河南省引黃受水區水資源情勢分析

張修宇，陳 卓，王貽森，石 峰

(1.華北水利水電大學 水資源學院，河南 鄭州 450046；2.河南省人民勝利渠保障中心，河南 新鄉 453003；3.河南省豫東水利保障中心，河南 開封 475000）

水是生命之源,對人類文明的發展有著舉足輕重的作用。隨著現代化進程加快,人類對水資源的需求不斷增加,雖然水資源屬于可再生資源,但是其自然恢復的速度遠不及人類生產生活所消耗的速度,局部乃至大范圍內水資源缺乏的情況時有發生［1］。

水資源情勢分析是指對特定地區的水資源量、水質、水文、氣象等方面的情況進行研究分析,以便為水資源的合理利用和管理提供科學依據［2］。我國關于水資源的相關研究主要集中在地區水資源評價、水資源可持續利用、水資源安全性評估以及水資源優化配置4 個方面。金菊良等［3-4］在水資源相關學科的基礎上,梳理了水資源空間均衡的研究趨勢,認為我國水資源空間均衡理論基礎研究需要進一步加強；張修宇等［5-8］研究梳理了河南省引黃受水區的發展水平、水安全現狀,發現河南省引黃受水區的水資源綜合利用效率不高、水安全建設有待加強；楊翊辰等［9］分析了黃河的水資源情勢,發現黃河水資源利用效率不高；劉健等［10］對山東省的水資源情勢進行了分析,結果表明受工程建設不完善和自然因素的影響,山東省水資源情勢未來前景不容樂觀；張紅衛等［11］分析了河南省水資源量等的變化特點和規律,提出了加強管理、合理開發地下水、多水源優化配置等對策措施。國外學者的研究則集中在水資源的全球狀況、水資源的管理和利用、水資源的污染和治理、水資源的氣候變化影響等方面。我國淡水資源總量豐富,但人均水資源量少,對水資源情勢的分析迫在眉睫。河南省引黃受水區是中國糧食生產核心區,對其開展水資源情勢分析,對河南省水安全、水資源優化配置等有重要意義。

本文利用Spearman 相關性分析法［12］,對2001—2021 年河南省引黃受水區的水資源情勢進行分析,以期為水資源優化配置、水安全評價、水資源承載力等研究提供參考。

1 研究區概況與數據來源

河南省引黃受水區包含河南省北部、西部、東部大部分地區,包括鄭州、開封、洛陽、安陽、鶴壁、新鄉、焦作、濮陽、三門峽、商丘、周口、平頂山、許昌及濟源共14 個地級市,總面積10.23 萬km2(占全省面積的61.3%)。受水區地處我國第二階梯和第三階梯的過渡地帶,地質條件復雜,地層系統齊全,構造形態多樣。地勢西高東低,地貌類型復雜多樣,由中低山地、丘陵過渡到平原,水系眾多。河南省引黃受水區DEM 圖見圖1。

圖1 河南省引黃受水區DEM

本文所用數據來源于《河南省水資源公報》、各地級市水資源公報及統計年鑒。

2 水資源情勢分析

2.1 2001—2021 年水資源要素變化分析

2001—2021 年河南省引黃受水區水資源總量、產水模數、產水系數、降水量、人均水資源量見表1。

表1 河南省引黃受水區水資源要素數據

(1)水資源總量。2001—2021 年河南省引黃受水區水資源總量年均值為181.43 億m3,年水資源總量最大值發生在2021 年(389.31 億m3),最小值發生在2019 年(102.25 億m3)。2001—2011 年水資源總量總體偏高,2012—2020 年總體偏低,2021 年急劇增長。2001—2011 年波動較為劇烈,離散系數為0.326；2012—2020 年波動較為平緩,離散系數為0.113。2021 年水資源總量增加最多,比2020 年增加了230.60億m3；2004 年減少最多,比2003 年減少了104.46 億m3。其對數擬合方程式為

式中:y為擬合水資源總量；x為年份。

(2)降水量。2001—2021 年,河南省引黃受水區年降水量最大值發生在2021 年(1 157.8 mm),最小值發生在2013 年(501.6 mm),最大值為最小值的2.3倍。2001—2010 年降水量波動幅度較大,離散系數為0.189,大于2011—2021 年的離散系數0.128。其指數擬合方程式為

式中:y*為擬合降水量。

(3)產水模數。2001—2021 年河南省引黃受水區的產水模數最大值發生在2021 年(37.66 萬m3/km2),最小值發生在2019 年(9.90 萬m3/km2),最大值是最小值的3.8 倍。

(4)產水系數。產水系數是指一個區域內水資源總量占總降水量的比例,反映降水轉化為水資源的能力,產水系數越大降水轉化為水資源的能力越強。2001—2021 年,河南省引黃受水區的產水系數為0.018～0.033,離散系數為0.165,波動不大；2001—2010 年的離散系數(0.160)小于2011—2021 年的離散系數(0.170),后一時段比前一時段波動稍大,主要受2021 年7 月大暴雨的影響。

(5)人均水資源量。人均水資源量最大值出現在2021 年(527.9 m3),最小值出現在2019 年(145.7 m3),前者是后者的3.6 倍,表明河南省引黃受水區人均水資源量年際差異較大。

結合Spearman 方法對人均水資源量的直接影響因素(水資源總量、人口數)進行分析,分別對人口數、水資源總量與人均水資源量的關系進行相關性分析。引黃受水區的人均水資源量和人口數相關系數僅為0.196,未通過顯著性檢驗,表明在2001—2021 年人均水資源量變化過程中,人口數不是其主要影響因子；引黃受水區的人均水資源量和水資源總量的相關系數為0.981,在0.01 顯著性水平(雙尾)上相關性顯著,說明水資源總量是人均水資源量的主要影響因子。

2.2 河南省引黃受水區各地級市水資源要素對比分析

2001—2021 年河南省引黃受水區各地級市的水資源總量、產水模數、降水量、人均水資源量見表2。

表2 河南省引黃受水區各地級市水資源要素數據

(1)水資源總量。河南省引黃受水區各地級市水資源總量差異較大,空間分布不均,其中水資源總量超過15 億m3的地級市有5 個(周口、洛陽、商丘、平頂山和三門峽),小于5 億m3的地級市有2 個(鶴壁和濟源),水資源總量最多的周口(25.71 億m3)是最少的濟源(3.41 億m3)的7.5 倍,主要原因是濟源面積最小。2001—2021 年河南省引黃受水區14 個地級市水資源總量均值為12.96 億m3/a,其中有6 個地級市超過該均值,有8 個地級市少于該均值。

(2)產水模數。2001—2021 年河南省引黃受水區各地級市產水模數各不相同,產水模數最大的地級市為平頂山(23.35 萬m3/km2),最小的為濮陽(14.76 萬m3/km2)。多年平均產水模數為17.56 萬m3/km2,大于區域產水模數年均值的地級市有5 個(平頂山、周口、焦作、濟源和商丘),小于年均值的地級市有9 個,這與其地理位置、地形地貌、植被覆蓋等因素有關。

(3)降水量。河南省引黃受水區各地級市降水量差別不大,平頂山降水量最大(786.8 mm),濮陽降水量最小(574.9 mm),二者相差211.9 mm。多年平均降水量大于700 mm 的地級市有洛陽、平頂山、周口、商丘,小于600 mm 的地級市僅有濮陽,大于和小于地級市平均值(689.4 mm)的各有7 個地級市,分布較為均衡。商丘、周口、平頂山3 個地級市多年平均降水量較大,鄭州、開封、許昌、洛陽、三門峽、濟源6 個地級市多年平均降水量中等,安陽、鶴壁、濮陽、新鄉、焦作5 個地級市降水量較小,呈現自北向南降水量增大的空間分布態勢。

(4)人均水資源量。河南省引黃受水區多年人均水資源量最高的地級市為三門峽(694.3 m3),最低的地級市為鄭州(126.9 m3),最高值是最低值的5.5 倍,大于地級市均值(311.8 m3)的有三門峽、濟源、洛陽、平頂山,其他8 個地級市小于均值。

3 水資源情勢影響因素

3.1 氣候變化

氣候變化是影響河南省引黃受水區水資源情勢的重要因素,主要因子包括降水量、蒸散發量、氣溫和光照等。水資源總量、降水量、降水量與蒸散發量的差值變化過程見圖2。

圖2 河南省引黃受水區水資源總量、降水量、降水量與蒸散發量的差值變化過程

(1)降水量。由圖2 可以看出,水資源總量和降水量的變化趨勢基本一致,降水量越大水資源總量就越大。對水資源總量和降水量數據進行正態分布檢驗,發現其不符合正態分布,故利用Spearman 相關性分析方法對其進行相關性分析,得到降水量與水資源總量相關系數為0.877,在0.01 顯著性水平上相關性顯著,說明降水量是水資源總量的重要影響因素之一。

(2)蒸散發量。蒸散發是水資源量減少的重要自然因素。利用Spearman 相關性分析方法對河南省引黃受水區降水量和蒸散發量的差值與水資源總量進行相關性分析,相關系數為0.811,在0.01 顯著性水平上相關性顯著,說明蒸散發量也是水資源情勢的重要影響因素。

3.2 人類活動

河南省引黃受水區是我國重要的糧棉基地,灌溉和耕作方式等都對水資源的情勢有所影響。近年來,隨著鄉村振興戰略的推進,實施地面硬化等工程項目改變了下墊面條件,直接影響了產流與匯流過程,進而影響相關水文參數和區域水資源情勢。隨著社會經濟的發展,為了保護地下水資源和避免地面沉降,很多地級市逐步減少地下水的抽取,轉而高效利用河川徑流等地表水源,或利用南水北調等調水工程獲取水資源。這些人類活動改變了水資源的利用方式和程度,影響了入滲、徑流、蒸散發等水文要素的變化,從而影響了水資源情勢。

4 結語

本文根據2001—2021 年的氣象水文資料,采用Spearman 相關性分析法,探究河南省引黃受水區水資源情勢。結果顯示,各因子在時序上基本保持穩定,2019 年最小,主要受到部分地區極端干旱影響；2021年最大,主要受到極端降水的影響。通過對各地級市水資源總量、降水量、人均水資源量、產水模數、產水系數進行分析,發現水資源總量受降水量影響較大,豫北地區相對較為缺水；降水量和蒸散發量是影響該地區水資源情勢的主要因子。

限于數據獲取途徑單一,本文僅對河南省引黃受水區的水資源情勢進行初步分析,下一步需收集更多相關數據進行完善。本文對水資源各要素的分析尚不夠深入,以后需要利用更多方法進一步剖析水資源情勢的演變趨勢,為河南省引黃受水區水資源管理與利用提供參考。