河南省引黃受水區(qū)水資源情勢分析

張修宇，陳 卓，王貽森，石 峰

(1.華北水利水電大學 水資源學院，河南 鄭州 450046；2.河南省人民勝利渠保障中心，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.河南省豫東水利保障中心，河南 開封 475000）

水是生命之源,對人類文明的發(fā)展有著舉足輕重的作用。隨著現(xiàn)代化進程加快,人類對水資源的需求不斷增加,雖然水資源屬于可再生資源,但是其自然恢復的速度遠不及人類生產生活所消耗的速度,局部乃至大范圍內水資源缺乏的情況時有發(fā)生［1］。

水資源情勢分析是指對特定地區(qū)的水資源量、水質、水文、氣象等方面的情況進行研究分析,以便為水資源的合理利用和管理提供科學依據(jù)［2］。我國關于水資源的相關研究主要集中在地區(qū)水資源評價、水資源可持續(xù)利用、水資源安全性評估以及水資源優(yōu)化配置4 個方面。金菊良等［3-4］在水資源相關學科的基礎上,梳理了水資源空間均衡的研究趨勢,認為我國水資源空間均衡理論基礎研究需要進一步加強；張修宇等［5-8］研究梳理了河南省引黃受水區(qū)的發(fā)展水平、水安全現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)河南省引黃受水區(qū)的水資源綜合利用效率不高、水安全建設有待加強；楊翊辰等［9］分析了黃河的水資源情勢,發(fā)現(xiàn)黃河水資源利用效率不高；劉健等［10］對山東省的水資源情勢進行了分析,結果表明受工程建設不完善和自然因素的影響,山東省水資源情勢未來前景不容樂觀；張紅衛(wèi)等［11］分析了河南省水資源量等的變化特點和規(guī)律,提出了加強管理、合理開發(fā)地下水、多水源優(yōu)化配置等對策措施。國外學者的研究則集中在水資源的全球狀況、水資源的管理和利用、水資源的污染和治理、水資源的氣候變化影響等方面。我國淡水資源總量豐富,但人均水資源量少,對水資源情勢的分析迫在眉睫。河南省引黃受水區(qū)是中國糧食生產核心區(qū),對其開展水資源情勢分析,對河南省水安全、水資源優(yōu)化配置等有重要意義。

本文利用Spearman 相關性分析法［12］,對2001—2021 年河南省引黃受水區(qū)的水資源情勢進行分析,以期為水資源優(yōu)化配置、水安全評價、水資源承載力等研究提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

河南省引黃受水區(qū)包含河南省北部、西部、東部大部分地區(qū),包括鄭州、開封、洛陽、安陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、焦作、濮陽、三門峽、商丘、周口、平頂山、許昌及濟源共14 個地級市,總面積10.23 萬km2(占全省面積的61.3%)。受水區(qū)地處我國第二階梯和第三階梯的過渡地帶,地質條件復雜,地層系統(tǒng)齊全,構造形態(tài)多樣。地勢西高東低,地貌類型復雜多樣,由中低山地、丘陵過渡到平原,水系眾多。河南省引黃受水區(qū)DEM 圖見圖1。

圖1 河南省引黃受水區(qū)DEM

本文所用數(shù)據(jù)來源于《河南省水資源公報》、各地級市水資源公報及統(tǒng)計年鑒。

2 水資源情勢分析

2.1 2001—2021 年水資源要素變化分析

2001—2021 年河南省引黃受水區(qū)水資源總量、產水模數(shù)、產水系數(shù)、降水量、人均水資源量見表1。

表1 河南省引黃受水區(qū)水資源要素數(shù)據(jù)

(1)水資源總量。2001—2021 年河南省引黃受水區(qū)水資源總量年均值為181.43 億m3,年水資源總量最大值發(fā)生在2021 年(389.31 億m3),最小值發(fā)生在2019 年(102.25 億m3)。2001—2011 年水資源總量總體偏高,2012—2020 年總體偏低,2021 年急劇增長。2001—2011 年波動較為劇烈,離散系數(shù)為0.326；2012—2020 年波動較為平緩,離散系數(shù)為0.113。2021 年水資源總量增加最多,比2020 年增加了230.60億m3；2004 年減少最多,比2003 年減少了104.46 億m3。其對數(shù)擬合方程式為

式中:y為擬合水資源總量；x為年份。

(2)降水量。2001—2021 年,河南省引黃受水區(qū)年降水量最大值發(fā)生在2021 年(1 157.8 mm),最小值發(fā)生在2013 年(501.6 mm),最大值為最小值的2.3倍。2001—2010 年降水量波動幅度較大,離散系數(shù)為0.189,大于2011—2021 年的離散系數(shù)0.128。其指數(shù)擬合方程式為

式中:y*為擬合降水量。

(3)產水模數(shù)。2001—2021 年河南省引黃受水區(qū)的產水模數(shù)最大值發(fā)生在2021 年(37.66 萬m3/km2),最小值發(fā)生在2019 年(9.90 萬m3/km2),最大值是最小值的3.8 倍。

(4)產水系數(shù)。產水系數(shù)是指一個區(qū)域內水資源總量占總降水量的比例,反映降水轉化為水資源的能力,產水系數(shù)越大降水轉化為水資源的能力越強。2001—2021 年,河南省引黃受水區(qū)的產水系數(shù)為0.018～0.033,離散系數(shù)為0.165,波動不大；2001—2010 年的離散系數(shù)(0.160)小于2011—2021 年的離散系數(shù)(0.170),后一時段比前一時段波動稍大,主要受2021 年7 月大暴雨的影響。

(5)人均水資源量。人均水資源量最大值出現(xiàn)在2021 年(527.9 m3),最小值出現(xiàn)在2019 年(145.7 m3),前者是后者的3.6 倍,表明河南省引黃受水區(qū)人均水資源量年際差異較大。

結合Spearman 方法對人均水資源量的直接影響因素(水資源總量、人口數(shù))進行分析,分別對人口數(shù)、水資源總量與人均水資源量的關系進行相關性分析。引黃受水區(qū)的人均水資源量和人口數(shù)相關系數(shù)僅為0.196,未通過顯著性檢驗,表明在2001—2021 年人均水資源量變化過程中,人口數(shù)不是其主要影響因子；引黃受水區(qū)的人均水資源量和水資源總量的相關系數(shù)為0.981,在0.01 顯著性水平(雙尾)上相關性顯著,說明水資源總量是人均水資源量的主要影響因子。

2.2 河南省引黃受水區(qū)各地級市水資源要素對比分析

2001—2021 年河南省引黃受水區(qū)各地級市的水資源總量、產水模數(shù)、降水量、人均水資源量見表2。

表2 河南省引黃受水區(qū)各地級市水資源要素數(shù)據(jù)

(1)水資源總量。河南省引黃受水區(qū)各地級市水資源總量差異較大,空間分布不均,其中水資源總量超過15 億m3的地級市有5 個(周口、洛陽、商丘、平頂山和三門峽),小于5 億m3的地級市有2 個(鶴壁和濟源),水資源總量最多的周口(25.71 億m3)是最少的濟源(3.41 億m3)的7.5 倍,主要原因是濟源面積最小。2001—2021 年河南省引黃受水區(qū)14 個地級市水資源總量均值為12.96 億m3/a,其中有6 個地級市超過該均值,有8 個地級市少于該均值。

(2)產水模數(shù)。2001—2021 年河南省引黃受水區(qū)各地級市產水模數(shù)各不相同,產水模數(shù)最大的地級市為平頂山(23.35 萬m3/km2),最小的為濮陽(14.76 萬m3/km2)。多年平均產水模數(shù)為17.56 萬m3/km2,大于區(qū)域產水模數(shù)年均值的地級市有5 個(平頂山、周口、焦作、濟源和商丘),小于年均值的地級市有9 個,這與其地理位置、地形地貌、植被覆蓋等因素有關。

(3)降水量。河南省引黃受水區(qū)各地級市降水量差別不大,平頂山降水量最大(786.8 mm),濮陽降水量最小(574.9 mm),二者相差211.9 mm。多年平均降水量大于700 mm 的地級市有洛陽、平頂山、周口、商丘,小于600 mm 的地級市僅有濮陽,大于和小于地級市平均值(689.4 mm)的各有7 個地級市,分布較為均衡。商丘、周口、平頂山3 個地級市多年平均降水量較大,鄭州、開封、許昌、洛陽、三門峽、濟源6 個地級市多年平均降水量中等,安陽、鶴壁、濮陽、新鄉(xiāng)、焦作5 個地級市降水量較小,呈現(xiàn)自北向南降水量增大的空間分布態(tài)勢。

(4)人均水資源量。河南省引黃受水區(qū)多年人均水資源量最高的地級市為三門峽(694.3 m3),最低的地級市為鄭州(126.9 m3),最高值是最低值的5.5 倍,大于地級市均值(311.8 m3)的有三門峽、濟源、洛陽、平頂山,其他8 個地級市小于均值。

3 水資源情勢影響因素

3.1 氣候變化

氣候變化是影響河南省引黃受水區(qū)水資源情勢的重要因素,主要因子包括降水量、蒸散發(fā)量、氣溫和光照等。水資源總量、降水量、降水量與蒸散發(fā)量的差值變化過程見圖2。

圖2 河南省引黃受水區(qū)水資源總量、降水量、降水量與蒸散發(fā)量的差值變化過程

(1)降水量。由圖2 可以看出,水資源總量和降水量的變化趨勢基本一致,降水量越大水資源總量就越大。對水資源總量和降水量數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗,發(fā)現(xiàn)其不符合正態(tài)分布,故利用Spearman 相關性分析方法對其進行相關性分析,得到降水量與水資源總量相關系數(shù)為0.877,在0.01 顯著性水平上相關性顯著,說明降水量是水資源總量的重要影響因素之一。

(2)蒸散發(fā)量。蒸散發(fā)是水資源量減少的重要自然因素。利用Spearman 相關性分析方法對河南省引黃受水區(qū)降水量和蒸散發(fā)量的差值與水資源總量進行相關性分析,相關系數(shù)為0.811,在0.01 顯著性水平上相關性顯著,說明蒸散發(fā)量也是水資源情勢的重要影響因素。

3.2 人類活動

河南省引黃受水區(qū)是我國重要的糧棉基地,灌溉和耕作方式等都對水資源的情勢有所影響。近年來,隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的推進,實施地面硬化等工程項目改變了下墊面條件,直接影響了產流與匯流過程,進而影響相關水文參數(shù)和區(qū)域水資源情勢。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,為了保護地下水資源和避免地面沉降,很多地級市逐步減少地下水的抽取,轉而高效利用河川徑流等地表水源,或利用南水北調等調水工程獲取水資源。這些人類活動改變了水資源的利用方式和程度,影響了入滲、徑流、蒸散發(fā)等水文要素的變化,從而影響了水資源情勢。

4 結語

本文根據(jù)2001—2021 年的氣象水文資料,采用Spearman 相關性分析法,探究河南省引黃受水區(qū)水資源情勢。結果顯示,各因子在時序上基本保持穩(wěn)定,2019 年最小,主要受到部分地區(qū)極端干旱影響；2021年最大,主要受到極端降水的影響。通過對各地級市水資源總量、降水量、人均水資源量、產水模數(shù)、產水系數(shù)進行分析,發(fā)現(xiàn)水資源總量受降水量影響較大,豫北地區(qū)相對較為缺水；降水量和蒸散發(fā)量是影響該地區(qū)水資源情勢的主要因子。

限于數(shù)據(jù)獲取途徑單一,本文僅對河南省引黃受水區(qū)的水資源情勢進行初步分析,下一步需收集更多相關數(shù)據(jù)進行完善。本文對水資源各要素的分析尚不夠深入,以后需要利用更多方法進一步剖析水資源情勢的演變趨勢,為河南省引黃受水區(qū)水資源管理與利用提供參考。