丹东市水资源时空分布研究

2019-12-02 08:53
水资源开发与管理 2019年11期
关键词:丹东市降水量径流

(丹东市江河流域管理处,辽宁 丹东 118000)

水资源是指一定区间内能从自然界获得补充并可利用的水,包括地表径流与地下水资源,而其有效来源为降水。水资源能够供应作物生长所必需的水分环境,并为人类生存与发展提供基础,其数量与质量的时空分布受气候特征与人为活动影响。在全球变化特别是气候变暖的背景下,全球气象系统耗散过程中不确定性增强,这对降水过程模式、地表径流聚集、陆面蒸散带来深刻影响,进而一定程度上改变着区域降水特征。本文运用丹东市1955—2016年水资源数据,采用趋势分析与GIS空间可视化方法从时间和空间维度厘清区域水资源分布情况,以期为该市资源环境规划提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

丹东市地处东北中朝边境南部、长白山南麓,面积1.5222万km2。境内属山地丘陵、平原地带,高程在0~1266m,地势自北向南倾斜,森林覆盖率达61.6%,水源涵养能力较好。统计表明,丹东市水资源总量为82.50亿m3,占辽宁省的近1/4,人均水资源占有率高于全国平均水平,达到3386m3。

1.2 数据来源与处理

本研究指标主要是降水量、地表径流量、水资源总量、径流深度,其中水资源总量是扣除地表水和地下水中重复计算的有效资源量。降水量与径流深度数据来源于中国气象数据中心提供的丹东市境内逐日站点的降水资料与逐年径流深度;经平均化处理后采用普通Kriging插值法进行空间可视化。运用线性回归的方法度量水资源趋势特征,其显著性程度设置为0.05水平。采用Matlab2018b中的小波工具箱提取水资源时间变化的周期性规律。

2 结果与分析

2.1 丹东市降水量空间分布特征

丹东地区降水主要由东南季风与盛行西风带来的暖湿气流形成,由于距离海洋位置不同,加之下垫面地表环境主要是地形差异的影响,导致丹东市降水空间分布不均衡。以各站点平均降水量数据为基础,辅助以DEM数据,经过普通Kriging插值得到区域降水量空间连续性分布情况。虽然空间预测值与站点实测值存在差异,但插值过程中保留了不同站点之间空间关联性,另外DEM数据能够详细反映降水的局部变异,预测显示,丹东市降水量介于734~1205mm之间,平均值为1025mm。全市降水量呈北西向南东地带性减少分布,在南北方向上变异显著,这是由地形特征与暖湿气流运行方向引起的。北部为长白山山地丘陵地区,地势较高,南部则是沿海低地平原;气流自东向西运移过程中受地形抬升作用导致气流聚集上升,进而成云置雨、降水集中;反之平坦的南部地区无地表粗糙度阻隔与地势效应影响,从而雨锋迅速过境,降水较少。在西部局部山口迎风坡,降水量可达1100mm以上,而南部降水量少于1000mm。

2.2 丹东市径流深度分布特征

径流深度是水资源空间丰富度的度量指标之一,采用丹东市各水文站的断面总径流量与断面以上流域面积之比,汇总了年均径流深度,并进行插值预测。结果表明:丹东市径流深度介于48~129mm之间,平均值为79mm。总的来看全市径流深度呈由北至南增加分布,结合区域DEM可知,其与地形呈逆向分布,二者之间相关系数为-0.653,在0.01水平上显著。北部山地地区河网密布、水系发达,作为区域河流上游发源地,由于该地流域狭小、汇水较少、河面狭窄,因而径流量并不充沛,径流深度较低。南部为河流中下游地区,区段河流汇水密集、流量丰富,径流深度居于全市高值水平。

2.3 丹东市水资源时间趋势变化

对1955—2016年丹东市水资源指标数据进行汇总,通过Excel2016软件绘制其线性变化特征。就年均降水量而言,呈现减少的特征,倾向斜率为-3.7615mm/a,但并未通过5%水平的信度检验,表明该趋势并不明显。其中1963年的降水量为次最低,仅为655.71mm;2012年为最低,为641.43mm;平均水平为1023.58mm,属于湿润区,见图1(a)。年均降水量的减小将不利于区域水资源供应。水资源总量为排除重复计算后地表径流量与地下水资源总量之和,由图1(b)可知研究时域内丹东市水资源总量的平均值为82.50亿m3,变化斜率与降水量高度一致,为-0.2672亿m3/a,并表现出高度的波动性,其变异系数为62.38%,呈中度变异,表明其年际变化较大。地表径流与地下水资源为互补关系,而降水为其主要且有效的来源,见图1(c),丹东市地下水资源总量在1960年达到最高值,为32.91亿m3;1988年为最低值,仅为5.88亿m3;其年际平均水平为16.82亿m3。受区域气候干化演变、降水量逐渐减少的影响,加之区域人口总量与用水需求不断增加以及对地下水开发力度加大,丹东市地下水资源总量呈减少趋势,其倾向斜率为-0.0975亿m3。从各分项指标统计结果来看,丹东市近年来水资源均表现出减少的趋势特征,这与其他学者的研究结果一致。

图1 丹东市水资源时间趋势变化

2.4 丹东市水资源周期性特征

图2 丹东市水资源周期性特征

小波功率谱能够直观反映丹东市水资源时间周期性特征,见图2。由于降水量、地表径流量、地下水资源量与水资源总量之间具有高度的相关性,为避免分析冗余,仅以水资源总量这一指标进行周期性解析。图2中黑色线圈为显著性通过率达到95%水平的区域,可知,丹东市年降水量存在准2~3年、准3~4年、准4~6年的周期,其中准2~3年的周期在1955—1965年、1970—2005年间较强,其他年份较弱;准3~4年的周期主要分布于1995—2005年间;准4~6年的周期以1965—1995年间为显著。综合来看,丹东市年、季降水量循环周期较短且复杂,尽管度量尺度不同,但均存在准2~4年的周期尺度,且通过5%水平信度检验(P<0.05),表明其为丹东市降水量变化主周期。

3 结 论

近半个世纪以来,全球气候变暖引起气候系统耗散过程突变,进而导致丹东地区降水量呈减少的趋势变化,受此影响,区域地下水蕴藏量与地表径流资源均呈现不同程度下降。伴随着人口、用水需求的剧增,势必要加大对水资源开发利用强度,然而水资源供应的减少将引起供需不平衡。另外,从空间分布来看,丹东地区降水量集中于北部山区,而此区域经济与人口密度稀疏;地表径流量在南部平坦地区汇聚,而此区域断面径流过境不适宜深度开发;因此水资源空间分布与可开发利用程度空间不匹配。为了应对气候干化带来的不利影响,并推进水生态文明建设,需要将区域气候变化特征与水资源时空分布特征结合起来,制定行之有效且对环境影响最小的水利规划建设方案。

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