芜湖市近十年水资源变化特征及影响因素

孙奕琳， 苗雨青,2， 崔 乾， 张汝南， 王欣畅

(1.安徽师范大学 地理与旅游学院，安徽 芜湖 241003;2.江淮流域地表过程与区域响应安徽省重点实验室，安徽 芜湖 241003)

IPCC第五次评估报告指出，全球气候变暖诱发的资源短缺、环境恶化、财产损失等问题受到社会的广泛关注[1-2]。随着人口增长和城镇化发展，中国对水资源的需求量与日俱增，而人均占有量仅为世界平均水平的四分之一，水资源短缺已成为制约城市发展的主要因素[3]。此外，来自工业、农业等领域点源或面源污水排放量的增加，导致水体污染加重、水质下降、水域生态功能退化[4]，水资源及水环境问题成为生态环境亟待解决的难题之一。

我国水资源时空分布不均，气候变化通过对水循环过程的影响加剧了水资源空间分布的差异[5-7]，水资源南多北少的局面更加明显[8]。然而，当前对水资源的探究主要集中在北方干旱区域，对于南方地区诸如城市化进程明显的长三角地区城市水资源状况研究成果相对较少。邓晓军等[9]通过城市水足迹模型模拟得到上海市水资源用量过多，需通过水资源进口弥补自给不足的结论；赵晨[10]等通过建立数据包络分析模型，指出江苏省水资源利用主要集中于工农业用水和虚拟水贸易；豆明伟等[11]将水文要素作为重要指标来评价生态弹性力，结果表明，水资源量的减少引起安徽省生态弹性力下降。从现有研究来看，水资源特征的研究多集中于某一区域或省份，针对较小范围如城市水资源变化特征及影响因素的研究开展较少。此外，多数研究从自然因素角度分析了水资源动态变化的原因，却忽视了社会经济发展因素对水资源动态变化的影响。长三角作为我国第一大经济区，区域环境质量随着城市化的发展而下降，众多城市面临着水资源短缺甚至严重缺水问题，严重影响到区域的可持续发展[12]。

芜湖市位于安徽省东南部，地处长江下游平原，属于亚热带湿润季风气候，地貌以平原和丘陵为主，整体地势由南向北倾斜，特殊的地理位置，导致区域人口密度大，农业资源丰富，是重要的水稻、油菜种植基地。在国家中部崛起的战略背景下，芜湖市作为承东启西，连接南北的重要城市之一，其开发的力度将进一步加大，而对水资源的可持续利用与保护是城镇化发展的关键。基于此，在气候变化和人类活动加剧背景下，芜湖水资源及水质随时间发生怎样的变化以及何种因素驱动这种变化值得关注。本文以芜湖市为研究区，利用Spearman秩相关法及通径分析法对芜湖市近十年水资源量(水资源总量、降水、地表水、地下水)及水质变化趋势进行检验，探讨芜湖市水资源动态变化特征及影响因素，以期为芜湖市经济发展及水资源合理利用提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 数据来源

研究的数据由3部分组成：(1)芜湖市的逐月降水量资料、水资源量数据及气温来源于2008—2017年国家气象信息中心气候资料室。(2)污水排放量、有效灌溉面积、城镇化水平等社会经济数据来源于安徽统计年鉴，各项的取值是市辖区及各县数据的合计。(3)地表水质资料来源于2012—2018年芜湖市水资源公报。

1.2 分析方法

1.2.1 变化趋势与倾向率 自变量为时间t，因变量为气象要素(水资源)，建立气象要素(水资源)关于时间的线性回归方程：

yt=bt+a

(1)

式中，b表示趋势变化率或气象要素(水资源)的变化倾向。当b>0时，气象要素(水资源)表现为上升的趋势；当b<0时，气象要素(水资源)表现为下降的趋势。b的绝对值越大则表明变化特征越显著。

1.2.2 秩相关系数 秩相关系数(rs)是研究两个变量之间相关程度和方向的一种非参数统计相关分析方法。若rs为正值，则表明变量指标变化呈上升趋势；若rs为负值，则表明变量指标变化呈下降趋势。rs的绝对值同秩相关系数的临界值(c)(表1)进行比较，可检验变量变化趋势的显著性。当|rs|>c时，则表明变化显著；当|rs|≤c时，则表明变化趋势不明显[13]。其公式为

(2)

式中，rs表示秩相关系数，N表示样本数量，xi表示水资源序列，yi表示时间序列。

表1 秩相关系数临界值表Table 1 The table of critical value of rank correlation coefficient

1.2.3 通径分析 通径分析是在多元回归分析基础上加以完善，除了考虑变量之间的直接作用，还考虑变量之间的传递过程，全面考察自变量和因变量之间的相互作用，包括直接作用和间接作用[14]。假设影响水资源变化的原因有m个自变量，任一自变量Xi与因变量Y之间的简单相关系数riy，构成求解通径系数的标准化正规方程，如下式：

(3)

影响水资源动态变化的因素复杂，出于现有条件和对现象的认识有限，在进行自变量的选择时不可能将所有的自变量考虑在内，需要进一步计算模型中误差项以及遗漏的自变量对因变量的影响[15-16]，即剩余通径系数，公式为

(4)

式中，Pmy表示剩余通径系数，Piy为直接通径系数，表示Xi对Y的直接影响效应，riy表示Xi与Yd的简单回归系数，如果Pmy数值越小，说明找到了影响水资源变化的主要因素，反之要进一步寻找影响水资源动态变化的其它主要因素，使结果趋于合理。结合前人的研究成果[17]与研究区域的实际，选取气温(TEM)、降水(PRE)、城镇化水平(URB)、耕地面积(CUL)、造林面积(AFF)、生产运营用水(WPO)、芜湖市生产总值(GDP)和第一产业比重(FIO)等指标来分析影响芜湖市水资源量变化的主要因素。本文对水资源总量、地表水资源和地下水资源影响因素通径分析的剩余系数分别为0.0011、0.0019、0.0003，表明所选取的因子能较好反映水资源动态变化。

以上分析主要基于SPSS和Excel软件展开，利用Origin 8.5软件绘图。

2 结果与分析

2.1 芜湖市水资源变化特征

2.1.1 季节降水量变化 芜湖市年内降水分配不均，主要集中在春季和夏季，受季风气候影响显著。2008—2017年，不同季节降水量分别约占全年的22.7%(春)、46.3%(夏)、18.0%(秋)和13.0%(冬)。线性回归分析结果表明，春、秋季降水量呈上升趋势，冬季呈下降趋势(图1)，秩相关系数rs分别为0.527、0.164、0.721和-0.331，其中，秋季降水在0.05水平上增加趋势显著。不同季节降水量与年降水量变化趋势大体一致。春季降水量在研究初期波动大，后期变化幅度有所缓和；夏季降水量年际差异大，具体主要表现为“增—减—增”趋势；秋季降水量呈明显上升趋势，降水倾斜率为24.5 mm/a，研究时段内，秋季降水量略低于春季降水量；冬季降水量总体呈现下降趋势，最大值和最小值出现在初期，降水量波动较为显著，后期变化比较平稳。

图1 2008—2017年芜湖市四季降水量(a：春季；b：夏季；c：秋季；d：冬季)Fig.1 Seasonal precipitation during 2008—2017 in Wuhu (a:Spring;b:Summer;c:Autumn;d:Winter)

2.1.2 水资源总量变化分析 2008—2017年，芜湖市年均水资源总量为34.930 亿m3，占安徽省近十年年均水资源总量的4.4%。由图2a可知，水资源总量在波动中呈上升趋势，十年间水资源总量年均增加1.530亿m3，秩相关系数rs为0.770，在0.05水平上增加显著。2008年水资源总量为19.670亿m3，为研究时段内水资源总量最少，比年均值低15.260亿m3，至2016年水资源总量最大，为70.980亿m3，比年均值高36.050亿m3。

2.1.3 地表水资源变化分析 地表水作为最易被人类利用的水资源之一[18]，对区域发展极为重要。芜湖全市境内水网密布，地表水资源丰富，以季节性降水补给为主，具有间断、不连续和集中性的特点。由图2b可知，研究时段内芜湖市年均地表水资源量33.380 亿m3，秩相关系数rs为0.770。线性拟合结果表明，芜湖市地表水资源量总体呈显著上升趋势，2014年之前，各年地表水资源量低于累年平均值，2014年之后，则高于累年平均值，最高值出现在2016年，为68.750 亿m3。研究时段内，芜湖市地表水资源年际差异较大，造成地表水资源量波动与年降水量有关，地表水资源量与降水量呈显著正相关(P<0.01)。芜湖市位于长江中下游地区，受季风气候影响，降水集中在夏季且波动性大[19]，从而导致地表水资源存在年际差异。如芜湖市2016年降水量明显高于其它年份，使得当年地表水资源也显著高于其它年份(图2b)。

2.1.4 地下水资源变化分析 地下水资源水量稳定、水质好，是农业灌溉、工矿和城市的重要水资源之一，但其总量易受降水和人类活动影响[20-21]。2008—2017年，芜湖市年均地下水资源量为7.070 亿m3，占芜湖市水资源总量的20.2%，秩相关系数rs为0.867，高于0.01水平上的临界值，表明芜湖市地下水资源量在这十年间呈现显著增加趋势(图2c)。近10年地下水资源量最小值出现在2008年，为4亿m3；最大值出现在2016年，为10.960亿m3。

图2 2008—2017年芜湖市水资源量(a:水资源总量；b:地表水资源量；c:地下水资源量)Fig.2 Water resources during 2008—2017 in Wuhu (a:gross water resources;b:surface water resources;c:groundwater resources.)

2.2 芜湖市水资源量变化的成因分析

气温(TEM)、降水(PRE)、城镇化水平(URB)、耕地面积(CUL)、造林面积(AFF)、生产运营用水(WPO)、芜湖市生产总值(GDP)和第一产业比重(FIO)对水资源总量、地表水资源量和地下水资源量的通径分析见表2。降水、耕地面积、城镇化水平对芜湖市水资源总量动态变化的直接影响较大，直接效应分别为0.858、0.750、-0.629，表现出城市发展对水资源总量的巨大影响。间接影响因素中，城镇化水平通过耕地面积(0.709)、生产总值主要通过城镇化水平(-0.624)间接影响水资源总量的变化。同样地，对地表水资源的直接作用从大到小依次为降水(0.874)、耕地面积(0.810)和城镇化水平(0.656)，生产总值和生产运营用水则对地表水资源产生间接影响。对地下水资源产生直接影响的有耕地面积(-0.791)、降水(0.786)和城镇化水平(0.671)。

进一步分析发现影响芜湖市近十年水资源总量、地表水和地下水资源量的自然因素主要是降水，降水与水资源总量(P<0.05)、地表水资源(P<0.05)和地下水资源(P<0.01)显著正相关。芜湖市地处亚热带季风气候区，降水变化与季风强弱变化一致，季风强则降水多，季风弱则降水少。降水作为芜湖市水资源量的主要来源，促进水资源的更新与转化，对于作为以雨水补给为主的芜湖市区域流量的变化发挥重要作用。熊洪斌等[22]同样发现，安徽省降水受东南季风影响由北向南增加，降水较多的城市水资源丰富，则区域水资源可持续利用状况较好。

从直接通径系数来看，城镇化水平与水资源总量和地表水资源量呈负向作用，与地下水资源量呈正向作用，耕地面积对水资源总量和地表水资源的作用方向与其对地下水资源作用方向相反。城镇化带来了产业结构由第一产业逐渐向第二、第三产业过渡，第一产业相对减少了企业间关联及人口聚集程度[23]，使水资源利用率较低[24]，一定程度上增加了耗水强度。随着生态环境意识增强，城市植被覆盖率逐渐增加，蒸发量的增加导致地表径流减少，地下径流增多，相应的地表水资源量减少，地下水资源量增加。另外，随着城镇化进程加快，农业人口数量下降，耕地和有效灌溉面积相对减少(表3)，为水资源总量和地表水资源量的增加提供了可能。此外，城镇化水平对水资源总量和地表水资源量与耕地面积对地下水资源量的相关性与直接效应呈相反的趋势，主要原因是耕地面积和城镇化水平相互作用，近十年伴随着芜湖市城镇化进程加快，占地和圈地面积不断增加，导致部分耕地资源消耗， “大学城”和“开发区”建设占用耕地，间接地对水资源产生影响。

2.3 芜湖市水质变化分析

2011—2017年，芜湖市入河污水排放量有增加的趋势(表3)，从2011年的2.260亿t增加到2016年的3.610亿t，2017年减少至2.320亿t。芜湖市自然条件优越，是全国重要的商品粮基地之一，有效灌溉面积未出现大幅度变化，化肥施用量呈现上升的趋势，这可能是导致入河污水量增加的主要原因。随着化肥施用量的减少，入河污水量也随之下降(表3)。

根据芜湖市水资源公报2011—2017年河流和湖泊水质监测数据，分析了芜湖市地表水体水质变化特征。随着污水排放量、化肥施用量的增加，芜湖市河流水质略有下降(图3a)，2011年河流中出现Ⅲ类水的比例不足5%，到2017年，河流中出现Ⅲ类水的比重占28%左右，Ⅳ类水占3.4%，为研究时段内最高值。总体而言，芜湖市河流水质良好，以Ⅱ类、Ⅲ类水为主，水质有所下降。由图3b可知，2011—2017年，芜湖市湖泊水质以Ⅲ、Ⅳ类水为主，在某些年份出现Ⅴ类和劣Ⅴ类水，但所占比例不高，尤其是出现劣Ⅴ类水的年份，其比重不足5%。湖泊水质不及河流，这可能跟湖泊和河流的水文特性有关，湖泊水体的流动性差，污水排放以及化肥、农药的施用使得大量的污染物通过径流进入湖泊累积，从而导致水质变差。

表2 芜湖市水资源变化的影响因子及其通径系数Table 2 Influencing factors and path coefficients of water resources change in Wuhu city

表3 2011—2017年芜湖市有效灌溉面积以及污水排放和化肥施用情况Table 3 The situation of effective irrigation area and sewage discharge and fertilizer application during 2011—2017 in Wuhu

图3 2011—2017年芜湖市河流和湖泊水质情况(a:河流;b:湖泊.)

3 结语

通过对近十年芜湖市水资源及地表水质的分析，得出以下结论。

(1)近十年芜湖市年均降水量约为1312.14 mm，降水年际波动大，总体呈增加趋势。四季降水中，春、夏、秋季呈现增加趋势，并且秋季降水增加量最明显；夏季降水占全年比例最大，冬季降水偏少，这与亚热带季风气候有关。

(2)从水资源总量、地表水资源和地下水资源与时间序列的秩相关系数来看，这些指标增加趋势明显，年均增加量分别为3.02 亿m3/a、1.32 亿m3/a和0.41 亿m3/a，总体上与研究区降水变化趋势相对应。芜湖市水资源总量占全省水资源总量的4.4% ，相对于全省各市的水资源总量来说，处于中上等水平。

(3)研究时段内，芜湖市河流水质良好，以Ⅱ类、Ⅲ类水为主，但开始出现Ⅳ类水，水质有所下降。湖泊水质比河流水质略差，以Ⅲ类、Ⅳ类水为主，部分湖泊出现Ⅴ类和劣Ⅴ类水，说明芜湖地表水质尤其湖泊水质仍是当前区域水质管理的重点。

(4)通径分析结果表明，社会经济发展因素如耕地面积和城镇化水平对水资源动态变化有较大影响，自然因素中降水对水资源动态变化的直接贡献最大，而生产总值则是对水资源动态变化产生间接影响的重要因子。

总体而言，芜湖市近十年水资源总量有增加的趋势，其中降水尤其是夏季降水的贡献最大。地表河流水质总体良好，因入河污水量有所增加，导致水质有所下降趋势，而湖泊水质不及河流，甚至出现一定程度的污染，在国家政策的支持和地方政府的有效管理下有所恢复，但恢复到良好水质仍任重道远。水资源是地区发展的重要保障，水质治理是水资源管理重要内容之一，坚持水资源的利用和保护并举，科学处理废水，同时发展生态农业，减少化肥施用量，制定完善的管理措施等，是实现芜湖市水资源持续利用和环境可持续发展的重要出路。