丹東市水資源時空變化規律研究

王振輝

(遼寧省丹東水文局，遼寧 丹東 118001)

0 引 言

大氣降水為水資源的有效來源，主要包括可以利用的地表徑流水以及能夠從自然界獲得補充的地下水。水資源能夠為人類生存發展和作物生長提供所必需的水分環境，并且人類活動與氣候特征對水資源質量、數量的時空分布影響顯著。近年來，由于極端天氣事件頻發以及全球氣候變暖增大了氣象系統耗散的突變性，這對陸面蒸散、地表徑流聚集、降水過程模式造成了顯著影響，并使得區域降水特征發生了一定的改變[1-4]。依據1959-2018年丹東市水文氣象資料，對研究區水資源變化特征，從時間和空間兩個維度利用趨勢分析法、GIS空間可視化技術進行探究，以期為促進水資源合理利用和區域產業結構調整提供數據支撐。

1 研究方法

1.1 區域概況

丹東市地處東北亞中心地帶，是一座沿海、沿江、沿邊城市，核心區坐標為E124°23′，N40°07′，總面積1.52萬km2。該區域為遼東丘陵地帶，其中丘陵山地占72.4%，水域、平原谷地及其他占8.7%、14.6%、4.3%，從西南向東北地勢不斷升高，其中東港中南部與主城區地勢最低，而地勢高低以鳳城北部與高點為主，海拔約500m。研究區為溫暖帶亞濕潤季風氣候，由于地貌形態差異境內氣候環境變化較大，北部氣溫6-7℃，南部8-9℃，降水量為648.4-1761.7mm，且夏季占年降水的2/3，暴雨集中期為7月至8月中旬。

境內水系發育良好，江河密布，流域面積超過4983km2的有大洋河、鴨綠江、叆河和渾江，其它大小河流944條，水源涵養能力好，林草覆蓋率61.6%。結合水文資料，丹東市年均水資源量84.88億m3，占遼寧省的25.2%，平均徑流深81mm，其中地下水補給量16.82億m3，人均占有量為全省的4.6倍，區域產水模數為57.48萬m3/km2，屬于遼寧地區降雨量最多且水資源最豐富的地區[5]。

1.2 水資源利用現狀

雖然丹東地區具有豐富的水源，但水資源利用過程中仍存在水體污染嚴重、農業用水效率低、水資源經濟意識缺乏、用水憂患意識薄弱、地表水開發利用度低、攔蓄工程建設滯后、水資源時空分布不均等問題[6]，主要體現在以下方面：

1)丹東市人均水資源量為我國平均水平的1.5倍，該水平接近于南方地區，但該區域實現均衡用水仍存在一定的差距。例如，北部低山丘陵區水資源豐富，而南部適宜農耕的沿海平原區農業用水量具有較大缺口。沿海經濟帶的進一步發展和丹東市東港城區的持續擴大，加之生產生活與工業用水量的持續增大，使得鐵甲水庫承擔城市供水和農田灌溉壓力加大，為促進區域用水平衡必須加強水利工程建設。

2)遼東地區山高坡陡、土質疏松、降水流速快，天然降水的攔蓄利用存在較大難度，加之攔蓄工程較少使得雨過河干的現象較為普遍，丹東地區潛在水危機日趨嚴重。生產生活用水量的劇增進一步激化了水資源供需突出，預測顯示未來20年該區域講義干旱氣候為主，必須要有的用水經濟意識和憂患意識。

3)科學性、計劃性為水資源開發的基本要求，為推動產業發展規劃、城市總體布局與用水結構的協調發展必須合理規劃水資源利用。今后工作的重點將逐漸轉向水資源調蓄能力的提升以及水利工程的建設，目前已逐步規劃的河流有叆河及其支流。丹東市出境地表水以注入黃海為主，調查顯示水庫蓄水量較低，且鴨綠江水資源總體開發較低，因此部分地表水開發潛力較大。

4)當前仍然面臨水質性缺水、水利設施老化和工程建設滯后等問題，丹東市農業用水效率低、生活用水浪費嚴重、公眾節水意識薄弱、節水器具普及率低且供水系統管理不當。受特殊的地理條件和歷史原因等限制，丹東市邊境地區開發較晚、經濟不發達，因此存在輕保護、輕管理、重利用的現象，同時存在水質污染和生態破壞的問題。

1.3 數據擬合

選擇徑流深度、水資源總量、地表徑流量和降水量作為研究指標，逐年徑流深度和逐日站點降水量來源于中國氣象數據中心，以扣除重復計算的地下水和地表水量作為水資源總量。為準確描述水資源趨勢特征以及實現空間可視化處理，采用線性回歸法和普通Kriging插值法擬合分析各指標均值，設置顯著性水平(α=0.05)，采用Matlab系統自帶小波分析模塊揭示水資源事件變化規律[7]。

2 水資源時空變化規律

2.1 降水量空間分布特征

東南季風和盛行西風帶來的暖濕氣流為形成該區域大氣降水的主要原因，由于不同地區的下墊面和距離海洋的維持存在差異，使得在空間分布上丹東市降水極不均衡。采用普通Kriging差值法和DEM數據、各站點降水監測平均值，從空間上獲取連續分布的區域降水情況。盡管站點實測值與空間預測值具有一定的偏差，但各站點間的空間關聯性在差值運算過程中得以保留，并且局部降水的變異可以利用DEM數據來衡量。結合預測結果，丹東地區降水量均值為1081.5mm，總體處于648.4-1761.7mm范圍。

在南北方向上降水量變化較為明顯，這主要與暖濕氣流運動、地貌形態特征等因素相關，南部為平原沿海地帶，北部地勢較高為丘陵地區，從東南向西北降水量表現出逐漸增大趨勢。另外，大氣運移過程中受地形抬升作用出現聚集，從而形成降水集中的云置雨；不受地勢作用且無地表組草組合作用的南部區域，雨峰過境速度較快，其降雨量較少低于1000mm，而西北部局部山口迎風坡的降水量可超過1100mm。

2.2 徑流深分布特征

為準確衡量丹東市水資源空間豐富程度引入徑流深度指標，其數值等于單位流域面積上的總徑流量，所涉及到的數據有各水文站斷面以上流域面積、斷面處總徑流量等，對年均徑流深進行統計匯總，并差值預測徑流分布狀況。研究表明：丹東地區徑流深度平均值為81mm，總體處于46-132mm范圍。總體而言，自南向北研究區徑流深度呈減少分布特征，進一步分析DEM數據發現，徑流深度分布與地形呈顯著負相關性，相關系數-0.647，通過顯著性(α=0.01)檢驗。北部山區為河流上游發源地，水系發育良好且河網密布，由于受地形條件限制，所以徑流深度不高且徑流量較少。南部水系密集且徑流豐富，該區域中下游其徑流深度相對于其他地區明顯較高。

2.3 水資源量時間變化趨勢

采用Excel2019軟件和丹東市1959-2018年水資源相關數據，繪制水資源量時間變化曲線，如圖1。從圖1可知，區域年均降水量呈減少趨勢，變化幅度為-3.7528mm/a，置信度檢驗未通過5%水平，可見變化趨勢不顯著。降水量最低值為2016年的648.4mm，其次為1967年的652.6mm，該區域為濕潤區，降水量均值1081.5mm。

圖1 降水量變化趨勢

從圖2可以看出，全市水資源總量在整個研究時段內為84.88億m3，降水量變化與水資源量波動高度吻合，變化斜率為-0.2618億m3/s，變異程度達到中度，變異系數為62.41%，年際水資源量存在較大變化。

圖2 水資源總量變化趨勢

大氣降水為水資源的主要來源，地下水與地表徑流之間存在互補關系如圖3。從圖3可知，研究區地下水資源量年際平均水平為16.69億m3，最高值為1965年的33.92億m3，最低值為1992年的5.91億m3。在區域降水量減少、氣候干化演變、地下水開發力度加大、用水需求量增多以及人口規模增大等因素綜合作用下，該區域地下水量呈波動下降趨勢，變化率為-0.0981億m3。結合以上分析結果，近年來丹東市水資源量整體呈下降趨勢，該研究結論與其他研究成果保持較好一致性。

圖3 地下水資源變化趨勢

2.4 水資源周期性

考慮到水資源總量與地下水、地表徑流和降水量間的高度相關性，為防止出現冗余計算，采用小波功率譜解析水資源總量的變化周期性。結果顯示，準4-6年、準3-4年、準2-3年為丹東市年降水的變化周期，以上準周期在1970-2000年間、2000-2010年間、1975-2010年與1960-1970年間較為顯著，而其它時段周期性較弱。整體而言，降水量年、季度量尺度不同，變化復雜且循環周期短，但變化周期均存在準2-4年且通過顯著性(P<0.5)檢驗，可見該區域降水主周期為準2-4a。

3 結 論

全球氣候變暖加劇了氣象系統耗散的不確定性，從而使得丹東地區降水量、地表徑流量和地下水蘊藏量均出現一定程度的減少。隨著各行業用水量的劇增以及人口規模的持續擴大，水資源開采力度勢必進一步加大，水資源供需矛盾將更加緊張。從空間尺度上，人口密度稀疏且經濟欠發達的北部山區為丹東市降水量集中區，而南部平坦地區為地表徑流量匯集區，但此區域不宜過度開發地表過境徑流，所以可開發利用程度與水資源空間分布不協調。為促進水生態文明建設和提高綜合用水效率，必須充分考慮水資源時空分布特征和區域氣候變化特點，合理規劃水利建設布局。