海河流域水资源量演变分析研究

王佰伟，张存龙，刘诗剑

（1. 水利部海河水利委员会，天津 300170；2. 拉萨市水利局，西藏·拉萨 850012）

海河流域区位重要，是我国经济发达地区，人口密度大，同时也是我国水资源最为紧缺的区域。水资源量仅占全国水资源量的约1%，但承担着10%以上的人口用水和约12%的灌溉面积，是典型的资源型缺水区域，水资源极度脆弱。海河流域的关键脆弱性为水量短缺[1]，加之未来气候变化条件下海河流域水资源管理将面临更加严峻的挑战[2-3]，水资源量问题成为海河流域水资源管理必须面对的问题。有研究表明，海河流域降水和水资源量变化较为复杂，且具有一定趋势，年降水量呈显著减少趋势[4]，山区径流逐渐减少[5]，地表水资源量和水资源总量的年际变动较大[6]，在没有新的水源、流域年降水量在500 mm以下情况下，海河流域水资源供需平衡将是不安全的[7]。鉴于以上情况，有必要对海河流域长期以来的水资源演变情况进行研究，在分析水资源长期演变的基础上，更深层次认识流域发展所面临的水资源条件和形势，提前谋划水资源配置和布局，应对水资源长期变化对经济社会发展带来的影响。

1 研究区域和研究方法

1.1 海河流域概况

海河流域东临渤海，西倚太行山，南以黄河为界，北邻蒙古高原，流域面积约32万km2，包括京、津全部，河北省大部，以及晋、豫、鲁、蒙、辽的部分地区。流域为温带季风气候，年平均气温在1.5～14℃，年平均相对湿度50%～70%，年平均降水量539 mm，水面蒸发量1100 mm，属半湿润半干旱地带。流域降水量年内分配非常集中，70%以上的降水集中在6～9月，水资源禀赋条件较差，1956-2000年多年平均水资源总量为370亿m3，人均水资源量不足240 m3，是我国人均水资源量最少的地区。

1.2 研究方法

以长系列资料为基础，构建海河流域水资源总量、地表水资源量和地下水资源量的时间序列，通过趋势性检验方法，判别1956-2020年间水资源变化趋势。在趋势性分析的基础上，分析海河流域水资源年际变化情况和进入21世纪以来的水资源形势。基于分析结论，针对性提出未来流域水资源管理的对策措施。

趋势性分析方法采用Mann-Kendall检验法[8]，该方法不要求样本服从一定的分布规律，不受少数异常数值干扰，在气象、水文等领域时间序列的趋势性检验中应用十分广泛。

构建海河流域水资源量的时间序列W(w1,w2, … ,wn)，趋势检验统计变量S为：

S服从正态分布，其方差Var(S)为：

用于趋势检验的统计变量Zc按下式计算：

统计变量Zc为正数时，水资源量序列呈上升趋势，反之呈下降趋势。给定置信水平95%，若Zc绝对值大于1.64，则水资源量序列的趋势性通过了显著性检验。

水资源量的数据分别采用海河流域水资源第三次调查评价统计计算的1956-2020年间共65年的水资源总量、地表水资源量、地下水资源量的年度数据，三者分别构成3个时间序列，应用Mann-Kendall检验法进行趋势性检验。

2 水资源量演变

2.1 水资源总量演变

海河流域水资源总量变化趋势如图1所示。Mann-Kendall检验法计算所得趋势检验变量Zc为-3.19，说明水资源总量总体呈下降趋势，且Zc绝对值大于1.64，表示水资源总量的趋势性通过了95%置信水平的显著性检验。因此，长期来看，海河流域水资源总量呈显著减少趋势。采用线性倾向率表征水资源总量的变化幅度，65年内海河流域水资源总量变化倾向率为-2.78亿m3/年，即平均每年水资源总量衰减2.78亿m3，衰减效应十分明显。

图1 海河流域水资源总量变化趋势Fig.1 Change trend of total water resources quantity in Haihe River Basin

为分析流域水资源总量演变情况，分别以1956-2000年和2001-2020年为系列，对水资源总量的均值、最大值、最小值、极差、均方差、变差系数进行了统计分析，如表1所示。

1956-2020年间，海河流域水资源总量平均值为344.32亿m3，最大值为733.90亿m3，出现在1964年，为平均值的2.13倍；最小值出现在1999年，为189.43亿m3，仅为平均值的55.02%。最大最小比更是高达3.87。水资源总量均方差为123.90亿m3，高达平均值的35.98%。由此可见，海河流域水资源总量时间分布极为不均，年际变化很大。

而在2001-2020年的20年间，海河流域水资源总量平均值为285.57亿m3，比1956-2020年系列平均值减小58.75亿m3，衰减幅度高达17.06%。由此可见，进入21世纪后，水资源总量衰减十分明显。同时，表征年际变化的极差和均方差、变差系数，都比1956-2000年系列有所减小，因此近20年水资源总量年际变化幅度有所减小。

2.2 地表水资源量演变

海河流域地表水资源总量变化趋势如图2所示。趋势检验变量Zc为-4.35，说明地表水资源量总体呈下降趋势，且通过了95%置信水平的显著性检验，海河流域地表水资源量呈显著减少趋势。65年内海河流域地表水资源量变化倾向率为-2.63亿m3/年，即平均每年地表水资源量衰减2.63亿m3，衰减效应非常显著。地表水资源的衰减应成为合理调配海河流域水资源、维持水资源供给和改善河湖生态环境中，重点考虑的问题之一。

图2 海河流域地表水资源量变化趋势Fig.2 Change trend of surface water resources in Haihe River Basin

1956-2000年和2001-2020年2个系列地表水资源量的均值、最大值、最小值、极差、均方差、变差系数如表1所示。

1956-2020年间，海河流域地表水资源量平均值为190.18亿m3，最大值为1956年的490.99亿m3，为平均值的2.58倍；最小值出现在1999年，为83.82亿m3，仅为平均值的44.07%。最大最小比高达5.86，相较水资源总量更为明显。地表水资源量均方差为95.66亿m3，为平均值的50.30%。由此可见，海河流域地表水资源量时间分布相较水资源总量而言，不均匀性和变化幅度更为明显。

在2001-2020年的20年间，海河流域地表水资源量平均值为131.94亿m3，比1956-2020年系列平均值减小了58.24亿m3，衰减幅度达到了30.62%的程度。因此进入21世纪后，地表水资源量衰减极为显著。同水资源总量的年际变化相似，地表水资源量的极差和均方差、变差系数，都比1956-2000年系列有所减小，因此近20年水资源总量年际变化幅度有所减小。

2.3 地下水资源量演变

海河流域地下水资源量变化趋势如图3所示。趋势检验变量Zc为-1.77，说明地下水资源量总体呈下降趋势；且Zc绝对值大于1.64，表示地下水资源量的趋势性通过了95%置信水平的显著性检验。因此，长期来看，海河流域地下水资源量呈显著减少趋势。65年内海河流域地下水资源量变化倾向率为-0.64亿m3/年，即平均每年地下水资源量衰减达0.64亿m3。虽然衰减程度比水资源总量和地表水资源量小，但衰减效应依然十分明显。在海河流域地下水超采严重的总体形势下，地下水资源量的衰减影响不容忽视。

图3 海河流域地下水资源量变化趋势Fig.3 Change trend of groundwater resources in Haihe River Basin

1956-2000年和2001-2020年2个系列地下水资源量的均值、最大值、最小值、极差、均方差、变差系数如表1所示。

表1 海河流域水资源总量 地表水资源量 地下水资源量演变情况Table 1 Change situations of total water resources quantity, surface water resources quantity and ground water resources quantity in Haihe River Basin

对于1956-2020年系列，海河流域地下水资源量平均值为227.85亿m3，最大值为377.16亿m3，出现在1964年，为平均值的1.66倍；最小值出现在1972年，为152.25亿m3，仅为平均值的2/3。最大最小比为2.48。地下水资源量均方差为49.04亿m3，为平均值的21.52%。尽管海河流域地下水资源量的均方差和变差系数，相比水资源总量和地表水资源量而言较小，但年际变化幅度仍不可忽视。

进入21世纪后的20年间，海河流域地下水资源量平均值为217.27亿m3，比1956-2020年系列平均值减小了10.58亿m3，衰减幅度为4.64%。总体而言近20年地下水资源量略有衰减。地下水资源量的极差和均方差、变差系数，都比1956-2000年系列有所减小，因此近20年水资源总量年际变化幅度有所减小。

3 影响因素初探

海河流域水资源的演变，既有气候变化的影响，也有人类活动的影响。从气候变化的角度看，降水是影响海河流域水资源最主要的因素。1956-2000年海河流域年均降水量为535 mm，而2000-2020年年均降水量降至509 mm，减少了26 mm。且年内降水极不均匀，大部分降水集中在夏季的6～9月，相当一部分降水形成的径流因为防汛需要，作为蓄水工程的弃水而不能形成可有效利用的水资源。另有研究[9]表明，海河流域气温上升趋势明显，而大部分地区温差逐年减小，气温的变化使蒸发加大，相应地，水资源减少。因此气候变化对于海河流域水资源是十分不利的大环境，也是未来水资源管理必须重点关注的问题。

除气候变化外，人类活动也对海河流域水资源有多方面的不利影响。其中生产用水耗水对水资源的影响十分明显。2001年海河流域农业用水量为278.0亿m3，占流域全部用水量的71%，随着农业种植结构的调整和节水灌溉的推广，近年来农业用水量逐渐减少，到2020年农业用水量减小到199.50亿m3，但仍占流域全部用水量的56%，大部分农业灌溉取用地下水，使地下水位降低的同时，由于入渗率的增大造成降水时地表径流的减少。同时，上世纪七八十年代以来，海河流域水土保持进展快速，植被覆盖度显著提高，增加了植被截留，增强了土壤蓄水能力，对于地表径流的形成具有削减和滞后作用。

4 对策措施

从水资源总量来看，海河流域水资源量严重短缺，且面临着显著衰减，需要加大外流域调水量，整体提高海河流域水资源支撑经济社会发展的保障能力。从地表水和地下水演变的特点出发，加强两种水源的联合调度，针对地下水较稳定的特点，保障地下水的战略储备作用[10]；针对地表水变化大的特点，发挥蓄水工程年度调度功能[11]，利用丰水年多蓄地表水，增大对枯水年需水量的保障。

同时在水资源开发利用和需求的角度，按照水资源条件进行发展布局，科学制定产业发展规划，以水定发展。在水资源分区管理方面，重要水系上游区域和生态环境敏感区域加强水资源涵养，尽量减少人类活动对水资源的影响；在水资源蕴藏条件好、开发利用程度低的区域，根据区域发展定位，在强化节水、严控水资源开发强度的前提下，优化用水产业发展布局，合理开发水资源；在水资源开发利用程度高的区域，严控新增水资源开发利用量，有条件的区域通过加大非常规水利用量、增加外调水量等措施，逐步减小当地水资源开发利用量。在不同行业用水方面，将农业节水灌溉作为压减水资源开采量的重中之重，优化农作物种植结构，发展节水灌溉，提高灌溉水利用率；在工业用水管理上，通过建设节水型企业、严控高耗水行业增长、加强工业行业用水定额管理等措施，减少工业用水量；对于公共用水，推动高耗水服务业节水，控制供水管网漏损率，强化节水宣传，控制城乡居民生活用水增长速度。

5 结语

长期以来海河流域水资源衰减十分明显，将对用水需求产生极为不利的影响。枯水年份水资源更为紧缺，在当地水不能满足用水需求的情况下，应开源节流，保持外调水的供水量，在全行业节约水资源，提早制定应对水资源短缺的应急措施。

对于海河流域水资源演变影响因素的定量分析需要进一步研究，特别是降水、蒸发等气候因素和人类活动因素的演变过程，及其同水资源总量、地表水资源量和地下水资源量的演变过程的对应关系，需要进一步探讨。同时考虑到海河流域经济发展和人口分布具有明显的空间差异，对山区、平原区等自然地理不同的区域，和经济社会发展程度不同的区域的水资源演变情况也有待进一步分析，为流域水资源空间调度和精细化管理提供基础。