丹東市水資源時空變化規(guī)律研究

王振輝

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

0 引 言

大氣降水為水資源的有效來源，主要包括可以利用的地表徑流水以及能夠從自然界獲得補充的地下水。水資源能夠為人類生存發(fā)展和作物生長提供所必需的水分環(huán)境，并且人類活動與氣候特征對水資源質(zhì)量、數(shù)量的時空分布影響顯著。近年來，由于極端天氣事件頻發(fā)以及全球氣候變暖增大了氣象系統(tǒng)耗散的突變性，這對陸面蒸散、地表徑流聚集、降水過程模式造成了顯著影響，并使得區(qū)域降水特征發(fā)生了一定的改變[1-4]。依據(jù)1959-2018年丹東市水文氣象資料，對研究區(qū)水資源變化特征，從時間和空間兩個維度利用趨勢分析法、GIS空間可視化技術進行探究，以期為促進水資源合理利用和區(qū)域產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

丹東市地處東北亞中心地帶，是一座沿海、沿江、沿邊城市，核心區(qū)坐標為E124°23′，N40°07′，總面積1.52萬km2。該區(qū)域為遼東丘陵地帶，其中丘陵山地占72.4%，水域、平原谷地及其他占8.7%、14.6%、4.3%，從西南向東北地勢不斷升高，其中東港中南部與主城區(qū)地勢最低，而地勢高低以鳳城北部與高點為主，海拔約500m。研究區(qū)為溫暖帶亞濕潤季風氣候，由于地貌形態(tài)差異境內(nèi)氣候環(huán)境變化較大，北部氣溫6-7℃，南部8-9℃，降水量為648.4-1761.7mm，且夏季占年降水的2/3，暴雨集中期為7月至8月中旬。

境內(nèi)水系發(fā)育良好，江河密布，流域面積超過4983km2的有大洋河、鴨綠江、叆河和渾江，其它大小河流944條，水源涵養(yǎng)能力好，林草覆蓋率61.6%。結合水文資料，丹東市年均水資源量84.88億m3，占遼寧省的25.2%，平均徑流深81mm，其中地下水補給量16.82億m3，人均占有量為全省的4.6倍，區(qū)域產(chǎn)水模數(shù)為57.48萬m3/km2，屬于遼寧地區(qū)降雨量最多且水資源最豐富的地區(qū)[5]。

1.2 水資源利用現(xiàn)狀

雖然丹東地區(qū)具有豐富的水源，但水資源利用過程中仍存在水體污染嚴重、農(nóng)業(yè)用水效率低、水資源經(jīng)濟意識缺乏、用水憂患意識薄弱、地表水開發(fā)利用度低、攔蓄工程建設滯后、水資源時空分布不均等問題[6]，主要體現(xiàn)在以下方面：

1)丹東市人均水資源量為我國平均水平的1.5倍，該水平接近于南方地區(qū)，但該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)均衡用水仍存在一定的差距。例如，北部低山丘陵區(qū)水資源豐富，而南部適宜農(nóng)耕的沿海平原區(qū)農(nóng)業(yè)用水量具有較大缺口。沿海經(jīng)濟帶的進一步發(fā)展和丹東市東港城區(qū)的持續(xù)擴大，加之生產(chǎn)生活與工業(yè)用水量的持續(xù)增大，使得鐵甲水庫承擔城市供水和農(nóng)田灌溉壓力加大，為促進區(qū)域用水平衡必須加強水利工程建設。

2)遼東地區(qū)山高坡陡、土質(zhì)疏松、降水流速快，天然降水的攔蓄利用存在較大難度，加之攔蓄工程較少使得雨過河干的現(xiàn)象較為普遍，丹東地區(qū)潛在水危機日趨嚴重。生產(chǎn)生活用水量的劇增進一步激化了水資源供需突出，預測顯示未來20年該區(qū)域講義干旱氣候為主，必須要有的用水經(jīng)濟意識和憂患意識。

3)科學性、計劃性為水資源開發(fā)的基本要求，為推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、城市總體布局與用水結構的協(xié)調(diào)發(fā)展必須合理規(guī)劃水資源利用。今后工作的重點將逐漸轉(zhuǎn)向水資源調(diào)蓄能力的提升以及水利工程的建設，目前已逐步規(guī)劃的河流有叆河及其支流。丹東市出境地表水以注入黃海為主，調(diào)查顯示水庫蓄水量較低，且鴨綠江水資源總體開發(fā)較低，因此部分地表水開發(fā)潛力較大。

4)當前仍然面臨水質(zhì)性缺水、水利設施老化和工程建設滯后等問題，丹東市農(nóng)業(yè)用水效率低、生活用水浪費嚴重、公眾節(jié)水意識薄弱、節(jié)水器具普及率低且供水系統(tǒng)管理不當。受特殊的地理條件和歷史原因等限制，丹東市邊境地區(qū)開發(fā)較晚、經(jīng)濟不發(fā)達，因此存在輕保護、輕管理、重利用的現(xiàn)象，同時存在水質(zhì)污染和生態(tài)破壞的問題。

1.3 數(shù)據(jù)擬合

選擇徑流深度、水資源總量、地表徑流量和降水量作為研究指標，逐年徑流深度和逐日站點降水量來源于中國氣象數(shù)據(jù)中心，以扣除重復計算的地下水和地表水量作為水資源總量。為準確描述水資源趨勢特征以及實現(xiàn)空間可視化處理，采用線性回歸法和普通Kriging插值法擬合分析各指標均值，設置顯著性水平(α=0.05)，采用Matlab系統(tǒng)自帶小波分析模塊揭示水資源事件變化規(guī)律[7]。

2 水資源時空變化規(guī)律

2.1 降水量空間分布特征

東南季風和盛行西風帶來的暖濕氣流為形成該區(qū)域大氣降水的主要原因，由于不同地區(qū)的下墊面和距離海洋的維持存在差異，使得在空間分布上丹東市降水極不均衡。采用普通Kriging差值法和DEM數(shù)據(jù)、各站點降水監(jiān)測平均值，從空間上獲取連續(xù)分布的區(qū)域降水情況。盡管站點實測值與空間預測值具有一定的偏差，但各站點間的空間關聯(lián)性在差值運算過程中得以保留，并且局部降水的變異可以利用DEM數(shù)據(jù)來衡量。結合預測結果，丹東地區(qū)降水量均值為1081.5mm，總體處于648.4-1761.7mm范圍。

在南北方向上降水量變化較為明顯，這主要與暖濕氣流運動、地貌形態(tài)特征等因素相關，南部為平原沿海地帶，北部地勢較高為丘陵地區(qū)，從東南向西北降水量表現(xiàn)出逐漸增大趨勢。另外，大氣運移過程中受地形抬升作用出現(xiàn)聚集，從而形成降水集中的云置雨；不受地勢作用且無地表組草組合作用的南部區(qū)域，雨峰過境速度較快，其降雨量較少低于1000mm，而西北部局部山口迎風坡的降水量可超過1100mm。

2.2 徑流深分布特征

為準確衡量丹東市水資源空間豐富程度引入徑流深度指標，其數(shù)值等于單位流域面積上的總徑流量，所涉及到的數(shù)據(jù)有各水文站斷面以上流域面積、斷面處總徑流量等，對年均徑流深進行統(tǒng)計匯總，并差值預測徑流分布狀況。研究表明：丹東地區(qū)徑流深度平均值為81mm，總體處于46-132mm范圍。總體而言，自南向北研究區(qū)徑流深度呈減少分布特征，進一步分析DEM數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，徑流深度分布與地形呈顯著負相關性，相關系數(shù)-0.647，通過顯著性(α=0.01)檢驗。北部山區(qū)為河流上游發(fā)源地，水系發(fā)育良好且河網(wǎng)密布，由于受地形條件限制，所以徑流深度不高且徑流量較少。南部水系密集且徑流豐富，該區(qū)域中下游其徑流深度相對于其他地區(qū)明顯較高。

2.3 水資源量時間變化趨勢

采用Excel2019軟件和丹東市1959-2018年水資源相關數(shù)據(jù)，繪制水資源量時間變化曲線，如圖1。從圖1可知，區(qū)域年均降水量呈減少趨勢，變化幅度為-3.7528mm/a，置信度檢驗未通過5%水平，可見變化趨勢不顯著。降水量最低值為2016年的648.4mm，其次為1967年的652.6mm，該區(qū)域為濕潤區(qū)，降水量均值1081.5mm。

圖1 降水量變化趨勢

從圖2可以看出，全市水資源總量在整個研究時段內(nèi)為84.88億m3，降水量變化與水資源量波動高度吻合，變化斜率為-0.2618億m3/s，變異程度達到中度，變異系數(shù)為62.41%，年際水資源量存在較大變化。

圖2 水資源總量變化趨勢

大氣降水為水資源的主要來源，地下水與地表徑流之間存在互補關系如圖3。從圖3可知，研究區(qū)地下水資源量年際平均水平為16.69億m3，最高值為1965年的33.92億m3，最低值為1992年的5.91億m3。在區(qū)域降水量減少、氣候干化演變、地下水開發(fā)力度加大、用水需求量增多以及人口規(guī)模增大等因素綜合作用下，該區(qū)域地下水量呈波動下降趨勢，變化率為-0.0981億m3。結合以上分析結果，近年來丹東市水資源量整體呈下降趨勢，該研究結論與其他研究成果保持較好一致性。

圖3 地下水資源變化趨勢

2.4 水資源周期性

考慮到水資源總量與地下水、地表徑流和降水量間的高度相關性，為防止出現(xiàn)冗余計算，采用小波功率譜解析水資源總量的變化周期性。結果顯示，準4-6年、準3-4年、準2-3年為丹東市年降水的變化周期，以上準周期在1970-2000年間、2000-2010年間、1975-2010年與1960-1970年間較為顯著，而其它時段周期性較弱。整體而言，降水量年、季度量尺度不同，變化復雜且循環(huán)周期短，但變化周期均存在準2-4年且通過顯著性(P<0.5)檢驗，可見該區(qū)域降水主周期為準2-4a。

3 結 論

全球氣候變暖加劇了氣象系統(tǒng)耗散的不確定性，從而使得丹東地區(qū)降水量、地表徑流量和地下水蘊藏量均出現(xiàn)一定程度的減少。隨著各行業(yè)用水量的劇增以及人口規(guī)模的持續(xù)擴大，水資源開采力度勢必進一步加大，水資源供需矛盾將更加緊張。從空間尺度上，人口密度稀疏且經(jīng)濟欠發(fā)達的北部山區(qū)為丹東市降水量集中區(qū)，而南部平坦地區(qū)為地表徑流量匯集區(qū)，但此區(qū)域不宜過度開發(fā)地表過境徑流，所以可開發(fā)利用程度與水資源空間分布不協(xié)調(diào)。為促進水生態(tài)文明建設和提高綜合用水效率，必須充分考慮水資源時空分布特征和區(qū)域氣候變化特點，合理規(guī)劃水利建設布局。