变化环境下大凌河流域水资源演变规律分析

郭艳娜

(葫芦岛市水土保持办公室，辽宁 葫芦岛 125000)

随着科技的进步和经济的发展，人类对水资源的改造能力不断提升，对水资源需求越来越高，污染程度日趋严重，目前地球水资源状况和水循环已发生了重大改变，各地均出现了较为严重的水污染和水紧缺的问题，水问题已成为制约经济发展的主要因素[1]。为了减少人类活动对水资源改造所造成的污染，减轻严峻的水资源紧缺危机，国内外学者对新环境下的水资源演变规律做了大量研究。当前对于自然水循环演变规律研究相对比较成熟，主要包含有降雨、截流、蒸发、入渗和径流等过程的研究，研究表明降水受气候变化和环境改变影响显著，是驱动水循环的主要关键因素。Stockton等学者通过建立降雨、气候和径流量之间的变化关系，探讨了美国主要河流在不同气候环境下的径流变化曲线。龙虎等依据统计分析原理，分析了黄河中下游气候变化和水资源之间的关系，并针对引起水资源减少的主要因素提出相应的补偿措施和治理方法。蓝永超等通过借鉴历史有关祁连山的降雨、气温以及径流等资料，分析了该区域气候变化对山间径流的影响[2]。

我国对水文循环和水资源演变规律的研究起步相对较晚，但随着近年来对水文资源的关注和重视，国家和政府启动成立了一系列的项目和计划。如在2002年举办的第187次学术研讨会，主要针对人类活动下水文循环速率、人类资源二元驱动水循环以及生态水文和水文循环三方面问题进行探讨和交流；2004年成立的973项目，提出的“自然- 人工”二元水循环演化模型，研究了黄河流域的水资源演变规律。虽然已有人类活动作用对水文循环和水资源形成演化过程的影响的研究，但对于作用机理和水资源演变规律研究相对较少，处于起步阶段，其基础理论和模型体系尚未成熟。文章基于水资源二元演化预测模型，对变化环境下大凌河流域水循环过程进行研究，并以广义水循环理论为基础提出大凌河流域水资源演变规律[3]。

1 大凌河流域概况

大凌河流域位于我国辽宁省西部，该流域水土流失严重，泥沙含量较多，大约为57kg/m3。流域大小支干流交错，全长398km，所占面积约为2.35万km2。大凌河流域属于温带季风气候，四季分明，日照丰富、温差大，资料显示9月和10是该流域的降雨旺季，年降水量约为450～600mm，降雨时间分布不均匀，径流量约为16.67亿m3。大凌河流经低山丘陵区、山间河谷平原以及下游的平原区，其中以低山丘陵区为主，占流域总面积的80%左右。土质疏松，物理性能较差，植被覆盖率低，水土流失严重，是大凌河泥沙的主要来源[4]。随着经济的快速发展和环境气候的变化，该区域水资源日趋衰减枯竭，且人类对水资源的开发利用量逐年增加，大凌河流域内水循环和水资源演变规律发生了明显改变。文章主要采用二元水循环理论对大凌河流域水循环和水资源演变规律进行模拟，探讨分析大凌河流域水资源在变化环境下的演变规律和影响因素[5]。

2 水资源影响因素分析

大凌河流域主要流经锦州市、阜新市、朝阳市、葫芦岛市等5个地级市所辖的13个县市区，其中包括牛家沟、哈巴气、木头城子、朝阳、就连东、义县以及阜新等15个雨量监测站。结合大凌河水资源径流特征、水文监测站点分布及水利工程实际情况，参考大城子水文站、朝阳水文站以及凌海水文站的1971～2014年逐月实测径流资料和15个雨量监测站逐月实测降水资料，对研究流域内在1971～2014年水资源演变主要影响因素变化情况进行分析探讨[6]。

2.1 降雨量影响分析

降雨是影响大凌河流域水资源变化的主要因素，且对流域水资源补充供给起决定性作用。根据15个雨量监测站逐月实测降雨量资料，选择的降雨量为年平均降雨量[7]。大凌河流域按地理位置进行分段：南北支流上游区、南北支流汇集区、大凌河径流朝阳区、大凌河径流北票区、大凌河径流义县区和大凌河径流凌海区，大凌河在各分区、各时段内降雨量年际变化情况见表1。

表1 大凌河各区年降雨量变化情况 单位：mm

由表1可知，大凌河流域降雨量随时间变化呈逐渐减少趋势，大凌河全流域2001～2015年均降雨量为518.4mm，相比1971～2000年的590.2mm降低了12.2%，2011～2015年均降雨量为514.3mm，相比1971～2000年均降雨量减少了12.9%。同时由表1可以看出，大凌河降雨量减少幅度最快的期间为2001～2010年，此时段也是该流域经济飞速发展时期。2011年以后，降雨量减少速率放缓，年均降雨量达到最低。

2.2 人类用水影响分析

大凌河流域是辽宁省西部最大的河流，是沿途各市县工业、农业和生活用水的主要供水水源。随着流域内农业和工业的快速发展以及人们生产生活用水需求的提高，大凌河流域用水量快速增长，尤其是在山间河谷平原区以及下游平原区用水量增长过快，如图1所示，A为低山丘陵区，B为山间河谷区，C为下游平原区。

图1 大凌河流域社会经济总用水量变化图

由图1可以看出，大凌河流域中下游平原地区从20世纪90年代用水量开始急速增加，与70年代相比用水量增加了将近3倍。上游低山丘陵区用水量变化相对较少，相比70年代用水量约提高了1倍。

2.3 土地利用影响变化

大凌河流域土地构成因气候变化和人类活动影响已发生了显著的变化，资料显示相比20世纪70年代，目前该流域植被面积减少了8.5%、草地覆盖率减少了6.4%；而农业耕地面积持续增长，相比20世纪70年代农田面积增长了13.2%，其中水源灌溉面积是原来的1.46倍；随着经济的发展和城镇化速度的加快，建筑设施和工业建筑占地面积持续增加，且为提高人类对水源需求并改善自然生态环境，景观用水面积和水利工程设施占地面积逐渐增加[8]。

3 水资源模拟及演变规律分析

3.1 水循环模拟

文章采用变时间步长，运用二元演化理论对大凌河流域进行1971～2015年共45年的连续模拟计算。其中1971～2000年为模型率定期，率定参数包括倒水系数、河床材料以及土壤饱和度等。模型应按照以下原则进行率定：选取误差值最小的年平均径流量、采用Nash- Sutcliffe效率的最大值、选择与模拟流量相关性最强的实测流量。大凌河水文监测站实测与率定的年径流量结果见表2。

表2 1971～2015年年实际年径流量模拟结果率定 单位：亿m3

由表2可知，大凌河流域在1971～2015年年平均径流量实测值与模拟值相差不大，误差在允许范围之内。其中凌海水文站多年径流量实测值与模拟值误差最大，为5.6%；而大城子水文站误差值最小，为1.4%，模拟结果良好，模拟过程顺利，模型Nash效率系数在0.7～0.8之间，模型计算速度快、准确性较好。

3.2 演变规律分析

3.2.1 历史水资源演变规律

大凌河流域在1971～2015年不同时段内的狭义水资源模拟评价结果见表3。

表3 各时段狭义水资源模拟评价 单位：亿m3

由表3可知，大凌河流域在2001～2015年狭义水资源总量较1971～2000年降低了4.9%，其中地表水资源减少了6.7%，而地下不重复水资源增加了2.8%。而对于2011～2015年的大凌河水资源总量较1971～2010年下降了7.9%，地表水资源衰减8.0%。综上所述，大凌河水资源量逐渐减少，而近年来减少速率增加，水资源问题日趋严重。

大凌河流域在1971～2015年不同时段内的广义水资源模拟评价结果见表4。

由表4可知，大凌河流域年均降雨量模拟值与实测值相差不大，模拟误差在可控范围之内。大凌河流域广义水资源在2001～2015年均降雨量模拟值较1971～2000年减少了12.4%，广义水资源量降低了2.5%，生态环境和经济型非径流水资源利用率略有减低。

表4 各时段广义水资源模拟评价 单位：亿m3

3.2.2 模拟水资源演变规律

为了对大凌河流域水资源制定合理的开采利用计划，建立长远的水资源规划目标，文章运用二元耦合原理建立适用于大凌河流域的水资源演变预测模型，对未来大凌河流域水资源演变进行模拟和预测。由于未来气象变化情况较难预测，降雨及人类活动存在很多不确定性因素，故对模型预测和定量分析带来较大困难[9]。文章不考虑气候变化因素，各参数数据依据仍然采用1971～2015年系列资料。大凌河流域狭义水资源和广义水资源演变模拟评价结果见表5和表6。

表5 2030年大凌河流域狭义水资源演变模拟评价 单位：亿m3

由表5可知，2030年大凌河流域地表水资源总量将演变为56.43亿m3，地下水资源为36.47m3，不重复地下水资源为17.84亿m3，水资源总量为74.27亿m3。与当前水资源状况相比，大凌河水资源总量减少了14.36亿m3，地表水资源减少了13.88亿m3，地下水和

表6 2030年大凌河流域广义水资源演变模拟评价 单位：亿m3

不重复地下水资源均有一定的减少，分别为2.07亿m3和0.48亿m3。不同区域内，水资源演变情况不同，其中地表水资源减少量过多主要是由于生态环境和植被林草等破坏严重，导致降雨水资源不能很好地被储蓄保存而流失。由表6广义水资源演变模拟结果可知，到2030年大凌河流域有效降雨量为673.62亿m3，无效蒸发量为319.17亿m3，与目前相比，降雨量有所增加，但无效蒸发量也有所增大，且无效蒸发量增加幅度大于降雨量增加幅度，这主要是由于农田发展和生态环境发展所引起的[9]。

4 结论

文章运用二元演化原理建立大凌河流域水资源演变预测模型，对1971～2015年大凌河狭义水资源和广义水资源演变进行模拟，并对未来2030年水资源演变进行预测。结果表明受气候变化和人类活动影响，大凌河流域水资源演变发生了明显变化，主要有以下几方面：大凌河流域在2001～2015年水资源量逐渐减少，而近年来减少速率增加，水资源问题日趋严重；生态环境和经济型非径流水资源利用率略有减低；2030年与目前相比，大凌河流域降雨量有所增加，但无效蒸发量也有所增大，且无效蒸发量增加幅度大于降雨量增加幅度。

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