近三十年來中國水庫時(shí)空變遷及其效應(yīng)分析

何鎮(zhèn)宇， 宋 松，2*

(1. 廣州大學(xué) 地理科學(xué)與遙感學(xué)院， 廣東 廣州 510006； 2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(廣州), 廣東 廣州 511485)

水庫是通過人工建壩等工程手段攔截河流或湖泊等自然水體形成人工水域，通過徑流調(diào)節(jié)以改變自然水資源分配過程，在防洪、興利、供水、發(fā)電、養(yǎng)殖和旅游等方面具有重要價(jià)值，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重要促進(jìn)作用.我國是水資源極端匱乏的國家之一，水資源時(shí)空分布不均十分顯著，旱澇災(zāi)害頻發(fā)等現(xiàn)象危及廣大人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，嚴(yán)重阻礙國家與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1].近年來，全國范圍內(nèi)大量興建水庫以滿足不斷上升的水安全要求與水資源需求，水庫已成為人類影響地表水體功能與景觀的重要因素[2].新中國成立之前，我國僅有大中型水庫23座，新中國成立后，為了防洪抗旱解決人民最基本的安全需求，水庫數(shù)量急劇增加，近幾十年來技術(shù)難度較大(如三峽、小浪底等)的水利水電工程建設(shè)產(chǎn)生了空前的經(jīng)濟(jì)社會效益[3].同時(shí)，隨著河湖污染日趨嚴(yán)重，水庫已成為重要的飲用水源.截至2018年底，全國已建成各類水庫98 822座，水庫總庫容8 953億m3[4].

隨著人類活動的影響不斷深入，水庫的重要性與寶貴性日益凸顯，不同時(shí)空尺度下的水庫數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及社會經(jīng)濟(jì)效益方面的監(jiān)測與評價(jià)研究相繼開展[5-7].國內(nèi)外學(xué)者梳理了水庫數(shù)量急劇增多、庫面面積和蓄水量在全球范圍內(nèi)顯著增長的變遷趨勢，并揭示了大規(guī)模蓄水對富營養(yǎng)化及水質(zhì)惡化的促進(jìn)作用[8-9].在水庫的水環(huán)境效應(yīng)方面，除了對水量與水質(zhì)的關(guān)注，越來越多的學(xué)者開始關(guān)注水庫泥沙淤積及其造成的環(huán)境響應(yīng)[10]，探討水庫底泥的溫室氣體排放及其在全球變暖中的作用[11]，探究上下游水文水力條件變遷對河道生態(tài)系統(tǒng)的干擾[12]，評估水沙攔截與引水灌溉對大江大河徑流格局與水沙通量的影響，開展大型水庫及其調(diào)度過程對流域的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析等[13-14]，這類研究為科學(xué)合理地開發(fā)利用水資源提供了理論與方法支撐.在水庫的社會經(jīng)濟(jì)效益方面，水電站及閘壩的修建推動了全球水電產(chǎn)能的重構(gòu)，水庫的削峰補(bǔ)枯效應(yīng)在水文災(zāi)害防治、水產(chǎn)養(yǎng)殖、工農(nóng)業(yè)與生活用水保障方面展現(xiàn)出極大的效益[15].水庫管理目標(biāo)也從早期的以水庫漁業(yè)生產(chǎn)為主發(fā)展到現(xiàn)在的以水庫水質(zhì)為導(dǎo)向的核心目標(biāo)體系[16]，水庫群聯(lián)合調(diào)度的效益與風(fēng)險(xiǎn)評估逐漸受到重視[15].總體上，目前水庫的研究偏重?cái)?shù)量變遷及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析，水庫功能與調(diào)度管理動態(tài)研究則多局限在單一庫區(qū)或特定庫群進(jìn)行探討，針對水庫這一特殊水體的長時(shí)間尺度、高空間分辨率的時(shí)空動態(tài)變遷研究較為少見.然而，精準(zhǔn)刻畫水庫的數(shù)量、分布與時(shí)空動態(tài)，是定量分析水庫經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益與生態(tài)環(huán)境效益的基礎(chǔ)，亦是目前急需解決的技術(shù)瓶頸之一.準(zhǔn)確掌握全國范圍內(nèi)的水庫時(shí)空分布，對于水資源調(diào)度、洪澇災(zāi)害治理、生態(tài)環(huán)境管理等均具有重要意義.

本文基于長序列遙感監(jiān)測影像數(shù)據(jù)，結(jié)合專題圖件與統(tǒng)計(jì)資料，刻畫近三十年來水庫的空間變化特征，剖析水庫的宏觀時(shí)空動態(tài)分布，并分析水庫變化對經(jīng)濟(jì)社會與自然環(huán)境的影響，深入探討中國水庫的時(shí)空演變與發(fā)展歷程，推進(jìn)水庫高效管理與利用，為水利開發(fā)建設(shè)及利用對策提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù).

1 區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

中國位于18°～54°N和73°～135°E的范圍內(nèi)，地勢西高東低呈階梯狀分布，地域遼闊、地貌復(fù)雜和氣候多樣造成了水熱組合時(shí)空變異較大，洪水與干旱威脅比較嚴(yán)重.全國大陸的地表景觀具有很大的差異性，由山地、丘陵和高原組成的山區(qū)占全國面積的2/3，豐沛的水量與陡峭的地勢為水能資源開發(fā)提供了基礎(chǔ).占全國面積1/3的平原與盆地，主要分布在東部沿海地區(qū)，人口密集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活躍，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，生活、灌溉與工業(yè)生產(chǎn)對水資源的數(shù)量與質(zhì)量要求較高，催生了大量的灌溉與引用水源水庫.

本研究的數(shù)據(jù)包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù).其中，屬性數(shù)據(jù)主要是水庫數(shù)量、庫容量等數(shù)據(jù)，來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn)和中國統(tǒng)計(jì)年鑒(http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/). 空間數(shù)據(jù)主要是水庫空間分布以及水庫面積數(shù)據(jù)，基于Landsat MSS/TM/ETM、GF-2(局部區(qū)域)的多時(shí)相衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)(表1)，分辨率為30 m，進(jìn)行人機(jī)交互解譯獲取.詳細(xì)步驟如下：①遙感影像預(yù)處理，包括假彩色合成、幾何校正、圖像切割和地理參考等預(yù)處理[17]；②結(jié)合Google earth地圖、地形圖和統(tǒng)計(jì)資料等，確定人工塑造痕跡明顯、影像紋理較為均一的水體為水壩所在地，并在屏幕勾繪其邊界形成水庫圖斑；③結(jié)合實(shí)地調(diào)查資料、專題圖、統(tǒng)計(jì)資料、地理圖和中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的土地利用數(shù)據(jù)，對初步解譯結(jié)果進(jìn)行矯正.在結(jié)果可靠性上，本數(shù)據(jù)集采用了核線法對數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，水庫解譯總體精度約為88%[17].

表1 數(shù)據(jù)來源Table 1 Data sources

此外，本研究還隨機(jī)選取了廣東省30個(gè)水庫與本研究結(jié)果進(jìn)行比對，水庫分布位置及面積吻合度達(dá)85%；在大型水庫面積(特別是狹長型水庫)的提取過程中(如三峽水庫)，主要通過清晰的影像數(shù)據(jù)將大型水庫上游沿程3～5 km河段及淹沒范圍顯著膨脹的水面作為水庫面積的計(jì)算范圍，對于水壩上游沿程數(shù)十公里的河道寬度增大，在遙感影像處理上大部分仍作為河道而非水庫處理.

1.2 水庫等級劃分

水庫是一種介于河流與湖泊之間的半自然水體，其庫容與水位決定了水庫的調(diào)節(jié)作用與服務(wù)價(jià)值.根據(jù)原水利電力部頒發(fā)的《水利水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(山丘、丘陵區(qū)部分)(SDJ12-78)的試行規(guī)定，水利水電樞紐根據(jù)其工程規(guī)模、效益和在國民經(jīng)濟(jì)中的重要性，劃分為大中小三級五等.其中，水庫的庫容量大于1億m3以上定義為大型庫容,庫容量大于或等于0.1億m3而小于1億m3則定義為中型水庫.庫容量小于0.1億m3則定義為小型水庫.

1.3 核密度分析法

水庫在水利規(guī)劃與建設(shè)中具有重要地位，其時(shí)空格局受河流分布狀況與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展規(guī)劃的雙重制約.探討水庫分布的集聚程度及其時(shí)空變化規(guī)律，對于探究全國水資源開發(fā)利用的強(qiáng)度及其時(shí)空分布具有重要意義.

核密度是反應(yīng)要素空間聚集程度的有效指標(biāo).核密度分析是以Silverman描述的四次核函數(shù)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算一定范圍內(nèi)觀測數(shù)據(jù)的密度來分析觀測對象的空間分布態(tài)勢.距離中心點(diǎn)近的數(shù)據(jù)點(diǎn)被賦予較高的權(quán)重，反之則賦予較低的權(quán)重，每一個(gè)點(diǎn)的估計(jì)密度就是該區(qū)域所有點(diǎn)的加權(quán)平均密度[18].

水庫聚集度計(jì)算式為

(1)

式中，pi為空間中任意一點(diǎn)i的核密度；Kj為研究對象j的權(quán)重；Dij為空間點(diǎn)i與研究對象j的距離；R為選定規(guī)則區(qū)域的帶寬(Dij

2 結(jié)果分析

2.1 水庫總量的時(shí)間變化

以2015年水庫數(shù)據(jù)為例，中國水庫的分布如圖1，近三十年來面積數(shù)量如表2.全國水庫數(shù)量的增加以及大型水庫工程不斷推進(jìn)，使全國水庫面積從1990年的32 879.14 km2增長至2015年的42 696.94 km2，總體增長率達(dá)30%.其中，1990-2005年期間水庫面積增長率不斷增大，而2005-2015年期間，增長速率逐漸放緩，結(jié)合1990-2015年期間全國庫容量加速增大的事實(shí)，表明2005-2015年期間，庫容增長的貢獻(xiàn)主要來源于平均水庫深度的增加，即技術(shù)難度較大、深度較大的大型水庫的興建增大了水庫的平均水深.

圖1 2015年中國水庫分布Fig.1 Distribution map of China reservoirs in 2015

表2 1990-2015年水庫面積數(shù)量Table 2 Number of reservoir areas, 1990-2015

1990年至2015年以來,水庫數(shù)量呈現(xiàn)上升的趨勢，尤其2005年以后，水庫數(shù)量快速增長.其中,2010年至2015年增長速度最快為11.5%，數(shù)量也達(dá)到最高的97 988座水庫.水庫數(shù)量的增長也推動了庫容量的快速增長.1990年水庫總庫容為4 660億m3，2015年總庫容增長了接近84%，達(dá)到8 581億m3.庫容量快速增長的年份與水庫數(shù)量快速增長的年份相吻合為2005年至2015年(表3).

表3 水庫數(shù)量與庫容量Table 3 Number and capacity of reservoirs

由表3可知，我國小型水庫數(shù)量占水庫總量的絕大多數(shù)，小型水庫從1990年的80 522座增長至2015年的93 437座，僅在2005年，出現(xiàn)數(shù)量稍有下降的現(xiàn)象;大型水庫基數(shù)小，但增長率最大，且增長速度不斷加快;中型水庫在數(shù)量及其增長速率上均處于中間水平.2010年至2015年期間，大型、中型、小型水庫增長率分別為28.08%、17.59%、11.17%，標(biāo)志著近幾年投資大、技術(shù)難度較大的水利工程的主導(dǎo)作用，突顯了大型水利工程建設(shè)在我國建設(shè)中占有重要地位.

雖然小型水庫與中型水庫的數(shù)量占全國水庫數(shù)量的比重高，但在庫容量貢獻(xiàn)上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及大型水庫(圖2).從1990年至2015年我國水庫庫容量不斷上升，且大型水庫的庫容量的上升速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過小型水庫與中型水庫的總和，1990年至2015年期間的總庫容增長了接近1倍，大型水庫庫容占比由72.90%提高到79.38%，中小型水庫庫容占比持續(xù)縮減.同時(shí)，大型水庫對于水資源的調(diào)度能力以及防洪蓄洪能力皆處于主導(dǎo)地位.

圖2 大型、中型、小型水庫庫容量占比Fig.2 Proportion of large, medium and small reservoir capacity

2.2 水庫的空間變化

我國各省份1990年至2015年水庫數(shù)量如圖3(a)所示，我國水庫多集中在東南部與東部沿海地區(qū)，其中水庫聚集程度較高的地區(qū)有珠三角、長三角、京津冀與湖南、湖北等地區(qū)，山東、湖北、廣東、江西、湖南、四川及云南等七省份的水庫數(shù)量占到全國的60%以上.水庫的分布空間與黑河騰沖線基本一致，線路東側(cè)為人口密集區(qū)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)，水庫數(shù)量多.線路西側(cè)地域遼闊，人口稀少，經(jīng)濟(jì)薄弱，水庫數(shù)量稀少.長江與珠江穿越我國地勢高差較大的區(qū)域，上游具有豐富的地勢能，下游則是長三角經(jīng)濟(jì)圈與珠三角經(jīng)濟(jì)圈，且我國東南部城市化發(fā)展迅速，經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)，人口數(shù)量多，對于水資源的利用與開發(fā)具有極大的需求，新建水庫多集中于這兩大流域.

1990-2015年我國水庫面積分布如圖3(b)，2015年廣東、湖北和江蘇的水庫面積累計(jì)均超過4 500 km2,處于全國前列.水庫面積集中在我國東部與東南部沿海地區(qū)，珠三角地區(qū)與長江中下游地區(qū)水文網(wǎng)覆蓋面廣且水文情勢復(fù)雜，水庫水體面積覆蓋廣.同時(shí)這兩個(gè)地區(qū)也是我國經(jīng)濟(jì)活躍地帶，人口密集區(qū)域，人類活動深刻影響著地區(qū)的水文情況.

1990年我國庫容總量為4 660億m3，庫容量最高的兩個(gè)省為河南省與湖北省，兩省庫容量分別為500億m3與501億m3，西藏、青海、貴州、陜西、山西與寧夏水庫庫容量較低，皆低于50億m3，如圖3(c)所示.2000年我國庫容量上升至5 184億m3，廣東省庫容量突破380億m3，位列全國第二，湖北省庫容量為504億m3，居全國第一，西藏、重慶與寧夏庫容量仍處于低位運(yùn)行.2015年我國水庫庫容量持續(xù)上升達(dá)8 581億m3，因三峽水庫不斷開展蓄水試驗(yàn)，其中湖北省增長速度最快，當(dāng)三峽水庫蓄水至175 m正常蓄水位，湖北省水庫庫容量達(dá)到1 262.9億m3.河南、湖南、云南、廣西、廣東以及浙江等六省水庫庫容量上漲也較快，東北部呈現(xiàn)平穩(wěn)增長態(tài)勢.1990年至2015年我國庫容量的增長主要是圍繞著長江流域與珠江流域，受益于兩大流域豐富的水資源與我國兩大經(jīng)濟(jì)圈的強(qiáng)勁推動，及沿岸省份庫容量的快速增長.

圖3 1990-2015年各省份水庫數(shù)量(a)、面積(b)及庫容(c)Fig.3 Reservoir amount(a), area (b) and capacity (c) of each province,1990-2015

從圖4可以直觀地看到我國水庫面積變化情況.1990年至2000年水庫面積增長區(qū)域處于我國東南沿海、東部以及東北部.其中，廣東、湖北、山東水庫面積數(shù)量增長最顯著.2015年我國水庫面積較2000年增長范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，并有從沿海地區(qū)至我國中部地區(qū)擴(kuò)散的現(xiàn)象.水庫面積快速增長區(qū)域不再限于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省份，我國西南、西北、東北地區(qū)都出現(xiàn)了超過300 km2的增長.但隨著城市化的發(fā)展，我國有小部分地區(qū)出現(xiàn)減少現(xiàn)象，如京津唐及珠三角城市核心區(qū)域，建設(shè)用地的擴(kuò)張侵占了水面，導(dǎo)致城市中心地區(qū)水面積減少.

圖4 1990-2015年水庫面積變化趨勢(100 km分辨率)Fig.4 Variation trend of reservoir area,1990-2015

2.3 水庫聚集度變化

基于水庫面積以及空間分布數(shù)據(jù)，采用核密度方法(Kernel Density)分析水庫面積的聚集程度及其變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示.1990年至2015年我國水庫面積空間動態(tài)趨于分散，呈現(xiàn)多核心聚集局面，水庫基本集中在京津冀經(jīng)濟(jì)帶、珠三角經(jīng)濟(jì)帶，以及長江中下游經(jīng)濟(jì)帶.1990年長江中下游地區(qū)水庫面積聚集度最高且呈現(xiàn)微弱的雙核心分布，同時(shí)期珠三角地區(qū)水庫面積聚集度處于全國第二.2000年長江中下游地區(qū)雙核心增長現(xiàn)象繼續(xù)加強(qiáng)，湖北省內(nèi)的聚集程度為全國最高，為主核心，在長江下游地帶出現(xiàn)另一增長核心，雙核心不斷增長促使大范圍水庫面積聚集度范圍進(jìn)一步加深，同期京津冀地區(qū)與珠三角地區(qū)的水庫面積聚集度進(jìn)一步提高，并呈現(xiàn)出圍繞聚集核心向四周擴(kuò)散發(fā)展的趨勢，且出現(xiàn)了因擴(kuò)散效益導(dǎo)致的珠三角區(qū)域與湖北省區(qū)域的相互連通.2015年京津冀地區(qū)與長江中下游地區(qū)水庫面積聚集度持續(xù)上升，京津冀地區(qū)水庫面積聚集度圍繞北京地區(qū)增加，其影響范圍逐漸向長江中下游地區(qū)擴(kuò)張，江蘇省內(nèi)聚集度繼續(xù)加強(qiáng)，四大核心出現(xiàn)互相連通的趨勢，同時(shí)，珠三角地區(qū)水庫聚集度不斷提高并往雷州半島方向推進(jìn)，進(jìn)一步影響到廣西南部與海南東北部.湖北省地處長江中下游，并有“千湖之省”的稱號，其水庫數(shù)量與水庫庫容量增加推動了水庫面積聚集度的上升.江蘇地處江、淮、沂沭泗流域下游和南北氣候過渡帶，河湖眾多，河渠縱橫，水網(wǎng)稠密，錯(cuò)綜復(fù)雜的水系及人工閘壩與圩區(qū)建設(shè)使得江蘇省內(nèi)水利工程數(shù)量不斷增加，推動了省內(nèi)水庫群形成聚集核心并不斷向四周擴(kuò)散.此外，在我國東北地區(qū)水庫面積核心聚集程度受水利工程推進(jìn)的影響，規(guī)模初見.從1990年至2015年的時(shí)空演變可以看出，我國水庫面積不斷增大且聚集程度進(jìn)一步加強(qiáng)，水庫集聚的核心逐漸由地表水資源最為豐富的湖北、珠三角地區(qū)向經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的京津唐、長三角地區(qū)擴(kuò)張.

圖5 1990-2015年水庫面積聚集度Fig.5 Accumulation degree of reservoir area, 1990-2015

3 水庫的社會與自然效應(yīng)

為保證獲取相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及連貫性，以及能有效地從社會與自然因素角度探討水庫建立的效應(yīng)以及影響，本文選取防洪除澇、水電供電、供水效益和水沙截留等四個(gè)方面進(jìn)行研究分析.

3.1 防洪除澇效益

水庫具有防洪除澇的作用，通過科學(xué)有效的蓄水與泄洪等方式提升水資源的利用效率，并保障上下游人民的生產(chǎn)與生活.在充分考慮水庫的安全和隔離的情況下，水庫的修建能夠調(diào)整優(yōu)化水系，使水系與地塊功能變化相適應(yīng).通過控制水庫庫容量與水位，發(fā)揮水庫的調(diào)蓄作用.同時(shí)促進(jìn)水庫周邊水網(wǎng)的有機(jī)聯(lián)系，使得除澇效果不斷增加.

通過搜集《中國統(tǒng)計(jì)年鑒(1990-2016)》獲得我國1990-2015年除澇面積數(shù)據(jù)，如圖6所示，1990年至2015年我國除澇面積由193 370 km2上升到227 127 km2，增長態(tài)勢基本與水庫增長情況吻合.水庫對于除澇工作具有重要的作用，通過預(yù)測洪峰到達(dá)時(shí)間與峰值流量，盡早地調(diào)整水庫的蓄水量以及調(diào)動周邊相關(guān)的水利基礎(chǔ)設(shè)施，避免洪澇災(zāi)害的發(fā)生或是減弱其強(qiáng)度.隨著社會發(fā)展以及水利技術(shù)的更新，我國除澇工作將會不斷完善.

圖6 1990-2015年除澇面積Fig.6 Drainage area, 1990-2015

在空間分布上(圖7)，2005年至2010年我國除澇面積增加主要集中在華北地區(qū)以及黑龍江省，但面積僅增加0.1 km2以內(nèi).我國東南以及西南地區(qū)呈現(xiàn)緩慢上升趨勢.2005年后我國除澇工作初見成果，2015年西藏地區(qū)局部水庫面積上升20～90 km2，呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的態(tài)勢，使西藏除澇面積擴(kuò)大.2015年與2010年相比，華北地區(qū)和長江中下游地區(qū)除澇面積整體上升.通過除澇面積的時(shí)空變化與遙感提取的影像進(jìn)行結(jié)果分析，顯示水庫數(shù)量和水庫面積增加的區(qū)域，如西南地區(qū)、長江中下游地區(qū)，除澇能力得到了一定的提升.水庫面積增大，庫容量的上升能提高水庫“錯(cuò)峰”與“削峰”的能力，減小洪澇災(zāi)害對人民生命和財(cái)產(chǎn)造成的威脅.華北平原與長江中下游地區(qū)2015年水庫面積聚集度向四周擴(kuò)散，且聚集程度上升.此地區(qū)水庫面積與2000年相比增加達(dá)90～590 km2，隨著水庫面積和水庫面積聚集度上升，2015年華北平原與長江中下游地區(qū)除澇面積增幅達(dá)0.11～0.35 km2，防洪除澇成果顯著.

圖7 2005-2015年除澇變化趨勢Fig.7 Change trend of drainage area,2005-2015

3.2 水電供電效益

水庫建設(shè)為我國水電供電量做出巨大貢獻(xiàn)，對我國能源供應(yīng)起到了積極作用.建國前我國高于15 m以上的水庫大壩只有22座，水電發(fā)展落后.改革開放后水電供電量不斷上升(表4)，近十年平均水電供電量達(dá)到8 561億kW·h.進(jìn)入20世紀(jì)90年代后水電的發(fā)展離不開水庫的建立，三峽、小浪底和二灘等特大型水庫大壩建成，推動了我國水電發(fā)展實(shí)現(xiàn)質(zhì)的突破.1990年我國大型水庫數(shù)量少，大型水庫庫容僅為3 397億m3，此時(shí)水電的供電量僅為1 267億kW·h.通過水庫建設(shè)，2015年我國已建成大型水庫數(shù)量707座，大型水庫庫容量達(dá)6 812億m3.同時(shí)，結(jié)合遙感解譯結(jié)果分析，我國水庫面積已增加至42 696.94 km2，水庫的高質(zhì)量發(fā)展直接推動了我國水電供電量的增加，2015年我國水電供電量達(dá)11 303億kW·h，較1990年增長幅度達(dá)到792%.其中2000年后水電供電量增長速度明顯加快，2005年至2010年增長速率達(dá)到81.9%(圖8).水庫的合理構(gòu)建不僅能起到防洪、灌溉等作用，還能推動我國清潔能源的發(fā)展，滿足社會發(fā)展的能源需求，為我國高質(zhì)量城市化提供助力.

表4 我國水電供電量Table 4 China’s hydropower supply

圖8 1990-2015年水電供電量與水庫數(shù)量關(guān)系Fig.8 Relationship between hydropower supply and reservoir quantity,1990-2015

我國水庫集聚度較高的地方也是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的區(qū)域，隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展以及水電供電量的增加，我國電力消費(fèi)量不斷攀升，與水庫面積聚集度高的地區(qū)具有一定的重合性.從1995年至2015年珠江三角洲、長江中下游地區(qū)以及京津冀地區(qū)電力消費(fèi)量處于全國前列，而這些區(qū)域也屬于水庫面積聚集度高的地區(qū)，水庫的集聚使得當(dāng)?shù)赜懈映渥愕乃娰Y源.湖北省作為水庫面積聚集度高的省份，雖電力消費(fèi)量并沒有很突出，但其省內(nèi)水庫群所產(chǎn)生的水電能源為長江下游經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)提供了充足的水電供電量.隨著水庫數(shù)量的增加以及水庫間的相互協(xié)調(diào)管理，水庫帶來的社會效益影響正逐漸擴(kuò)大.

3.3 水庫供水效益

水庫的大量興建為城鄉(xiāng)生活需水、工業(yè)需水、農(nóng)業(yè)灌溉及生態(tài)環(huán)境蓄水提供了保障，有效緩解了地域性和季節(jié)性缺水問題.結(jié)合遙感數(shù)據(jù)結(jié)果(圖9)，珠三角、長三角以及京津冀地區(qū)的水庫聚集程度高、庫容量大，通過水庫群之間的合理調(diào)度有助于提高供水效率，保證生產(chǎn)與生活的供水量.工業(yè)發(fā)展與人口數(shù)量具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，在城鄉(xiāng)生活供水量高的地區(qū)，工業(yè)生產(chǎn)供水量也處于高位運(yùn)行的狀態(tài)，珠江中下游與長江中下游地區(qū)的工業(yè)發(fā)展迅猛，其中，貴州、湖北、江西和浙江等省2010年的工業(yè)生產(chǎn)供水量超過了20億m3.

圖9 2010年我國蓄水工程的供水量及其空間差異Fig.9 Water supply and its spatial difference of water storage projects in China in 2010注：數(shù)據(jù)來源于《中國水利統(tǒng)計(jì)年鑒(2011)》，灰色地區(qū)為數(shù)據(jù)缺失地區(qū)(港澳臺地區(qū)未納入統(tǒng)計(jì))

農(nóng)業(yè)灌溉供水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵要素之一.灌溉需水較高的區(qū)域集中在新疆、湖南與兩廣地區(qū).新疆位于我國西北部，降水量少，為中國最大的商品棉生產(chǎn)基地，西北地區(qū)年調(diào)出糧食最多的省區(qū)，充足的灌溉水資源是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不斷提高的保障之一.2010年新疆農(nóng)業(yè)灌溉供水量位列全國前列達(dá)90億m3.湖南、廣東和廣西三地?fù)碛袃?yōu)越的水熱條件，農(nóng)業(yè)灌溉供水量超120億m3，其中，湖南省供水量最高,達(dá)157億m3.近三十年來，我國東部與東南部地區(qū)水庫數(shù)量不斷增加，聚集程度上升，大幅提高了該地區(qū)調(diào)節(jié)水資源供給能力.

蓄水工程的生態(tài)環(huán)境供水能力較低，保護(hù)生態(tài)環(huán)境就是保護(hù)生產(chǎn)力.在開發(fā)流域水資源時(shí)必須為生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展與平衡保留其所需的水量，使得生態(tài)環(huán)境得以良性循環(huán).全國范圍內(nèi)2010年內(nèi)蒙古生態(tài)環(huán)境供水量達(dá)19億m3,居全國第一，貴州、浙江及東北地區(qū)生態(tài)環(huán)境供水量較其他地區(qū)高，均在2.5億m3以上.但其余大部分省份生態(tài)環(huán)境供水量不足2億m3，全國生態(tài)環(huán)境供水水平還有待提高，生態(tài)環(huán)境治理能力需進(jìn)一步改善.

我國水庫對西北以及西南地區(qū)的供水效益主要集中在農(nóng)業(yè)灌溉方面，而在中部以及東部地區(qū)則形成以農(nóng)業(yè)灌溉為主，工業(yè)生產(chǎn)為輔的供水結(jié)構(gòu)(圖10).我國25個(gè)省份農(nóng)業(yè)灌溉供水量占比超過50%.其中西藏、新疆和廣西農(nóng)業(yè)灌溉供水量占本自治區(qū)供水量的90%以上.工業(yè)經(jīng)濟(jì)是貴州省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要引擎，2008年貴州省規(guī)模以上工業(yè)實(shí)現(xiàn)增加值首次突破千億元，2010年貴州省工業(yè)生產(chǎn)供水量占本省供水量的50%以上，以滿足貴州工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求.北京市人口稠密土地資源緊缺，在市場與政策的影響下工農(nóng)業(yè)不斷外移，城鄉(xiāng)生活供水成為北京市供水的主要類型.我國生態(tài)環(huán)境供水量占比低，多個(gè)省份占比不超10%，如何優(yōu)化我國供水結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益相統(tǒng)一是迫切需要解決的問題.

圖10 2010年各省份供水類型占比Fig.10 Proportion of water supply types by province in 2010注：數(shù)據(jù)來源于《中國水利統(tǒng)計(jì)年鑒(2011)》，上海數(shù)據(jù)缺失未參與統(tǒng)計(jì)(港澳臺地區(qū)未納入統(tǒng)計(jì)).

灌溉區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和我國治水策略的調(diào)整有關(guān)，水利工程原規(guī)劃的單一農(nóng)業(yè)灌溉功能定位已不適合區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要.近年來，由于不同區(qū)域的產(chǎn)業(yè)調(diào)整，導(dǎo)致供水需求發(fā)生變化，通過水庫群大數(shù)據(jù)分析、信息實(shí)時(shí)共享持續(xù)監(jiān)控及算法模擬預(yù)測等手段，對水資源進(jìn)行合理分配與及時(shí)調(diào)度，為我國優(yōu)化供水結(jié)構(gòu)提供高效手段.

3.4 水沙截留及其效應(yīng)

水庫建設(shè)在提供水源、防洪排澇等方面具有積極作用，但大量修建水庫也會帶來消極影響.興建水庫可能會誘發(fā)地震，增加庫區(qū)及附近地區(qū)地震發(fā)生的頻率，同時(shí)也對庫區(qū)造成泥沙淤積，導(dǎo)致下游地區(qū)土壤鹽堿化現(xiàn)象加劇.本節(jié)將從水庫建成后攔截大量水資源及泥沙進(jìn)行分析討論.水庫對水資源與泥沙具有一定的攔截作用，從而導(dǎo)致內(nèi)陸水面率提高，同時(shí)極大地削減了江河徑流量及泥沙輸移量，給自然環(huán)境地表塑造帶來一定的負(fù)面影響.近年來，我國七大江河的徑流量與輸沙量持續(xù)縮減(表6)，尤以水資源極度匱乏、水庫建設(shè)最為活躍的海河流域?yàn)樯?，近十年輸沙量約為多年平均水平的2%，2018年輸沙量則降至多年平均水平的1%以下.結(jié)合遙感數(shù)據(jù)結(jié)果分析，長江、珠江流域水庫聚集程度高，居全國前列，此處也是水庫建設(shè)的熱點(diǎn)區(qū)域，水庫群分布密集，且長江流域水庫面積增長迅猛，導(dǎo)致這兩個(gè)流域近十年輸沙量約為多年平均水平的1/3.在河流下游區(qū)域大量修建水庫，下游流域沉積物不斷減少，破壞了流域的沖淤平衡，導(dǎo)致河口三角洲泥沙來源不足，停止向海生長，甚至發(fā)生岸線退縮、咸水入侵的現(xiàn)象，給海岸防御與管理帶來了極大的挑戰(zhàn).

表6 我國江河年徑流量及輸沙量變動趨勢Table 6 Trends of annual runoff and sediment transport in rivers of China

4 結(jié)論與討論

本研究基于多時(shí)相、高精度遙感影像資料，結(jié)合專題圖件、統(tǒng)計(jì)資料建立了近三十年來我國水庫動態(tài)數(shù)據(jù)庫，通過空間分析、統(tǒng)計(jì)分析等方法揭示了我國近三十年水庫數(shù)量、庫容及空間分布的時(shí)空動態(tài)，得出以下結(jié)論：

(1)我國水庫不斷擴(kuò)張，如水庫數(shù)量由1990年的8 387座增長到2015年的97 988座，同期庫容量由4 660億m3增長到8 581億m3,但是小型水庫的基數(shù)大增長速率較為緩慢，大型水庫增長率最快且對庫容量的貢獻(xiàn)最大；大型水庫庫容量遠(yuǎn)超小型水庫與中型水庫的總和，其水資源調(diào)節(jié)能力及社會經(jīng)濟(jì)效益也最為突出.

(2)從空間布局來看，我國水庫分布集聚區(qū)，由地表水資源豐沛的湖北、珠三角地區(qū)，逐漸向經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人水矛盾突出的京津唐、長三角蔓延，出現(xiàn)四核并存、相互連通的集聚格局，各個(gè)核心之間的關(guān)聯(lián)度逐漸上升.

(3)水庫的大量興建，在促進(jìn)防洪排澇、水能利用、提供水資源等方面具有積極的效應(yīng)，但同時(shí)由于大量攔截水資源與泥沙，造成沖淤失衡等負(fù)面生態(tài)環(huán)境影響.

由于本研究涉及范圍比較大，較為精確的水庫面積及庫容量信息獲取是進(jìn)一步認(rèn)知我國水庫社會與自然效應(yīng)的前提，也是下一步將重點(diǎn)開展的研究工作.隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，水庫實(shí)時(shí)信息共享，多目標(biāo)優(yōu)化問題與水庫群間的調(diào)度將是研究熱點(diǎn).