晉中地區(qū)2001—2020年水資源時空演化特征分析

吳偉偉 王 昊 賈 艷

(晉中市水利局,山西 晉中 030600)

山西省位于華北平原西側(cè)、黃土高原東部,大陸性季風氣候顯著,降水時空分布不均,“十年九旱,旱澇交錯”是主要特點。1982年山西省第一次水資源評價(1956—1979年)確定水資源總量為141.75億m3,人均占有水資源量579m3;2003年第二次水資源評價(1980—2000年)[1]為123.80億m3,人均為381m3,跌破了極度缺水線,水資源面臨嚴重短缺,供需矛盾日益突出。晉中地區(qū)位于山西省中部,第一次水資源評價水資源總量為14.95億m3,人均為588m3;然而到第二次水資源評價水資源總量已降到10.91億m3,人均僅361m3,總量和人均占有量雙雙大幅下降,比山西省降幅更大。2000年地下水超采面積高達904km2,超采量為5000萬m3。更為嚴重的是1997年夏至2001年夏晉中發(fā)生特大干旱,17個季度出現(xiàn)15個干旱,歷史記錄描述為百年罕見大旱災(zāi)[2]。2001年水資源總量僅為7.25億m3,不到1956—1979年系列的一半,全區(qū)16條大河15條干涸,水庫見底、井不出水、林木枯死,春播不能下種,給晉中帶來沉痛的災(zāi)難。因此,開展2001—2020年晉中地區(qū)水資源研究是非常必要的。

1 區(qū)域概況

晉中地區(qū)位于山西省中部黃土高原東緣,面積16347km2,地勢見圖1,轄2區(qū)1市8縣,總?cè)丝?38萬。晉中處于溫帶大陸性季風氣候區(qū),年均氣溫3～11℃,長系列降水量為488mm,無霜期為145～184天,蒸發(fā)量為1600～2000mm。地勢東高西低,分為太行山脈中段、沁潞高原北部、太岳山脈北段和太原盆地東南側(cè)、韓侯嶺臺地四個地形單元,山地、丘陵、盆地面積分別占63.9%、20.5%、15.6%。河流以太行山、太岳山為界分屬黃河流域和海河流域,黃河流域主要有瀟河、象峪河、烏馬河、昌源河、惠濟河等,各河注入汾河,海河流域主要有清漳河、濁漳河、松溪河等,清漳河、濁漳河注入南運河,松溪河注入子牙河。地下水主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、碎屑巖夾碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、碎屑巖類孔隙裂隙水及基巖裂隙水五大類型。

圖1 晉中地區(qū)地勢

2 數(shù)據(jù)來源及方法

本文數(shù)據(jù)主要來源于水利、水文和氣象三個部門,包括山西省、晉中地區(qū)第一次、第二次水資源評價以及2001—2020年逐年水資源公報降水量、氣溫等數(shù)據(jù)。在分析水資源總量變化時采用三種方式,即逐年法與系列法、行政分區(qū)與流域分區(qū)、地表水與地下水相結(jié)合,通過三位一體的方式清晰全面地揭示水資源的變化。計算時用到了線性回歸、Mann-Kendall趨勢法、皮爾遜相關(guān)系數(shù)、小波分析等。?逐年法用于計算2001—2020年每年水資源量變化情況;?系列法按照水資源評價分為1956—1979年、1980—2000年、2001—2020年3個系列;?行政分區(qū)劃分11個縣(區(qū)、市),分別是壽陽、榆次、太谷、祁縣、平遙、介休、靈石、榆社、左權(quán)、和順、昔陽,前7個為西部地區(qū),后4個為東部地區(qū)。水資源分區(qū)劃分為13個區(qū),黃河流域:Ⅰ瀟河、Ⅱ象峪河、Ⅲ烏馬河、Ⅳ昌源河、Ⅴ惠柳櫻、Ⅵ汾河(二壩—義棠)、Ⅶ汾河(義棠—區(qū)界);海河流域:Ⅷ松溪河、Ⅸ出界未控河、Ⅹ清漳河(東支)、Ⅺ清漳河(西支)、Ⅻ清漳河(會合)、濁漳河,見圖2。

圖2 晉中地區(qū)水資源分區(qū)

3 水資源時空變化

3.1 水資源時序變化特征

由于晉中處于溫帶季風氣候區(qū),水資源不僅年內(nèi)分布不均,夏秋多冬春少,而且年際分布不均,變化幅度很大,旱澇災(zāi)害頻發(fā)。晉中地區(qū)不同評價期水資源總量變化見表1,由表1可知:?水資源總量1956年以來呈U形變化,1956—1979年最高,為14.95億m3,1980—2000年最低,為10.91億m3,2001—2020年較1980—2020年小幅回升了5.2%;?人均水資源量呈一直下降趨勢,1956—1979年588m3,1980—2000年361m3,2001—2020年339m3,已處于極度缺水線以下;?地表水資源降幅大,2001—2020年較1956—1979年大幅下降33.2%,較1980—2020年回升6.7%,河川徑流大幅減少與人類活動是分不開的;?地下水資源緩慢恢復(fù),1980—2000年由于地下水長期超采,年超采量5000多萬m3,地下水位年降1～2m,地下水資源快速減少,2001年隨著加強地下水的保護,超采區(qū)已大幅減少,地下水資源得到涵養(yǎng),2001—2020年較1980—2020年提升5.4%,在條件不變的情況下若恢復(fù)至1956—1979年水平還需要50年以上。

表1 晉中地區(qū)不同評價期水資源總量變化

晉中2001—2020年逐年水資源變化情況見圖3,由圖3可知:?水資源總量上升趨勢顯著,多年均值11.47億m3,2016年最高,為18.63億m3,2001年最低,為7.25億m3,上升速率為0.3395億m3/a,利用Mann-Kendall趨勢法計算,通過了0.01顯著性檢驗,上升趨勢顯著,2010年以后上升趨勢更加明顯;?地表水資源上升趨勢顯著,多年均值6.76億m3,上升速率為0.2825億m3/a,并通過了0.01顯著性檢驗,上升趨勢顯著;?地下水資源上升趨勢不顯著,多年均值8.07億m3,上升速率為0.0904億m3/a,未通過0.1顯著性檢驗,上升趨勢不顯著;?地表水和地下水變化不盡相同,年際變化率地表水33.1%遠大于地下水16.3%,個別年份趨勢相反,如2006年、2009年、2010年均為偏枯年份;?豐枯鏈明顯,2004—2006年、2008—2010年為偏枯時段,2010—2012年、2016—2018年為偏豐時段,時間均為三年;?利用小波分析計算周期性,水資源總量存在5～6年強周期、10～11年弱周期,地表水存在5～6年強周期、10～11年弱周期,地下水存在10年強周期、5年偏弱周期,可以看到地表水與地下水強、弱周期正好相反,反映出補給模式的不同,而11年的周期與太陽黑子相對數(shù)周期[3-4]一致,5～6年的周期與厄爾尼諾/拉尼娜[5-6]現(xiàn)象接近,反映了水資源與氣候的密切關(guān)系。

圖3 晉中地區(qū)2001—2020年水資源變化、小波系數(shù)等值線及方差

3.2 水資源區(qū)域變化特征

行政區(qū)是水資源開發(fā)利用保護的執(zhí)行單元,研究行政區(qū)水資源變化有利于最嚴格水資源管理,提高水利用效率。晉中地區(qū)2001—2020年各行政區(qū)水資源量變化見表2,由表2可知:?水資源空間分布不均衡,經(jīng)濟較發(fā)達的西部地區(qū)7縣年平均水資源量8718萬m3,人均水資源量217m3,水資源嚴重不足;而經(jīng)濟欠發(fā)達的東部地區(qū)4縣年平均水資源量13418萬m3,比西部多54%,人均水資源量944m3,是西部的4倍多,形成了東多西少的格局;?水資源時間分布不均衡,主要表現(xiàn)為年際變化率和極值比均大,年際變化率全區(qū)為22.8%,榆社最大,為64.2%,靈石最小,為19%,西部地區(qū)為28.5%,遠小于東部地區(qū)39.6%;極值比全區(qū)為2.57,榆社最大,為6.64,介休最小,為2.75,西部地區(qū)3.42,小于東部地區(qū)4.25,可以看出,處于山區(qū)的東部變化大于西部;?回升梯度不一樣,榆次、壽陽、太谷、祁縣為第一梯隊,增速高于0.30萬m3/(a·km2);平遙、介休、和順、昔陽為第二梯隊,增速在0.15萬～0.30萬m3/(a·km2);榆社、左權(quán)、靈石為第三梯隊,增速低于0.15萬m3/(a·km2),除了降水、地質(zhì)差異外,回升低的地區(qū)存在水利工程少、調(diào)蓄能力低、機井開采增多、煤層開采量大等問題,造成水資源的流失。

表2 晉中地區(qū)2001—2020年各行政區(qū)水資源變化

3.3 水資源分區(qū)變化特征

水資源分區(qū)是基于流域結(jié)合水工程在水資源評價時劃分的基礎(chǔ)單元,研究水資源分區(qū)變化有利于水資源的配置,提高水資源保護效能。晉中地區(qū)2001—2020年各水資源分區(qū)水資源變化見表3和圖4,由表3和圖4可知:?海河流域水資源較黃河流域豐富,單位面積水資源量海河流域為7.30萬m3/km2,高于黃河流域6.80萬m3/km2,從結(jié)構(gòu)上看,海河流域以地表水為主,黃河流域以地下水為主;?海河流域水資源年際變化較黃河流域大,年際變化率海河流域為30.4%,高于黃河流域的23.0%,濁漳河流域最高,為66.2%,汾河(義棠—區(qū)界)區(qū)最低,為17%;?海河流域水資源較黃河流域恢復(fù)速度慢,水資源增加速率黃河流域為0.265萬m3/(a·km2),是海河流域0.134萬m3/(a·km2)的2倍,近些年黃河流域高質(zhì)量發(fā)展讓黃河流域水利工程在蓄、滯、用三方面有了質(zhì)的飛躍;?水工程對水資源保護影響較大,按單位面積計算,增速最大的是瀟河、汾河(二壩—義棠)和清漳河(東支)3個區(qū),增速大于0.240萬m3/(a·km2),此3個流域在2001—2020年間水工程調(diào)蓄能力都有很大提高,而增速偏低的烏馬河、惠柳櫻、濁漳河、清漳河(西支)4個區(qū),增速小于0.100萬m3/(a·km2),這些流域水工程無明顯的增加,可見水工程對水資源存蓄作用是明顯的。

表3 晉中地區(qū)2001—2020年各水資源分區(qū)水資源變化

3.4 地表水資源時空變化

晉中地區(qū)河川徑流以雨洪補給為主,徑流集中程度取決于雨季持續(xù)時間和降水的集中程度,汛期洪水暴漲暴落,使大量的徑流無法利用而流向下游,枯季徑流很小時有斷流,水量供不應(yīng)求。晉中地區(qū)2001—2020年各行政區(qū)地表水資源變化情況見表4,由表4可知:?季風氣候特征突出,水資源量多年均值6.76億m3,2016年最高,為13.14億m3,2001年最低,為3.13億m3,年際變化率達33.1%,極值比為4.20,年際變化大,地形影響大,旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象突出;?空間分布不均衡,西部地區(qū)7個縣面積占52%,地表水僅占42%;東部地區(qū)4個縣面積占48%,地表水卻占58%;由于地形地貌的原因,處于迎風坡的東部降水量較西部多84mm,這導(dǎo)致了地表水資源東多西少的格局;?上升趨勢差異大,全區(qū)上升速率為0.2825億m3/a,通過了0.01顯著性檢驗,上升趨勢顯著,其中壽陽、榆次、太谷、祁縣、平遙、靈石通過了0.01顯著性檢驗,和順、介休通過了0.05顯著性檢驗,東部地區(qū)的榆社、左權(quán)、昔陽未通過顯著性檢驗,上升趨勢不顯著;整體來看東部上升趨勢明顯弱于西部;?時間分布不均衡,東部年際變化小于西部,年際變化率東部為51.0%、西部為54.0%,極值比東部為5.51、西部為8.70,可見西部地區(qū)地表水旱澇更加突出。

3.5 地下水資源時空變化

晉中地區(qū)的地下水主要補給來源為降水,但由于受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、含水層巖性及其埋藏條件的控制和開采的影響,各含水巖類補給、徑流、排泄條件亦不盡相同,相互間存在密切關(guān)系。晉中地區(qū)2001—2020年各行政區(qū)地下水資源變化情況見表5,由表5可知:?季風氣候特征突出,多年均值為8.07億m3,最高2016年10.77億m3,最低2019年5.34億m3,年際變化率為16.3%,極值比為2.02,年際變化較大但明顯低于地表水變化;?空間分布不均衡,西部地區(qū)7個縣面積占52%,地下水占56%;東部地區(qū)4個縣面積占48%,地下水占44%,與地表水結(jié)構(gòu)正好相反;?變化趨勢差異大,全區(qū)上升速率為0.0904億m3/a,未通過顯著性檢驗,上升趨勢不顯著,其中壽陽通過了0.01顯著性檢驗,榆次、太谷通過了0.05顯著性檢驗,上升趨勢顯著;祁縣、平遙、榆社、左權(quán)、和順、昔陽未通過顯著性檢驗,上升趨勢不顯著;靈石、介休則呈下降趨勢,下降趨勢不顯著,整體來看北部回升高于南部、西部回升高于東部,而下降的靈石和介休均為采煤區(qū),地下水開采量和漏失量雙高。

3.6 與氣候變化關(guān)聯(lián)分析

晉中地區(qū)處于太行山脈中段,地勢較高,外來水少,水資源以降水補給為主,因此氣候變化對水資源的影響是巨大的。晉中地區(qū)2001—2020年水資源與氣候變化關(guān)系、小波系數(shù)等值線及方差見圖5,由圖5可知:?氣溫上升趨勢顯著,2001—2020年平均氣溫10.00℃,較1979—2000年高1.33℃,較1956—1979年高0.67℃,上升速率為0.0381℃/a,低于1979—2000年的上升速率0.0615℃/a,低于1956—1979年的0.0396 ℃/a,上升速率均超全國[7]和山西[8]平均水平,并通過了0.05顯著性檢驗,上升趨勢顯著;?降水上升趨勢不顯著,2001—2020年平均降水量為479.8mm,較1979—2000年高33.4mm,較1956—1979年低51.0mm,上升速率為1.7266mm/a,1979—2000年為-4.5163mm/a,1956—1979年為-3.0690mm/a,可以看到,2001—2020年止住了45年來降水的下降趨勢,但未通過0.05顯著性檢驗,上升趨勢不顯著;?相關(guān)性,氣溫與水資源量相關(guān)系數(shù)為0.1189,關(guān)聯(lián)性小,但氣溫升高增加了水體蒸發(fā)量,加重了用水負擔,給本就水資源緊缺的農(nóng)業(yè)型晉中地區(qū)帶來更大的壓力;降水與水資源量相關(guān)系數(shù)為0.5161,為正向?qū)嵪嚓P(guān),降水增加給晉中發(fā)展帶來了機遇,供用水矛盾得到緩解,超采面積大幅縮減,地下水得到涵養(yǎng);氣溫與降水量相關(guān)系數(shù)為-0.3139,為負向?qū)嵪嚓P(guān),晉中氣候正向暖濕化方向發(fā)展,2010年以后大澇年份增多,2011年、2013年、2016年、2020年降水量均超過550mm,高于均值20%,但從長系列1956—2020年來看,仍呈暖干化趨勢[9-10];?周期性,利用小波分析計算,氣溫存在5～7年強周期、12～13年弱周期,降水存在4年強周期、11～13年弱周期,與水資源相似,均為雙峰型,存在一個短尺度和中尺度周期;?從氣候角度分析,隨著全球溫室效應(yīng)的不斷加劇,2000年以來全球大氣總能量呈顯著上升趨勢[11],極端天氣增多,山西暴雨量級提高,降水集中度在降低[12-13],同時,2010—2020年雨季5—10月太平洋溫度異常,nino3.4均值為-0.037℃,處于負值區(qū),西太平洋副熱帶高壓偏強偏北,雨帶北移,給北方帶來了充沛的雨水。

圖5 晉中地區(qū)2001—2020年水資源與氣候變化關(guān)系、小波系數(shù)等值線及方差

4 結(jié) 語

綜合來看,近20年來晉中地區(qū)水資源量顯著上升、河川徑流增加、地下水得到涵養(yǎng),給晉中地區(qū)經(jīng)濟和社會發(fā)展提供了良好條件,但也應(yīng)看到,相比1956—1979年水資源量還是下降的,時空分布不均、人類活動加劇、全球變暖都是巨大的挑戰(zhàn),水資源恢復(fù)之路艱巨而漫長。建議加大蓄水、滲透設(shè)施建設(shè),攔蓄洪水、引洪補枯、涵養(yǎng)地下水,通過水利工程措施讓水資源恢復(fù)更加鞏固、更有成效。