丹東市水資源時空分布研究

(丹東市江河流域管理處，遼寧 丹東 118000)

水資源是指一定區間內能從自然界獲得補充并可利用的水，包括地表徑流與地下水資源，而其有效來源為降水。水資源能夠供應作物生長所必需的水分環境，并為人類生存與發展提供基礎，其數量與質量的時空分布受氣候特征與人為活動影響。在全球變化特別是氣候變暖的背景下，全球氣象系統耗散過程中不確定性增強，這對降水過程模式、地表徑流聚集、陸面蒸散帶來深刻影響，進而一定程度上改變著區域降水特征。本文運用丹東市1955—2016年水資源數據，采用趨勢分析與GIS空間可視化方法從時間和空間維度厘清區域水資源分布情況，以期為該市資源環境規劃提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

丹東市地處東北中朝邊境南部、長白山南麓，面積1.5222萬km2。境內屬山地丘陵、平原地帶，高程在0～1266m，地勢自北向南傾斜，森林覆蓋率達61.6%，水源涵養能力較好。統計表明，丹東市水資源總量為82.50億m3，占遼寧省的近1/4，人均水資源占有率高于全國平均水平，達到3386m3。

1.2 數據來源與處理

本研究指標主要是降水量、地表徑流量、水資源總量、徑流深度，其中水資源總量是扣除地表水和地下水中重復計算的有效資源量。降水量與徑流深度數據來源于中國氣象數據中心提供的丹東市境內逐日站點的降水資料與逐年徑流深度；經平均化處理后采用普通Kriging插值法進行空間可視化。運用線性回歸的方法度量水資源趨勢特征，其顯著性程度設置為0.05水平。采用Matlab2018b中的小波工具箱提取水資源時間變化的周期性規律。

2 結果與分析

2.1 丹東市降水量空間分布特征

丹東地區降水主要由東南季風與盛行西風帶來的暖濕氣流形成，由于距離海洋位置不同，加之下墊面地表環境主要是地形差異的影響，導致丹東市降水空間分布不均衡。以各站點平均降水量數據為基礎，輔助以DEM數據，經過普通Kriging插值得到區域降水量空間連續性分布情況。雖然空間預測值與站點實測值存在差異，但插值過程中保留了不同站點之間空間關聯性，另外DEM數據能夠詳細反映降水的局部變異，預測顯示，丹東市降水量介于734～1205mm之間，平均值為1025mm。全市降水量呈北西向南東地帶性減少分布，在南北方向上變異顯著，這是由地形特征與暖濕氣流運行方向引起的。北部為長白山山地丘陵地區，地勢較高，南部則是沿海低地平原；氣流自東向西運移過程中受地形抬升作用導致氣流聚集上升，進而成云置雨、降水集中；反之平坦的南部地區無地表粗糙度阻隔與地勢效應影響，從而雨鋒迅速過境，降水較少。在西部局部山口迎風坡，降水量可達1100mm以上，而南部降水量少于1000mm。

2.2 丹東市徑流深度分布特征

徑流深度是水資源空間豐富度的度量指標之一，采用丹東市各水文站的斷面總徑流量與斷面以上流域面積之比，匯總了年均徑流深度，并進行插值預測。結果表明：丹東市徑流深度介于48～129mm之間，平均值為79mm?？偟膩砜慈袕搅魃疃瘸视杀敝聊显黾臃植迹Y合區域DEM可知，其與地形呈逆向分布，二者之間相關系數為-0.653，在0.01水平上顯著。北部山地地區河網密布、水系發達，作為區域河流上游發源地，由于該地流域狹小、匯水較少、河面狹窄，因而徑流量并不充沛，徑流深度較低。南部為河流中下游地區，區段河流匯水密集、流量豐富，徑流深度居于全市高值水平。

2.3 丹東市水資源時間趨勢變化

對1955—2016年丹東市水資源指標數據進行匯總，通過Excel2016軟件繪制其線性變化特征。就年均降水量而言，呈現減少的特征，傾向斜率為-3.7615mm/a，但并未通過5%水平的信度檢驗，表明該趨勢并不明顯。其中1963年的降水量為次最低，僅為655.71mm；2012年為最低，為641.43mm；平均水平為1023.58mm，屬于濕潤區，見圖1(a)。年均降水量的減小將不利于區域水資源供應。水資源總量為排除重復計算后地表徑流量與地下水資源總量之和，由圖1(b)可知研究時域內丹東市水資源總量的平均值為82.50億m3，變化斜率與降水量高度一致，為-0.2672億m3/a，并表現出高度的波動性，其變異系數為62.38%，呈中度變異，表明其年際變化較大。地表徑流與地下水資源為互補關系，而降水為其主要且有效的來源，見圖1(c)，丹東市地下水資源總量在1960年達到最高值，為32.91億m3；1988年為最低值，僅為5.88億m3；其年際平均水平為16.82億m3。受區域氣候干化演變、降水量逐漸減少的影響，加之區域人口總量與用水需求不斷增加以及對地下水開發力度加大，丹東市地下水資源總量呈減少趨勢，其傾向斜率為-0.0975億m3。從各分項指標統計結果來看，丹東市近年來水資源均表現出減少的趨勢特征，這與其他學者的研究結果一致。

圖1 丹東市水資源時間趨勢變化

2.4 丹東市水資源周期性特征

圖2 丹東市水資源周期性特征

小波功率譜能夠直觀反映丹東市水資源時間周期性特征，見圖2。由于降水量、地表徑流量、地下水資源量與水資源總量之間具有高度的相關性，為避免分析冗余，僅以水資源總量這一指標進行周期性解析。圖2中黑色線圈為顯著性通過率達到95%水平的區域，可知，丹東市年降水量存在準2～3年、準3～4年、準4～6年的周期，其中準2～3年的周期在1955—1965年、1970—2005年間較強，其他年份較弱；準3～4年的周期主要分布于1995—2005年間；準4～6年的周期以1965—1995年間為顯著。綜合來看，丹東市年、季降水量循環周期較短且復雜，盡管度量尺度不同，但均存在準2～4年的周期尺度，且通過5%水平信度檢驗(P<0.05)，表明其為丹東市降水量變化主周期。

3 結 論

近半個世紀以來，全球氣候變暖引起氣候系統耗散過程突變，進而導致丹東地區降水量呈減少的趨勢變化，受此影響，區域地下水蘊藏量與地表徑流資源均呈現不同程度下降。伴隨著人口、用水需求的劇增，勢必要加大對水資源開發利用強度，然而水資源供應的減少將引起供需不平衡。另外，從空間分布來看，丹東地區降水量集中于北部山區，而此區域經濟與人口密度稀疏；地表徑流量在南部平坦地區匯聚，而此區域斷面徑流過境不適宜深度開發；因此水資源空間分布與可開發利用程度空間不匹配。為了應對氣候干化帶來的不利影響，并推進水生態文明建設，需要將區域氣候變化特征與水資源時空分布特征結合起來，制定行之有效且對環境影響最小的水利規劃建設方案。