郭艷娜

(葫蘆島市水土保持辦公室，遼寧 葫蘆島 125000)

隨著科技的進步和經濟的發(fā)展，人類對水資源的改造能力不斷提升，對水資源需求越來越高，污染程度日趨嚴重，目前地球水資源狀況和水循環(huán)已發(fā)生了重大改變，各地均出現(xiàn)了較為嚴重的水污染和水緊缺的問題，水問題已成為制約經濟發(fā)展的主要因素[1]。為了減少人類活動對水資源改造所造成的污染，減輕嚴峻的水資源緊缺危機，國內外學者對新環(huán)境下的水資源演變規(guī)律做了大量研究。當前對于自然水循環(huán)演變規(guī)律研究相對比較成熟，主要包含有降雨、截流、蒸發(fā)、入滲和徑流等過程的研究，研究表明降水受氣候變化和環(huán)境改變影響顯著，是驅動水循環(huán)的主要關鍵因素。Stockton等學者通過建立降雨、氣候和徑流量之間的變化關系，探討了美國主要河流在不同氣候環(huán)境下的徑流變化曲線。龍虎等依據(jù)統(tǒng)計分析原理，分析了黃河中下游氣候變化和水資源之間的關系，并針對引起水資源減少的主要因素提出相應的補償措施和治理方法。藍永超等通過借鑒歷史有關祁連山的降雨、氣溫以及徑流等資料，分析了該區(qū)域氣候變化對山間徑流的影響[2]。

我國對水文循環(huán)和水資源演變規(guī)律的研究起步相對較晚，但隨著近年來對水文資源的關注和重視，國家和政府啟動成立了一系列的項目和計劃。如在2002年舉辦的第187次學術研討會，主要針對人類活動下水文循環(huán)速率、人類資源二元驅動水循環(huán)以及生態(tài)水文和水文循環(huán)三方面問題進行探討和交流；2004年成立的973項目，提出的“自然- 人工”二元水循環(huán)演化模型，研究了黃河流域的水資源演變規(guī)律。雖然已有人類活動作用對水文循環(huán)和水資源形成演化過程的影響的研究，但對于作用機理和水資源演變規(guī)律研究相對較少，處于起步階段，其基礎理論和模型體系尚未成熟。文章基于水資源二元演化預測模型，對變化環(huán)境下大凌河流域水循環(huán)過程進行研究，并以廣義水循環(huán)理論為基礎提出大凌河流域水資源演變規(guī)律[3]。

1 大凌河流域概況

大凌河流域位于我國遼寧省西部，該流域水土流失嚴重，泥沙含量較多，大約為57kg/m3。流域大小支干流交錯，全長398km，所占面積約為2.35萬km2。大凌河流域屬于溫帶季風氣候，四季分明，日照豐富、溫差大，資料顯示9月和10是該流域的降雨旺季，年降水量約為450～600mm，降雨時間分布不均勻，徑流量約為16.67億m3。大凌河流經低山丘陵區(qū)、山間河谷平原以及下游的平原區(qū)，其中以低山丘陵區(qū)為主，占流域總面積的80%左右。土質疏松，物理性能較差，植被覆蓋率低，水土流失嚴重，是大凌河泥沙的主要來源[4]。隨著經濟的快速發(fā)展和環(huán)境氣候的變化，該區(qū)域水資源日趨衰減枯竭，且人類對水資源的開發(fā)利用量逐年增加，大凌河流域內水循環(huán)和水資源演變規(guī)律發(fā)生了明顯改變。文章主要采用二元水循環(huán)理論對大凌河流域水循環(huán)和水資源演變規(guī)律進行模擬，探討分析大凌河流域水資源在變化環(huán)境下的演變規(guī)律和影響因素[5]。

2 水資源影響因素分析

大凌河流域主要流經錦州市、阜新市、朝陽市、葫蘆島市等5個地級市所轄的13個縣市區(qū)，其中包括牛家溝、哈巴氣、木頭城子、朝陽、就連東、義縣以及阜新等15個雨量監(jiān)測站。結合大凌河水資源徑流特征、水文監(jiān)測站點分布及水利工程實際情況，參考大城子水文站、朝陽水文站以及凌海水文站的1971～2014年逐月實測徑流資料和15個雨量監(jiān)測站逐月實測降水資料，對研究流域內在1971～2014年水資源演變主要影響因素變化情況進行分析探討[6]。

2.1 降雨量影響分析

降雨是影響大凌河流域水資源變化的主要因素，且對流域水資源補充供給起決定性作用。根據(jù)15個雨量監(jiān)測站逐月實測降雨量資料，選擇的降雨量為年平均降雨量[7]。大凌河流域按地理位置進行分段：南北支流上游區(qū)、南北支流匯集區(qū)、大凌河徑流朝陽區(qū)、大凌河徑流北票區(qū)、大凌河徑流義縣區(qū)和大凌河徑流凌海區(qū)，大凌河在各分區(qū)、各時段內降雨量年際變化情況見表1。

表1 大凌河各區(qū)年降雨量變化情況 單位：mm

由表1可知，大凌河流域降雨量隨時間變化呈逐漸減少趨勢，大凌河全流域2001～2015年均降雨量為518.4mm，相比1971～2000年的590.2mm降低了12.2%，2011～2015年均降雨量為514.3mm，相比1971～2000年均降雨量減少了12.9%。同時由表1可以看出，大凌河降雨量減少幅度最快的期間為2001～2010年，此時段也是該流域經濟飛速發(fā)展時期。2011年以后，降雨量減少速率放緩，年均降雨量達到最低。

2.2 人類用水影響分析

大凌河流域是遼寧省西部最大的河流，是沿途各市縣工業(yè)、農業(yè)和生活用水的主要供水水源。隨著流域內農業(yè)和工業(yè)的快速發(fā)展以及人們生產生活用水需求的提高，大凌河流域用水量快速增長，尤其是在山間河谷平原區(qū)以及下游平原區(qū)用水量增長過快，如圖1所示，A為低山丘陵區(qū)，B為山間河谷區(qū)，C為下游平原區(qū)。

圖1 大凌河流域社會經濟總用水量變化圖

由圖1可以看出，大凌河流域中下游平原地區(qū)從20世紀90年代用水量開始急速增加，與70年代相比用水量增加了將近3倍。上游低山丘陵區(qū)用水量變化相對較少，相比70年代用水量約提高了1倍。

2.3 土地利用影響變化

大凌河流域土地構成因氣候變化和人類活動影響已發(fā)生了顯著的變化，資料顯示相比20世紀70年代，目前該流域植被面積減少了8.5%、草地覆蓋率減少了6.4%；而農業(yè)耕地面積持續(xù)增長，相比20世紀70年代農田面積增長了13.2%，其中水源灌溉面積是原來的1.46倍；隨著經濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化速度的加快，建筑設施和工業(yè)建筑占地面積持續(xù)增加，且為提高人類對水源需求并改善自然生態(tài)環(huán)境，景觀用水面積和水利工程設施占地面積逐漸增加[8]。

3 水資源模擬及演變規(guī)律分析

3.1 水循環(huán)模擬

文章采用變時間步長，運用二元演化理論對大凌河流域進行1971～2015年共45年的連續(xù)模擬計算。其中1971～2000年為模型率定期，率定參數(shù)包括倒水系數(shù)、河床材料以及土壤飽和度等。模型應按照以下原則進行率定：選取誤差值最小的年平均徑流量、采用Nash- Sutcliffe效率的最大值、選擇與模擬流量相關性最強的實測流量。大凌河水文監(jiān)測站實測與率定的年徑流量結果見表2。

表2 1971～2015年年實際年徑流量模擬結果率定 單位：億m3

由表2可知，大凌河流域在1971～2015年年平均徑流量實測值與模擬值相差不大，誤差在允許范圍之內。其中凌海水文站多年徑流量實測值與模擬值誤差最大，為5.6%；而大城子水文站誤差值最小，為1.4%，模擬結果良好，模擬過程順利，模型Nash效率系數(shù)在0.7～0.8之間，模型計算速度快、準確性較好。

3.2 演變規(guī)律分析

3.2.1 歷史水資源演變規(guī)律

大凌河流域在1971～2015年不同時段內的狹義水資源模擬評價結果見表3。

表3 各時段狹義水資源模擬評價 單位：億m3

由表3可知，大凌河流域在2001～2015年狹義水資源總量較1971～2000年降低了4.9%，其中地表水資源減少了6.7%，而地下不重復水資源增加了2.8%。而對于2011～2015年的大凌河水資源總量較1971～2010年下降了7.9%，地表水資源衰減8.0%。綜上所述，大凌河水資源量逐漸減少，而近年來減少速率增加，水資源問題日趨嚴重。

大凌河流域在1971～2015年不同時段內的廣義水資源模擬評價結果見表4。

由表4可知，大凌河流域年均降雨量模擬值與實測值相差不大，模擬誤差在可控范圍之內。大凌河流域廣義水資源在2001～2015年均降雨量模擬值較1971～2000年減少了12.4%，廣義水資源量降低了2.5%，生態(tài)環(huán)境和經濟型非徑流水資源利用率略有減低。

表4 各時段廣義水資源模擬評價 單位：億m3

3.2.2 模擬水資源演變規(guī)律

為了對大凌河流域水資源制定合理的開采利用計劃，建立長遠的水資源規(guī)劃目標，文章運用二元耦合原理建立適用于大凌河流域的水資源演變預測模型，對未來大凌河流域水資源演變進行模擬和預測。由于未來氣象變化情況較難預測，降雨及人類活動存在很多不確定性因素，故對模型預測和定量分析帶來較大困難[9]。文章不考慮氣候變化因素，各參數(shù)數(shù)據(jù)依據(jù)仍然采用1971～2015年系列資料。大凌河流域狹義水資源和廣義水資源演變模擬評價結果見表5和表6。

表5 2030年大凌河流域狹義水資源演變模擬評價 單位：億m3

由表5可知，2030年大凌河流域地表水資源總量將演變?yōu)?6.43億m3，地下水資源為36.47m3，不重復地下水資源為17.84億m3，水資源總量為74.27億m3。與當前水資源狀況相比，大凌河水資源總量減少了14.36億m3，地表水資源減少了13.88億m3，地下水和

表6 2030年大凌河流域廣義水資源演變模擬評價 單位：億m3

不重復地下水資源均有一定的減少，分別為2.07億m3和0.48億m3。不同區(qū)域內，水資源演變情況不同，其中地表水資源減少量過多主要是由于生態(tài)環(huán)境和植被林草等破壞嚴重，導致降雨水資源不能很好地被儲蓄保存而流失。由表6廣義水資源演變模擬結果可知，到2030年大凌河流域有效降雨量為673.62億m3，無效蒸發(fā)量為319.17億m3，與目前相比，降雨量有所增加，但無效蒸發(fā)量也有所增大，且無效蒸發(fā)量增加幅度大于降雨量增加幅度，這主要是由于農田發(fā)展和生態(tài)環(huán)境發(fā)展所引起的[9]。

4 結論

文章運用二元演化原理建立大凌河流域水資源演變預測模型，對1971～2015年大凌河狹義水資源和廣義水資源演變進行模擬，并對未來2030年水資源演變進行預測。結果表明受氣候變化和人類活動影響，大凌河流域水資源演變發(fā)生了明顯變化，主要有以下幾方面：大凌河流域在2001～2015年水資源量逐漸減少，而近年來減少速率增加，水資源問題日趨嚴重；生態(tài)環(huán)境和經濟型非徑流水資源利用率略有減低；2030年與目前相比，大凌河流域降雨量有所增加，但無效蒸發(fā)量也有所增大，且無效蒸發(fā)量增加幅度大于降雨量增加幅度。

[1] 周祖昊, 仇亞琴, 賈仰文, 等. 變化環(huán)境下渭河流域水資源演變規(guī)律分析[J]. 水文, 2009(01): 21- 25.

[2] 姜廣田, 鄧程林. 遼寧省城市飲用水水源地安全評價研究[J]. 水利技術監(jiān)督, 2008(02): 24- 26.

[3] 程海英. 錦州市城區(qū)水資源現(xiàn)狀及優(yōu)化配置方案[J]. 水土保持應用技術, 2015(06): 22- 23, 32.

[4] 全占東. 水足跡理論視角下遼河流域水資源評價[J]. 水土保持應用技術, 2017(01): 22- 24.

[5] 才慶欣. 南票區(qū)水資源狀況及開發(fā)利用分析[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2014(09): 27- 29.

[6] 黃亮. 水資源可持續(xù)發(fā)展存在的問題及對策[J]. 水土保持應用技術, 2013(04): 32- 34.

[7] 李學森. 凌河流域水資源現(xiàn)狀及保護措施[J]. 水土保持應用技術, 2015(03): 36- 37.

[8] 張海軍. 水資源保護監(jiān)測存在問題及建設初探[J]. 水土保持應用技術, 2016(03): 40- 43.

[9] 曲錦艷. 遼寧省水資源存在的問題與保護對策[J]. 水土保持科技情報, 2002(06): 16- 17.