晋中地区2001—2020年水资源时空演化特征分析

吴伟伟 王 昊 贾 艳

(晋中市水利局,山西 晋中 030600)

山西省位于华北平原西侧、黄土高原东部,大陆性季风气候显著,降水时空分布不均,“十年九旱,旱涝交错”是主要特点。1982年山西省第一次水资源评价(1956—1979年)确定水资源总量为141.75亿m3,人均占有水资源量579m3;2003年第二次水资源评价(1980—2000年)[1]为123.80亿m3,人均为381m3,跌破了极度缺水线,水资源面临严重短缺,供需矛盾日益突出。晋中地区位于山西省中部,第一次水资源评价水资源总量为14.95亿m3,人均为588m3;然而到第二次水资源评价水资源总量已降到10.91亿m3,人均仅361m3,总量和人均占有量双双大幅下降,比山西省降幅更大。2000年地下水超采面积高达904km2,超采量为5000万m3。更为严重的是1997年夏至2001年夏晋中发生特大干旱,17个季度出现15个干旱,历史记录描述为百年罕见大旱灾[2]。2001年水资源总量仅为7.25亿m3,不到1956—1979年系列的一半,全区16条大河15条干涸,水库见底、井不出水、林木枯死,春播不能下种,给晋中带来沉痛的灾难。因此,开展2001—2020年晋中地区水资源研究是非常必要的。

1 区域概况

晋中地区位于山西省中部黄土高原东缘,面积16347km2,地势见图1,辖2区1市8县,总人口338万。晋中处于温带大陆性季风气候区,年均气温3～11℃,长系列降水量为488mm,无霜期为145～184天,蒸发量为1600～2000mm。地势东高西低,分为太行山脉中段、沁潞高原北部、太岳山脉北段和太原盆地东南侧、韩侯岭台地四个地形单元,山地、丘陵、盆地面积分别占63.9%、20.5%、15.6%。河流以太行山、太岳山为界分属黄河流域和海河流域,黄河流域主要有潇河、象峪河、乌马河、昌源河、惠济河等,各河注入汾河,海河流域主要有清漳河、浊漳河、松溪河等,清漳河、浊漳河注入南运河,松溪河注入子牙河。地下水主要有松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水、碎屑岩夹碳酸盐岩类裂隙岩溶水、碎屑岩类孔隙裂隙水及基岩裂隙水五大类型。

图1 晋中地区地势

2 数据来源及方法

本文数据主要来源于水利、水文和气象三个部门,包括山西省、晋中地区第一次、第二次水资源评价以及2001—2020年逐年水资源公报降水量、气温等数据。在分析水资源总量变化时采用三种方式,即逐年法与系列法、行政分区与流域分区、地表水与地下水相结合,通过三位一体的方式清晰全面地揭示水资源的变化。计算时用到了线性回归、Mann-Kendall趋势法、皮尔逊相关系数、小波分析等。ⓐ逐年法用于计算2001—2020年每年水资源量变化情况;ⓑ系列法按照水资源评价分为1956—1979年、1980—2000年、2001—2020年3个系列;ⓒ行政分区划分11个县(区、市),分别是寿阳、榆次、太谷、祁县、平遥、介休、灵石、榆社、左权、和顺、昔阳,前7个为西部地区,后4个为东部地区。水资源分区划分为13个区,黄河流域:Ⅰ潇河、Ⅱ象峪河、Ⅲ乌马河、Ⅳ昌源河、Ⅴ惠柳樱、Ⅵ汾河(二坝—义棠)、Ⅶ汾河(义棠—区界);海河流域:Ⅷ松溪河、Ⅸ出界未控河、Ⅹ清漳河(东支)、Ⅺ清漳河(西支)、Ⅻ清漳河(会合)、浊漳河,见图2。

图2 晋中地区水资源分区

3 水资源时空变化

3.1 水资源时序变化特征

由于晋中处于温带季风气候区,水资源不仅年内分布不均,夏秋多冬春少,而且年际分布不均,变化幅度很大,旱涝灾害频发。晋中地区不同评价期水资源总量变化见表1,由表1可知:ⓐ水资源总量1956年以来呈U形变化,1956—1979年最高,为14.95亿m3,1980—2000年最低,为10.91亿m3,2001—2020年较1980—2020年小幅回升了5.2%;ⓑ人均水资源量呈一直下降趋势,1956—1979年588m3,1980—2000年361m3,2001—2020年339m3,已处于极度缺水线以下;ⓒ地表水资源降幅大,2001—2020年较1956—1979年大幅下降33.2%,较1980—2020年回升6.7%,河川径流大幅减少与人类活动是分不开的;ⓓ地下水资源缓慢恢复,1980—2000年由于地下水长期超采,年超采量5000多万m3,地下水位年降1～2m,地下水资源快速减少,2001年随着加强地下水的保护,超采区已大幅减少,地下水资源得到涵养,2001—2020年较1980—2020年提升5.4%,在条件不变的情况下若恢复至1956—1979年水平还需要50年以上。

表1 晋中地区不同评价期水资源总量变化

晋中2001—2020年逐年水资源变化情况见图3,由图3可知:ⓐ水资源总量上升趋势显著,多年均值11.47亿m3,2016年最高,为18.63亿m3,2001年最低,为7.25亿m3,上升速率为0.3395亿m3/a,利用Mann-Kendall趋势法计算,通过了0.01显著性检验,上升趋势显著,2010年以后上升趋势更加明显;ⓑ地表水资源上升趋势显著,多年均值6.76亿m3,上升速率为0.2825亿m3/a,并通过了0.01显著性检验,上升趋势显著;ⓒ地下水资源上升趋势不显著,多年均值8.07亿m3,上升速率为0.0904亿m3/a,未通过0.1显著性检验,上升趋势不显著;ⓓ地表水和地下水变化不尽相同,年际变化率地表水33.1%远大于地下水16.3%,个别年份趋势相反,如2006年、2009年、2010年均为偏枯年份;ⓔ丰枯链明显,2004—2006年、2008—2010年为偏枯时段,2010—2012年、2016—2018年为偏丰时段,时间均为三年;ⓕ利用小波分析计算周期性,水资源总量存在5～6年强周期、10～11年弱周期,地表水存在5～6年强周期、10～11年弱周期,地下水存在10年强周期、5年偏弱周期,可以看到地表水与地下水强、弱周期正好相反,反映出补给模式的不同,而11年的周期与太阳黑子相对数周期[3-4]一致,5～6年的周期与厄尔尼诺/拉尼娜[5-6]现象接近,反映了水资源与气候的密切关系。

图3 晋中地区2001—2020年水资源变化、小波系数等值线及方差

3.2 水资源区域变化特征

行政区是水资源开发利用保护的执行单元,研究行政区水资源变化有利于最严格水资源管理,提高水利用效率。晋中地区2001—2020年各行政区水资源量变化见表2,由表2可知:ⓐ水资源空间分布不均衡,经济较发达的西部地区7县年平均水资源量8718万m3,人均水资源量217m3,水资源严重不足;而经济欠发达的东部地区4县年平均水资源量13418万m3,比西部多54%,人均水资源量944m3,是西部的4倍多,形成了东多西少的格局;ⓑ水资源时间分布不均衡,主要表现为年际变化率和极值比均大,年际变化率全区为22.8%,榆社最大,为64.2%,灵石最小,为19%,西部地区为28.5%,远小于东部地区39.6%;极值比全区为2.57,榆社最大,为6.64,介休最小,为2.75,西部地区3.42,小于东部地区4.25,可以看出,处于山区的东部变化大于西部;ⓒ回升梯度不一样,榆次、寿阳、太谷、祁县为第一梯队,增速高于0.30万m3/(a·km2);平遥、介休、和顺、昔阳为第二梯队,增速在0.15万～0.30万m3/(a·km2);榆社、左权、灵石为第三梯队,增速低于0.15万m3/(a·km2),除了降水、地质差异外,回升低的地区存在水利工程少、调蓄能力低、机井开采增多、煤层开采量大等问题,造成水资源的流失。

表2 晋中地区2001—2020年各行政区水资源变化

3.3 水资源分区变化特征

水资源分区是基于流域结合水工程在水资源评价时划分的基础单元,研究水资源分区变化有利于水资源的配置,提高水资源保护效能。晋中地区2001—2020年各水资源分区水资源变化见表3和图4,由表3和图4可知:ⓐ海河流域水资源较黄河流域丰富,单位面积水资源量海河流域为7.30万m3/km2,高于黄河流域6.80万m3/km2,从结构上看,海河流域以地表水为主,黄河流域以地下水为主;ⓑ海河流域水资源年际变化较黄河流域大,年际变化率海河流域为30.4%,高于黄河流域的23.0%,浊漳河流域最高,为66.2%,汾河(义棠—区界)区最低,为17%;ⓒ海河流域水资源较黄河流域恢复速度慢,水资源增加速率黄河流域为0.265万m3/(a·km2),是海河流域0.134万m3/(a·km2)的2倍,近些年黄河流域高质量发展让黄河流域水利工程在蓄、滞、用三方面有了质的飞跃;ⓓ水工程对水资源保护影响较大,按单位面积计算,增速最大的是潇河、汾河(二坝—义棠)和清漳河(东支)3个区,增速大于0.240万m3/(a·km2),此3个流域在2001—2020年间水工程调蓄能力都有很大提高,而增速偏低的乌马河、惠柳樱、浊漳河、清漳河(西支)4个区,增速小于0.100万m3/(a·km2),这些流域水工程无明显的增加,可见水工程对水资源存蓄作用是明显的。

表3 晋中地区2001—2020年各水资源分区水资源变化

3.4 地表水资源时空变化

晋中地区河川径流以雨洪补给为主,径流集中程度取决于雨季持续时间和降水的集中程度,汛期洪水暴涨暴落,使大量的径流无法利用而流向下游,枯季径流很小时有断流,水量供不应求。晋中地区2001—2020年各行政区地表水资源变化情况见表4,由表4可知:ⓐ季风气候特征突出,水资源量多年均值6.76亿m3,2016年最高,为13.14亿m3,2001年最低,为3.13亿m3,年际变化率达33.1%,极值比为4.20,年际变化大,地形影响大,旱涝急转现象突出;ⓑ空间分布不均衡,西部地区7个县面积占52%,地表水仅占42%;东部地区4个县面积占48%,地表水却占58%;由于地形地貌的原因,处于迎风坡的东部降水量较西部多84mm,这导致了地表水资源东多西少的格局;ⓒ上升趋势差异大,全区上升速率为0.2825亿m3/a,通过了0.01显著性检验,上升趋势显著,其中寿阳、榆次、太谷、祁县、平遥、灵石通过了0.01显著性检验,和顺、介休通过了0.05显著性检验,东部地区的榆社、左权、昔阳未通过显著性检验,上升趋势不显著;整体来看东部上升趋势明显弱于西部;ⓓ时间分布不均衡,东部年际变化小于西部,年际变化率东部为51.0%、西部为54.0%,极值比东部为5.51、西部为8.70,可见西部地区地表水旱涝更加突出。

3.5 地下水资源时空变化

晋中地区的地下水主要补给来源为降水,但由于受地形地貌、地质构造、含水层岩性及其埋藏条件的控制和开采的影响,各含水岩类补给、径流、排泄条件亦不尽相同,相互间存在密切关系。晋中地区2001—2020年各行政区地下水资源变化情况见表5,由表5可知:ⓐ季风气候特征突出,多年均值为8.07亿m3,最高2016年10.77亿m3,最低2019年5.34亿m3,年际变化率为16.3%,极值比为2.02,年际变化较大但明显低于地表水变化;ⓑ空间分布不均衡,西部地区7个县面积占52%,地下水占56%;东部地区4个县面积占48%,地下水占44%,与地表水结构正好相反;ⓒ变化趋势差异大,全区上升速率为0.0904亿m3/a,未通过显著性检验,上升趋势不显著,其中寿阳通过了0.01显著性检验,榆次、太谷通过了0.05显著性检验,上升趋势显著;祁县、平遥、榆社、左权、和顺、昔阳未通过显著性检验,上升趋势不显著;灵石、介休则呈下降趋势,下降趋势不显著,整体来看北部回升高于南部、西部回升高于东部,而下降的灵石和介休均为采煤区,地下水开采量和漏失量双高。

3.6 与气候变化关联分析

晋中地区处于太行山脉中段,地势较高,外来水少,水资源以降水补给为主,因此气候变化对水资源的影响是巨大的。晋中地区2001—2020年水资源与气候变化关系、小波系数等值线及方差见图5,由图5可知:ⓐ气温上升趋势显著,2001—2020年平均气温10.00℃,较1979—2000年高1.33℃,较1956—1979年高0.67℃,上升速率为0.0381℃/a,低于1979—2000年的上升速率0.0615℃/a,低于1956—1979年的0.0396 ℃/a,上升速率均超全国[7]和山西[8]平均水平,并通过了0.05显著性检验,上升趋势显著;ⓑ降水上升趋势不显著,2001—2020年平均降水量为479.8mm,较1979—2000年高33.4mm,较1956—1979年低51.0mm,上升速率为1.7266mm/a,1979—2000年为-4.5163mm/a,1956—1979年为-3.0690mm/a,可以看到,2001—2020年止住了45年来降水的下降趋势,但未通过0.05显著性检验,上升趋势不显著;ⓒ相关性,气温与水资源量相关系数为0.1189,关联性小,但气温升高增加了水体蒸发量,加重了用水负担,给本就水资源紧缺的农业型晋中地区带来更大的压力;降水与水资源量相关系数为0.5161,为正向实相关,降水增加给晋中发展带来了机遇,供用水矛盾得到缓解,超采面积大幅缩减,地下水得到涵养;气温与降水量相关系数为-0.3139,为负向实相关,晋中气候正向暖湿化方向发展,2010年以后大涝年份增多,2011年、2013年、2016年、2020年降水量均超过550mm,高于均值20%,但从长系列1956—2020年来看,仍呈暖干化趋势[9-10];ⓓ周期性,利用小波分析计算,气温存在5～7年强周期、12～13年弱周期,降水存在4年强周期、11～13年弱周期,与水资源相似,均为双峰型,存在一个短尺度和中尺度周期;ⓔ从气候角度分析,随着全球温室效应的不断加剧,2000年以来全球大气总能量呈显著上升趋势[11],极端天气增多,山西暴雨量级提高,降水集中度在降低[12-13],同时,2010—2020年雨季5—10月太平洋温度异常,nino3.4均值为-0.037℃,处于负值区,西太平洋副热带高压偏强偏北,雨带北移,给北方带来了充沛的雨水。

图5 晋中地区2001—2020年水资源与气候变化关系、小波系数等值线及方差

4 结 语

综合来看,近20年来晋中地区水资源量显著上升、河川径流增加、地下水得到涵养,给晋中地区经济和社会发展提供了良好条件,但也应看到,相比1956—1979年水资源量还是下降的,时空分布不均、人类活动加剧、全球变暖都是巨大的挑战,水资源恢复之路艰巨而漫长。建议加大蓄水、渗透设施建设,拦蓄洪水、引洪补枯、涵养地下水,通过水利工程措施让水资源恢复更加巩固、更有成效。