中国北方水资源供需状况分析

中国北方水资源供需状况分析

在中国，地势结构是由西高东低的三个楼梯划分的。地形类型和山地倾向。东部濒临太平洋、位于东亚季风区,西部深入亚欧大陆内部,受西太平洋和印度洋气流影响,加之青藏高原大地形的作用,形成中国多种多样的气候特点,导致中国的天气和气候系统复杂,是世界上气象灾害最为严重的国家之一。人多水少、水资源时空分布不均是中国基本国情和水情,水资源短缺、水污染严重、水生态恶化等问题十分突出,已成为制约经济社会可持续发展的重要因素。随着工业化、城镇化深入发展,水资源需求将在较长一段时期内持续增长,加之全球气候变化影响,水资源供需矛盾将更加尖锐,特别是中国北方水资源面临的形势将更为严峻。1北方水资源不足1.1北京市水资源量基本情况北方地区一般是指中国东部季风区的北部,主要是秦岭—淮河一线以北,大兴安岭、乌鞘岭以东的地区,东临渤海和黄海。中国北方地区多处于干旱、半干旱地区,降水量较少,而蒸发量较大,水资源较为贫乏。根据1951—2011年资料序列分析,海河流域、黄河流域、辽河流域的多年平均降水量分别为529.0mm、448.0mm、548.0mm,而水面蒸发量分别为1100.3mm、1079.1mm和938.1mm(由全国基础气象观测站资料统计)。以北京市为例,1956—2000年资料统计,北京市多年平均降雨量585.0mm,多年平均水资源总量37.4亿m3,人均水资源占有量约300m3,是全国平均水平的1/8,是世界人均水平的1/30。但是,从1999年以来,北京进入连续枯水期,地表水资源量衰减59%,地下水资源量衰减37%,入境水量衰减77%。而同期北京城市人口快速增加,由1999年的1257万人增加到2010年的1961万人,增加了约56%。水资源量减少和城市的快速扩张,使得2010年北京市人均水资源量减少到100m3左右,不到全国平均水平的1/20,成为全国人均水资源最少的地区,水资源短缺已成为制约北京地区经济社会发展的最主要因素。这样的人均水资源量不仅远低于国际极度缺水标准,且大大低于危及人类生存生活底线的灾难性标准(国际极度缺水标准为人均500m3,300m3是危及人类生存生活底线的灾难性标准)。这种水资源状况甚至不如以干旱著称的中东、北非等地区,即使中东缺水的以色列人均水资源量也还是387m3,是北京的3倍多。因此,加强最严格的水资源管理,加快建设节水型社会,同时加大非传统水源的开发利用,才是解决中国北方水资源问题的根本出路。1.2我国水资源分布现状水是生命之源,生产之要,是人类生存的重要物质资料。水资源的禀赋条件在一定程度上影响到经济社会发展的速度和格局。随着人口增加和经济社会的发展,中国水资源分布与经济社会条件不相匹配的问题愈加突出。如中国北方水资源量约占全国水资源总量的19%,但是人口、耕地和国民生产总值分别约占全国总量的46%、64%和45%,见图1。具体到黄淮海地区,水资源量为全国总量的7%左右,而人口、耕地和国民生产总值分别约占全国总量的35%、39%和32%。因此,中国水资源时空分布不均匀,与区域的经济社会发展不匹配问题十分突出,这就要求我们加快调整产业结构布局,加快转型发展,促进区域科学发展。2水资源的变化环境中2.1年际变化较多近50年来,总体而言,中国降水经历了“减少—略增—减少”的变化过程。20世纪50年代是中国多雨期,1956—1960年的5年平均值达到857.9mm,这也是各年代的最高值。1960年开始,降水开始减少,20世纪70年代为一低谷;80至90年代降水略有回升,但90年代后期以来,降水整体上呈现明显减少趋势。松花江和辽河流域在20世纪50年代多雨,经历了60年代和70年代的持续减少之后80年代降水有所回升,此后又为减少趋势;海河流域为逐年代减少,20世纪90年代末以来最为突出;黄河流域20世纪90年代为降水最少年代,2001年以来有所增加;西北诸河降水年代际变化基本为递增态势。详见图2~图4。因此,自20世纪90年代以来少雨是北方多数流域的共同特征,进一步加剧了北方水资源的短缺状况。近年来,黄河、海河、松辽河流域降水量略有回升,有些学者提出北方已经“转湿”的说法,特别是2012年北方地区降水偏多,使得“转湿”的说法越来越多。但是从实测的长系列资料进行分析,可以得到初步结论:北方降水经过10多年少雨过程后,近几年降水量有所回升,但仍低于多年平均值,尚不能得出已经“转湿”的结论。2000—2011年海河流域、黄河流域、辽河流域平均降水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,超过多年均值,但不是历史最大值(1994年766.8mm)。2.2资源平衡(1)流量变化的主要分析(2)流量变化分析2.3气候变化因素变化环境主要包括:高强度的人类活动引起流域下垫面变化;以全球变暖为主要特征的气候变化;导致温室气体排放、资源高消耗的经济社会发展等。下垫面的变化以及全球变暖均对流域产汇流产生重要影响。(1)流域生产流转移机制的影响(2)气候变化对流域生产流和流量调节的影响3流域内与跨流域引流入江,使土地做人类活动主要通过改变流域下垫面及水利工程取用水等措施影响流域水文过程。随着社会经济的发展,工农业用水、城市用水和生态用水等不断增加,流域内与跨流域引水等工程改变了原有河道的产汇流规律。地下水过度开采,使地下水位降低,部分地区形成大面积的漏斗区,使土壤非饱和带大幅度增加,土壤蓄水容量随之大增,造成地表产流减少。因此河川径流的变化受气候变化和人类活动影响的共同作用,如何定量区分人类活动和气候变化对水文过程的影响,对于变化环境下的水资源规划管理和应用具有十分重要的科学意义和应用价值。3.1基准期与天然径流还原对于有长期水文气象及人类活动资料的流域,一般将资料划分为两个时期,即基准期(人类活动未对流域产生显著影响)和人类活动影响期。为了定量分析水文要素变化的驱动因素,重点需解决两方面的重要内容:即基准期的确定和还原人类活动影响期的天然径流量。首先,利用数理统计,分析研究流域降水、径流变化的特征、趋势、阶段性,结合流域状况的调查分析,进行流域的基准期和人类活动影响期的划分。其次,利用基准期的水文、气象资料,对多个流域水文模型进行参数率定和水文模拟效果比较,选择适合于研究流域的水文模型作为天然径流还原计算的工具。然后保持模型参数不变,将人类活动影响期的气象资料输入模型,模拟天然径流量过程。通过对比人类活动影响期间的实测径流量、模拟的自然径流量和基准时期的实测自然径流量,进而可以区分人类活动影响期间气候变化与人类活动对流域径流的影响。3.2非正态分布类突变检测水文气象数据的趋势性和突变性特征是关注的焦点问题。目前常用的气象水文变化趋势分析方法主要有线性回归法、滑动平均法、Mann-Kendall(简称MK)秩次检验相关法和Spearman秩次检验相关法等。其中MK突变性诊断方法是一种高效且较为便捷的突变诊断方法。MK法是一种非参数统计检验方法,亦称无分布检验,其优点是不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰,更适用于类型变量和顺序变量,计算也比较简便。最初这一方法仅用于检测序列的趋势性变化,后经进一步完善和改进,可较好地用于水文、气候变量等非正态分布的数据突变分析。MK法的优点在于不仅计算简便,而且可以明确突变开始的时间,并指出突变区域,因此是一种很常用的系列突变检测方法。针对中国六大江河的19个重点控制站50余年的实测径流资料序列的MK变化特征诊断表明,黄河、辽河及海河流域是中国年径流量减少趋势比较明显的地区,特别是海河流域各站80年代以后比80年代以前减少剧烈,部分站点减少接近80%。而通过MK突变诊断方法并结合各流域的水利工程设施建设实际情况可以得出,黄河、海河及辽河流域各站点径流量发生突变的时期大致在1970年前后。3.3气候要素变化影响值河川径流的变化量(显著变化前后的实测径流差值)包括两部分,一为人类活动影响部分,二为气候要素变化影响部分。基于对天然径流量的还原,分析了黄淮海地区重点流域径流变化成因。3.3.1对孔径的相对影响前述分析结果表明,黄河流域径流锐减主要发生在黄河中游地区。以1970年之前的实测径流量作为基准,分析了气候变化和人类活动对1970年以来径流变化的影响(表2)。由表2可以看出:(1)20世纪70年代以来,黄河中游实测径流量较基准值有不同程度的减小,其中90年代减少最多,实测径流量不足基准值的一半。(2)气候变化和人类活动对径流量的绝对影响量呈现良好的一致性,在20世纪80年代,二者的绝对影响量分别为19.9亿m3和44.9亿m3,均小于其他年代的绝对影响量;在90年代,二者对径流量的影响程度最为明显。(3)人类活动在各年代对径流量的相对影响均超过55%,其中在80年代的相对影响量接近70%。(4)就1970—2000年的平均情况而言,人类活动是黄河中游径流量减少的主要因素,气候变化和人类活动对径流的影响分别占径流减少总量的38%和62%。3.3.2各阶段径流的变化海河是中国水资源最为紧缺的流域,海河流域三大水系实测径流量均呈现显著减少趋势,其中,漳河水系减少最为突出。以漳河水系为例,分析了实测径流变化的阶段性,以及气候变化和人类活动对径流量变化的影响(表3)。结果表明:(1)各阶段实测径流量持续减少,其中,1980年以来的各阶段平均年实测径流量约为1965年之前均值的15%。(2)气候要素变化对20世纪90年代的影响最为明显,由于气候要素变化,使得该时期径流量减少约26mm,人类活动的影响约为该时期径流总减少量的72%。(3)1965年以来,人类活动的影响占该时期径流总减少量的85%左右,气候变化的影响仅占15%左右。人类活动是海河流域径流量减少的主要因素。3.3.3基准期不同时期的天然孔径比基准值变化辽河流域地处温带季风气候区,气候特征是冬季严寒且时间较长,夏季炎热但历时较短,春季干燥多风沙,秋季多雨。降水是影响河川径流量的主要因素,降水的年际变化对径流量的丰枯具有显著影响。以1951—1965年的实测径流量作为基准,分析了人类活动和气候变化对铁岭站实测径流量的影响。表4给出了各阶段实测径流量和模拟的天然径流量较基准值的变化。模拟的天然径流量变化只反映了气候要素变化对径流量的影响,而实测径流量的变化则综合反映了各阶段气候要素变化和土地利用变化、水利工程修建、社会经济发展等人类活动对径流量的影响。由表4可以看出:(1)基准期1951—1965年天然年径流量约为42.5mm,其后各阶段模拟的天然径流量均较基准期有不同程度的减少,说明气候要素变化引起了径流量的减少,其中,21世纪以来引起的减少量最多,其次为1966—1984年的枯水段,这两个阶段分别较基准值偏少34%和22%。(2)1965年以来的实测径流量较基准期偏少程度更为明显,1966—1984年和2001—2008年两个阶段的实测径流量较基准值分别偏少约64%和75%,均大于相应时期天然径流量较基准值的偏少比率,说明人类活动的影响也使得河川径流量减少。(3)1966—2008年期间,实测径流量较基准值总的偏少54.2%,其中,由于气候要素变化引起的径流量减少为18%,不到总减少量的1/3,由此说明人类活动是辽河流域上中游径流量减少的主要原因。4平均降水量和时际变化(1)由于特殊的地理气候条件,干旱少雨、水资源短缺是中国北方地区的客观禀赋,水资源时空分布不均及其与区域经济社会发展不相匹配是中国水资源的突出特点。(2)环境变化导致北方河流径流量呈现显著减少趋势,进一步加剧了北方水资源的供需矛盾。(3)北方河流径流量的减少是人类活动、气候变化、经济社会发展等综合影响的结果,但人类活动,如流域下垫面变化和经济社会的快速发展等,是北方河流径流减少的主要因素。(4)从实测的长系列资料进行分析,可以认为北方地区降水经过10多年少雨过程后,近几年降水量有所回升,但仍低于多年平均值,尚不能得出已经“转湿”的结论。(5)实行最严格的水资源管理,加快建设节水型社会,同时实施跨流域调水和加强非传统水源的开发利用,是解决中国北方水资源问题的根本出路。选取六大江河的19个重点控制水文站1950—2004年的实测径流资料,分析河川径流变化特征。结果表明:与20世纪80年代以前实测径流量相比,黄河流域、海河流域、珠江及闽江流域各控制站河川径流均呈现减少趋势,其中海河流域减少最为明显。中国北方河流实测径流量呈明显下降趋势。松辽流域实测径流量变化分析结果表明:哈尔滨站、铁岭站分别减少8.1%、33.3%,江桥站径流量无明显变化;海河流域岳城水库入库观台站实测径流量减少达78.9%,潮白河控制站下会、张家坟站实测径流量分别减少44.8%和63.5%;黄河流域上游控制站唐乃亥实测径流量变化不大,但由于中下游人类活动和沿程用水的大幅度增加,以及气候变化等因素的影响,致使黄河中下游河流的径流量急剧减少,中游花园口站和下游利津站分别减少了34.5%和55.6%。由于近20多年来中国气候和下垫面状况较以往均有显著不同,因而水资源数量发生了一定的变化,北方地区变化尤其显著。对比1980—2000年系列(近期下垫面条件)水资源量计算结果与第一次水资源评价成果(1956—1979年系列,代表70年代下垫面条件),就全国而言,虽然实测河川径流量总体上呈减少趋势,但是还原分析后,地表水资源量和水资源总量略有增加。南方地区河川径流量和水资源总量增加幅度接近4%;北方部分地区水资源量减少明显,以黄河、淮河、海河和辽河区最为显著,