丹東市水資源時(shí)空分布研究

(丹東市江河流域管理處，遼寧 丹東 118000)

水資源是指一定區(qū)間內(nèi)能從自然界獲得補(bǔ)充并可利用的水，包括地表徑流與地下水資源，而其有效來源為降水。水資源能夠供應(yīng)作物生長(zhǎng)所必需的水分環(huán)境，并為人類生存與發(fā)展提供基礎(chǔ)，其數(shù)量與質(zhì)量的時(shí)空分布受氣候特征與人為活動(dòng)影響。在全球變化特別是氣候變暖的背景下，全球氣象系統(tǒng)耗散過程中不確定性增強(qiáng)，這對(duì)降水過程模式、地表徑流聚集、陸面蒸散帶來深刻影響，進(jìn)而一定程度上改變著區(qū)域降水特征。本文運(yùn)用丹東市1955—2016年水資源數(shù)據(jù)，采用趨勢(shì)分析與GIS空間可視化方法從時(shí)間和空間維度厘清區(qū)域水資源分布情況，以期為該市資源環(huán)境規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

丹東市地處東北中朝邊境南部、長(zhǎng)白山南麓，面積1.5222萬km2。境內(nèi)屬山地丘陵、平原地帶，高程在0～1266m，地勢(shì)自北向南傾斜，森林覆蓋率達(dá)61.6%，水源涵養(yǎng)能力較好。統(tǒng)計(jì)表明，丹東市水資源總量為82.50億m3，占遼寧省的近1/4，人均水資源占有率高于全國(guó)平均水平，達(dá)到3386m3。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究指標(biāo)主要是降水量、地表徑流量、水資源總量、徑流深度，其中水資源總量是扣除地表水和地下水中重復(fù)計(jì)算的有效資源量。降水量與徑流深度數(shù)據(jù)來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)中心提供的丹東市境內(nèi)逐日站點(diǎn)的降水資料與逐年徑流深度；經(jīng)平均化處理后采用普通Kriging插值法進(jìn)行空間可視化。運(yùn)用線性回歸的方法度量水資源趨勢(shì)特征，其顯著性程度設(shè)置為0.05水平。采用Matlab2018b中的小波工具箱提取水資源時(shí)間變化的周期性規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 丹東市降水量空間分布特征

丹東地區(qū)降水主要由東南季風(fēng)與盛行西風(fēng)帶來的暖濕氣流形成，由于距離海洋位置不同，加之下墊面地表環(huán)境主要是地形差異的影響，導(dǎo)致丹東市降水空間分布不均衡。以各站點(diǎn)平均降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輔助以DEM數(shù)據(jù)，經(jīng)過普通Kriging插值得到區(qū)域降水量空間連續(xù)性分布情況。雖然空間預(yù)測(cè)值與站點(diǎn)實(shí)測(cè)值存在差異，但插值過程中保留了不同站點(diǎn)之間空間關(guān)聯(lián)性，另外DEM數(shù)據(jù)能夠詳細(xì)反映降水的局部變異，預(yù)測(cè)顯示，丹東市降水量介于734～1205mm之間，平均值為1025mm。全市降水量呈北西向南東地帶性減少分布，在南北方向上變異顯著，這是由地形特征與暖濕氣流運(yùn)行方向引起的。北部為長(zhǎng)白山山地丘陵地區(qū)，地勢(shì)較高，南部則是沿海低地平原；氣流自東向西運(yùn)移過程中受地形抬升作用導(dǎo)致氣流聚集上升，進(jìn)而成云置雨、降水集中；反之平坦的南部地區(qū)無地表粗糙度阻隔與地勢(shì)效應(yīng)影響，從而雨鋒迅速過境，降水較少。在西部局部山口迎風(fēng)坡，降水量可達(dá)1100mm以上，而南部降水量少于1000mm。

2.2 丹東市徑流深度分布特征

徑流深度是水資源空間豐富度的度量指標(biāo)之一，采用丹東市各水文站的斷面總徑流量與斷面以上流域面積之比，匯總了年均徑流深度，并進(jìn)行插值預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：丹東市徑流深度介于48～129mm之間，平均值為79mm。總的來看全市徑流深度呈由北至南增加分布，結(jié)合區(qū)域DEM可知，其與地形呈逆向分布，二者之間相關(guān)系數(shù)為-0.653，在0.01水平上顯著。北部山地地區(qū)河網(wǎng)密布、水系發(fā)達(dá)，作為區(qū)域河流上游發(fā)源地，由于該地流域狹小、匯水較少、河面狹窄，因而徑流量并不充沛，徑流深度較低。南部為河流中下游地區(qū)，區(qū)段河流匯水密集、流量豐富，徑流深度居于全市高值水平。

2.3 丹東市水資源時(shí)間趨勢(shì)變化

對(duì)1955—2016年丹東市水資源指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，通過Excel2016軟件繪制其線性變化特征。就年均降水量而言，呈現(xiàn)減少的特征，傾向斜率為-3.7615mm/a，但并未通過5%水平的信度檢驗(yàn)，表明該趨勢(shì)并不明顯。其中1963年的降水量為次最低，僅為655.71mm；2012年為最低，為641.43mm；平均水平為1023.58mm，屬于濕潤(rùn)區(qū)，見圖1(a)。年均降水量的減小將不利于區(qū)域水資源供應(yīng)。水資源總量為排除重復(fù)計(jì)算后地表徑流量與地下水資源總量之和，由圖1(b)可知研究時(shí)域內(nèi)丹東市水資源總量的平均值為82.50億m3，變化斜率與降水量高度一致，為-0.2672億m3/a，并表現(xiàn)出高度的波動(dòng)性，其變異系數(shù)為62.38%，呈中度變異，表明其年際變化較大。地表徑流與地下水資源為互補(bǔ)關(guān)系，而降水為其主要且有效的來源，見圖1(c)，丹東市地下水資源總量在1960年達(dá)到最高值，為32.91億m3；1988年為最低值，僅為5.88億m3；其年際平均水平為16.82億m3。受區(qū)域氣候干化演變、降水量逐漸減少的影響，加之區(qū)域人口總量與用水需求不斷增加以及對(duì)地下水開發(fā)力度加大，丹東市地下水資源總量呈減少趨勢(shì)，其傾向斜率為-0.0975億m3。從各分項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，丹東市近年來水資源均表現(xiàn)出減少的趨勢(shì)特征，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致。

圖1 丹東市水資源時(shí)間趨勢(shì)變化

2.4 丹東市水資源周期性特征

圖2 丹東市水資源周期性特征

小波功率譜能夠直觀反映丹東市水資源時(shí)間周期性特征，見圖2。由于降水量、地表徑流量、地下水資源量與水資源總量之間具有高度的相關(guān)性，為避免分析冗余，僅以水資源總量這一指標(biāo)進(jìn)行周期性解析。圖2中黑色線圈為顯著性通過率達(dá)到95%水平的區(qū)域，可知，丹東市年降水量存在準(zhǔn)2～3年、準(zhǔn)3～4年、準(zhǔn)4～6年的周期，其中準(zhǔn)2～3年的周期在1955—1965年、1970—2005年間較強(qiáng)，其他年份較弱；準(zhǔn)3～4年的周期主要分布于1995—2005年間；準(zhǔn)4～6年的周期以1965—1995年間為顯著。綜合來看，丹東市年、季降水量循環(huán)周期較短且復(fù)雜，盡管度量尺度不同，但均存在準(zhǔn)2～4年的周期尺度，且通過5%水平信度檢驗(yàn)(P<0.05)，表明其為丹東市降水量變化主周期。

3 結(jié) 論

近半個(gè)世紀(jì)以來，全球氣候變暖引起氣候系統(tǒng)耗散過程突變，進(jìn)而導(dǎo)致丹東地區(qū)降水量呈減少的趨勢(shì)變化，受此影響，區(qū)域地下水蘊(yùn)藏量與地表徑流資源均呈現(xiàn)不同程度下降。伴隨著人口、用水需求的劇增，勢(shì)必要加大對(duì)水資源開發(fā)利用強(qiáng)度，然而水資源供應(yīng)的減少將引起供需不平衡。另外，從空間分布來看，丹東地區(qū)降水量集中于北部山區(qū)，而此區(qū)域經(jīng)濟(jì)與人口密度稀疏；地表徑流量在南部平坦地區(qū)匯聚，而此區(qū)域斷面徑流過境不適宜深度開發(fā)；因此水資源空間分布與可開發(fā)利用程度空間不匹配。為了應(yīng)對(duì)氣候干化帶來的不利影響，并推進(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)，需要將區(qū)域氣候變化特征與水資源時(shí)空分布特征結(jié)合起來，制定行之有效且對(duì)環(huán)境影響最小的水利規(guī)劃建設(shè)方案。