2011—2020年淮河流域水資源變化特征研究

朱昊宇，姬 鈺

(安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院，安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230088)

1 研究背景

水資源是一切生物賴以生存的基本條件和人類生活、生產(chǎn)發(fā)展的最重要的自然基礎(chǔ)資源之一[1- 4]。在自然因素和人為因素共同作用下，全球氣候變暖成為趨勢，全球氣溫的持續(xù)上升加劇了極端降水事件發(fā)生，從而引起水資源時空的分布極不均勻[5- 7]。水資源增強(qiáng)的變異嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，故有必要探討水資源的變化特征[8]?；春恿饔蛴捎谄渫恋胤饰?、資源豐富和交通便利等優(yōu)勢，在我國重要的糧食生產(chǎn)、能源礦產(chǎn)和制造業(yè)等方面發(fā)揮重要作用，成為國家實(shí)施鼓勵東部率先、促進(jìn)中部崛起發(fā)展戰(zhàn)略的重要區(qū)域[9]。然而，淮河流域地處中國南北氣候過渡帶，是重要的地理生態(tài)分界線和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，對全球氣候變化十分敏感[10- 11]。因此，分析最近10年(2011—2020年)淮河流域水資源變化特征，以期為淮河流域水資源的優(yōu)化配置和水環(huán)境的治理提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

2 研究方法

2.1 流域概況

淮河流域地處我國華中河南與華東地區(qū)蘇皖，西起桐柏山、伏牛山，東臨黃海，南以大別山、江淮丘陵、通揚(yáng)運(yùn)河和如泰運(yùn)河南堤與長江流域分界，北以黃河南堤和沂蒙山脈與黃河流域毗鄰。流域面積27萬km2，以廢黃河為界，分為淮河和沂沭泗河兩大水系，面積分別為19萬km2和8萬km2，包括淮河上游(王家壩以上)、淮河中游(王家壩至洪澤湖出口)、淮河下游(洪澤湖出口以下)、沂沭泗河4個水資源二級區(qū)，地跨湖北、河南、安徽、江蘇、山東五省40個市。

淮河流域地處中國南北氣候過渡帶，淮河以北屬暖溫帶區(qū)，淮河以南屬北亞熱帶區(qū)，氣候溫和，年平均氣溫為11～16℃。氣溫變化由北向南，由沿海向內(nèi)陸遞增。極端最高氣溫達(dá)44.5℃，極端最低氣溫達(dá)-24.1℃。蒸發(fā)量南小北大，年平均水面蒸發(fā)量為900～1500mm，無霜期200～240d?；春恿饔蛏角饏^(qū)面積約占總面積的1/3，海拔100～1155m，平原面積約占總面積的2/3，海拔在50m以下?；春恿饔蜃匀恢脖环植季哂忻黠@的地帶性特點(diǎn)，土壤類型包括棕壤、褐土、黃棕壤、水稻土。

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)主要來自2011—2020年淮河水資源公報，選擇指標(biāo)包含降水量、地表水資源量、水資源總量、入海量、入江量、大中型水庫蓄水量、各類工程供水量、總用水量和不同河流水質(zhì)所占比例。其中，常年均值指1956—2000年多年平均值；地表水資源量為河流、湖泊等地表水體中由當(dāng)?shù)亟邓纬傻?、可以逐年更新的動態(tài)水量，即天然河川徑流量；水資源總量為當(dāng)?shù)赜山邓纬傻牡乇怼⒌叵庐a(chǎn)水總量(不包括區(qū)外來水量)，即地表徑流量與降水入滲補(bǔ)給量之和；供水量為各種水源工程為用戶提供的包括輸水損失在內(nèi)的水量，也稱取水量；用水量為配置給各類用水戶包括輸水損失在內(nèi)的毛用水量。根據(jù)國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，將河流水質(zhì)可分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類。由于淮河流域Ⅰ類水質(zhì)河長所占比例極少，將Ⅰ類水質(zhì)和Ⅱ類水質(zhì)合并為Ⅱ類以上，故本研究水質(zhì)分為Ⅱ類以上、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類和劣Ⅴ類，水質(zhì)情況從2019年不再公布，特此說明。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL2019對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并進(jìn)行圖表制作，運(yùn)用線性回歸探討降水量、地表水資源、水資源總量、入海量、大中型水庫蓄水量、各類工程供水量和總用水量等指標(biāo)隨時間的變化趨勢，分析各指標(biāo)間的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水量變化特征

如圖1所示，2011—2020年淮河流域平均降水量無明顯變化規(guī)律，但總體上呈增加的趨勢。主要表現(xiàn)為：2015年以前，年降水量普遍低于常年降水量均值；2016年開始(除2019年外)，降水量顯著高于常年降水量均值。2011—2020年平均降水量為858.5mm低于常年水平(874.5mm)，說明淮河流域近10年以來降雨量比常年降水量偏少，但濕潤度呈增加趨勢。圖1還顯示，2011—2020年淮河流域平均降水量存在強(qiáng)烈的年際異常變化現(xiàn)象降水?；春恿饔蚱骄邓孔钌侔l(fā)生在2019年，僅為628mm，說明淮河流域發(fā)生嚴(yán)重旱情，主要體現(xiàn)伏秋冬連旱，尤其是安徽省發(fā)生近40年最為嚴(yán)重的伏秋冬連旱。2020年淮河流域平均降水量高達(dá)1113.8mm，比2019年降水量增加了77.4%，比常年降水量均值提高了27.4%，這是因?yàn)?020年淮河發(fā)生了流域性較大洪水，其中淮河水系正陽關(guān)以上發(fā)生區(qū)域性大洪水，沂沭泗河水系發(fā)生1960年以來最大洪水。

圖1 近10年淮河流域降水量變化特征

3.2 地表水資源和水資源總量變化特征

如圖2所示，淮河流域地表水資源和水資源總量變化特征與降雨量變化特征相似，2011—2020年，淮河流域地表水資源和水資源總量呈逐漸上升的趨勢。圖2(a)顯示，2015年以前，地表水資源普遍低于常年均值；2016年開始，地表水資源高于常年均值。2011—2020年地表水資源均值597.5億m3接近常年均值(594.9億m3)，說明近10年淮河流域地表水資源相對穩(wěn)定。由圖2(a)還可知，淮河流域地表水資源存在顯著的年際變化，表現(xiàn)為：最低值出現(xiàn)在2013年，僅為380億m3，顯著低于常年均值36.1%；最高值出現(xiàn)在2020年，高達(dá)960.4億m3，較常年均值顯著增加了61.4%。由圖2(b)可知，水資源總量變化年際變化與降水量相似，水資源總量最低值和最高值分別為442.01億、1186.9億m3，分別出現(xiàn)在2019年和2020年，與降水量的強(qiáng)弱有關(guān)。

圖2 近10年淮河流域地表水資源和水資源總量變化特征

3.3 入海量和入江量變化特征

如圖3所示，淮河流域入海量和入江量2011—2020年呈波動式上升的趨勢，入海量由2011年的308.2億m3增加到2020年的455.9億m3，增加了0.5倍；入江量由2011年的42.4億m3增加到2020年的326.7億m3，增加了6.7倍?；春恿饔蛉牒Ａ亢腿虢孔畹椭稻l(fā)生在2013年，分別為248.2億m3和2.12億m3，而淮河入海量和入江量最高值均出現(xiàn)在2020年，可能與淮河流域平均年降水量、流域內(nèi)需水量和蒸發(fā)量等因素有關(guān)。

圖3 近10年淮河流域入海量和入江量變化特征

3.4 大中型水庫蓄水量、各類工程供水量和總用水量變化特征

如圖4所示，大中型水庫蓄水量、各類工程供水量和總用水量變化特征有所不同。圖4(a)顯示，大中型水庫蓄水量表現(xiàn)為下降的趨勢，由2011年的165.8億m3下降到2020年的108.5億m3，減少了34.6%。2019年大中型水庫蓄水量最少，僅為56.5億m3，與2019年降水量最少有關(guān)。由圖4(b)可知，各類供水工程總供水變化不明顯，變異系數(shù)僅為3.4%，變化范圍為526.9億～586億m3，但仍呈逐年減低的變化特征，最低值出現(xiàn)在2020年。圖4(c)顯示，總水量變化特征與各類工程供水量相似，總用水量變化不明顯，變異系數(shù)為3.2%，相對比較穩(wěn)定，變化范圍為600.8億～657.6億m3，但仍呈逐年減低的變化特征，最低值出現(xiàn)在2020年。

圖4 近10年淮河流域大中型水庫蓄水量、各類供水工程總供水和總水量變化特征

3.5 淮河流域水質(zhì)變化特征

如圖5所示，淮河流域水質(zhì)以Ⅲ類和Ⅳ類所占比例較高，Ⅱ類以上、Ⅴ類和劣Ⅴ類所占比例偏少。Ⅱ類以上水質(zhì)所占比例呈先降低后增加的趨勢，在2013年所占比例最少，所占比例僅為8.5%，2018年所占比例提高到18%，比2013年顯著增加了111.8%。Ⅲ類所占比例呈逐漸增加的趨勢，由2011年的24.2%增加到2018年的44.4%。Ⅳ類水質(zhì)所占比例變化較小，變化范圍為23.1%～28.2%，變異系數(shù)為8.4%，但總體呈下降趨勢。Ⅴ類所占比例總體偏低，呈下降趨勢，由2011年的10.9%下降到8.5%，變異系數(shù)為18%。劣Ⅴ類所占比例變化顯著，變異系數(shù)為35.7%，從2011年的22.9%降到2018年的6%。不同水質(zhì)河長所占比例變化特征說明環(huán)境治理措施作用顯著，淮河流域水質(zhì)得到顯著改善。

圖5 淮河流域不同水質(zhì)河長所占比例變化特征

3.6 水資源各指標(biāo)相關(guān)性分析

不同水資源各指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性，見表1。例如，降水量與地表水資源、水資源總量、入海量、入江量顯著正相關(guān)，降水量和大中型水庫蓄水量無顯著相關(guān)，降水量與各類工程供水和總用水量顯著負(fù)相關(guān)。地表水資源與水資源總量、入海量和入江量顯著正相關(guān)，地表水資源與大中型水庫蓄水量、各類工程供水量和總用水量無顯著相關(guān)。各類工程供水量和總用水量顯著正相關(guān)。

表1 水資源各指標(biāo)間的相關(guān)性分析 單位：億m3

降水量、入海量和入江量與Ⅱ類以上所占比例呈顯著正相關(guān)，見表2。其他指標(biāo)與Ⅱ類以上所占比例無顯著相關(guān)；降水量、地表水資源和入江量與Ⅲ類所占比例顯著正相關(guān)，地表水資源、入海量和入江量與Ⅳ類所占比例呈顯著負(fù)相關(guān)，降水量、地表水資源、水資源總量和入江量與Ⅴ類所占比例呈顯著負(fù)相關(guān)，入江量和劣Ⅴ類所占比例呈顯著負(fù)相關(guān)。

表2 水資源各指標(biāo)與不同水質(zhì)所占比例的相關(guān)性分析 單位：%

4 結(jié)論

2011—2020年淮河流域年均降水量、地表水資源、水資源總量、入海量、入江量和河流水質(zhì)Ⅲ類以上所占比例大體上呈上升的趨勢，且存在顯著的年際變化；大中型水庫蓄水量、各類工程供水量、總用水量、河流水質(zhì)Ⅴ類和劣Ⅴ類所占比例呈下降特征，但各類工程供水和總用水量相對比較穩(wěn)定。研究說明淮河流域降水量、地表水資源增強(qiáng)的年際變異并未影響淮河水資源工程供給和總用水量，且流域河流水質(zhì)得到顯著改善，這與淮河流域的全面治理密切相關(guān)。然而，由于本研究所涉及年限較短，存在一定的局限性。今后會持續(xù)關(guān)注淮河流域的水資源管理，為淮河流域水資源的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。