氣候變化條件下山東省未來水資源情勢預估

劉健 夏軍 王明森 佘敦先

摘要：利用山東省實測降水資料、政府水資源公報數(shù)據(jù)，采用小波分析、數(shù)理統(tǒng)計等方法，預估了山東省未來水資源情勢。結(jié)果表明：從目前到2030年左右，山東省降水將處于相對枯水期，受降水量減少和極端降水強度增大的影響，當?shù)厮Y源量將減少、水資源開發(fā)利用難度將增大；黃河水和長江水等客水資源受到干流上游來水量減少、脆弱性增強、調(diào)蓄工程不完善、水價成本高等因素限制，未來情勢不容樂觀；目前山東省非常規(guī)水資源利用潛力較大，應在增大非常規(guī)水資源利用力度的同時，做好建設節(jié)水型社會、完善現(xiàn)代水網(wǎng)工程、提高水利工程調(diào)蓄能力等工作。

關鍵詞：氣候變化；水資源；情勢預估；山東省

中圖分類號：TV213.4

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.014

近百年來，全球正經(jīng)歷著以氣溫升高為主要特征的氣候變化。水作為環(huán)境和生命的重要載體和組成部分，受氣候變化的影響最為直接和明顯。研究表明，氣候變化已經(jīng)對全球水循環(huán)產(chǎn)生了深刻影響，引起了水資源在時間和空間上的重新分配以及水資源總量的改變，增加了洪澇、干旱等極端事件發(fā)生的頻率和強度，進而使得區(qū)域水資源問題日益突出，影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境安全和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展?？茖W地預估氣候變化條件下區(qū)域水資源發(fā)展情勢，對及早提出應對措施并減緩水問題帶來的損失具有重要的科學價值和現(xiàn)實意義。

山東省地處華東沿海、黃河下游，跨黃河、淮河和海河三大流域，是我國重要的糧食大省和經(jīng)濟強省。但同時，山東省也是我國典型的水資源嚴重短缺省份，水資源供需矛盾成為制約區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素之一。山東省水資源主要包括當?shù)厮础⒖缌饔颍▍^(qū)域）調(diào)水水源和非常規(guī)水源（再生水、海水淡化水等），其中當?shù)厮春涂缌饔颍▍^(qū)域）調(diào)水水源占全省水資源的比例很大。當?shù)厮窗ǖ乇硭偷叵滤饕獊碓从诖髿饨邓?；跨流域（區(qū)域）調(diào)水水源主要包括黃河水和南水北調(diào)的長江水。因此，分析山東省當?shù)亟邓涂缌饔蛘{(diào)水水源的演變特征可以在很大程度上揭示區(qū)域水資源的變化趨勢。筆者以區(qū)域?qū)崪y降水資料、水行政主管部門發(fā)布的水資源公報數(shù)據(jù)為基礎，采用數(shù)理統(tǒng)計、小波分析等方法，預估山東省未來水資源情勢，以期為制定水資源安全調(diào)控措施、保證區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 基礎數(shù)據(jù)與研究方法

降水資料來白中國氣象局國家氣候中心，共包括山東省123個氣象站1961-2015年逐日實測降水數(shù)據(jù)（其中：國家級氣象站18個，省、市、縣級氣象站105個）。這123個氣象站降水數(shù)據(jù)均存在一定程度的缺失，18個國家級氣象站數(shù)據(jù)缺失率為0.63%，省、市、縣級氣象站數(shù)據(jù)缺失率為9.7%。對缺失數(shù)據(jù)的插補采用時間插值和空間插值兩種方法處理，處理后的123個氣象站的逐日降水資料均通過了95%置信度的均一性驗證。山東省供用水資料來自山東省水利廳發(fā)布的《山東省水資源公報》（2001-2015年）。

山東省面降水量采用泰森多邊形法進行計算，降水資料的趨勢、突變和周期分析分別采用線性法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法和復Morlet小波分析法。山東省氣象站空間分布及泰森多邊形劃分見圖1。

2 山東省當?shù)厮Y源情勢預估

山東省多年平均當?shù)厮Y源量為303.07億m3，其中：地表水資源量198.26億m3、地下水資源量165.46億m3、重復計算量60.65億m3。當?shù)厮Y源主要來源于大氣降水，分析降水的變化趨勢，可以了解當?shù)厮Y源的演變態(tài)勢12。

2.1 降水周期變化特征與趨勢

采用復Morlet小波法，通過小波變換和小波方差，對山東省1961-2015年降水的全年、汛期（4-9月）、主汛期（6-8月）和非汛期（10-次年3月）時間序列進行周期特征分析。結(jié)果表明：全年降水序列存在3～4、15～16、36～37a的變化周期，汛期序列存在6～7、11N12、43～44a的變化周期，主汛期序列存在7～8、15～16、38～39a的變化周期，非汛期存在3～4、12～13、30～31a的變化周期。分別繪制全年、汛期、主汛期和非汛期各變化周期對應的時域和頻域變化曲線（見圖2、圖3、圖4和圖5）可知，每個時間序列的大變化周期下包含著許多小尺度的變化周期，這說明時間尺度不同降水序列所處的豐枯階段和強度也不同。大尺度下的枯水期包含許多小尺度下的豐水期，大尺度下的豐水期同樣包含許多小尺度下的枯水期，降水序列的周期變化與時間尺度是緊密相關的。本研究要對山東省未來一段時間的水資源情勢進行預估，因此重點選擇最大尺度的變化周期進行特征與趨勢分析。

由圖2～圖4可知，全年、汛期、主汛期3個時間序列的最大周期（分別為36～37、43～44、38～39a）的變化過程表現(xiàn)出高度的一致，即在1961-2015年大約經(jīng)歷了1.5個豐枯周期變化，其中：20世紀60年代初期-70年代中期、20世紀90年代中期-21世紀10年代初期為豐水期，20世紀70年代中期-90年代中期為枯水期。由圖5可知，非汛期時間序列的最大周期（30～31a）在1961-2015年大致經(jīng)歷了2個豐枯周期，其中20世紀60年代初期-70年代中期、20世紀80年代末期-21世紀初期為豐水期，20世紀70年代中期-80年代末期、21世紀初期-21世紀10年代中期為枯水期。

分別統(tǒng)計各時間序列豐枯階段的降水量多年平均值，并根據(jù)不同時間序列變化周期特征預估下一個周期的豐枯趨勢（見表1，表中帶邊框的數(shù)字為根據(jù)周期特征預估的未來豐枯轉(zhuǎn)折年份）可知，在全年、汛期、主汛期時間序列下山東省從目前開始到21世紀30年代初期和中期將會處于枯水期。根據(jù)發(fā)展趨勢可以簡單判斷，未來枯水期的枯水程度相比上一個枯水期（20世紀70年代中期-90年代末期）的枯水程度將更嚴重，而在非汛期時間序列下，山東省從目前開始到21世紀30年代初期將會處于相對豐水期。

2.2 降水年際變化特征與趨勢

分別統(tǒng)計山東省1961-2015年逐年的全年、汛期、主汛期和非汛期降水量，并進行線性趨勢分析（限于篇幅，各時間序列的線性趨勢圖略）。由結(jié)果可知，山東省1961-2015年的全年、汛期、主汛期和非汛期降水量均呈線性下降趨勢，各時間序列的下降速率分別為1.24、1.08、1.04、0.16mm/a。采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法分析各時間序列的突變特征，發(fā)現(xiàn)1961-2015年全年、汛期和主汛期序列均存在較為明顯的兩個時間突變點，分別在1966年和2001年左右（均通過99%可信度檢驗）。其中，1966-2001年呈振蕩下降趨勢，2001年之后略有上升，2013年又有下降。非汛期序列則沒有明顯的突變特征。

張勝平等13的研究表明，1950-2009年山東省全年、汛期降水量呈減少趨勢，這與本研究的年際變化以及周期豐枯變化結(jié)論一致。因此，從年際變化來看，山東省未來全年、汛期、主汛期和非汛期降水量仍將呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。

2.3 降水年內(nèi)變化特征與趨勢

受暖溫帶大陸性季風氣候影響，山東省降水量年內(nèi)分布極不均勻。年內(nèi)降水集中在汛期（4-9月），汛期降水量占總降水量的85%。汛期降水高度集中在主汛期的幾場大暴雨，地表水資源的蓄存也主要集中在幾場大暴雨。因此，分析大暴雨的年內(nèi)變化特征可以從側(cè)面反映山東省當?shù)氐乇硭Y源開發(fā)利用的難易程度。本文把1961-2015年逐日降水量進行排序，將該時段55a逐日降水量平均值的95%對應的值定義為山東省極端降水的閾值，即某日降水量超過該閾值時，表明該日發(fā)生了極端降水事件。某年所有發(fā)生極端降水事件的日數(shù)總和稱為極端降水日數(shù)，某年所有極端降水量的總和稱為年極端降水量，年極端降水量與日數(shù)的比值稱為極端降水強度。本研究選擇極端降水日數(shù)、年極端降水量和極端降水強度3個指標來分析山東省極端降水事件變化特征。

經(jīng)過分析，山東省極端降水事件閾值為11.1mm，多年平均極端降水日數(shù)為18.1d，年極端降水量為365.1mm，極端降水強度為20.2mm/d。通過對55a的極端降水日數(shù)、年極端降水量和極端降水強度進行線性趨勢分析，發(fā)現(xiàn)山東省極端降水日數(shù)和年極端降水量兩個指標呈線性下降趨勢，而極端降水強度則呈上升趨勢。采用復Morlet小波法對年極端降水量和極端降水強度進行周期特征分析，發(fā)現(xiàn)二者均存在35～36a的變化周期，姜德娟等的研究也得出了類似的結(jié)論。通過繪制年極端降水量和極端降水強度的豐枯時頻圖（限于篇幅，圖略），發(fā)現(xiàn)二者與年總降水量的豐枯變化過程高度一致。綜合極端降水日數(shù)、年極端降水量和極端降水強度的線性和周期變化特征，可以預測：未來山東省年內(nèi)極端降水發(fā)生頻率和年極端降水量將減少，而極端降水強度卻將增大。因此，通過降水周期、年際及年內(nèi)變化特征與趨勢分析，可以判斷未來山東省水資源情勢不容樂觀，不但水資源量將減少，而且開發(fā)利用難度將增大。

3 跨流域（區(qū)域）調(diào)水水資源情勢預估

黃河目前是山東省境內(nèi)最大的跨流域（區(qū)域）水源，也是山東省沿黃各地的主要水源。2001-2015年《山東省水資源公報》表明，山東省多年平均引黃河水量為57.5億mi，其中2001-2008年多年平均引黃量為54.4億m3，2009-2015年多年平均引黃量為61.1億m3，山東省對黃河水的需求逐年增多5。目前山東省調(diào)引黃河水量執(zhí)行國務院批準的“八七分水方案”，即山東省共有干流引黃指標65.03億m3/a，支流引黃指標4.97億m3/a，合計70億m3/a，遵循總量控制、豐增枯減、同比例壓縮等原則?？梢?，山東省實際調(diào)引黃河水量不僅受到“八七分水方案”總量控制影響，而且受到黃河中上游來水狀況影響。相關研究表明，1956-2000年黃河干流花園口水文站年均天然徑流量為534.8億mi.比1919-1975年平均值（580億m3）減少了8%。徑流量總體白20世紀50年代緩慢減少，但是80年代以后減少趨勢明顯，且下游的減少趨勢比上游更為明顯。夏軍等利用未來氣候變化的“典型濃度路徑”排放情景，預測到21世紀30年代黃河流域脆弱性將進一步加大。

南水北調(diào)東線工程調(diào)引的長江水是山東省第二大跨流域（區(qū)域）水資源。相關資料表明，南水北調(diào)東線（山東段）一期和二期工程建設完成后，每年可調(diào)引長江水15億m3，三期工程建設完成后（2030年前）可調(diào)引長江水37億m3。雖然在理論上未來山東省調(diào)引長江水量比較充足，但《山東省水資源公報》表明，2014年和2015年山東省通過南水北調(diào)工程實際調(diào)引的長江水量僅為0.20億m3和0.76億m3，原因是山東省實際利用長江水不僅受到受水地區(qū)調(diào)蓄工程配套建設情況的限制，而且受到長江水水價因素的限制。王昊等研究表明，南水北調(diào)工程末端人戶水價平均為6.11元/m3，煙臺、威海等遠端地區(qū)的末端人戶水價為10元/m3，遠高于現(xiàn)行城市終端平均水價3.43元/m3，因此各受水區(qū)南水北調(diào)江水利用率極低。

綜上所述，未來山東省利用黃河水主要受來水量減少且脆弱性不斷增強的限制，而利用長江水主要是受配套工程不完善和高水價的限制，形勢不容樂觀。

4 討論

本研究系統(tǒng)分析并預估了未來山東省當?shù)厮Y源和跨流域（區(qū)域）調(diào)水水資源的演變趨勢，結(jié)果表明未來山東省的水資源情勢不容樂觀，主要表現(xiàn)在水資源量減少、開發(fā)利用難度加大、脆弱性增強、經(jīng)濟成本提高等方面。但是，隨著水處理技術水平的不斷提高，非常規(guī)水資源作為一種補充水源越來越受到重視，且其不受政府最嚴格水資源管理制度用水總量控制指標的限制。據(jù)統(tǒng)計，2011-2015年山東省多年平均污廢水（包括工業(yè)廢水和生活廢水）排放量為27.94億m3，按照山東省污廢水集中收集和處理效率80%計算，山東省多年平均可利用的再生水量為22.35億m3。2011-2015年山東省再生水年均實際回用量為6.97億m3，占總可利用量的31.2%，每年仍有15.38億m3再生水量未得到充分利用。同時，礦化度大于2g/L的地下咸水、（淡化）海水、礦井排水等非常規(guī)水資源數(shù)量也很可觀，利用潛力和空間較為廣闊。

山東省未來水資源情勢不容樂觀，政府和社會各部門除了要加大非常規(guī)水資源的開發(fā)利用力度外，還要重點做好以下幾個方面的工作：①提高水資源利用效率，大力推進節(jié)水型社會建設，突破農(nóng)業(yè)、工業(yè)和生活等用水領域的技術約束：②加快河道攔蓄建筑物和大中型水庫增容等工程建設進度，提高地表水利工程的攔蓄能力，適當增加地表水資源的攔蓄量：③充分利用地下儲水空間的存儲能力，在海岸河口、古河道、巖溶地下水補給源區(qū)等，修建地下水回灌補給工程，增加地下水的年際補給能力：④建設完善現(xiàn)代水網(wǎng)工程，加快南水北調(diào)配套、引黃濟青（膠東調(diào)水）應急調(diào)水、沭水東調(diào)等骨干水網(wǎng)工程建設，推動市、縣水網(wǎng)建設，加強省、市、縣水網(wǎng)銜接與互聯(lián)互通，增強水資源的空間調(diào)配能力。

5 結(jié)論

（l）山東省在未來一段時間內(nèi)（到2030年左右），當?shù)厮Y源量將減少，減少的程度可能比1961-2015年的枯水階段（20世紀70年代中期-90年代中期）還要嚴重。當?shù)厮Y源量減少的主要原因是汛期降水量減少。雖然極端降水的頻率和水量減小，但是其強度卻增大，將增大山東省當?shù)氐乇硭Y源開發(fā)利用的難度。

（2）受到“八七分水方案”總量控制和干流上中游來水狀況影響，山東省最大的客水資源黃河水未來引水量將減少，并且黃河水資源的脆弱性將進一步加大。通過南水北調(diào)工程調(diào)引長江水雖然水量比較充足，但是受到受水地區(qū)調(diào)蓄工程配套建設不完善和高水價等限制，利用率極低，跨流域（區(qū)域）調(diào)水水資源未來情勢不容樂觀。

（3）雖然常規(guī)水資源情勢不容樂觀，但是包括污水處理再生水、微咸水、礦井排水、（淡化）海水等在內(nèi)的非常規(guī)水資源潛力巨大，需要加大對非常規(guī)水資源的開發(fā)利用力度。同時，為了應對將來可能發(fā)生的水資源危機，政府和社會各界還需要在提高水資源利用效率和節(jié)約水平、增強地表水利工程調(diào)蓄能力、加快地下蓄水工程建設步伐、建設完善現(xiàn)代水網(wǎng)工程等方面進一步做好工作。