衡水市气侯影响水资源变化特征及对策

2013-12-14丁二峰安国庆

地下水 2013年1期

丁二峰，安国庆

(河北省衡水水文水资源勘测局，河北衡水053000)

1 概述

近一个世纪以来，全球气候发生了以变暖为主要特征的显著变化。全球气候变化对环境、生态和社会经济系统都有深远的影响［1］。水是全球气候变化的主要影响领域之一，合理评估城市气候影响水资源变化的特征有助于科学的利用水资源，充分地挖掘节水潜力，增加水资源的利用率［2-3］。本文以衡水市为例开展气候与水资源特性关系研究，对广大半湿润半干旱地区积极应对全球气候变化带来的影响，走可持续发展道路具有一定现实意义。

衡水市位于河北省东南部平原，地势平坦。气候属暖温带大陆性半湿润半干旱季风气候区。多年平均降水量509.7 mm，多年平均水资源量6.127 5亿 m3，年蒸发量 1 209.5 mm，年平均气温 12.6℃，干旱指数在 2.36～2.76 之间，气候干燥。春季干燥多风，夏季炎热多雨，秋季气候凉爽，冬季寒冷少雪［4］。

本文利用饶阳国家基准气候站和68处雨量观测站1957—2007年逐月气温和降水量资料，研究了衡水市气候变化对水资源及水环境的影响，提出了几种应对气候变化带来的影响，合理开发利用水资源，保护水环境的方法。

2 资料来源与研究计算方法

选用1处国家基准气候站，68处雨量观测站1957—2007年历年逐月气温和降水资料，研究年平均气温和年降水总量的变化趋势。利用高桥浩一郎陆面蒸发公式(1)计算衡水市年蒸发量［5］。

式中:E为月地面实际蒸发量(mm);P为月平均降水量(mm);T为月平均气温(℃)。

研究过程主要采用相关分析、回归分析、趋势线分析和5年滑动平均分析等方法，分析了气温、降水量、蒸发等气候参数和地表水、地下水及水资源总量的变化特征。

3 气候变化特征分析

气候变化影响水资源及其管理有4个主要指标:气温、降水、蒸发和海平面。结合衡水市实际情况，仅从前三个方面进行讨论。

3.1 气温变化特征分析

图1 1957—2007年衡水市逐年气温距平及5年滑动平均

图1是1957—2007年衡水市逐年气温距平及5年滑动平均。由图1可以看出，从20世纪80年代以来基本都呈上升趋势;从20世纪50年代末期至80年代末期，温度基本处于平均值以下，为负距平。90年代以来的气温明显高于平均值，为正距平，增温迅速，气温呈明显上升趋势。对51年的平均气温进行线性拟合，其趋势方程为y=0.0255x+11.88，可近似得出衡水市年平均气温每年升高为0.03℃。

大气温度越高，大气的持水能力越强(据克劳休斯—克拉珀龙定律)，同时蒸发量也增加。这使气候的变率增加，即有更强的降雨和更多的干旱，从而使水循环加速，影响水资源及管理［6］。

3.2 降水特征分析

由图2可以看出全市降水量年际变化量在波动中不明显的减少。1964年、1977年、1990年为衡水市降水较多的年份，年降水量大于700 mm。从年代上看，70年末期开始出现减少趋势，并低于平均值，为负距平。对51年的年均降水量进行线性拟合，其趋势方程为 y=-2.204x+555.6，可近似得出衡水市的年平均降水量每年减少2.20 mm。衡水市降水量年内分配很不均匀，6～9月份多年平均(1956—2003年)降水量为391.9 mm，占全年降水量的76.9%，而整个汛期的降水又多集中在7～8月两个月份的二、三场暴雨，特别是丰水年份雨量更为集中，7～8月两个月份年平均降水量之和为295.1 mm，占全年的57.9%。1964年全市平均降水量最大为934.5 mm，1997年全市平均降水量最小为271.2 mm，最大平均降水量是最小平均降水量的3.45倍，降水量的年际变化也很大［4］。

图2 1956—2007年逐年降水总量距平及5年滑动平均

降水是气侯变化中影响水资源的直接因子，尤其是衡水地处干旱半干旱的气候区，降水可以直接补充地表水资源，补充浅层地下水资源，减少农田灌溉用水等，所以降水的变化直接影响水资源的多寡。

3.3 蒸发特征分析

在气候不断变化条件下，温度、日照、大气湿度和风速等发生明显变化，进而影响蒸发量。在自然条件下，例如无明显的蓄水或取水，一次降雨一般都能在一个月内转化为径流或被蒸发，仅有一小部分仍滞留在土壤中［7］。图3是水资源总量和利用高桥浩一郎公式计算出的逐年蒸发量对照图。蒸发量的线性拟合方程为y=-0.1767x+346.5，由图可知，蒸发量的变化趋势为缓慢的减少。但实际的蒸发主要表现为增加，疑是与气候影响蒸发的复杂性有关［4］。

图3 年地面蒸发总量、年水资源总量变化趋势图

4 水资源变化特征分析

4.1 水资源总量变化特征

我国水资源总量由地表水、地下水、湖泊、冰川等几部分组成，区域水资源总量可定义为当地降水形成的地表水和地下水之和［8］。图3可以看出，衡水市水资源总量变化非常明显，呈持续波动减少趋势。对系列进行线性拟合，方程为y=-0.7406x+84.73，从20世纪50年代末期到60年代初的高峰期，到21世纪初期的低谷期，水资源总量平均每年减少约为 0.74 mm。

图4 逐年地表水资源量距平及5年滑动平均

4.2 地表水资源量分析

利用文献［4］中计算的1957-2003年逐年径流深系列进行分析。图4是逐年地表水资源量距平及5年滑动平均，由图可明显的看出，除了少数几年的径流深明显高于平均值以外，大部分年份的径流深都为负距平。而且从20世纪80年代后期开始地表水资源量呈明显减少趋势。

4.3 浅层地下水埋深逐年增大

根据衡水市十一个县市区1994—2007年有连续资料的浅层地下水位观测井的资料统计，2007年全市浅层地下水年平均埋深为12.31 m，比1994年的8.24 m增大了4.07 m。图5是浅层地下水埋深变化趋势图，其线性拟合方程为y=0.3792x+7.394，由此可以估算出衡水市浅层地下水埋深正在以0.31 m/a的速度增加，浅层地下水资源量也在逐年减少。

图5 浅层地下水埋深变化趋势图

5 气候变化对水资源的影响分析

根据衡水市历年区域平均水资源量以及同期的温度、降水和蒸发进行相关性分析，发现降水与水资源总量之间存在明显的正相关，相关系数为0.977。图6是1957—2007年年降水总量距平与水资总量的5年滑动平均关系图，由图可见，降水量与水资源总量变化相当一致。分析可知，丰水年份占到10%，平水年份占40%，而枯水年份占到50%，尤其是21世纪初的持续干旱情况看，充分说明了降水对水资源的影响。由衡水市逐年平均气温和年水资源总量变化分析(图7)可知，随着气温的不断升高，水资源总量逐渐减少。这是气温的升高使蒸散发加剧，大气的持水能力增加的结果。虽然气温与水资源总量之间没有明显的相关性，但总的趋势表现出温度逐渐升高，水资源总量逐渐减少。蒸发受温度、日照、大气湿度等气候条件的影响，但蒸发量的增加能够使湖库、地表蓄水体水量减少，促使更多的潜水蒸发，加剧降水减少对水资源的影响。其次是气候变化对水环境的影响也是非常大的。升高的气温、增加的降水强度或长期的干旱少雨都能够使湖泊、水库等地表水体的多种污染加剧。另外，强降水更容易产生径流，造成水土流失，使更多的营养物质、病原体和有毒物质被冲刷到水体中，进而污染水体［6］。

图6 1957—2007年降水总量距平与水资总量的5年滑动平均

图7 年平均气温和年水资源总量变化分析

6 应对气候变化对水资源影响的方法

全球气候变化表现出可能加快水文循环，导致水资源量的时空分布变化，极端灾害性天气频发，水资源的短缺，水环境的恶化等一系列问题。随着经济社会的不断发展，气候变化影响水资源及水环境的矛盾将日益突出。为缓解此矛盾，应该从以下几个方面进行改善。

6.1 稳妥及时的人工增雨作业

在集水面积较大的区域，若能利用有利的天气条件，适时进行人工增雨作业，既可以降低大气的持水能力，使发生暴雨的可能性减小，又可以提高水库蓄水的利用率。

6.2 增设水利工程，加大对雨洪资源的利用

针对大部分降水都集中在7～8月份的地区，甚至降水多为几场暴雨的情况，要加大对雨洪资源开发利用的力度。建设一批城市雨洪水集流工程和田间沟渠集流蓄水工程，以调剂丰枯季节水量，保障水资源充分合理利用。

6.3 调整农作物布局，有效利用非传统水资源

农业灌溉用水是消耗水资源的大户之一，随着灌溉区的不断扩大，蒸发量比自然条件下要大很多。合理地搭配种植物机构对提高蒸发水的利用率，提高水资源的生产效率有着举足轻重的作用。

6.4 增加污水处理能力，使水资源得到重复利用

水资源是水量与水质的高度统一，可用水资源的多少并不完全取决于水资源的数量，而是取决于水资源的质量。以衡水市为例，2003年全市城镇工业用水量高达1.237 3亿m3，因此，对于多数工业比较集中的城镇，若能将工业用水全部进行处理，转化成中水替代清洁水源用于市政、景观娱乐等非饮用场合，变能够节省相当一部分水资源。