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(bǔ)充的地下水。水資源能夠?yàn)槿祟惿姘l(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(shù)進(jìn)行探究，以期為促進(jìn)水資源合理利用和區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)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(biāo)為E124°23′，N40°07′，總面積1.52萬km2。該區(qū)域?yàn)檫|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(diǎn)為主，海拔約500m。研究區(qū)為溫暖帶亞濕潤季風(fēng)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(jié)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(bǔ)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(yán)重、農(nóng)業(yè)用水效率低、水資源經(jīng)濟(jì)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(shè)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(jì)帶的進(jìn)一步發(fā)展和丹東市東港城區(qū)的持續(xù)擴(kuò)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(dān)城市供水和農(nóng)田灌溉壓力加大，為促進(jìn)區(qū)域用水平衡必須加強(qiáng)水利工程建設(shè)。

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?dāng)r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(jī)日趨嚴(yán)重。生產(chǎn)生活用水量的劇增進(jìn)一步激化了水資源供需突出，預(yù)測顯示未來20年該區(qū)域講義干旱氣候?yàn)橹?，必須要有的用水?jīng)濟(jì)意識和憂患意識。

3)科學(xué)性、計(jì)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(jié)構(gòu)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(diǎn)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(shè)，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(dāng)前仍然面臨水質(zhì)性缺水、水利設(shè)施老化和工程建設(shè)滯后等問題，丹東市農(nóng)業(yè)用水效率低、生活用水浪費(fèi)嚴(yán)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(dāng)。受特殊的地理?xiàng)l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(jì)不發(fā)達(dá)，因此存在輕保護(hù)、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(biāo)，逐年徑流深度和逐日站點(diǎn)降水量來源于中國氣象數(shù)據(jù)中心，以扣除重復(fù)計(jì)算的地下水和地表水量作為水資源總量。為準(zhǔn)確描述水資源趨勢特征以及實(shí)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(biāo)均值，設(shè)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(fēng)和盛行西風(fēng)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(diǎn)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(diǎn)實(shí)測值與空間預(yù)測值具有一定的偏差，但各站點(diǎn)間的空間關(guān)聯(lián)性在差值運(yùn)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(jié)合預(yù)測結(jié)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(yùn)動、地貌形態(tài)特征等因素相關(guān)，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(yùn)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(fēng)坡的降水量可超過1100mm。

2.2 徑流深分布特征

為準(zhǔn)確衡量丹東市水資源空間豐富程度引入徑流深度指標(biāo)，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(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，并差值預(yù)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?？傮w而言，自南向北研究區(qū)徑流深度呈減少分布特征，進(jìn)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(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)-0.647，通過顯著性(α=0.01)檢驗(yàn)。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(guān)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(yàn)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?yàn)闈駶檯^(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(dá)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(bǔ)關(guān)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(jié)合以上分析結(jié)果，近年來丹東市水資源量整體呈下降趨勢，該研究結(jié)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(guān)性，為防止出現(xiàn)冗余計(jì)算，采用小波功率譜解析水資源總量的變化周期性。結(jié)果顯示，準(zhǔn)4-6年、準(zhǔn)3-4年、準(zhǔn)2-3年為丹東市年降水的變化周期，以上準(zhǔn)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(fù)雜且循環(huán)周期短，但變化周期均存在準(zhǔn)2-4年且通過顯著性(P<0.5)檢驗(yàn)，可見該區(qū)域降水主周期為準(zhǔn)2-4a。

3 結(jié) 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(yùn)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(kuò)大，水資源開采力度勢必進(jìn)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(jì)欠發(fā)達(dá)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(jìn)水生態(tài)文明建設(shè)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(diǎn)，合理規(guī)劃水利建設(shè)布局。