劉 濤 ，趙澤錦，劉利成，王高旭 ，吳永祥 ，吳 巍 ，田雪瑩 ，張妮娜

(1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2. 河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098； 3. 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029； 4. 紅河州南源供水有限公司，云南 蒙自 661000)

空中水資源[1]（又稱云水資源）作為一種非常規(guī)水資源，雖在我國儲量巨大，但其利用效率卻十分低下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年通過人工增雨活動增加的水資源量僅為500億m3[2]，約有87%的云水資源飄出了我國上空[3]，造成了巨大的資源浪費(fèi)。自20世紀(jì)50年代以來，為充分開發(fā)云水資源，各地氣象及水利部門積極開展空陸水資源一體化利用工作，人工增雨活動正在由過去的抗旱應(yīng)急向常態(tài)化業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)變[4]。然而，現(xiàn)階段開展的常態(tài)化人工增雨活動僅注重云水資源的時(shí)空分布變化規(guī)律，雖在一定程度上提高了云水資源利用效率，卻忽略了區(qū)域的降水產(chǎn)流特性，對人工增加的雨量往往無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)調(diào)配。因此，正確理解云水資源時(shí)空分布差異，認(rèn)清區(qū)域供需平衡對降水變化的敏感性，對準(zhǔn)確選擇常態(tài)化人工增雨作業(yè)地點(diǎn)和提高云水資源利用效率具有重要意義。

針對空陸水資源如何實(shí)現(xiàn)一體化開發(fā)利用，相關(guān)學(xué)者做了許多有益探索。李家葉等[5]將空中水資源定義為白水，研究并評估了中國大陸的白水及其降水轉(zhuǎn)化特征；曾慶存等[6]指出應(yīng)在有利的時(shí)間和地區(qū)人工增雨，通過水利工程設(shè)施在有利的地區(qū)和時(shí)段貯水，調(diào)劑到少雨或少水的時(shí)間和地區(qū)，實(shí)現(xiàn)水資源統(tǒng)籌利用；張繼群等[7]認(rèn)為我國目前缺乏與水利設(shè)施建設(shè)相結(jié)合的空中水資源長期開發(fā)利用計(jì)劃，并提出應(yīng)綜合考慮空中水資源的開發(fā)與地表水資源的調(diào)配和利用?？v觀我國空陸水資源統(tǒng)籌利用的研究進(jìn)展，目前大體僅停留在宏觀意義上的管理政策及未來的規(guī)劃方面，對開展常態(tài)化人工增雨作業(yè)地點(diǎn)的選擇研究較少，在指導(dǎo)云水資源進(jìn)一步開發(fā)和空陸水資源一體化利用方面的實(shí)用性有待進(jìn)一步提高。

采用降水情景驅(qū)動流域水文模型是評估降水變化對區(qū)域水資源影響的重要途徑。李丹等[8]基于SWAT模型通過假定降水增量模擬了汾河流域的徑流變化趨勢及徑流量的年內(nèi)變化特征；王建生等[9]根據(jù)大氣環(huán)流模型輸出未來氣候變化情景，基于流域水文模型研究了氣候變化對京津唐地區(qū)水資源數(shù)量和時(shí)空變化的影響；王國慶等[10]在分析黃河流域未來降水變化趨勢的基礎(chǔ)上，采用RCCC-WBM模型動態(tài)模擬了黃河流域未來水資源變化情勢。降水變化的不確定性將對人工增雨作業(yè)效果的評估帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

北三河流域位于我國京津冀地區(qū)，水資源較為匱乏。隨著氣候變化和人類活動的加劇，該地區(qū)水資源可利用量不斷減少，而用水量與污水排放量不斷增加，水資源供需矛盾突出已成為其經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要制約因素[11]。鑒于此，本文基于新安江模型、彭曼-蒙特斯公式探究北三河流域不同地區(qū)水資源供需平衡對降水變化的敏感性，可為常態(tài)化人工增雨作業(yè)的選址和落區(qū)的確定提供有益支撐，對實(shí)現(xiàn)空陸水資源統(tǒng)籌利用、緩解區(qū)域水資源供需矛盾等具有重要意義。

1 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

北三河流域包含北運(yùn)河、潮白河和薊運(yùn)河，總體地勢由東北向西南逐漸降低，流域面積約4萬km2。研究區(qū)屬典型的溫帶東亞季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量約600 mm，汛期降水量占年降水量的80%～85%，尤以7月和8月降水居多，水量年內(nèi)分配不均。北三河流域水系分布見圖1，研究數(shù)據(jù)來源見表1。

圖1 北三河流域基礎(chǔ)地理概況Fig. 1 Basic geography of Beisanhe River Basin

表1 研究區(qū)各數(shù)據(jù)資料來源Tab. 1 Data sources of the study area

2 研究方法

采用三水源新安江模型模擬研究區(qū)域逐日來水過程。新安江模型是20世紀(jì)80年代基于山坡水文學(xué)提出的概念性水文模型，具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)較少、模擬精度穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，其原理和方法詳見文獻(xiàn)[12]。

需水計(jì)算一般包括農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、生態(tài)等4個方面。本文采用定額法，根據(jù)區(qū)域城鄉(xiāng)人口數(shù)量和工業(yè)萬元增加值分別預(yù)測規(guī)劃年生活需水量和工業(yè)需水量?；谕寥浪科胶夥?、彭曼-蒙特斯公式構(gòu)建農(nóng)田灌溉需水量計(jì)算模型[13]，模型公式如下：

式中：Fg為灌溉需水量（mm）；Kc為作物系數(shù)，指某階段作物需水量和參考作物需水量的比值；ET0為單一參考作物蒸騰蒸發(fā)總量(mm)；P為降水量（mm）；DP為作物根區(qū)的深層滲漏量（mm）；Rc為田間排走的地面徑流量（mm）；Pe為 有效降水量（mm）；rx為各省份農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。其中ET0根據(jù)FAO推薦的公式[14]計(jì)算；rx參考中國灌溉排水發(fā)展中心（http://www.jsgg.com.cn/）2015年公布的全國測算成果，京津冀三省市分別為0.710、0.687和0.670。

為研究不同增雨情景下的區(qū)域水量供需平衡，突出人工增雨措施對缺水量的影響，本次計(jì)算的水量平衡方法僅考慮本地水資源，不考慮外調(diào)水資源。缺水率為缺水量與需水量的比值。水量平衡計(jì)算方法見式（2）。

式中：Wsd為 缺水量（m3）；Wp為 區(qū)域自產(chǎn)水量（m3）；Wed為河道內(nèi)生態(tài)需水量（m3）；Weu為區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)用水量（m3）。

隨著人工影響天氣技術(shù)的不斷發(fā)展，人工增雨的效果已有了顯著提高。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，在現(xiàn)行技術(shù)條件下，相對增雨率位于5%～20%[15-16]。為便于模型計(jì)算，本研究將實(shí)際降水日作為進(jìn)行人工增雨日，以0～20%作為增雨區(qū)間。模擬增雨后的各日降水量計(jì)算方法見式（3）。

式中：Pi和P′i分別表示增雨前、后的日降水量（mm）；x為降水變化比例（%）。

3 單元劃分及來需水分析

按地形、水系特點(diǎn)、行政區(qū)劃和水利工程特點(diǎn)，將北三河流域劃分為11個計(jì)算單元，其中山區(qū)6個，平原區(qū)5個。各單元土壤及其土地利用類型見圖2。

圖2 北三河流域計(jì)算單元劃分及土壤土地利用類型Fig. 2 Division of calculation units and types of soil and land use in Beisanhe River Basin

3.1 單元來水量分析

本次模型參數(shù)率定站選擇大閣、三道營、前辛莊、三河等4個水文站，這4個站均是國家級水文站，資料完整，分屬潮河、黑河、潮白河和薊運(yùn)河（圖1），涵蓋了北三河流域山地和平原區(qū)。選取2006年為模型預(yù)熱期，2007—2016年為率定期，2017—2019年為驗(yàn)證期，各站點(diǎn)的模型模擬精度見表2。

表2 各水文站模型模擬精度Tab. 2 Model simulation accuracy of each hydrological station

典型站點(diǎn)參數(shù)優(yōu)化率定完成后，依據(jù)其他子流域各自的土地利用和土壤分布與4個典型站點(diǎn)的相似性原則進(jìn)行參數(shù)展布。具體做法是：求出各子流域不同土地利用類型（土壤數(shù)據(jù)）面積所占總面積的比例，并對其歸一化處理，然后計(jì)算歸一化后的各子流域土地利用類型和土壤分布數(shù)據(jù)與典型站點(diǎn)數(shù)據(jù)的歐氏距離，以歐氏距離作為相似性指標(biāo)，選擇最短距離對應(yīng)的子流域參數(shù)作為該流域的參數(shù)。歸一化公式如下：

式中：Ni,j為歸一化數(shù)值，i表示第i個子流域；j表示土地利用類型/土壤類型；Ni,j為 歸一化數(shù)值；Li,j表示第i個子流域第j個土地利用類型/土壤類型數(shù)據(jù)；Li,min和Li,max分別表示第i個子流域土地利用類型/土壤類型數(shù)據(jù)的最大值和最小值。各子流域參數(shù)展布情況見表3。

表3 各子流域與典型站點(diǎn)歐氏距離Tab. 3 Euclidean distance between sub-basins and typical stations

模擬了北三河流域11個計(jì)算單元1973—2018年共46年逐日產(chǎn)水過程，各計(jì)算單元自然降水條件下的年徑流深見圖3。北三河流域年平均徑流深為42.42 mm，相當(dāng)于產(chǎn)流量為16.46億m3。分別選取1974年、2006年和2002年作為降水頻率50%、75%和95%的典型年，通過同倍比縮放法求得3種降水頻率下的自然降水過程并輸入至產(chǎn)水模型。經(jīng)計(jì)算，平水年（降水頻率p=50%）的流域產(chǎn)流量為14.11億m3，枯水年（p=75%）為9.19億m3，特枯年（p=95%）為5.57億m3。

圖3 自然降水條件下的年徑流深Fig. 3 Annual runoff depth without precipitation enhancement

利用式（3）對3種降水頻率典型年降水過程進(jìn)行同比放大，并將增雨結(jié)果輸入至產(chǎn)水模型，流域產(chǎn)水變化過程見圖4。隨著降水量變化比例x的不斷增加，流域產(chǎn)水量也不斷增大，且不同水平年的增水效果明顯不同，相同增雨條件下，枯水年增雨產(chǎn)生的徑流增量小于平水年。當(dāng)x=20%時(shí)，平水年流域平均徑流系數(shù)從自然降水的0.24上升到0.33，產(chǎn)水量增加了近90%。

圖4 不同增雨條件下流域產(chǎn)水量變化Fig. 4 Variation of water yield under different precipitation conditions

3.2 單元需水量分析

區(qū)域需水量包括生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)四類需水。其中生活和工業(yè)需水主要受區(qū)域人口數(shù)量與工業(yè)技術(shù)的限制，生態(tài)需水量由河道多年平均徑流量決定，而農(nóng)業(yè)需水中的灌溉需水量受降水影響明顯，一般情況下降水量越多，作物需水量越少。因此本文假定其他需水不受降水增減的影響，僅研究不同增雨條件下農(nóng)田灌溉需水量的變化情況。

3.2.1 農(nóng)田灌溉需水量選用研究區(qū)氣象站氣壓、風(fēng)速、氣溫等氣象資料，計(jì)算年內(nèi)每日參考作物需水量。以京津冀地區(qū)種植面積較大的13種作物作為研究對象，根據(jù)不同作物的種植時(shí)間和灌溉制度，利用式（1）計(jì)算不同增雨幅度下各典型年的13種作物需水量。北三河流域各典型年降水變化下的農(nóng)田灌溉需水量逐月變化情況見圖5。

圖5 北三河流域降水變化下的農(nóng)田灌溉需水量逐月變化Fig. 5 Monthly changes of farmland irrigation water demand under changes in precipitation in Beisanhe River Basin

整體上看，隨著降水量變化比例x的逐漸增加，3種頻率下各月份的農(nóng)田灌溉需水量大致呈線性遞減的趨勢，且當(dāng)x達(dá)到20%時(shí)，灌溉需水量最大減少了3.5%，減少量約1 126萬m3，需水量減少的幅度較降水增加幅度明顯更小。

由圖5 還可見，各月份的灌溉需水對x的敏感程度不同，北三河流域農(nóng)田灌溉需水量在汛期（6—9月）對x的敏感性較非汛期明顯更大，這不僅與當(dāng)?shù)氐慕邓畷r(shí)空分布有關(guān)，同時(shí)也受農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和種類的影響。

3.2.2 生活、工業(yè)和生態(tài)需水量以2019年為現(xiàn)狀年，2030年為規(guī)劃年，根據(jù)各地區(qū)城市總體規(guī)劃、水資源公報(bào)等資料，對北三河流域生活、工業(yè)和生態(tài)需水進(jìn)行合理預(yù)測，預(yù)測結(jié)果見表4。

表4 2030年北三河流域生活、工業(yè)、生態(tài)需水量Tab. 4 Domestic, industrial and ecological water demand of Beisanhe River Basin in 2030 單位：萬m3

4 結(jié)果與討論

4.1 自然降水情景下的余缺水量

在不考慮外調(diào)水資源和地下水超采的情況下，對比各單元來需水量，2030年北三河流域自然降水情景下的資源性余缺水量見表5。

表5 2030年北三河流域自然降水時(shí)資源性余缺水情況Tab. 5 Resource-based excess water shortage in Beisanhe River Basin in 2030 when there is no increase in rainfall單位：億m3

自然降水情景下，2030年北三河流域資源性缺水量分別為35.46億m3（p=50%）、43.17億m3（p=75%）和46.30億m3（p=95%），受地區(qū)產(chǎn)流條件與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不匹配的制約，3種頻率下北三河流域的水資源總量明顯不足，無法滿足當(dāng)?shù)匦杷蟆?/p>

從空間上看，11個計(jì)算單元中，除河北潮白河山區(qū)（單元U1）外，其余單元均出現(xiàn)不同程度的資源性缺水，以北京平原區(qū)（單元U5）與唐山平原區(qū)（單元U10）最為嚴(yán)重。前者包含了北京市朝陽區(qū)、海淀區(qū)等多個人口密集區(qū)，生活用水量大；后者囊括了我國華北地區(qū)重要的裝備制造基地——豐潤區(qū)及素有“冀東糧倉”的玉田縣，區(qū)域產(chǎn)流量的限制及龐大的需水量造成了該地區(qū)缺水十分嚴(yán)重，特困年缺水量達(dá)到了13.72億m3和10.18億m3。

從時(shí)間上看（圖6），3種頻率下北三河流域各月份來水均無法滿足本地需水要求。1月、2月、11月和12月缺水量在整個流域較其他月份更低，汛期（6—9月）受自然降水、氣溫和農(nóng)作物生長周期的影響，3種頻率下的缺水均較為明顯。由于區(qū)域降水量和需水情勢的時(shí)空差異，缺水峰值出現(xiàn)的時(shí)間也有所不同，平水年出現(xiàn)在5月，枯水年與特枯年出現(xiàn)在7—8月，缺水量分別為5.18、5.90和7.79億m3。值得注意的是，平水年8月份降水較7月份更少，且需水峰值同樣出現(xiàn)在8月份，但缺水量卻較7月份更少，甚至與11、12月齊平。分析其原因，選取的50%頻率典型年7月份降水主要集中在下半月，且50%以上降水集中于7月25日以后，受產(chǎn)流滯時(shí)的影響，由此產(chǎn)生的徑流大部分出現(xiàn)在8月初，因此其產(chǎn)水量與7月份相比要大得多，彌補(bǔ)并進(jìn)一步減小了需水差異，使得8月份缺水量較少。

圖6 北三河流域自然降水情景下資源性缺水量逐月變化（其中降水量為柱狀圖、缺水量為點(diǎn)線圖）Fig. 6 Monthly change of resource water shortage under natural rainfall scenario in Beisanhe River Basin

4.2 區(qū)域缺水量對降水變化敏感性分析

按照增雨區(qū)間為0～20%進(jìn)行模擬，分析各單元缺水量對降水變化的敏感性，針對性地利用云水資源，可以合理補(bǔ)充陸地水資源短缺，初步實(shí)現(xiàn)“云水-陸地水”的協(xié)同應(yīng)用。

由圖7可見，隨著降水變化比例的不斷增加，北三河流域在3種頻率下的缺水總量呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢，受降水總量限制，平水年減少趨勢最大，枯水年其次，特枯年份最小。若降水量增加10%，流域水資源缺口分別為30.00億m3（p=50%）、42.06億m3（p=75%）和46.03億m3（p=95%），較未增雨時(shí)缺水量相對減少了21.89%、8.37%和2.97%。從缺水量減少比例看，不同增雨情景下的缺水量受需水影響較小，其變化趨勢與區(qū)域產(chǎn)水量的變化較為接近。主要原因?yàn)樾杷繉邓孔兓拿舾行暂^產(chǎn)水量更小，在增雨20%的情景下，需水量變幅僅在3%以內(nèi)，而產(chǎn)水量受區(qū)域產(chǎn)流條件與不透水面積分布的影響，變化幅度最大達(dá)到了50%以上。因此，北三河流域缺水量的改變受產(chǎn)流變化趨勢主導(dǎo)。

圖7 北三河流域不同增雨情景缺水總量變化Fig. 7 Changes in the total amount of water shortage under different rainfall enhancement scenarios in Beisanhe River Basin

流域內(nèi)各計(jì)算單元缺水量對降水變化的敏感性具有明顯的區(qū)域差異，為消除流域面積的影響，采用缺水量相對減少比例表征其空間差異性。不同增雨情景下的流域資源性缺水量的空間變化見圖8。從縱向看，各計(jì)算單元缺水量的變化受降水量豐枯影響較為顯著，降水量越多，缺水量改變越大，反之則越小。若降水增加15%，北京平原區(qū)（單元U5）和河北薊運(yùn)河山區(qū)（單元U6）缺水量在不同降水頻率下的變化差異較大，平水年較未增雨時(shí)的缺水量減少了3.78億m3和1.40億m3，相對減少了29.1%和27.38%，而特枯年份減少了0.15億m3和0.13億m3，相對未增雨時(shí)的缺水量僅減少了1.5%。從橫向看，同一降水頻率下，區(qū)域增雨越多，增水效果越明顯，缺水量的改變越大。以北京潮白河山區(qū)（單元U2）為例（圖8(c)組），特枯年增雨5%～20%的缺水量較未增雨時(shí)分別減少了0.10億m3、0.30億m3、0.39億m3和0.50億m3，相對減少率為5.96%、17.43%、22.37%和28.77%。就降水變化敏感性而言，不同計(jì)算單元對降水的敏感程度差異同樣較大。以差異最為明顯的平水年降水增加20%情景為例（圖8（a4）），北三河流域各計(jì)算單元缺水量對降水變化的敏感性整體呈現(xiàn)由北部向南部逐漸遞減的趨勢，北部U1、U2和U4單元缺水量較未增雨時(shí)分別減少了3.80億m3、1.39億m3和0.14億m3，相對減少率均達(dá)到了150%以上，中部地區(qū)（單元U5、U6和U7）變化比例位于30%～50%，南部地區(qū)（單元U8～U11）位于0～15%。

圖8 不同增雨情景下北三河流域資源性缺水量較未增雨時(shí)的空間變化Fig. 8 Spatial variation of resource water shortage in Beisanhe River Basin under different precipitation increase scenarios compared with that without precipitation increase

在分析了不同計(jì)算單元缺水量對降水變化的敏感性后，結(jié)合區(qū)域云水資源與降水效率的時(shí)空分布，即可確定常態(tài)化人工增雨作業(yè)地點(diǎn)，有助于提高云水資源的開發(fā)利用效率，實(shí)現(xiàn)空陸水資源的統(tǒng)籌利用。

5 結(jié) 語

（1）北三河流域在3種降水頻率下的產(chǎn)流量隨著降水量的增加而增加，農(nóng)田灌溉需水量則相反，且前者較后者的變化幅度更大，導(dǎo)致區(qū)域的供需平衡趨勢主要由產(chǎn)流量變化趨勢主導(dǎo)。

（2）自然降水情景下，北三河流域出現(xiàn)明顯的資源性缺水現(xiàn)象，其中以北京平原區(qū)與唐山平原區(qū)最為嚴(yán)重。受降水過程的影響，枯水年與特枯年缺水峰值出現(xiàn)在8月份，平水年的則出現(xiàn)在5月份。

（3）北三河流域的水資源供需平衡對降水變化的敏感性呈現(xiàn)由北部向南部逐漸遞減的空間差異，當(dāng)平水年降水量增加20%時(shí)，北部地區(qū)缺水量相對減少率達(dá)到了150%以上，中部地區(qū)的為30%～50%，南部地區(qū)的則小于15%。

空陸水資源的統(tǒng)籌開發(fā)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文僅分析了不同計(jì)算單元對降水變化的敏感性，在考慮區(qū)域云水資源及其降水效率方面還有所欠缺，同時(shí)未來還可引入先進(jìn)的分布式水文模型對不同單元進(jìn)行更加深入而廣泛的產(chǎn)流研究，提出更加科學(xué)完善的空陸水資源一體化利用的管理制度與設(shè)計(jì)方案。