孫奕琳， 苗雨青,2， 崔 乾， 張汝南， 王欣暢

(1.安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241003;2.江淮流域地表過程與區(qū)域響應(yīng)安徽省重點實驗室，安徽 蕪湖 241003)

IPCC第五次評估報告指出，全球氣候變暖誘發(fā)的資源短缺、環(huán)境惡化、財產(chǎn)損失等問題受到社會的廣泛關(guān)注[1-2]。隨著人口增長和城鎮(zhèn)化發(fā)展，中國對水資源的需求量與日俱增，而人均占有量僅為世界平均水平的四分之一，水資源短缺已成為制約城市發(fā)展的主要因素[3]。此外，來自工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域點源或面源污水排放量的增加，導(dǎo)致水體污染加重、水質(zhì)下降、水域生態(tài)功能退化[4]，水資源及水環(huán)境問題成為生態(tài)環(huán)境亟待解決的難題之一。

我國水資源時空分布不均，氣候變化通過對水循環(huán)過程的影響加劇了水資源空間分布的差異[5-7]，水資源南多北少的局面更加明顯[8]。然而，當(dāng)前對水資源的探究主要集中在北方干旱區(qū)域，對于南方地區(qū)諸如城市化進(jìn)程明顯的長三角地區(qū)城市水資源狀況研究成果相對較少。鄧曉軍等[9]通過城市水足跡模型模擬得到上海市水資源用量過多，需通過水資源進(jìn)口彌補(bǔ)自給不足的結(jié)論；趙晨[10]等通過建立數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型，指出江蘇省水資源利用主要集中于工農(nóng)業(yè)用水和虛擬水貿(mào)易；豆明偉等[11]將水文要素作為重要指標(biāo)來評價生態(tài)彈性力，結(jié)果表明，水資源量的減少引起安徽省生態(tài)彈性力下降。從現(xiàn)有研究來看，水資源特征的研究多集中于某一區(qū)域或省份，針對較小范圍如城市水資源變化特征及影響因素的研究開展較少。此外，多數(shù)研究從自然因素角度分析了水資源動態(tài)變化的原因，卻忽視了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素對水資源動態(tài)變化的影響。長三角作為我國第一大經(jīng)濟(jì)區(qū)，區(qū)域環(huán)境質(zhì)量隨著城市化的發(fā)展而下降，眾多城市面臨著水資源短缺甚至嚴(yán)重缺水問題，嚴(yán)重影響到區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展[12]。

蕪湖市位于安徽省東南部，地處長江下游平原，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，地貌以平原和丘陵為主，整體地勢由南向北傾斜，特殊的地理位置，導(dǎo)致區(qū)域人口密度大，農(nóng)業(yè)資源豐富，是重要的水稻、油菜種植基地。在國家中部崛起的戰(zhàn)略背景下，蕪湖市作為承東啟西，連接南北的重要城市之一，其開發(fā)的力度將進(jìn)一步加大，而對水資源的可持續(xù)利用與保護(hù)是城鎮(zhèn)化發(fā)展的關(guān)鍵。基于此，在氣候變化和人類活動加劇背景下，蕪湖水資源及水質(zhì)隨時間發(fā)生怎樣的變化以及何種因素驅(qū)動這種變化值得關(guān)注。本文以蕪湖市為研究區(qū)，利用Spearman秩相關(guān)法及通徑分析法對蕪湖市近十年水資源量(水資源總量、降水、地表水、地下水)及水質(zhì)變化趨勢進(jìn)行檢驗，探討蕪湖市水資源動態(tài)變化特征及影響因素，以期為蕪湖市經(jīng)濟(jì)發(fā)展及水資源合理利用提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究的數(shù)據(jù)由3部分組成：(1)蕪湖市的逐月降水量資料、水資源量數(shù)據(jù)及氣溫來源于2008—2017年國家氣象信息中心氣候資料室。(2)污水排放量、有效灌溉面積、城鎮(zhèn)化水平等社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于安徽統(tǒng)計年鑒，各項的取值是市轄區(qū)及各縣數(shù)據(jù)的合計。(3)地表水質(zhì)資料來源于2012—2018年蕪湖市水資源公報。

1.2 分析方法

1.2.1 變化趨勢與傾向率 自變量為時間t，因變量為氣象要素(水資源)，建立氣象要素(水資源)關(guān)于時間的線性回歸方程：

yt=bt+a

(1)

式中，b表示趨勢變化率或氣象要素(水資源)的變化傾向。當(dāng)b>0時，氣象要素(水資源)表現(xiàn)為上升的趨勢；當(dāng)b<0時，氣象要素(水資源)表現(xiàn)為下降的趨勢。b的絕對值越大則表明變化特征越顯著。

1.2.2 秩相關(guān)系數(shù) 秩相關(guān)系數(shù)(rs)是研究兩個變量之間相關(guān)程度和方向的一種非參數(shù)統(tǒng)計相關(guān)分析方法。若rs為正值，則表明變量指標(biāo)變化呈上升趨勢；若rs為負(fù)值，則表明變量指標(biāo)變化呈下降趨勢。rs的絕對值同秩相關(guān)系數(shù)的臨界值(c)(表1)進(jìn)行比較，可檢驗變量變化趨勢的顯著性。當(dāng)|rs|>c時，則表明變化顯著；當(dāng)|rs|≤c時，則表明變化趨勢不明顯[13]。其公式為

(2)

式中，rs表示秩相關(guān)系數(shù)，N表示樣本數(shù)量，xi表示水資源序列，yi表示時間序列。

表1 秩相關(guān)系數(shù)臨界值表Table 1 The table of critical value of rank correlation coefficient

1.2.3 通徑分析 通徑分析是在多元回歸分析基礎(chǔ)上加以完善，除了考慮變量之間的直接作用，還考慮變量之間的傳遞過程，全面考察自變量和因變量之間的相互作用，包括直接作用和間接作用[14]。假設(shè)影響水資源變化的原因有m個自變量，任一自變量Xi與因變量Y之間的簡單相關(guān)系數(shù)riy，構(gòu)成求解通徑系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化正規(guī)方程，如下式：

(3)

影響水資源動態(tài)變化的因素復(fù)雜，出于現(xiàn)有條件和對現(xiàn)象的認(rèn)識有限，在進(jìn)行自變量的選擇時不可能將所有的自變量考慮在內(nèi)，需要進(jìn)一步計算模型中誤差項以及遺漏的自變量對因變量的影響[15-16]，即剩余通徑系數(shù)，公式為

(4)

式中，Pmy表示剩余通徑系數(shù)，Piy為直接通徑系數(shù)，表示Xi對Y的直接影響效應(yīng)，riy表示Xi與Yd的簡單回歸系數(shù)，如果Pmy數(shù)值越小，說明找到了影響水資源變化的主要因素，反之要進(jìn)一步尋找影響水資源動態(tài)變化的其它主要因素，使結(jié)果趨于合理。結(jié)合前人的研究成果[17]與研究區(qū)域的實際，選取氣溫(TEM)、降水(PRE)、城鎮(zhèn)化水平(URB)、耕地面積(CUL)、造林面積(AFF)、生產(chǎn)運營用水(WPO)、蕪湖市生產(chǎn)總值(GDP)和第一產(chǎn)業(yè)比重(FIO)等指標(biāo)來分析影響蕪湖市水資源量變化的主要因素。本文對水資源總量、地表水資源和地下水資源影響因素通徑分析的剩余系數(shù)分別為0.0011、0.0019、0.0003，表明所選取的因子能較好反映水資源動態(tài)變化。

以上分析主要基于SPSS和Excel軟件展開，利用Origin 8.5軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 蕪湖市水資源變化特征

2.1.1 季節(jié)降水量變化 蕪湖市年內(nèi)降水分配不均，主要集中在春季和夏季，受季風(fēng)氣候影響顯著。2008—2017年，不同季節(jié)降水量分別約占全年的22.7%(春)、46.3%(夏)、18.0%(秋)和13.0%(冬)。線性回歸分析結(jié)果表明，春、秋季降水量呈上升趨勢，冬季呈下降趨勢(圖1)，秩相關(guān)系數(shù)rs分別為0.527、0.164、0.721和-0.331，其中，秋季降水在0.05水平上增加趨勢顯著。不同季節(jié)降水量與年降水量變化趨勢大體一致。春季降水量在研究初期波動大，后期變化幅度有所緩和；夏季降水量年際差異大，具體主要表現(xiàn)為“增—減—增”趨勢；秋季降水量呈明顯上升趨勢，降水傾斜率為24.5 mm/a，研究時段內(nèi)，秋季降水量略低于春季降水量；冬季降水量總體呈現(xiàn)下降趨勢，最大值和最小值出現(xiàn)在初期，降水量波動較為顯著，后期變化比較平穩(wěn)。

圖1 2008—2017年蕪湖市四季降水量(a：春季；b：夏季；c：秋季；d：冬季)Fig.1 Seasonal precipitation during 2008—2017 in Wuhu (a:Spring;b:Summer;c:Autumn;d:Winter)

2.1.2 水資源總量變化分析 2008—2017年，蕪湖市年均水資源總量為34.930 億m3，占安徽省近十年年均水資源總量的4.4%。由圖2a可知，水資源總量在波動中呈上升趨勢，十年間水資源總量年均增加1.530億m3，秩相關(guān)系數(shù)rs為0.770，在0.05水平上增加顯著。2008年水資源總量為19.670億m3，為研究時段內(nèi)水資源總量最少，比年均值低15.260億m3，至2016年水資源總量最大，為70.980億m3，比年均值高36.050億m3。

2.1.3 地表水資源變化分析 地表水作為最易被人類利用的水資源之一[18]，對區(qū)域發(fā)展極為重要。蕪湖全市境內(nèi)水網(wǎng)密布，地表水資源豐富，以季節(jié)性降水補(bǔ)給為主，具有間斷、不連續(xù)和集中性的特點。由圖2b可知，研究時段內(nèi)蕪湖市年均地表水資源量33.380 億m3，秩相關(guān)系數(shù)rs為0.770。線性擬合結(jié)果表明，蕪湖市地表水資源量總體呈顯著上升趨勢，2014年之前，各年地表水資源量低于累年平均值，2014年之后，則高于累年平均值，最高值出現(xiàn)在2016年，為68.750 億m3。研究時段內(nèi)，蕪湖市地表水資源年際差異較大，造成地表水資源量波動與年降水量有關(guān)，地表水資源量與降水量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。蕪湖市位于長江中下游地區(qū)，受季風(fēng)氣候影響，降水集中在夏季且波動性大[19]，從而導(dǎo)致地表水資源存在年際差異。如蕪湖市2016年降水量明顯高于其它年份，使得當(dāng)年地表水資源也顯著高于其它年份(圖2b)。

2.1.4 地下水資源變化分析 地下水資源水量穩(wěn)定、水質(zhì)好，是農(nóng)業(yè)灌溉、工礦和城市的重要水資源之一，但其總量易受降水和人類活動影響[20-21]。2008—2017年，蕪湖市年均地下水資源量為7.070 億m3，占蕪湖市水資源總量的20.2%，秩相關(guān)系數(shù)rs為0.867，高于0.01水平上的臨界值，表明蕪湖市地下水資源量在這十年間呈現(xiàn)顯著增加趨勢(圖2c)。近10年地下水資源量最小值出現(xiàn)在2008年，為4億m3；最大值出現(xiàn)在2016年，為10.960億m3。

圖2 2008—2017年蕪湖市水資源量(a:水資源總量；b:地表水資源量；c:地下水資源量)Fig.2 Water resources during 2008—2017 in Wuhu (a:gross water resources;b:surface water resources;c:groundwater resources.)

2.2 蕪湖市水資源量變化的成因分析

氣溫(TEM)、降水(PRE)、城鎮(zhèn)化水平(URB)、耕地面積(CUL)、造林面積(AFF)、生產(chǎn)運營用水(WPO)、蕪湖市生產(chǎn)總值(GDP)和第一產(chǎn)業(yè)比重(FIO)對水資源總量、地表水資源量和地下水資源量的通徑分析見表2。降水、耕地面積、城鎮(zhèn)化水平對蕪湖市水資源總量動態(tài)變化的直接影響較大，直接效應(yīng)分別為0.858、0.750、-0.629，表現(xiàn)出城市發(fā)展對水資源總量的巨大影響。間接影響因素中，城鎮(zhèn)化水平通過耕地面積(0.709)、生產(chǎn)總值主要通過城鎮(zhèn)化水平(-0.624)間接影響水資源總量的變化。同樣地，對地表水資源的直接作用從大到小依次為降水(0.874)、耕地面積(0.810)和城鎮(zhèn)化水平(0.656)，生產(chǎn)總值和生產(chǎn)運營用水則對地表水資源產(chǎn)生間接影響。對地下水資源產(chǎn)生直接影響的有耕地面積(-0.791)、降水(0.786)和城鎮(zhèn)化水平(0.671)。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)影響蕪湖市近十年水資源總量、地表水和地下水資源量的自然因素主要是降水，降水與水資源總量(P<0.05)、地表水資源(P<0.05)和地下水資源(P<0.01)顯著正相關(guān)。蕪湖市地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水變化與季風(fēng)強(qiáng)弱變化一致，季風(fēng)強(qiáng)則降水多，季風(fēng)弱則降水少。降水作為蕪湖市水資源量的主要來源，促進(jìn)水資源的更新與轉(zhuǎn)化，對于作為以雨水補(bǔ)給為主的蕪湖市區(qū)域流量的變化發(fā)揮重要作用。熊洪斌等[22]同樣發(fā)現(xiàn)，安徽省降水受東南季風(fēng)影響由北向南增加，降水較多的城市水資源豐富，則區(qū)域水資源可持續(xù)利用狀況較好。

從直接通徑系數(shù)來看，城鎮(zhèn)化水平與水資源總量和地表水資源量呈負(fù)向作用，與地下水資源量呈正向作用，耕地面積對水資源總量和地表水資源的作用方向與其對地下水資源作用方向相反。城鎮(zhèn)化帶來了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)由第一產(chǎn)業(yè)逐漸向第二、第三產(chǎn)業(yè)過渡，第一產(chǎn)業(yè)相對減少了企業(yè)間關(guān)聯(lián)及人口聚集程度[23]，使水資源利用率較低[24]，一定程度上增加了耗水強(qiáng)度。隨著生態(tài)環(huán)境意識增強(qiáng)，城市植被覆蓋率逐漸增加，蒸發(fā)量的增加導(dǎo)致地表徑流減少，地下徑流增多，相應(yīng)的地表水資源量減少，地下水資源量增加。另外，隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，農(nóng)業(yè)人口數(shù)量下降，耕地和有效灌溉面積相對減少(表3)，為水資源總量和地表水資源量的增加提供了可能。此外，城鎮(zhèn)化水平對水資源總量和地表水資源量與耕地面積對地下水資源量的相關(guān)性與直接效應(yīng)呈相反的趨勢，主要原因是耕地面積和城鎮(zhèn)化水平相互作用，近十年伴隨著蕪湖市城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，占地和圈地面積不斷增加，導(dǎo)致部分耕地資源消耗， “大學(xué)城”和“開發(fā)區(qū)”建設(shè)占用耕地，間接地對水資源產(chǎn)生影響。

2.3 蕪湖市水質(zhì)變化分析

2011—2017年，蕪湖市入河污水排放量有增加的趨勢(表3)，從2011年的2.260億t增加到2016年的3.610億t，2017年減少至2.320億t。蕪湖市自然條件優(yōu)越，是全國重要的商品糧基地之一，有效灌溉面積未出現(xiàn)大幅度變化，化肥施用量呈現(xiàn)上升的趨勢，這可能是導(dǎo)致入河污水量增加的主要原因。隨著化肥施用量的減少，入河污水量也隨之下降(表3)。

根據(jù)蕪湖市水資源公報2011—2017年河流和湖泊水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了蕪湖市地表水體水質(zhì)變化特征。隨著污水排放量、化肥施用量的增加，蕪湖市河流水質(zhì)略有下降(圖3a)，2011年河流中出現(xiàn)Ⅲ類水的比例不足5%，到2017年，河流中出現(xiàn)Ⅲ類水的比重占28%左右，Ⅳ類水占3.4%，為研究時段內(nèi)最高值?？傮w而言，蕪湖市河流水質(zhì)良好，以Ⅱ類、Ⅲ類水為主，水質(zhì)有所下降。由圖3b可知，2011—2017年，蕪湖市湖泊水質(zhì)以Ⅲ、Ⅳ類水為主，在某些年份出現(xiàn)Ⅴ類和劣Ⅴ類水，但所占比例不高，尤其是出現(xiàn)劣Ⅴ類水的年份，其比重不足5%。湖泊水質(zhì)不及河流，這可能跟湖泊和河流的水文特性有關(guān)，湖泊水體的流動性差，污水排放以及化肥、農(nóng)藥的施用使得大量的污染物通過徑流進(jìn)入湖泊累積，從而導(dǎo)致水質(zhì)變差。

表2 蕪湖市水資源變化的影響因子及其通徑系數(shù)Table 2 Influencing factors and path coefficients of water resources change in Wuhu city

表3 2011—2017年蕪湖市有效灌溉面積以及污水排放和化肥施用情況Table 3 The situation of effective irrigation area and sewage discharge and fertilizer application during 2011—2017 in Wuhu

圖3 2011—2017年蕪湖市河流和湖泊水質(zhì)情況(a:河流;b:湖泊.)

3 結(jié)語

通過對近十年蕪湖市水資源及地表水質(zhì)的分析，得出以下結(jié)論。

(1)近十年蕪湖市年均降水量約為1312.14 mm，降水年際波動大，總體呈增加趨勢。四季降水中，春、夏、秋季呈現(xiàn)增加趨勢，并且秋季降水增加量最明顯；夏季降水占全年比例最大，冬季降水偏少，這與亞熱帶季風(fēng)氣候有關(guān)。

(2)從水資源總量、地表水資源和地下水資源與時間序列的秩相關(guān)系數(shù)來看，這些指標(biāo)增加趨勢明顯，年均增加量分別為3.02 億m3/a、1.32 億m3/a和0.41 億m3/a，總體上與研究區(qū)降水變化趨勢相對應(yīng)。蕪湖市水資源總量占全省水資源總量的4.4% ，相對于全省各市的水資源總量來說，處于中上等水平。

(3)研究時段內(nèi)，蕪湖市河流水質(zhì)良好，以Ⅱ類、Ⅲ類水為主，但開始出現(xiàn)Ⅳ類水，水質(zhì)有所下降。湖泊水質(zhì)比河流水質(zhì)略差，以Ⅲ類、Ⅳ類水為主，部分湖泊出現(xiàn)Ⅴ類和劣Ⅴ類水，說明蕪湖地表水質(zhì)尤其湖泊水質(zhì)仍是當(dāng)前區(qū)域水質(zhì)管理的重點。

(4)通徑分析結(jié)果表明，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素如耕地面積和城鎮(zhèn)化水平對水資源動態(tài)變化有較大影響，自然因素中降水對水資源動態(tài)變化的直接貢獻(xiàn)最大，而生產(chǎn)總值則是對水資源動態(tài)變化產(chǎn)生間接影響的重要因子。

總體而言，蕪湖市近十年水資源總量有增加的趨勢，其中降水尤其是夏季降水的貢獻(xiàn)最大。地表河流水質(zhì)總體良好，因入河污水量有所增加，導(dǎo)致水質(zhì)有所下降趨勢，而湖泊水質(zhì)不及河流，甚至出現(xiàn)一定程度的污染，在國家政策的支持和地方政府的有效管理下有所恢復(fù)，但恢復(fù)到良好水質(zhì)仍任重道遠(yuǎn)。水資源是地區(qū)發(fā)展的重要保障，水質(zhì)治理是水資源管理重要內(nèi)容之一，堅持水資源的利用和保護(hù)并舉，科學(xué)處理廢水，同時發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)，減少化肥施用量，制定完善的管理措施等，是實現(xiàn)蕪湖市水資源持續(xù)利用和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要出路。