黃 莎，付 湘，秦嘉楠，徐雨妮

(1.武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430074；2.海綿城市建設(shè)水系流科學湖北省重點實驗室，武漢430074)

目前，國內(nèi)外學者在水資源壓力的研究已有豐富的成果，常用水資源壓力評價指標有Falkenmark指數(shù)[3]、水資源脆弱指數(shù)[4]、水貧窮指數(shù)[5]、水資源開發(fā)利用率[6]等。錢逸穎等[7]基于水足跡理論研究社會經(jīng)濟活動對可利用水資源占用情況，探析區(qū)域水資源短缺問題；夏軍等[8]以密云水庫的水源供應為例，研究了氣候變化對入庫流量的影響，并預估了未來水資源壓力；匡洋等[9]針對全球氣候變化背景下的國際河流沖突，提出了氣候變化影響決策評估工具，以促進跨境流域水資源可持續(xù)發(fā)展；Vorosmarty等[10]以1985年水資源壓力為基準，設(shè)置三種情景以預測氣候變化和社會經(jīng)濟發(fā)展對2025年水資源壓力情況；潘歡迎等[11]運用Falkenmark指數(shù)和水壓力指數(shù)定量評價了中國水資源一級區(qū)的水資源壓力，分析了大時空尺度上的水資源利用狀況。水資源壓力受社會經(jīng)濟活動和氣候變化共同影響，Wada等[12]提出水資源壓力與水文干旱和社會經(jīng)濟干旱密切相關(guān)，通過對水資源壓力的不斷認識有助于更深刻的理解區(qū)域干旱情況。

水資源壓力受人類活動與氣候變化的雙重影響，這兩個因素對水資源壓力的影響程度缺乏定量研究，為研究人類活動及氣候變化對長江流域水資源壓力的影響，本文以長江流域19個省級行政區(qū)為研究區(qū)域，基于1998-2016年的水資源總量和供水總量，采用水資源壓力指數(shù)計算人類活動和氣候變化影響下的區(qū)域水資源壓力，并運用Mann-Kendall檢驗法對水資源壓力變化進行趨勢分析。最后，從水資源壓力角度探析干旱與水資源壓力的關(guān)系。

1 研究方法

1.1 水資源壓力指數(shù)

根據(jù)水資源公報編制規(guī)程(GBT 23598-2009)規(guī)定，供水量根據(jù)水源不同類型分為地表水源、地下水源和其他水源三大類，反映受科學技術(shù)和可利用水資源總量的影響，為滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需水量所提供的水量。例如，先進的科學技術(shù)提高用水效率(工業(yè)用水重復利用率與農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù))，在一定程度上能夠減緩水資源壓力，更好地滿足工業(yè)和農(nóng)業(yè)需水量。供水對象包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活及生態(tài)環(huán)境用水部門，考慮生態(tài)環(huán)境用水時，區(qū)域的總供水量增大使得多數(shù)區(qū)域的水資源壓力惡化，能提高水資源壓力評估精度[13]。公報中水資源總量即為降水形成徑流量，是流域水循環(huán)過程中的重要產(chǎn)物之一，其內(nèi)涵為降水形成地表及地下產(chǎn)水總量，自然環(huán)境變化(如氣候變化)對水循環(huán)的影響將會導致水資源總量的變化。因此，從供水量、水資源總量內(nèi)涵以研究水資源壓力具有一定理論依據(jù)及現(xiàn)實意義。

水資源開發(fā)利用程度定義為年取用的水資源量占可獲得的水資源總量的百分率，選定為水資源壓力指數(shù)(Water Stress Index)用于描述某一區(qū)域受水資源壓力嚴重程度[14-16]。其計算公式如下：

(1)

(2)

水資源壓力指數(shù)在標度區(qū)域水資源緊張程度時，將水資源壓力分為4類[15]：低壓力、中壓力、中高壓力以及高壓力。低壓力(WSI<0.1)即流域內(nèi)水資源與社會經(jīng)濟環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，無水資源危機；流域內(nèi)處于中壓力狀態(tài)(0.1≤WSI<0.2)，存在一定水資源危機隱患；流域內(nèi)處于中高壓力狀態(tài)(0.2≤WSI<0.4)，即水資源與社會經(jīng)濟環(huán)境不協(xié)調(diào)發(fā)展，面臨水資源爭奪，需要引起重視；流域內(nèi)處于高壓力狀態(tài)(WSI≥0.4)，水資源嚴重稀缺，與社會經(jīng)濟環(huán)境發(fā)展極不協(xié)調(diào)，水沖突一觸即發(fā)(見表1)。

表1 水資源壓力指數(shù)分類標準[14,15]Tab.1 Classification criterion of water stress index

1.2 趨勢檢驗方法

Mann-Kendall趨勢檢驗法(簡稱MK檢驗)是世界氣象組織(WMO)推薦并已經(jīng)被廣泛應用的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，最初被Mann用于Kendall的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其特點是不需要數(shù)據(jù)樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，定量化程度較高[17]。Zhang[18]、熊立華[19]等都運用了MK檢驗來分析長江流域降水變化趨勢。鑒于MK檢驗在趨勢分析上的應用優(yōu)勢及其在長江流域的應用成果，為了深入剖析人類活動與氣候變化對WSI影響的顯著性，本文應用MK檢驗法對式(1)、式(2)計算得的WSI進行顯著性分析。MK檢驗法的基本原理如下[17]：

假設(shè)時間序列數(shù)據(jù)Xn是n個隨機獨立變量且具有同分布的樣本，備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗；對于所有的k，j≤n且k≠j，xk和xj的分布是不相同的,檢驗的統(tǒng)計變量S計算如下式：

柿子炭疽病是柿樹主要病害之一，富平尖柿屬于極易感染炭疽病的品種。該病在高溫高濕條件下傳播蔓延快，防治難度大，只有準確區(qū)分病害癥狀特征，了解病害發(fā)生規(guī)律，并采取綜合措施適時防治，才能取得良好效果。

(3)

(4)

S為正態(tài)分布，均值和方差如下式所示：

均值：E(S)=0

(5)

(6)

當n大于10時，標準的正態(tài)統(tǒng)計變量z通過下式計算：

(7)

在雙側(cè)趨勢檢測中，在給定的置信水平上(本文置信水平取0.05)，若|z|≥1.64，則表示時間序列數(shù)據(jù)變化趨勢具有置信水平為0.05的顯著上升或下降趨勢。當統(tǒng)計變量z>0時，呈上升趨勢；z<0，呈下降趨勢。

2 結(jié)果分析

長江流域總面積為180 萬km2，約占中國國土面積的1/5，包括15個省份、2個自治區(qū)、2個直轄市，具體地理位置圖如圖1所示。流域內(nèi)多年平均降雨量約1 100mm，多年平均水資源總量為9 958 億m3[20]。長江流域水資源總量較豐沛，但時空分布不均，2016年人均水資源量并不豐富，為2 233m3，僅略高于全國平均水平，流域內(nèi)仍存在缺水區(qū)域[21]。本文使用的數(shù)據(jù)來源于《長江及西南諸河水資源公報》，收集了長江流域19個省級行政區(qū)1998-2016年水資源總量與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活及生態(tài)供水量資料，基于水資源壓力指數(shù)和MK檢驗法，分析了各省行政區(qū)氣候變化與人類活動下水資源壓力的變化。

圖1 長江流域地理位置圖Fig.1 Location of the Yangtze River basin

2.1 水資源壓力時空對比分析

1998-2016年長江流域的WSI由公式(1)計算得到，結(jié)果如圖2所示，2016年長江流域的WSI為0.17，是1998年其WSI(0.09)的近兩倍，從低壓力經(jīng)過一段時間的中壓力過渡到中高壓力狀態(tài)，在2011年WSI甚至達最大值0.26。根據(jù)《長江及西南諸河水資源公報》的數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計，長江流域在1998-2016年間總用水量增加了16%，而水資源總量在此期間減少了38%。表明在研究期間長江流域用水量緩慢增大，而水資源總量下降較快，導致其遭受的水資源壓力增大。

圖2 1998-2016年長江流域WSI變化圖Fig.2 WSI in the Yangtze River basin during 1998-2016

1998年與2016年長江流域內(nèi)19個省WSI分布如圖3所示，圖中顏色深淺表示水資源壓力嚴重程度。結(jié)果顯示，約40%省份的水資源壓力嚴重程度加劇， 四川、重慶、陜西、貴州和江西由低壓力轉(zhuǎn)為中壓力狀態(tài)，安徽從中壓力轉(zhuǎn)為中高壓力狀態(tài)，河南從中高轉(zhuǎn)為高壓力狀態(tài)，而上海和江蘇一直處于高壓力狀態(tài)。實際上，整個研究期間水資源壓力平均水平處于高壓力狀態(tài)的省份有上海市、江蘇省、浙江省和河南省，如圖4所示。根據(jù)上海、江蘇、浙江和河南各省的統(tǒng)計年鑒資料顯示，1998-2016年間上海的人口增長率為58.46%，GDP從3831億元增長到28 178.65億元；江蘇的人口增長率為11.36%，GDP從7 199.95億元增長到76 086.17億元，翻了近10倍；浙江和河南的人口增長率分別為10.43%、15.81%，其GDP均翻了約8倍。說明社會經(jīng)濟快速發(fā)展的省份受到水資源壓力較嚴重。

圖3 長江流域19個省1998年與2016年的WSI分布圖Fig.3 WSI for 1998 and 2016 in the Yangtze River basin

圖4 1998-2016年長江流域水資源高壓力省份WSI變化圖Fig.4 WSI in cities where in high water stress during 1998-2016

2.2 基于MK檢驗的水資源壓力分析

運用MK檢驗對長江流域的19個省級行政區(qū)水資源壓力指數(shù)進行趨勢分析，由公式(1)計算氣候變化與人類活動雙重影響下的水資源壓力指數(shù)，受氣候變化與人類活動顯著影響的省份有7個；由公式(2)計算氣候變化影響下的水資源壓力指數(shù)，受氣候變化顯著影響的省份有6個，其中呈上升趨勢的有4個，呈下降趨勢的有2個，見表2所示。重慶和安徽的WSI受氣候變化與人類活動顯著影響，但在氣候變化下無顯著性；相反地，河南和廣東的WSI受氣候變化顯著影響，但在氣候和人類活動影響下無顯著性。說明不同地區(qū)水資源壓力對于氣候變化的反饋不同，同一地區(qū)水資源壓力對于氣候變化和人類活動的反饋也不同，且存在水資源壓力對于氣候變化更為敏感的省份。

表2 WSI變化趨勢具有顯著性(α=0.5)的省份Tab.2 Provinces where change trends of WSI is significant(α=0.5)

注：當|z|≥1.64時，判定具有α=0.05顯著性水平；用加粗表示。

針對上述顯著性結(jié)果不同的重慶、安徽、河南和廣東，分析其1998-2016年氣候與人類活動下、氣候變化下的WSI變化，如圖5所示。重慶自2002年起兩種情況下的WSI差異逐漸增大，在1998-2001年用水量僅增加了7%，WSI竟增大了約3倍，在2003-2006年用水量增加了15%，WSI卻增大了80%之多。分析其用水結(jié)構(gòu)變化，如圖6所示，主要是占總用水量比重最大的工業(yè)用水量的增加，但此后生活用水比重逐漸加大，說明在水資源總量不變的情況下，人類社會經(jīng)濟活動引起用水量增加會大大地惡化水資源壓力。安徽省由于受降雨偏少且持續(xù)高溫天氣影響，在2006年發(fā)生1998-2016年期間內(nèi)最嚴重的干旱事件，顯示出高WSI值(0.42)，值得注意的是，最大WSI值卻發(fā)生在2013年，發(fā)現(xiàn)2013年的用水量增加了40%，其用水結(jié)構(gòu)變化中農(nóng)業(yè)用水始終所占比重最大，工業(yè)較生活用水比重上升速率快，生態(tài)用水顯著增大。表明城市經(jīng)濟發(fā)展和維持生態(tài)環(huán)境健康的背景下，安徽的水資源壓力受人類活動顯著影響。

研究期間河南總用水量維持在22 億m3左右，廣東總用水量維持在0.18 億m3，均無明顯上升趨勢，如圖7所示。根據(jù)河南省統(tǒng)計年鑒資料顯示，在1998-2016年河南的人口增長15.81%，GDP從4 308.24 億元增長到4 0471.79 億元；國家統(tǒng)計局資料顯示廣東省在1998-2016年GDP從8 531 億元增長到79 512 億元，其經(jīng)濟發(fā)展迅速。但是河南和廣東在氣候變化與人類活動下、氣候變化下的WSI差異不明顯，說明了兩省受人類活動影響不顯著，受氣候變化顯著影響。

圖5 1998-2016年重慶和安徽在兩種情況下WSI變化圖Fig.5 WSI for two situations in Chongqing and Anhui during 1998-2016

圖6 2001-2016年重慶和安徽四個用水部門用水量示意圖Fig.6 Total water uses for major user in Chongqing and Anhui (2001-2016)

圖7 1998-2016年河南和廣東在兩種情況下WSI變化圖Fig.7 WSI for two situations in Henan and Guangdong during 1998-2016

2.3 干旱與水資源壓力的關(guān)系

進入21世紀以來南方地區(qū)干旱頻繁發(fā)生，據(jù)河南統(tǒng)計年鑒記載，自2000年以來，2001、2013年河南均發(fā)生嚴重干旱；2006、2009、2011和2013年長江流域大部分地區(qū)如江西、安徽、廣東出現(xiàn)干旱現(xiàn)象[22,23]；2006年川渝地區(qū)出現(xiàn)百年大旱，對當?shù)卦斐蓢乐負p失[24]。

1998-2016年長江流域內(nèi)受氣候變化和人類活動影響下的水資源壓力指數(shù)變化如圖5，圖7所示，河南在2001和2013年的WSI均達到波峰，且2006年的WSI大于0.4屬于高壓力狀態(tài)；重慶在2006年遇百年大旱時WSI值達1998-2016年期間的最大值；安徽在2006、2011、2013年WSI均大于0.4屬于高壓力狀態(tài)。結(jié)果說明，區(qū)域發(fā)生干旱時，WSI值均較高，體現(xiàn)了氣候變化和人類活動影響下的水資源壓力與水文干旱、社會經(jīng)濟干旱相關(guān)。

3 結(jié) 語

本文運用水資源壓力指數(shù)和Mann-Kendall檢驗法分析了人類活動與氣候變化影響下的區(qū)域水資源壓力，得出如下結(jié)論。

(1)在1998-2016年期間，以整個長江流域為評價區(qū)，總用水量增加了16%，而水資源總量在此期間減少了38%，其WSI值從0.09上升到0.17。約40%省份的水資源壓力嚴重程度加劇，1998-2016年間上海的人口增長率為58.46%，江蘇的GDP翻了近10倍，浙江和河南的GDP翻了約8倍，社會經(jīng)濟迅速發(fā)展的同時，其水資源壓力一直處于高壓力狀態(tài)。

(2)在1998-2016年期間，以長江流域19個省級行政區(qū)為評價區(qū)，運用MK檢驗對氣候變化與人類活動共同作用下、氣候變化下的WSI做趨勢分析，重慶和安徽的WSI受到人類活動顯著影響，6個省份受氣候變化顯著影響，7個省份受氣候變化與人類活動顯著影響，其他省份無顯著性。

(3)近20年歷史上記載發(fā)生干旱的地區(qū)，其干旱年對應的WSI值均較大。由于水資源壓力受氣候變化和人類社會經(jīng)濟活動的影響，表明水資源壓力與水文干旱、社會經(jīng)濟干旱具有一定聯(lián)系。