呂雁翔

(山西省水文水資源勘測站，山西 太原 030001)

地表水資源量是指由當(dāng)?shù)亟邓纬傻?、可以逐年更新的河流、湖泊、冰川中的?dòng)態(tài)水量[1]。2018年，在第三次水資源調(diào)查評價(jià)時(shí)，山西省北部黃河流域的四級水資源分區(qū)紅河區(qū)地表水資源量明顯減少，為探究其原因，本文對紅河區(qū)地表水資源量減少原因進(jìn)行了分析研究，以期為該區(qū)域的水資源保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)概述

1.1 分區(qū)情況

紅河區(qū)位于山西省北部，屬于黃河流域，為四級水資源分區(qū)；該區(qū)跨大同、朔州兩市，涉及左云、右玉、平魯3個(gè)縣區(qū)；全區(qū)總面積2211km2，其中右玉縣面積1680km2、平魯區(qū)面積451km2、左云縣面積80km2。紅河區(qū)河流水系見圖1。

圖1 紅河區(qū)河流水系

1.2 下墊面情況

紅河區(qū)下墊面產(chǎn)流地類主要有灰?guī)r土石山區(qū)，面積為544km2，占比24.6%；灰?guī)r灌叢山地，面積為259km2，占比11.7%；砂頁巖灌叢山地，面積為466km2，占比21.1%；變質(zhì)巖灌叢山地，面積為436km2，占比19.7%；黃土丘陵階地，面積為506km2，占比22.9%；其中灰?guī)r區(qū)占全區(qū)總面積的36.3%，見圖2。

圖2 紅河區(qū)產(chǎn)流地類

1.3 參證站選擇

2001年，第二次水資源調(diào)查評價(jià)時(shí)紅河區(qū)選取黃河流域黃河水系紅河太平窯水文站為參證站，該站設(shè)立于1958年10月，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)和林格爾縣太平窯村，控制集水面積為3400km2。2004年該站上遷至二道邊水文站，控制集水面積為2119km2，因該站離山西省境較近，為紅河出省境把口站，而且徑流資料序列為2004—2016年，可以較為真實(shí)地反映現(xiàn)狀的產(chǎn)流情況，所以，第三次水資源調(diào)查評價(jià)紅河區(qū)選取二道邊水文站作為參證站。

1.4 評價(jià)技術(shù)

本次紅河區(qū)地表水資源量評價(jià)按照《山西省第三次水資源評價(jià)細(xì)則》的要求進(jìn)行徑流量的還原計(jì)算、一致性修正，并沿用第二次水資源評價(jià)專家們研究出的分水系數(shù)進(jìn)行分水。

2 研究區(qū)評價(jià)成果

2.1 降水量

本次水資源評價(jià)采用經(jīng)緯度網(wǎng)格法和算術(shù)平均法計(jì)算得出1956—2016年紅河區(qū)降水量均值為411.0mm，與第二次水資源評價(jià)1956—2000年紅河區(qū)降水量均值412.1mm相比減少了1.1mm，減幅為0.3%。紅河區(qū)降水量變化趨勢見圖3。

圖3 紅河區(qū)降水量變化趨勢

由圖3可知：紅河區(qū)1959年、1964年降水量介于600～700mm之間，處于60年間最大級別；1961年、1967年、1969年、1973年、1976年、1978年、1979年、1990年降水量介于500～600mm之間，處于次大級別；1962年、1965年、1986年、1993年降水量介于200～300mm之間，處于最小級別；其余年份降水量介于300～500mm之間，處于中間水平。

2.2 徑流量

本次水資源評價(jià)對太平窯、二道邊水文站進(jìn)行還原計(jì)算得出天然徑流量，折算成紅河區(qū)天然徑流量后進(jìn)行一致性修正，1956—2016年紅河區(qū)天然徑流量均值為4144萬m3，徑流深為18.7mm；與第二次水資源評價(jià)1956—2000年紅河區(qū)天然徑流量均值6157萬m3、徑流深27.8mm相比，徑流量減少了2013萬m3，徑流深減少了9.1mm，減幅為32.7%，與年降水量0.3%的減幅相比，減幅極大。紅河區(qū)徑流量變化見圖4。由圖4可知：1956—2016年紅河區(qū)年徑流量最大值出現(xiàn)在1961年，最小值出現(xiàn)在2007年，大部分年徑流量介于4000萬～8000萬m3之間，總體呈明顯下降趨勢，2006—2012年年徑流量處于最低水平。

圖4 紅河區(qū)徑流量變化趨勢

3 研究區(qū)評價(jià)成果分析

根據(jù)還原計(jì)算、一致性修正、參證站選擇、森林覆被變化情況，對紅河區(qū)天然徑流量顯著減少原因進(jìn)行研究分析。

3.1 還原計(jì)算方面

為了消除水利工程對地表徑流的影響，保持徑流資料系列的一致性[2]，本次采用分項(xiàng)調(diào)查法，收集研究區(qū)內(nèi)2001—2003年、2004—2016年第一產(chǎn)業(yè)第二產(chǎn)業(yè)第三產(chǎn)業(yè)的用水?dāng)?shù)據(jù)、水文站的實(shí)測徑流資料、各水庫的蓄變量、水面蒸發(fā)資料，并將各用水資料還原至太平窯和二道邊水文站，計(jì)算出兩站的天然徑流量。由《山西省清泉水流量調(diào)查成果》的資料可知，2009年3月紅河殺虎口斷面的實(shí)測流量為1.35m3/s，而同期二道邊水文站實(shí)測流量為0[3]，通過量測相關(guān)圖層，殺虎口至二道邊斷面約3.7km，區(qū)間存在較大的水量損失，但是由于缺乏多年的實(shí)際調(diào)查資料，未能將該部分水量還原至二道邊水文站，使紅河區(qū)的天然徑流量偏小。

3.2 一致性修正方面

一致性修正是通過建立研究區(qū)的降水徑流雙累積曲線，然后確定拐點(diǎn)，對流域下墊面條件改變導(dǎo)致的入滲、徑流、蒸發(fā)等水平衡要素的系列變化進(jìn)行一致性修正[4]。將1956—2003年太平窯水文站和2004—2016年二道邊水文站的天然徑流序列，按照水文比擬法統(tǒng)一折算至1956—2016年的紅河區(qū)，然后根據(jù)紅河區(qū)的降水徑流雙累積關(guān)系確定修正拐點(diǎn)年份為1984年(見圖5)，這比第二次水資源評價(jià)修正年份1974年多了10年；本次平均修正系數(shù)53.7%也較第二次評價(jià)中的修正系數(shù)69.1%偏小了15.4%，因此計(jì)算的紅河區(qū)天然徑流量比第二次評價(jià)中的數(shù)據(jù)偏小。

圖5 紅河區(qū)雙累積曲線

3.3 參證站選擇方面

第二次評價(jià)時(shí)紅河區(qū)采用的參證站為太平窯水文站，處于第三次評價(jià)參證站二道邊水文站的下游，集水面積更大。其中太平窯至二道邊站區(qū)間面積為1281km2，該區(qū)有石門溝、馬場河、海流屯溝等支流，來水量較大，導(dǎo)致太平窯折算至紅河區(qū)的徑流量要比二道邊折算至紅河區(qū)的徑流量大；同時(shí)二道邊站上游紅河區(qū)灰?guī)r區(qū)地類占比36.3%，巖層斷裂帶較發(fā)育，巖性透水性好，導(dǎo)致該區(qū)域較大部分的地表徑流轉(zhuǎn)化為淺層地下水在太平窯至二道邊站區(qū)間出露，使得區(qū)間形成較大的天然徑流，因此選取太平窯站作為參證計(jì)算得出的地表徑流偏大。

3.4 森林覆被變化方面

森林覆被的變化通過對冠層蒸散發(fā)和對大氣降水的重新再分配和分布、土壤水分和植物體內(nèi)水分的蒸散發(fā)變化、徑流形成機(jī)制等的影響，使流域水文循環(huán)過程發(fā)生極其顯著的改變[5]，最終影響流域的水量平衡和水文效應(yīng)[6]。國內(nèi)外學(xué)者研究表明：森林流域有較大的土壤入滲能力，采伐森林能夠增加流域的年徑流量，在未利用的土地上造林能夠減少流域的年徑流量[7]；如將10%的草地覆蓋改為不同植被森林覆蓋時(shí)，則年徑流深將減少10～40mm[8-9]；黃土高原非林區(qū)的年徑流深明顯大于林區(qū)的年徑流深，相比而言非林區(qū)徑流量為林區(qū)徑流量的1.7～3.0倍，非林區(qū)徑流系數(shù)比林區(qū)徑流系數(shù)大40%～60%[10]。一般來說，森林具有較高的蒸散發(fā)作用，在相同海拔內(nèi)，隨著森林覆蓋率的增加地表徑流系數(shù)將不斷減小；隨著流域覆被率和母巖持水力的增加，淺層地下徑流系數(shù)將不斷增大。

紅河區(qū)的主要部分在右玉縣，面積占比為76.0%。而右玉縣歷來有植樹造林的優(yōu)良傳統(tǒng)，經(jīng)歷幾代人的共同努力，森林覆蓋率從20世紀(jì)50年代不足1.0%，飆升至現(xiàn)在的50.0%以上，遠(yuǎn)高于我國21.4%的平均森林覆蓋率和全世界32.0%的平均森林覆蓋率，完成了從“不毛之地”到“塞上綠洲”的華麗蛻變。由國內(nèi)外學(xué)者研究可知，森林覆蓋率的增加會(huì)導(dǎo)致地表徑流量的減少，紅河區(qū)第二次評價(jià)與本次評價(jià)相比，徑流量是本次評價(jià)的1.49倍，徑流深大44.9%。對紅河區(qū)在右玉縣占76.0%的面積進(jìn)行折算，則徑流量是本次評價(jià)的1.96倍，徑流深比本次評價(jià)大59.1%，與以上專家的研究成果相吻合，可知森林覆被是造成紅河區(qū)地表徑流量減少的主要原因之一。同時(shí)經(jīng)調(diào)查，右玉縣的森林覆被基本都是人工林或人工灌叢，和天然森林相比差別較大，沒有形成完善的水文循環(huán)系統(tǒng)，涵養(yǎng)水源有限，更多的是消耗地表水資源，使得地表徑流系數(shù)更小。從1956—2016年紅河區(qū)徑流系數(shù)序列分析可知，紅河區(qū)多年徑流系數(shù)衰減速率為0.0018，隨著區(qū)內(nèi)森林覆蓋率的增大，地表徑流系數(shù)總體呈逐年減小的趨勢，見圖6。

圖6 紅河區(qū)徑流系數(shù)變化趨勢

4 結(jié) 語

本文對紅河區(qū)地表水資源量減小的原因進(jìn)行了分析研究，歸納了還原計(jì)算、一致性修正、參證站選擇、森林覆被變化4方面的原因，論證了本次評價(jià)紅河區(qū)天然徑流量偏小是合理的。但是，今后仍需進(jìn)行大量研究調(diào)查工作，無論是從現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查，還是從計(jì)算方法上都要認(rèn)真進(jìn)行分析研究，盡量使天然徑流計(jì)算成果更加合理。