王佰偉，張存龍，劉詩(shī)劍

（1. 水利部海河水利委員會(huì)，天津 300170；2. 拉薩市水利局，西藏·拉薩 850012）

海河流域區(qū)位重要，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，人口密度大，同時(shí)也是我國(guó)水資源最為緊缺的區(qū)域。水資源量?jī)H占全國(guó)水資源量的約1%，但承擔(dān)著10%以上的人口用水和約12%的灌溉面積，是典型的資源型缺水區(qū)域，水資源極度脆弱。海河流域的關(guān)鍵脆弱性為水量短缺[1]，加之未來(lái)氣候變化條件下海河流域水資源管理將面臨更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[2-3]，水資源量問題成為海河流域水資源管理必須面對(duì)的問題。有研究表明，海河流域降水和水資源量變化較為復(fù)雜，且具有一定趨勢(shì)，年降水量呈顯著減少趨勢(shì)[4]，山區(qū)徑流逐漸減少[5]，地表水資源量和水資源總量的年際變動(dòng)較大[6]，在沒有新的水源、流域年降水量在500 mm以下情況下，海河流域水資源供需平衡將是不安全的[7]。鑒于以上情況，有必要對(duì)海河流域長(zhǎng)期以來(lái)的水資源演變情況進(jìn)行研究，在分析水資源長(zhǎng)期演變的基礎(chǔ)上，更深層次認(rèn)識(shí)流域發(fā)展所面臨的水資源條件和形勢(shì)，提前謀劃水資源配置和布局，應(yīng)對(duì)水資源長(zhǎng)期變化對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)的影響。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 海河流域概況

海河流域東臨渤海，西倚太行山，南以黃河為界，北鄰蒙古高原，流域面積約32萬(wàn)km2，包括京、津全部，河北省大部，以及晉、豫、魯、蒙、遼的部分地區(qū)。流域?yàn)闇貛Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫在1.5～14℃，年平均相對(duì)濕度50%～70%，年平均降水量539 mm，水面蒸發(fā)量1100 mm，屬半濕潤(rùn)半干旱地帶。流域降水量年內(nèi)分配非常集中，70%以上的降水集中在6～9月，水資源稟賦條件較差，1956-2000年多年平均水資源總量為370億m3，人均水資源量不足240 m3，是我國(guó)人均水資源量最少的地區(qū)。

1.2 研究方法

以長(zhǎng)系列資料為基礎(chǔ)，構(gòu)建海河流域水資源總量、地表水資源量和地下水資源量的時(shí)間序列，通過趨勢(shì)性檢驗(yàn)方法，判別1956-2020年間水資源變化趨勢(shì)。在趨勢(shì)性分析的基礎(chǔ)上，分析海河流域水資源年際變化情況和進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)的水資源形勢(shì)?；诜治鼋Y(jié)論，針對(duì)性提出未來(lái)流域水資源管理的對(duì)策措施。

趨勢(shì)性分析方法采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[8]，該方法不要求樣本服從一定的分布規(guī)律，不受少數(shù)異常數(shù)值干擾，在氣象、水文等領(lǐng)域時(shí)間序列的趨勢(shì)性檢驗(yàn)中應(yīng)用十分廣泛。

構(gòu)建海河流域水資源量的時(shí)間序列W(w1,w2, … ,wn)，趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)變量S為：

S服從正態(tài)分布，其方差Var(S)為：

用于趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量Zc按下式計(jì)算：

統(tǒng)計(jì)變量Zc為正數(shù)時(shí)，水資源量序列呈上升趨勢(shì)，反之呈下降趨勢(shì)。給定置信水平95%，若Zc絕對(duì)值大于1.64，則水資源量序列的趨勢(shì)性通過了顯著性檢驗(yàn)。

水資源量的數(shù)據(jù)分別采用海河流域水資源第三次調(diào)查評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)計(jì)算的1956-2020年間共65年的水資源總量、地表水資源量、地下水資源量的年度數(shù)據(jù)，三者分別構(gòu)成3個(gè)時(shí)間序列，應(yīng)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行趨勢(shì)性檢驗(yàn)。

2 水資源量演變

2.1 水資源總量演變

海河流域水資源總量變化趨勢(shì)如圖1所示。Mann-Kendall檢驗(yàn)法計(jì)算所得趨勢(shì)檢驗(yàn)變量Zc為-3.19，說明水資源總量總體呈下降趨勢(shì)，且Zc絕對(duì)值大于1.64，表示水資源總量的趨勢(shì)性通過了95%置信水平的顯著性檢驗(yàn)。因此，長(zhǎng)期來(lái)看，海河流域水資源總量呈顯著減少趨勢(shì)。采用線性傾向率表征水資源總量的變化幅度，65年內(nèi)海河流域水資源總量變化傾向率為-2.78億m3/年，即平均每年水資源總量衰減2.78億m3，衰減效應(yīng)十分明顯。

圖1 海河流域水資源總量變化趨勢(shì)Fig.1 Change trend of total water resources quantity in Haihe River Basin

為分析流域水資源總量演變情況，分別以1956-2000年和2001-2020年為系列，對(duì)水資源總量的均值、最大值、最小值、極差、均方差、變差系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，如表1所示。

1956-2020年間，海河流域水資源總量平均值為344.32億m3，最大值為733.90億m3，出現(xiàn)在1964年，為平均值的2.13倍；最小值出現(xiàn)在1999年，為189.43億m3，僅為平均值的55.02%。最大最小比更是高達(dá)3.87。水資源總量均方差為123.90億m3，高達(dá)平均值的35.98%。由此可見，海河流域水資源總量時(shí)間分布極為不均，年際變化很大。

而在2001-2020年的20年間，海河流域水資源總量平均值為285.57億m3，比1956-2020年系列平均值減小58.75億m3，衰減幅度高達(dá)17.06%。由此可見，進(jìn)入21世紀(jì)后，水資源總量衰減十分明顯。同時(shí)，表征年際變化的極差和均方差、變差系數(shù)，都比1956-2000年系列有所減小，因此近20年水資源總量年際變化幅度有所減小。

2.2 地表水資源量演變

海河流域地表水資源總量變化趨勢(shì)如圖2所示。趨勢(shì)檢驗(yàn)變量Zc為-4.35，說明地表水資源量總體呈下降趨勢(shì)，且通過了95%置信水平的顯著性檢驗(yàn)，海河流域地表水資源量呈顯著減少趨勢(shì)。65年內(nèi)海河流域地表水資源量變化傾向率為-2.63億m3/年，即平均每年地表水資源量衰減2.63億m3，衰減效應(yīng)非常顯著。地表水資源的衰減應(yīng)成為合理調(diào)配海河流域水資源、維持水資源供給和改善河湖生態(tài)環(huán)境中，重點(diǎn)考慮的問題之一。

圖2 海河流域地表水資源量變化趨勢(shì)Fig.2 Change trend of surface water resources in Haihe River Basin

1956-2000年和2001-2020年2個(gè)系列地表水資源量的均值、最大值、最小值、極差、均方差、變差系數(shù)如表1所示。

1956-2020年間，海河流域地表水資源量平均值為190.18億m3，最大值為1956年的490.99億m3，為平均值的2.58倍；最小值出現(xiàn)在1999年，為83.82億m3，僅為平均值的44.07%。最大最小比高達(dá)5.86，相較水資源總量更為明顯。地表水資源量均方差為95.66億m3，為平均值的50.30%。由此可見，海河流域地表水資源量時(shí)間分布相較水資源總量而言，不均勻性和變化幅度更為明顯。

在2001-2020年的20年間，海河流域地表水資源量平均值為131.94億m3，比1956-2020年系列平均值減小了58.24億m3，衰減幅度達(dá)到了30.62%的程度。因此進(jìn)入21世紀(jì)后，地表水資源量衰減極為顯著。同水資源總量的年際變化相似，地表水資源量的極差和均方差、變差系數(shù)，都比1956-2000年系列有所減小，因此近20年水資源總量年際變化幅度有所減小。

2.3 地下水資源量演變

海河流域地下水資源量變化趨勢(shì)如圖3所示。趨勢(shì)檢驗(yàn)變量Zc為-1.77，說明地下水資源量總體呈下降趨勢(shì)；且Zc絕對(duì)值大于1.64，表示地下水資源量的趨勢(shì)性通過了95%置信水平的顯著性檢驗(yàn)。因此，長(zhǎng)期來(lái)看，海河流域地下水資源量呈顯著減少趨勢(shì)。65年內(nèi)海河流域地下水資源量變化傾向率為-0.64億m3/年，即平均每年地下水資源量衰減達(dá)0.64億m3。雖然衰減程度比水資源總量和地表水資源量小，但衰減效應(yīng)依然十分明顯。在海河流域地下水超采嚴(yán)重的總體形勢(shì)下，地下水資源量的衰減影響不容忽視。

圖3 海河流域地下水資源量變化趨勢(shì)Fig.3 Change trend of groundwater resources in Haihe River Basin

1956-2000年和2001-2020年2個(gè)系列地下水資源量的均值、最大值、最小值、極差、均方差、變差系數(shù)如表1所示。

表1 海河流域水資源總量 地表水資源量 地下水資源量演變情況Table 1 Change situations of total water resources quantity, surface water resources quantity and ground water resources quantity in Haihe River Basin

對(duì)于1956-2020年系列，海河流域地下水資源量平均值為227.85億m3，最大值為377.16億m3，出現(xiàn)在1964年，為平均值的1.66倍；最小值出現(xiàn)在1972年，為152.25億m3，僅為平均值的2/3。最大最小比為2.48。地下水資源量均方差為49.04億m3，為平均值的21.52%。盡管海河流域地下水資源量的均方差和變差系數(shù)，相比水資源總量和地表水資源量而言較小，但年際變化幅度仍不可忽視。

進(jìn)入21世紀(jì)后的20年間，海河流域地下水資源量平均值為217.27億m3，比1956-2020年系列平均值減小了10.58億m3，衰減幅度為4.64%。總體而言近20年地下水資源量略有衰減。地下水資源量的極差和均方差、變差系數(shù)，都比1956-2000年系列有所減小，因此近20年水資源總量年際變化幅度有所減小。

3 影響因素初探

海河流域水資源的演變，既有氣候變化的影響，也有人類活動(dòng)的影響。從氣候變化的角度看，降水是影響海河流域水資源最主要的因素。1956-2000年海河流域年均降水量為535 mm，而2000-2020年年均降水量降至509 mm，減少了26 mm。且年內(nèi)降水極不均勻，大部分降水集中在夏季的6～9月，相當(dāng)一部分降水形成的徑流因?yàn)榉姥葱枰鳛樾钏こ痰臈壦荒苄纬煽捎行Ю玫乃Y源。另有研究[9]表明，海河流域氣溫上升趨勢(shì)明顯，而大部分地區(qū)溫差逐年減小，氣溫的變化使蒸發(fā)加大，相應(yīng)地，水資源減少。因此氣候變化對(duì)于海河流域水資源是十分不利的大環(huán)境，也是未來(lái)水資源管理必須重點(diǎn)關(guān)注的問題。

除氣候變化外，人類活動(dòng)也對(duì)海河流域水資源有多方面的不利影響。其中生產(chǎn)用水耗水對(duì)水資源的影響十分明顯。2001年海河流域農(nóng)業(yè)用水量為278.0億m3，占流域全部用水量的71%，隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整和節(jié)水灌溉的推廣，近年來(lái)農(nóng)業(yè)用水量逐漸減少，到2020年農(nóng)業(yè)用水量減小到199.50億m3，但仍占流域全部用水量的56%，大部分農(nóng)業(yè)灌溉取用地下水，使地下水位降低的同時(shí)，由于入滲率的增大造成降水時(shí)地表徑流的減少。同時(shí)，上世紀(jì)七八十年代以來(lái)，海河流域水土保持進(jìn)展快速，植被覆蓋度顯著提高，增加了植被截留，增強(qiáng)了土壤蓄水能力，對(duì)于地表徑流的形成具有削減和滯后作用。

4 對(duì)策措施

從水資源總量來(lái)看，海河流域水資源量嚴(yán)重短缺，且面臨著顯著衰減，需要加大外流域調(diào)水量，整體提高海河流域水資源支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的保障能力。從地表水和地下水演變的特點(diǎn)出發(fā)，加強(qiáng)兩種水源的聯(lián)合調(diào)度，針對(duì)地下水較穩(wěn)定的特點(diǎn)，保障地下水的戰(zhàn)略儲(chǔ)備作用[10]；針對(duì)地表水變化大的特點(diǎn)，發(fā)揮蓄水工程年度調(diào)度功能[11]，利用豐水年多蓄地表水，增大對(duì)枯水年需水量的保障。

同時(shí)在水資源開發(fā)利用和需求的角度，按照水資源條件進(jìn)行發(fā)展布局，科學(xué)制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，以水定發(fā)展。在水資源分區(qū)管理方面，重要水系上游區(qū)域和生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)域加強(qiáng)水資源涵養(yǎng)，盡量減少人類活動(dòng)對(duì)水資源的影響；在水資源蘊(yùn)藏條件好、開發(fā)利用程度低的區(qū)域，根據(jù)區(qū)域發(fā)展定位，在強(qiáng)化節(jié)水、嚴(yán)控水資源開發(fā)強(qiáng)度的前提下，優(yōu)化用水產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局，合理開發(fā)水資源；在水資源開發(fā)利用程度高的區(qū)域，嚴(yán)控新增水資源開發(fā)利用量，有條件的區(qū)域通過加大非常規(guī)水利用量、增加外調(diào)水量等措施，逐步減小當(dāng)?shù)厮Y源開發(fā)利用量。在不同行業(yè)用水方面，將農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉作為壓減水資源開采量的重中之重，優(yōu)化農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，發(fā)展節(jié)水灌溉，提高灌溉水利用率；在工業(yè)用水管理上，通過建設(shè)節(jié)水型企業(yè)、嚴(yán)控高耗水行業(yè)增長(zhǎng)、加強(qiáng)工業(yè)行業(yè)用水定額管理等措施，減少工業(yè)用水量；對(duì)于公共用水，推動(dòng)高耗水服務(wù)業(yè)節(jié)水，控制供水管網(wǎng)漏損率，強(qiáng)化節(jié)水宣傳，控制城鄉(xiāng)居民生活用水增長(zhǎng)速度。

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來(lái)海河流域水資源衰減十分明顯，將對(duì)用水需求產(chǎn)生極為不利的影響?？菟攴菟Y源更為緊缺，在當(dāng)?shù)厮荒軡M足用水需求的情況下，應(yīng)開源節(jié)流，保持外調(diào)水的供水量，在全行業(yè)節(jié)約水資源，提早制定應(yīng)對(duì)水資源短缺的應(yīng)急措施。

對(duì)于海河流域水資源演變影響因素的定量分析需要進(jìn)一步研究，特別是降水、蒸發(fā)等氣候因素和人類活動(dòng)因素的演變過程，及其同水資源總量、地表水資源量和地下水資源量的演變過程的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要進(jìn)一步探討。同時(shí)考慮到海河流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口分布具有明顯的空間差異，對(duì)山區(qū)、平原區(qū)等自然地理不同的區(qū)域，和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展程度不同的區(qū)域的水資源演變情況也有待進(jìn)一步分析，為流域水資源空間調(diào)度和精細(xì)化管理提供基礎(chǔ)。