中國(guó)北方水資源供需狀況分析

中國(guó)北方水資源供需狀況分析

在中國(guó)，地勢(shì)結(jié)構(gòu)是由西高東低的三個(gè)樓梯劃分的。地形類型和山地傾向。東部瀕臨太平洋、位于東亞季風(fēng)區(qū),西部深入亞歐大陸內(nèi)部,受西太平洋和印度洋氣流影響,加之青藏高原大地形的作用,形成中國(guó)多種多樣的氣候特點(diǎn),導(dǎo)致中國(guó)的天氣和氣候系統(tǒng)復(fù)雜,是世界上氣象災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。人多水少、水資源時(shí)空分布不均是中國(guó)基本國(guó)情和水情,水資源短缺、水污染嚴(yán)重、水生態(tài)惡化等問(wèn)題十分突出,已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化深入發(fā)展,水資源需求將在較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)持續(xù)增長(zhǎng),加之全球氣候變化影響,水資源供需矛盾將更加尖銳,特別是中國(guó)北方水資源面臨的形勢(shì)將更為嚴(yán)峻。1北方水資源不足1.1北京市水資源量基本情況北方地區(qū)一般是指中國(guó)東部季風(fēng)區(qū)的北部,主要是秦嶺—淮河一線以北,大興安嶺、烏鞘嶺以東的地區(qū),東臨渤海和黃海。中國(guó)北方地區(qū)多處于干旱、半干旱地區(qū),降水量較少,而蒸發(fā)量較大,水資源較為貧乏。根據(jù)1951—2011年資料序列分析,海河流域、黃河流域、遼河流域的多年平均降水量分別為529.0mm、448.0mm、548.0mm,而水面蒸發(fā)量分別為1100.3mm、1079.1mm和938.1mm(由全國(guó)基礎(chǔ)氣象觀測(cè)站資料統(tǒng)計(jì))。以北京市為例,1956—2000年資料統(tǒng)計(jì),北京市多年平均降雨量585.0mm,多年平均水資源總量37.4億m3,人均水資源占有量約300m3,是全國(guó)平均水平的1/8,是世界人均水平的1/30。但是,從1999年以來(lái),北京進(jìn)入連續(xù)枯水期,地表水資源量衰減59%,地下水資源量衰減37%,入境水量衰減77%。而同期北京城市人口快速增加,由1999年的1257萬(wàn)人增加到2010年的1961萬(wàn)人,增加了約56%。水資源量減少和城市的快速擴(kuò)張,使得2010年北京市人均水資源量減少到100m3左右,不到全國(guó)平均水平的1/20,成為全國(guó)人均水資源最少的地區(qū),水資源短缺已成為制約北京地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最主要因素。這樣的人均水資源量不僅遠(yuǎn)低于國(guó)際極度缺水標(biāo)準(zhǔn),且大大低于危及人類生存生活底線的災(zāi)難性標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)際極度缺水標(biāo)準(zhǔn)為人均500m3,300m3是危及人類生存生活底線的災(zāi)難性標(biāo)準(zhǔn))。這種水資源狀況甚至不如以干旱著稱的中東、北非等地區(qū),即使中東缺水的以色列人均水資源量也還是387m3,是北京的3倍多。因此,加強(qiáng)最嚴(yán)格的水資源管理,加快建設(shè)節(jié)水型社會(huì),同時(shí)加大非傳統(tǒng)水源的開(kāi)發(fā)利用,才是解決中國(guó)北方水資源問(wèn)題的根本出路。1.2我國(guó)水資源分布現(xiàn)狀水是生命之源,生產(chǎn)之要,是人類生存的重要物質(zhì)資料。水資源的稟賦條件在一定程度上影響到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的速度和格局。隨著人口增加和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,中國(guó)水資源分布與經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件不相匹配的問(wèn)題愈加突出。如中國(guó)北方水資源量約占全國(guó)水資源總量的19%,但是人口、耕地和國(guó)民生產(chǎn)總值分別約占全國(guó)總量的46%、64%和45%,見(jiàn)圖1。具體到黃淮海地區(qū),水資源量為全國(guó)總量的7%左右,而人口、耕地和國(guó)民生產(chǎn)總值分別約占全國(guó)總量的35%、39%和32%。因此,中國(guó)水資源時(shí)空分布不均勻,與區(qū)域的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不匹配問(wèn)題十分突出,這就要求我們加快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)布局,加快轉(zhuǎn)型發(fā)展,促進(jìn)區(qū)域科學(xué)發(fā)展。2水資源的變化環(huán)境中2.1年際變化較多近50年來(lái),總體而言,中國(guó)降水經(jīng)歷了“減少—略增—減少”的變化過(guò)程。20世紀(jì)50年代是中國(guó)多雨期,1956—1960年的5年平均值達(dá)到857.9mm,這也是各年代的最高值。1960年開(kāi)始,降水開(kāi)始減少,20世紀(jì)70年代為一低谷;80至90年代降水略有回升,但90年代后期以來(lái),降水整體上呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)。松花江和遼河流域在20世紀(jì)50年代多雨,經(jīng)歷了60年代和70年代的持續(xù)減少之后80年代降水有所回升,此后又為減少趨勢(shì);海河流域?yàn)橹鹉甏鷾p少,20世紀(jì)90年代末以來(lái)最為突出;黃河流域20世紀(jì)90年代為降水最少年代,2001年以來(lái)有所增加;西北諸河降水年代際變化基本為遞增態(tài)勢(shì)。詳見(jiàn)圖2~圖4。因此,自20世紀(jì)90年代以來(lái)少雨是北方多數(shù)流域的共同特征,進(jìn)一步加劇了北方水資源的短缺狀況。近年來(lái),黃河、海河、松遼河流域降水量略有回升,有些學(xué)者提出北方已經(jīng)“轉(zhuǎn)濕”的說(shuō)法,特別是2012年北方地區(qū)降水偏多,使得“轉(zhuǎn)濕”的說(shuō)法越來(lái)越多。但是從實(shí)測(cè)的長(zhǎng)系列資料進(jìn)行分析,可以得到初步結(jié)論:北方降水經(jīng)過(guò)10多年少雨過(guò)程后,近幾年降水量有所回升,但仍低于多年平均值,尚不能得出已經(jīng)“轉(zhuǎn)濕”的結(jié)論。2000—2011年海河流域、黃河流域、遼河流域平均降水488.0mm、435.0mm、496.0mm,仍低于1951—2011年各流域多年平均降水529.0mm、448.0mm、548.0mm。北京市1951—2011年多年平均降水549.0mm,1980—2011年多年平均降水517.0mm,2000—2011年多年平均降水482.0mm。截至11月20日,2012年北京市降水699.0mm,超過(guò)多年均值,但不是歷史最大值(1994年766.8mm)。2.2資源平衡(1)流量變化的主要分析(2)流量變化分析2.3氣候變化因素變化環(huán)境主要包括:高強(qiáng)度的人類活動(dòng)引起流域下墊面變化;以全球變暖為主要特征的氣候變化;導(dǎo)致溫室氣體排放、資源高消耗的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等。下墊面的變化以及全球變暖均對(duì)流域產(chǎn)匯流產(chǎn)生重要影響。(1)流域生產(chǎn)流轉(zhuǎn)移機(jī)制的影響(2)氣候變化對(duì)流域生產(chǎn)流和流量調(diào)節(jié)的影響3流域內(nèi)與跨流域引流入江,使土地做人類活動(dòng)主要通過(guò)改變流域下墊面及水利工程取用水等措施影響流域水文過(guò)程。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,工農(nóng)業(yè)用水、城市用水和生態(tài)用水等不斷增加,流域內(nèi)與跨流域引水等工程改變了原有河道的產(chǎn)匯流規(guī)律。地下水過(guò)度開(kāi)采,使地下水位降低,部分地區(qū)形成大面積的漏斗區(qū),使土壤非飽和帶大幅度增加,土壤蓄水容量隨之大增,造成地表產(chǎn)流減少。因此河川徑流的變化受氣候變化和人類活動(dòng)影響的共同作用,如何定量區(qū)分人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)水文過(guò)程的影響,對(duì)于變化環(huán)境下的水資源規(guī)劃管理和應(yīng)用具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。3.1基準(zhǔn)期與天然徑流還原對(duì)于有長(zhǎng)期水文氣象及人類活動(dòng)資料的流域,一般將資料劃分為兩個(gè)時(shí)期,即基準(zhǔn)期(人類活動(dòng)未對(duì)流域產(chǎn)生顯著影響)和人類活動(dòng)影響期。為了定量分析水文要素變化的驅(qū)動(dòng)因素,重點(diǎn)需解決兩方面的重要內(nèi)容:即基準(zhǔn)期的確定和還原人類活動(dòng)影響期的天然徑流量。首先,利用數(shù)理統(tǒng)計(jì),分析研究流域降水、徑流變化的特征、趨勢(shì)、階段性,結(jié)合流域狀況的調(diào)查分析,進(jìn)行流域的基準(zhǔn)期和人類活動(dòng)影響期的劃分。其次,利用基準(zhǔn)期的水文、氣象資料,對(duì)多個(gè)流域水文模型進(jìn)行參數(shù)率定和水文模擬效果比較,選擇適合于研究流域的水文模型作為天然徑流還原計(jì)算的工具。然后保持模型參數(shù)不變,將人類活動(dòng)影響期的氣象資料輸入模型,模擬天然徑流量過(guò)程。通過(guò)對(duì)比人類活動(dòng)影響期間的實(shí)測(cè)徑流量、模擬的自然徑流量和基準(zhǔn)時(shí)期的實(shí)測(cè)自然徑流量,進(jìn)而可以區(qū)分人類活動(dòng)影響期間氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)流域徑流的影響。3.2非正態(tài)分布類突變檢測(cè)水文氣象數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性和突變性特征是關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。目前常用的氣象水文變化趨勢(shì)分析方法主要有線性回歸法、滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall(簡(jiǎn)稱MK)秩次檢驗(yàn)相關(guān)法和Spearman秩次檢驗(yàn)相關(guān)法等。其中MK突變性診斷方法是一種高效且較為便捷的突變?cè)\斷方法。MK法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,亦稱無(wú)分布檢驗(yàn),其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,更適用于類型變量和順序變量,計(jì)算也比較簡(jiǎn)便。最初這一方法僅用于檢測(cè)序列的趨勢(shì)性變化,后經(jīng)進(jìn)一步完善和改進(jìn),可較好地用于水文、氣候變量等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)突變分析。MK法的優(yōu)點(diǎn)在于不僅計(jì)算簡(jiǎn)便,而且可以明確突變開(kāi)始的時(shí)間,并指出突變區(qū)域,因此是一種很常用的系列突變檢測(cè)方法。針對(duì)中國(guó)六大江河的19個(gè)重點(diǎn)控制站50余年的實(shí)測(cè)徑流資料序列的MK變化特征診斷表明,黃河、遼河及海河流域是中國(guó)年徑流量減少趨勢(shì)比較明顯的地區(qū),特別是海河流域各站80年代以后比80年代以前減少劇烈,部分站點(diǎn)減少接近80%。而通過(guò)MK突變?cè)\斷方法并結(jié)合各流域的水利工程設(shè)施建設(shè)實(shí)際情況可以得出,黃河、海河及遼河流域各站點(diǎn)徑流量發(fā)生突變的時(shí)期大致在1970年前后。3.3氣候要素變化影響值河川徑流的變化量(顯著變化前后的實(shí)測(cè)徑流差值)包括兩部分,一為人類活動(dòng)影響部分,二為氣候要素變化影響部分?；趯?duì)天然徑流量的還原,分析了黃淮海地區(qū)重點(diǎn)流域徑流變化成因。3.3.1對(duì)孔徑的相對(duì)影響前述分析結(jié)果表明,黃河流域徑流銳減主要發(fā)生在黃河中游地區(qū)。以1970年之前的實(shí)測(cè)徑流量作為基準(zhǔn),分析了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)1970年以來(lái)徑流變化的影響(表2)。由表2可以看出:(1)20世紀(jì)70年代以來(lái),黃河中游實(shí)測(cè)徑流量較基準(zhǔn)值有不同程度的減小,其中90年代減少最多,實(shí)測(cè)徑流量不足基準(zhǔn)值的一半。(2)氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量的絕對(duì)影響量呈現(xiàn)良好的一致性,在20世紀(jì)80年代,二者的絕對(duì)影響量分別為19.9億m3和44.9億m3,均小于其他年代的絕對(duì)影響量;在90年代,二者對(duì)徑流量的影響程度最為明顯。(3)人類活動(dòng)在各年代對(duì)徑流量的相對(duì)影響均超過(guò)55%,其中在80年代的相對(duì)影響量接近70%。(4)就1970—2000年的平均情況而言,人類活動(dòng)是黃河中游徑流量減少的主要因素,氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流的影響分別占徑流減少總量的38%和62%。3.3.2各階段徑流的變化海河是中國(guó)水資源最為緊缺的流域,海河流域三大水系實(shí)測(cè)徑流量均呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì),其中,漳河水系減少最為突出。以漳河水系為例,分析了實(shí)測(cè)徑流變化的階段性,以及氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流量變化的影響(表3)。結(jié)果表明:(1)各階段實(shí)測(cè)徑流量持續(xù)減少,其中,1980年以來(lái)的各階段平均年實(shí)測(cè)徑流量約為1965年之前均值的15%。(2)氣候要素變化對(duì)20世紀(jì)90年代的影響最為明顯,由于氣候要素變化,使得該時(shí)期徑流量減少約26mm,人類活動(dòng)的影響約為該時(shí)期徑流總減少量的72%。(3)1965年以來(lái),人類活動(dòng)的影響占該時(shí)期徑流總減少量的85%左右,氣候變化的影響僅占15%左右。人類活動(dòng)是海河流域徑流量減少的主要因素。3.3.3基準(zhǔn)期不同時(shí)期的天然孔徑比基準(zhǔn)值變化遼河流域地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候特征是冬季嚴(yán)寒且時(shí)間較長(zhǎng),夏季炎熱但歷時(shí)較短,春季干燥多風(fēng)沙,秋季多雨。降水是影響河川徑流量的主要因素,降水的年際變化對(duì)徑流量的豐枯具有顯著影響。以1951—1965年的實(shí)測(cè)徑流量作為基準(zhǔn),分析了人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)鐵嶺站實(shí)測(cè)徑流量的影響。表4給出了各階段實(shí)測(cè)徑流量和模擬的天然徑流量較基準(zhǔn)值的變化。模擬的天然徑流量變化只反映了氣候要素變化對(duì)徑流量的影響,而實(shí)測(cè)徑流量的變化則綜合反映了各階段氣候要素變化和土地利用變化、水利工程修建、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等人類活動(dòng)對(duì)徑流量的影響。由表4可以看出:(1)基準(zhǔn)期1951—1965年天然年徑流量約為42.5mm,其后各階段模擬的天然徑流量均較基準(zhǔn)期有不同程度的減少,說(shuō)明氣候要素變化引起了徑流量的減少,其中,21世紀(jì)以來(lái)引起的減少量最多,其次為1966—1984年的枯水段,這兩個(gè)階段分別較基準(zhǔn)值偏少34%和22%。(2)1965年以來(lái)的實(shí)測(cè)徑流量較基準(zhǔn)期偏少程度更為明顯,1966—1984年和2001—2008年兩個(gè)階段的實(shí)測(cè)徑流量較基準(zhǔn)值分別偏少約64%和75%,均大于相應(yīng)時(shí)期天然徑流量較基準(zhǔn)值的偏少比率,說(shuō)明人類活動(dòng)的影響也使得河川徑流量減少。(3)1966—2008年期間,實(shí)測(cè)徑流量較基準(zhǔn)值總的偏少54.2%,其中,由于氣候要素變化引起的徑流量減少為18%,不到總減少量的1/3,由此說(shuō)明人類活動(dòng)是遼河流域上中游徑流量減少的主要原因。4平均降水量和時(shí)際變化(1)由于特殊的地理氣候條件,干旱少雨、水資源短缺是中國(guó)北方地區(qū)的客觀稟賦,水資源時(shí)空分布不均及其與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不相匹配是中國(guó)水資源的突出特點(diǎn)。(2)環(huán)境變化導(dǎo)致北方河流徑流量呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì),進(jìn)一步加劇了北方水資源的供需矛盾。(3)北方河流徑流量的減少是人類活動(dòng)、氣候變化、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等綜合影響的結(jié)果,但人類活動(dòng),如流域下墊面變化和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展等,是北方河流徑流減少的主要因素。(4)從實(shí)測(cè)的長(zhǎng)系列資料進(jìn)行分析,可以認(rèn)為北方地區(qū)降水經(jīng)過(guò)10多年少雨過(guò)程后,近幾年降水量有所回升,但仍低于多年平均值,尚不能得出已經(jīng)“轉(zhuǎn)濕”的結(jié)論。(5)實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理,加快建設(shè)節(jié)水型社會(huì),同時(shí)實(shí)施跨流域調(diào)水和加強(qiáng)非傳統(tǒng)水源的開(kāi)發(fā)利用,是解決中國(guó)北方水資源問(wèn)題的根本出路。選取六大江河的19個(gè)重點(diǎn)控制水文站1950—2004年的實(shí)測(cè)徑流資料,分析河川徑流變化特征。結(jié)果表明:與20世紀(jì)80年代以前實(shí)測(cè)徑流量相比,黃河流域、海河流域、珠江及閩江流域各控制站河川徑流均呈現(xiàn)減少趨勢(shì),其中海河流域減少最為明顯。中國(guó)北方河流實(shí)測(cè)徑流量呈明顯下降趨勢(shì)。松遼流域?qū)崪y(cè)徑流量變化分析結(jié)果表明:哈爾濱站、鐵嶺站分別減少8.1%、33.3%,江橋站徑流量無(wú)明顯變化;海河流域岳城水庫(kù)入庫(kù)觀臺(tái)站實(shí)測(cè)徑流量減少達(dá)78.9%,潮白河控制站下會(huì)、張家墳站實(shí)測(cè)徑流量分別減少44.8%和63.5%;黃河流域上游控制站唐乃亥實(shí)測(cè)徑流量變化不大,但由于中下游人類活動(dòng)和沿程用水的大幅度增加,以及氣候變化等因素的影響,致使黃河中下游河流的徑流量急劇減少,中游花園口站和下游利津站分別減少了34.5%和55.6%。由于近20多年來(lái)中國(guó)氣候和下墊面狀況較以往均有顯著不同,因而水資源數(shù)量發(fā)生了一定的變化,北方地區(qū)變化尤其顯著。對(duì)比1980—2000年系列(近期下墊面條件)水資源量計(jì)算結(jié)果與第一次水資源評(píng)價(jià)成果(1956—1979年系列,代表70年代下墊面條件),就全國(guó)而言,雖然實(shí)測(cè)河川徑流量總體上呈減少趨勢(shì),但是還原分析后,地表水資源量和水資源總量略有增加。南方地區(qū)河川徑流量和水資源總量增加幅度接近4%;北方部分地區(qū)水資源量減少明顯,以黃河、淮河、海河和遼河區(qū)最為顯著,