變化環(huán)境下葫蘆島市水資源安全形勢(shì)分析

董 湃

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110003)

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的時(shí)代背景下，我國(guó)正面臨著嚴(yán)峻的水資源安全形勢(shì)；雖然淡水資源總量名列全球第四位，但我國(guó)人均水資源量?jī)H占世界平均水平的四分之一，是全球人均水資源最貧乏的國(guó)家之一[1]。受全球氣候變化與人類活動(dòng)的影響，自然氣候條件與水文過程均可能發(fā)生較為顯著的變化，而這些變化又可能改變我國(guó)的水資源安全形勢(shì)，從而嚴(yán)重威脅我國(guó)的水資源安全及與之密切關(guān)聯(lián)的生態(tài)環(huán)境安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)安全和農(nóng)業(yè)糧食安全等，因此分析變化環(huán)境下我國(guó)各地區(qū)的水資源安全形勢(shì)已成為刻不容緩的任務(wù)。水資源安全形勢(shì)的分析可采用DPSIRM概念框架法[2]、SPA-MC模型法[3]和BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[4]等，以往大多數(shù)研究?jī)H對(duì)過去或當(dāng)前的水資源安全形勢(shì)進(jìn)行分析，較少對(duì)未來的情景進(jìn)行預(yù)判，因此在變化環(huán)境下其研究成果的應(yīng)用限制性較強(qiáng)[5]。曹睿喆[6]基于大氣環(huán)流模式、降尺度法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)河南省新鄉(xiāng)市未來的水資源條件進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并采用改進(jìn)層次分析法對(duì)該地區(qū)的水資源安全形勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)與分析，但該方法采用了較多的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而使研究成果具有較大的不確定性。SPI指數(shù)(Standardized Precipitation Index)是由世界氣象組織(WMO)建議采用的監(jiān)測(cè)干旱嚴(yán)重程度的指標(biāo)，具有數(shù)據(jù)依賴性低、時(shí)間尺度多、時(shí)空一致性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)際上用于監(jiān)測(cè)干旱事件的最主流工具，但目前在水資源安全形勢(shì)分析中的應(yīng)用尚鮮有報(bào)道。鑒于此，本文采用SPI指數(shù)為水資源安全系數(shù)，根據(jù)CMIP5大氣環(huán)流模式數(shù)據(jù)結(jié)合降尺度法對(duì)葫蘆島市2018～2060年間降水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果計(jì)算葫蘆島各地區(qū)的水資源安全系數(shù)，從而對(duì)變化環(huán)境下葫蘆島市的水資源安全形勢(shì)進(jìn)行分析。

1 水資源安全形勢(shì)評(píng)估方法

1.1 水資源安全形勢(shì)系數(shù)

SPI指數(shù)也稱“標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)”，主要用于監(jiān)測(cè)干旱的嚴(yán)重程度，是目前表示干旱程度最為先進(jìn)的方法之一。SPI指數(shù)具有多個(gè)時(shí)間尺度，既可用于短期評(píng)估，又可用于評(píng)估長(zhǎng)期的干旱嚴(yán)重性；SPI指數(shù)具有較強(qiáng)的空間一致性，因此可以在不同氣候條件下進(jìn)行不同地點(diǎn)之間的比對(duì)；SPI指數(shù)的計(jì)算以降水量為唯一的輸入數(shù)據(jù)，具有較強(qiáng)的可操作性與確定性。目前，SPI指數(shù)幾乎僅被用于水資源的“監(jiān)測(cè)”中而未被用于“預(yù)測(cè)”中，但鑒于SPI指數(shù)的原理與優(yōu)點(diǎn)，選取SPI指數(shù)為水資源安全系數(shù)，并用于變化環(huán)境下水資源安全形勢(shì)的預(yù)測(cè)與分析中，具有較強(qiáng)的可行性。

郭亮[7]已對(duì)葫蘆島市4個(gè)氣象站1962～2015年間的SPI值進(jìn)行了計(jì)算，本文采用類似方法對(duì)現(xiàn)狀年2018～2060年間的SPI值進(jìn)行計(jì)算。首先，將降水量的預(yù)測(cè)值擬合到Γ概率分布方程中，其模型為：

(1)

式中，p—預(yù)測(cè)的降水量；t—時(shí)間尺度參數(shù)；s—譜輪廓參量；N—降水?dāng)?shù)據(jù)組數(shù)。

根據(jù)式(1)可得到累計(jì)概率方程L(p)：

(2)

依據(jù)累計(jì)概率方程計(jì)算結(jié)果并以重現(xiàn)期為基準(zhǔn)將結(jié)果轉(zhuǎn)化為SPI參數(shù)，稱為“水資源安全系數(shù)”，其計(jì)算值所對(duì)應(yīng)的水資源安全形勢(shì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 水資源安全系數(shù)值與水資源安全形勢(shì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.2 變化環(huán)境下降水量預(yù)測(cè)方法

曹睿喆[6]采用CMIP5大氣環(huán)流模式結(jié)合降尺度法預(yù)測(cè)了新鄉(xiāng)市氣候變化條件下的降水量，本文采用類似方法對(duì)葫蘆島市2018～2060年間的降水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。CMIP5大氣環(huán)流模式數(shù)據(jù)集合了20多種主流的氣候模擬模型結(jié)果，根據(jù)氣候變化情景可分為RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5等[8]，曹睿喆采用了各情景的平均值，但為體現(xiàn)出不同變化情景的影響，本文分別對(duì)RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5三種變化情景進(jìn)行分析。

降尺度分析主要是將空間尺度較大的數(shù)據(jù)大氣環(huán)流模式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為更小空間尺度的數(shù)據(jù)，本文采用最為常用的Quantile-Quantile法，其公式為：

(3)

式中，pCORR—修正的氣象因子；fGCM和fOBS—大氣環(huán)流模擬與實(shí)測(cè)值的累積分布函數(shù)；pGCM—大氣環(huán)流模式的模擬值。

降尺度分析主要采用葫蘆島市1973～2017年的降水資料，相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于《葫蘆島市氣候公報(bào)》《葫蘆島地方志》和中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)等；預(yù)測(cè)的降水量時(shí)間范圍為2018～2060年。

2 水資源安全形勢(shì)評(píng)估結(jié)果與分析

2.1 變化環(huán)境下降水量預(yù)測(cè)方法適用性分析

對(duì)RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5三項(xiàng)變化情景下的CMIP5大氣環(huán)流模式數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，并根據(jù)式(3)進(jìn)行降尺度分析，得到葫蘆島市區(qū)、興城市、綏中縣和建昌縣4個(gè)地區(qū)1973～2017年間的逐年降水量，稱為“模擬值”。將模擬值與實(shí)際觀測(cè)值進(jìn)行比較，如圖1所示。由圖1可知，本文采用的降水量模擬方法可非常準(zhǔn)確地模擬出葫蘆島市各地區(qū)降水量的波動(dòng)趨勢(shì)，具體的降水量模擬數(shù)據(jù)與觀測(cè)值存在一定的偏差，但偏差幅度均在10%以內(nèi)，滿足精度要求，說明本文方法在變化環(huán)境下降水量的預(yù)測(cè)中具有較強(qiáng)的適用性[9]。

2.2 變化環(huán)境下降水量預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5三項(xiàng)變化情景下的CMIP5大氣環(huán)流模式數(shù)據(jù)，結(jié)合Quantile-Quantile降尺度法，預(yù)測(cè)出不同變化環(huán)境下葫蘆島市區(qū)、興城市、綏中縣和建昌縣2018～2060年間的降水量，如圖2所示。

在市轄區(qū)，RCP2.6變化情景下的降水量平均值為765mm，RCP4.5情景下的為695mm，RCP8.5情景下的為804mm，各情景的平均值為755mm，高于1973～2017年的599mm；一般認(rèn)為，全球氣候變化導(dǎo)致降水量的增加，因此預(yù)測(cè)結(jié)果與預(yù)期趨勢(shì)保持一致。在興城市，RCP2.6變化情景下的降水量平均值為786mm，RCP4.5情景下的為709mm，RCP8.5情景下的為823mm，各情景的平均值為773mm，高于1973～2017年的599mm，且結(jié)果與市區(qū)相差有所增加；一般認(rèn)為，全球氣候變化在導(dǎo)致降水量增加的同時(shí)，也使得降水分布變得更為不均勻，因此本文結(jié)果與預(yù)期的變化趨勢(shì)保持一致。此外，在綏中縣，RCP2.6變化情景下的降水量平均值為725mm，RCP4.5情景下的為656mm，RCP8.5情景下的為756mm，各情景的平均值為712mm，高于1973～2017年的621mm。在建昌縣，RCP2.6變化情景下的降水量平均值為686mm，RCP4.5情景下的為617mm，RCP8.5情景下的為722mm，各情景的平均值為675mm，高于1973～2017年(現(xiàn)狀值)的549mm。綜上，變化環(huán)境下葫蘆島市的降水量相對(duì)于歷史情況有所增加但分布更不均勻，預(yù)測(cè)結(jié)果符合預(yù)期趨勢(shì)。

圖1 葫蘆島市歷史降水量觀測(cè)值與模擬值對(duì)比

圖2 變化環(huán)境下葫蘆島市未來降水量預(yù)測(cè)值

圖3 變化環(huán)境下葫蘆島市水資源安全系數(shù)預(yù)測(cè)值

2.3 變化環(huán)境下水資源安全系數(shù)

根據(jù)式(1)與(2)所示的SPI值計(jì)算模擬，結(jié)合圖2所示的降水量預(yù)測(cè)值，計(jì)算出變化環(huán)境下葫蘆島市的水資源安全系數(shù)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，各變化情景下的水資源安全系數(shù)存在一定的差異，但為得到整體的變化趨勢(shì)，可取各情景的平均值進(jìn)行綜合評(píng)估[10]。根據(jù)圖3所示數(shù)據(jù)的平均水平可知，葫蘆島市區(qū)在研究時(shí)間范圍內(nèi)約有35%的年份出現(xiàn)水資源安全問題，其中2027年易出現(xiàn)水資源嚴(yán)重不安全事件，2041、2050年易出現(xiàn)中等不安全事件。興城市在研究時(shí)間范圍內(nèi)約有53%的年份出現(xiàn)水資源安全問題，相對(duì)市區(qū)的水資源安全形勢(shì)更為嚴(yán)峻；其中2027年易出現(xiàn)水資源極度不安全事件，2041、2050年易出現(xiàn)嚴(yán)重不安全問題，而2019、2022、2039和2040年容易出現(xiàn)中等不安全問題。綏中縣在研究時(shí)間范圍內(nèi)也是約有53%的年份出現(xiàn)水資源安全問題，與興城市的形勢(shì)較為接近，但嚴(yán)重程度略低；其中2027、2041和2050年易出現(xiàn)水資源嚴(yán)重不安全問題，而2019、2022、2039、2040、2044和2047年容易出現(xiàn)中等不安全事件。建昌縣在研究時(shí)間范圍內(nèi)也是約有47%的年份出現(xiàn)水資源安全問題，高于市區(qū)、但低于其它縣市；2027、2041和2050年易出現(xiàn)水資源嚴(yán)重不安全問題，而2019、2022、2039、2040和2044年容易出現(xiàn)中等不安全事件。

綜上分析可知，在空間分布方面，興城市和綏中縣出現(xiàn)水資源安全問題的頻率最高，但興城市的嚴(yán)重程度更高，建昌縣次之，而市區(qū)的水資源安全形勢(shì)相對(duì)較好；在具體工作中，應(yīng)根據(jù)此預(yù)期適當(dāng)配置水資源并調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，不應(yīng)僅根據(jù)當(dāng)前的水資源形勢(shì)而將水資源過度集中于市區(qū)，引發(fā)未來更為嚴(yán)重的水資源安全問題。在時(shí)間分布方面，葫蘆島各地在2027年的水資源安全形勢(shì)均較為嚴(yán)峻，2041、2050年的問題也可能較為嚴(yán)重，而2019、2022、2039、2040和2044年也容易出現(xiàn)較高程度的水資源安全問題；在具體工作中，可根據(jù)預(yù)期情況進(jìn)行合理的水資源年際間調(diào)度，采取豐蓄枯補(bǔ)的策略以改善水資源的安全形勢(shì)。

3 結(jié)論

在空間分布方面，興城市和綏中縣出現(xiàn)水資源安全問題的頻率最高，但興城市的嚴(yán)重程度更高，建昌縣次之，市區(qū)的水資源安全形勢(shì)相對(duì)較好；在時(shí)間分布方面，葫蘆島各地在2027年的水資源安全形勢(shì)均較為嚴(yán)峻，2041、2050年等年份也可能出現(xiàn)較為嚴(yán)重的水資源安全問題。因此，應(yīng)根據(jù)預(yù)判結(jié)果適當(dāng)?shù)卣{(diào)整水資源時(shí)空分配和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，以改善當(dāng)?shù)厮Y源安全形勢(shì)。但是，本文方法僅考慮水資源自然條件，在具體的應(yīng)用中，還應(yīng)考慮人口和社會(huì)經(jīng)濟(jì)需水量等較難進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的變化因素，從而對(duì)實(shí)踐提供更為有效的科學(xué)指導(dǎo)。