近55年來滹沱河山區水資源變化規律與影響因素

趙鵬宇，馮文勇，步秀芹，崔 嬙，鄭慶榮，徐學選

（1.忻州師范學院 旅游管理系，山西 忻州034000；2.廣西壯族自治區環境保護科學研究院，南寧530000；3.忻州師范學院 地理系，山西 忻州034000；4.中國科學院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100）

出于解決突出水資源問題目的，多年來，許多學者針對流域范圍忻州段水資源問題進行過研究，取得了不少成果，內容涉及水資源特性、變化、影響因素等問題［1－7］。分析發現，這些成果對理清該區域水資源的變化與影響機制還存在一些障礙：（1）缺乏自然分區研究，多行政分區研究；（2）研究標準不統一，如水資源分區的劃分、水資源量的計算標準等；（3）研究數據大部分集中于2000年之前，而2000年之后人類活動與水資源演變更為緊密。上述原因造成研究者得出的結論差異較大，甚至出現矛盾的現象。本文利用人類活動強度最大的近55a資料，在前人有關環境變化、人類活動和水資源研究成果的基礎上，系統分析滹沱河山區水資源變化情勢，剖析各分區之間的相互影響，探討幾十年來水資源變化的驅動因素，為該區域水資源調控與水環境整治提供參考。

1 滹沱河山區的基本情況與分區

1.1 水系與地形

滹沱河是山西省的主要河流之一，也是華北地區的著名河流，它發源于五臺山北麓繁峙縣泰戲山腳下的喬兒溝，經山西東北部入河北省，匯入子牙河，在天津市境內歸海河、注渤海。在華北地區培育出一條長587km的綠色文明走廊，流域面積達26 630km2，滹沱河山區是指山西省忻州市的東部。境內有7縣（市），總面積11 936km2。

滹沱河干流在山西境內以北、西南環繞五臺山，形若“S”形。崞陽以上為上游，屬峽谷型河道，河流由東北流向西南，沿程縱坡變化較大，從幾十分之一到千分之一，河流寬度為100～500m；崞陽至濟勝橋為中游，長約90km，具有平原型河道的特征，河床寬500～1 000m，河道平緩，比降約為0.1%，枯水期河床中易形成沙洲，主流擺動較大；濟勝橋以下為下游，屬峽谷型河道，河床窄深，比降逐漸變陡，水流湍急，形成不少陡坎，干流平均縱坡0.32%。崞陽至界河鋪河流轉為南北流向，河床組成中以細砂為主，出界河鋪峽口后折向東流，至濟勝橋進入山區。滹沱河區河流屬海河流域的子牙河水系。主要為滹沱河，其支流有峪口河、陽武河、云中河、牧馬河和清水河。

地形地貌基本可劃分為三種類型［8］：一是基巖山區，占流域總面積75%以上，主要包括流域以東和南部的五臺山、系舟山，北部的恒山南段，西部的云中山等；二是一般山丘區，包括黃土高原丘陵區和山前黃土丘陵區主要分布在原平市、五臺縣中北和紅崖一帶，滹沱河兩岸的山前地帶，為山地與平原間的過渡地帶；盆地平原區，主要分布于滹沱河沿河地帶，為寬闊平坦的河漫灘，屬河谷沖積平原。滹沱河區的盆地平原區、一般山丘區、基巖山區面積分別為2 751，8 010，1 175km2。

1.2 氣候與降水

滹沱河區地處中緯度大陸性季風氣候區，受西伯利亞干冷氣團和太平洋暖濕氣團進退交鋒的控制。流域內四面環山，屬溫帶半干旱氣候。1980年以后，氣溫有上升趨勢，平均上升0.05℃／a。蒸發量一般是平原大于山區，水土流失嚴重、植被稀疏、干旱高溫地區大于植被良好、濕度較大的地區。五臺山是水面蒸發的低值區，五臺山中臺頂處水面蒸發量不足1 300mm，而定襄縣中心處水面蒸發量僅為1 350mm，其它各縣市介于1 350～1 750mm之間。1980年后滹沱河山區逐年水面蒸發量年平均增加0.18%。

滹沱河區多年平均降水量484.0mm，界河鋪以上為473.2mm，界—濟區間463.3mm，濟勝橋以下523.5mm，一般是山區雨量多，平川、河谷雨量偏少。在氣候變化對水資源總的影響當中，降水是最主要的因素之一。滹沱河山區降水量年際差異較大，時空分布不均。降水量的季節分配極不均勻，年內變化較大。

1.3 流域分區及特點

綜合分析滹沱山區自然環境及水資源開發利用情況，不難發現滹沱具有獨特的流域特點：在人類干擾活動不大的情況下，流域徑流主要形成于下游地區、水資源開發于中上游環境，下游出口水量直接決定了下游平原地區水資源量。目前，上游水資源開發形式主要是地表水利工程截水；中游的水利工程以地下水開采為主，主要是為忻定盆地城鎮發展及農業供水；下游則水資源開發利用率較低。考慮到數據獲取、開發利用、規劃和管理、自然環境特點以及計算方便，將滹沱河山區劃分為3個水資源區，即：界河鋪水文站以上區域（Ⅰ區），流域面積5 931km2，為成水與用水環境；界河鋪至濟勝橋水文站區域（Ⅱ區），流域面積2 785km2，為用水環境；濟勝橋至南莊水文站區域（Ⅲ區），流域面積3 059km2為典型的成水環境。

2 分區水資源的變化

2.1 分區地表水資源的變化

地表水資源量指河流、湖泊、水庫等地表水體的動態水量，用天然河川徑流量表示。Ⅰ區地表水資源量使用界河鋪水文站徑流數據；Ⅱ區地表水資源量使用濟勝橋水文站數據，反映了界河鋪—濟勝橋（即忻定盆地主要地表水源地）區間的水資源變化情況；Ⅲ區則使用南莊水文站數據。

根據忻州市水資源公報及相關文獻中的數據，將20世紀50年代以來，每10a一個階段，進行水資源量距平計算，結果見圖1。可以看出：20世紀50年代以來各區水資源量下降程度較明顯，50年代的水資源量遠超1950年以來的平均水平；60年代急劇下降，70年代成為轉折時期，20世紀初期突然大幅減少，水資源顯著變少；但不同區的變化情況有所不同：中上游地區（Ⅰ，Ⅱ區）在70年代為正距平，濟勝橋以下地區（Ⅲ區）70年代已為負距平。90年代至今是滹沱河山區整個近60a時間序列中枯水期，Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區降水量與多年平均比下降分別為4.9%，4.9%，6.0%，表現為Ⅰ，Ⅱ區地表水資源大幅減少，但Ⅲ區影響明顯偏小。

2.2 分區地下水資源的變化

因為不同文獻的地下水資源評價方法不同，進行地下水資源量的比較存在困難，因此選擇地下水位這一客觀參數來分析地下水資源變化趨勢。

第Ⅰ、Ⅱ區水資源分區在20世紀80年代開始，地下水資源成為該區水資源開發總量的主要組成部分，且開采區域以盆地平原區為主。資料顯示，1982—2000年，忻定盆地地下水位平均每年下降1.04m，至2000年，盆地內超采區集中在忻府區和原平市，超采區占盆地總面積的3.5%，而采補平衡區47.6%，尚有開采潛力區面積占48.9%。而到2010年，忻定盆地地下水位上升區、下降區、相對穩定區面積分別占盆地區總面積的3.7%，14.7%和81.6%。

第Ⅲ水資源區地下水以變質巖、碎屑巖裂隙水和局部巖溶裂隙水形式，以及局部河床第四系堆積物中的孔隙水形式存在。根據忻州市第二次水資源評價及近10a水資源公報數據顯示，近30a內地下水資源變化不明顯［9］。

圖1 滹沱河山區各分區地表水資源量不同年代均值距平

3 滹沱河山區水資源變化影響因素分析

自80年代以來，滹沱河山區由于人口增長、工農業和生活用水增加、水資源污染、生態環境惡化以及由氣候變化所帶來的天然水資源的減少，使水資源的供需矛盾更加尖銳。另外滹沱河山區水資源只有出境，少有入境，更加劇了該區域水資源的匾乏程度。氣候變化因素包括降水、蒸發、露點、氣溫等的變化，對水資源的變化有較大的影響，特別是一些人類活動影響較小的山丘區，已成為影響水資源變化的主要因素。其中降水、蒸發的變化成為最主要因素［10］。

人類活動對于水資源變化的影響主要表現在兩個方面：一是未還原部分，是指因工程措施和生物措施改變了下墊面條件（如水土保持措施等），以及雨強變化導致天然產水量的衰減，這部分水量無法用統計方法得到精確數據，通過計算、分析可以解決這個問題，用水保活動影響量表示。二是已還原部分，是指經過統計的工業、農業（農業灌溉、農村人畜和林牧漁業）、城鎮生活消耗水量以及水庫蓄變量等，這部分耗水量可以通過統計進行還原計算，用水利活動影響量表示。

3.1 計算方法及結果

氣候變化對水資源變化影響的計算方法是：首先利用1980年以前資料率定的參數，模擬在1956—1979年下墊面條件下，1980—2010年的氣候條件下的天然水資源狀況。然后把1956—1979年的天然徑流量和在1956—1979年下墊面條件下1980—2010年的天然徑流量進行對比，可得出影響大小程度。具體方法對照崔炳玉等［11－12］的研究成果，氣候變化對水資源變化的影響量公式為：

Q氣影＝Q80后擬－Q80前

式中：Q氣影——氣候變化對水資源變化的影響量；Q80后擬——在1956—1979年下墊面條件下模擬的1980—2010年的平均天然徑流量；Q80前——1956—1979年的平均天然徑流量。人類活動對水資源變化影響的計算公式為：

Q人類＝Q未還－Q還原

Q未還＝Q天然－Q模擬

式中：Q人類——人類活動對于水資源變化影響總量；Q未還——水保活動影響量；Q還原——水利活動影響量；Q天然——天然徑流量；Q模擬——下墊面條件不變時的模擬計算量。

3.2 影響因素分析

通過計算，得到各水資源分區的氣候變化對水資源變化的影響，見表1。需要說明的是各分區氣候影響水資源分析中使用的蒸發量數據直接來源于2004年忻州市第二次水資源評價報告，此處不再單獨計算。

表1 氣候變化和人類活動對水資源變化的影響程度分析

成水用水環境（Ⅰ區）：氣候變化和人類活動分別使徑流量減少了12 772萬 m3／a，19 026萬 m3／a，占1956—2010年平均天然徑流量的27.3%，40.6%，其中水保活動與水利活動分別使徑流量減少了7 437萬 m3／a，11 589萬 m3／a，占1956—2010年平均天然徑流量的15.8%，24.7%。由此可見人類活動是水資源減少的主要因素，人類活動因素中，其中水利活動對水資源的影響約占60.8%。分析其原因，氣候因素中降水和蒸散發是天然條件下水資源形成的必要條件，下墊面的變化則起著分配蒸散發量、地表水資源量、地下水資源量的作用。下墊面變化對水資源總量的影響實際上可以被綜合在蒸散發量變化的影響中考慮，或者被綜合在徑流變化和地下水變化中。其他如氣溫、濕度等氣象因子對水資源的影響都可被綜合在降水、蒸散發這兩個因子中考慮。該區年降水量平均每年減少0.34%（算術平均），根據2004年忻州市第二次水資源評價結果顯示，1956—2000年該區蒸發量年平均減少0.19%，影響該區蒸發主要氣象要素并非溫度，而是平均風速的變化，因此，降水量是該區水資源減少的主要氣候因素。水保活動主要表現在該地區自2000年后退耕還林（草）及京津風沙源治理工程實施，在一定程度上改變了下墊面，蓄減了地表徑流。水利活動主要與該地區人口、農業、畜牧業發展，使該地區用水量持續增加有關。

用水環境（Ⅱ區）：氣候變化和人類活動分別使徑流量減少了2 515萬 m3／a，4 718萬 m3／a，占1956—2010年平均天然徑流量的18.8%，35.4%，其中水保活動與水利活動分別使徑流量減少了247萬m3／a，4 471萬 m3／a，占1956—2010年平均天然徑流量的1.8%，33.5%。由此可見人類活動是水資源減少的主要因素，人類活動因素中，其中水利活動對水資源的影響約占94.9%。該區年降水量平均每年減少0.31%（算術平均），蒸發量年平均減少0.46%，降水減少趨勢明顯，但是蒸散發量和降水量基本同步地持續下降，只是在20世紀80年代和90年代下降趨勢減緩，之后又加劇。這不但表示了蒸散發量變化受主要降水量控制，而非研究區水資源變化的主要影響因素，而且說明該區影響水資源變化的關鍵氣候因素是降水。水保活動與水利活動對該區水資源影響差異較大，該區為忻府區、定襄二座縣城所在地，工業、城鎮生活、農業消耗地表水量最大，同時消耗地下水量也大，間接地影響水資源的變化，因該地區大部分屬于平原盆地區，農業發達，農田為主要下墊面，人類對下墊面的影響較小，因此水利活動對于水資源變化影響程度遠大于水保活動。

成水環境（Ⅲ區）：氣候變化和人類活動分別使徑流量減少了4 561萬 m3／a，7 795萬 m3／a，占1956—2010年平均天然徑流量的12.8%，22.0%，其中水保活動與水利活動分別使徑流量減少了5 887萬m3／a，1 908萬 m3／a，占1956—2010年平均天然徑流量的16.6%，5.4%。由此可見人類活動是水資源減少的主要因素，人類活動因素中，其中水利活動對水資源的影響約占24.5%。該區年降水量平均每年減少0.19%（算術平均），蒸發量年平均減少0.53%。與前面兩區正好相反的是，該區水保活動對水資源影響遠大于水利活動，主要與五臺山地區禁牧后植被的恢復、退耕還林工程、小流域綜合治理水保工程有關，而該地區以涵養水源，保護生態，發展旅游為主，豐富的水資源量相對應的是極低的水資源開發利用，地表水資源大部分流出境外，因此水利活動對于水資源變化影響程度遠小于水保活動。

氣候變化對滹沱河區水資源變化的影響具有一定的規律性：1980—2010年，由于氣候變化使Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區水資源分別以平均每年0.88%，0.61%，0.41%（算術平均）的速度減少，衰減趨勢是滹沱河山區從源頭向下游逐漸減小；在氣候變化的影響中，年降水量平均每年減少0.27%（算術平均），徑流減少幅度則遠高于降水減少幅度。人類活動對于滹沱河山區水資源變化影響程度也具有同樣明顯的規律性：Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區水資源分別以平均每年1.31%，1.14%，0.71%的速度減少，即從源頭向下游影響程度逐漸減小；不同的是，水保活動影響程度大小順序為Ⅲ區＞Ⅰ區＞Ⅱ區，水利活動影響程度大小順序為Ⅱ區＞Ⅰ區＞Ⅲ區，這一規律與滹沱河區地表水、地下水供水工程現狀條件和供水能力相一致。滹沱河山區氣候變化、水保活動、水利活動影響分別占整個徑流減少量的38.6%，26.4%，35.0%，人類活動合計約占61.4%。氣候變化和人類活動對于滹沱河區水資源變化的影響程度比約為2∶3，所得結果與《山西省第二次水資源調查與評價》成果接近，說明方法正確、可信。結論與崔炳玉、楊丙寅［11－14］等人研究結果基本一致。

4 結 論

（1）根據自然地理背景和經濟發展情況，可將滹沱河山區劃分為3個水資源區：Ⅰ區為界河鋪以上部分，屬于成水用水環境，具有一定規模的人類用水活動，但支流密集，產流能力較強；Ⅱ區為界河鋪至濟勝橋段，屬于用水環境，產流能力極弱，人類用水活動極為活躍。Ⅲ區為濟勝橋以下至南莊區域，屬于成水環境，降水較豐富，產流能力較強，區域內的用水活動并不強烈。

（2）滹沱河山區地表水資源逐年減少，根據距平分析，Ⅰ、Ⅱ區在70年代為正距平，Ⅲ區70年代已為負距平。地下水表現在Ⅰ、Ⅱ區忻定盆地地下水位逐年下降，平均每年下降1.04m，且超采區面積有所增大；Ⅲ區近30a內地下水資源變化不明顯。

（3）滹沱河山區水資源的減少是由氣候變化與人類活動共同影響的。氣候變化、水保活動、水利活動影響分別占整個徑流減少量的38.6%，26.4%，35.0%，人類活動合計約占61.4%。由于氣候變化使Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區水資源分別以平均每年0.88%，0.61%，0.41%（算術平均）的速度減少；人類活動使Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區水資源分別以平均每年1.31%，1.14%，0.71%的速度減少，氣候變化與人類活動對水資源變化影響程度具有相同明顯的規律性：即從源頭向下游影響程度逐漸減小；但人類活動表現方式并不相同，水保活動影響程度大小順序為Ⅲ區＞Ⅰ區＞Ⅱ區，水利活動影響程度大小順序為Ⅱ區＞Ⅰ區＞Ⅲ區。

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