大凌河流域在2001～2015年水資源量逐漸減少，而近年來(lái)減少速率增加，水資源問(wèn)題日趨嚴(yán)重；生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)型非徑流水資源利用率略有減低；2030年與目前相比，大凌河流域降雨量有所增加，但無(wú)效蒸發(fā)量也有所增大，且無(wú)效蒸發(fā)量增加幅度大于降雨量增加幅度。

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