基于人类活动与气候变化的长江流域水资源压力评价

黄 莎，付 湘，秦嘉楠，徐雨妮

(1.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430074；2.海绵城市建设水系流科学湖北省重点实验室，武汉430074)

目前，国内外学者在水资源压力的研究已有丰富的成果，常用水资源压力评价指标有Falkenmark指数[3]、水资源脆弱指数[4]、水贫穷指数[5]、水资源开发利用率[6]等。钱逸颖等[7]基于水足迹理论研究社会经济活动对可利用水资源占用情况，探析区域水资源短缺问题；夏军等[8]以密云水库的水源供应为例，研究了气候变化对入库流量的影响，并预估了未来水资源压力；匡洋等[9]针对全球气候变化背景下的国际河流冲突，提出了气候变化影响决策评估工具，以促进跨境流域水资源可持续发展；Vorosmarty等[10]以1985年水资源压力为基准，设置三种情景以预测气候变化和社会经济发展对2025年水资源压力情况；潘欢迎等[11]运用Falkenmark指数和水压力指数定量评价了中国水资源一级区的水资源压力，分析了大时空尺度上的水资源利用状况。水资源压力受社会经济活动和气候变化共同影响，Wada等[12]提出水资源压力与水文干旱和社会经济干旱密切相关，通过对水资源压力的不断认识有助于更深刻的理解区域干旱情况。

水资源压力受人类活动与气候变化的双重影响，这两个因素对水资源压力的影响程度缺乏定量研究，为研究人类活动及气候变化对长江流域水资源压力的影响，本文以长江流域19个省级行政区为研究区域，基于1998-2016年的水资源总量和供水总量，采用水资源压力指数计算人类活动和气候变化影响下的区域水资源压力，并运用Mann-Kendall检验法对水资源压力变化进行趋势分析。最后，从水资源压力角度探析干旱与水资源压力的关系。

1 研究方法

1.1 水资源压力指数

根据水资源公报编制规程(GBT 23598-2009)规定，供水量根据水源不同类型分为地表水源、地下水源和其他水源三大类，反映受科学技术和可利用水资源总量的影响，为满足社会经济发展需水量所提供的水量。例如，先进的科学技术提高用水效率(工业用水重复利用率与农业灌溉水利用系数)，在一定程度上能够减缓水资源压力，更好地满足工业和农业需水量。供水对象包括农业、工业、生活及生态环境用水部门，考虑生态环境用水时，区域的总供水量增大使得多数区域的水资源压力恶化，能提高水资源压力评估精度[13]。公报中水资源总量即为降水形成径流量，是流域水循环过程中的重要产物之一，其内涵为降水形成地表及地下产水总量，自然环境变化(如气候变化)对水循环的影响将会导致水资源总量的变化。因此，从供水量、水资源总量内涵以研究水资源压力具有一定理论依据及现实意义。

水资源开发利用程度定义为年取用的水资源量占可获得的水资源总量的百分率，选定为水资源压力指数(Water Stress Index)用于描述某一区域受水资源压力严重程度[14-16]。其计算公式如下：

(1)

(2)

水资源压力指数在标度区域水资源紧张程度时，将水资源压力分为4类[15]：低压力、中压力、中高压力以及高压力。低压力(WSI<0.1)即流域内水资源与社会经济环境协调发展，无水资源危机；流域内处于中压力状态(0.1≤WSI<0.2)，存在一定水资源危机隐患；流域内处于中高压力状态(0.2≤WSI<0.4)，即水资源与社会经济环境不协调发展，面临水资源争夺，需要引起重视；流域内处于高压力状态(WSI≥0.4)，水资源严重稀缺，与社会经济环境发展极不协调，水冲突一触即发(见表1)。

表1 水资源压力指数分类标准[14,15]Tab.1 Classification criterion of water stress index

1.2 趋势检验方法

Mann-Kendall趋势检验法(简称MK检验)是世界气象组织(WMO)推荐并已经被广泛应用的非参数统计检验方法，最初被Mann用于Kendall的统计数据，其特点是不需要数据样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，定量化程度较高[17]。Zhang[18]、熊立华[19]等都运用了MK检验来分析长江流域降水变化趋势。鉴于MK检验在趋势分析上的应用优势及其在长江流域的应用成果，为了深入剖析人类活动与气候变化对WSI影响的显著性，本文应用MK检验法对式(1)、式(2)计算得的WSI进行显著性分析。MK检验法的基本原理如下[17]：

假设时间序列数据Xn是n个随机独立变量且具有同分布的样本，备择假设H1是双边检验；对于所有的k，j≤n且k≠j，xk和xj的分布是不相同的,检验的统计变量S计算如下式：

柿子炭疽病是柿树主要病害之一，富平尖柿属于极易感染炭疽病的品种。该病在高温高湿条件下传播蔓延快，防治难度大，只有准确区分病害症状特征，了解病害发生规律，并采取综合措施适时防治，才能取得良好效果。

(3)

(4)

S为正态分布，均值和方差如下式所示：

均值：E(S)=0

(5)

(6)

当n大于10时，标准的正态统计变量z通过下式计算：

(7)

在双侧趋势检测中，在给定的置信水平上(本文置信水平取0.05)，若|z|≥1.64，则表示时间序列数据变化趋势具有置信水平为0.05的显著上升或下降趋势。当统计变量z>0时，呈上升趋势；z<0，呈下降趋势。

2 结果分析

长江流域总面积为180 万km2，约占中国国土面积的1/5，包括15个省份、2个自治区、2个直辖市，具体地理位置图如图1所示。流域内多年平均降雨量约1 100mm，多年平均水资源总量为9 958 亿m3[20]。长江流域水资源总量较丰沛，但时空分布不均，2016年人均水资源量并不丰富，为2 233m3，仅略高于全国平均水平，流域内仍存在缺水区域[21]。本文使用的数据来源于《长江及西南诸河水资源公报》，收集了长江流域19个省级行政区1998-2016年水资源总量与工业、农业、生活及生态供水量资料，基于水资源压力指数和MK检验法，分析了各省行政区气候变化与人类活动下水资源压力的变化。

图1 长江流域地理位置图Fig.1 Location of the Yangtze River basin

2.1 水资源压力时空对比分析

1998-2016年长江流域的WSI由公式(1)计算得到，结果如图2所示，2016年长江流域的WSI为0.17，是1998年其WSI(0.09)的近两倍，从低压力经过一段时间的中压力过渡到中高压力状态，在2011年WSI甚至达最大值0.26。根据《长江及西南诸河水资源公报》的数据资料统计，长江流域在1998-2016年间总用水量增加了16%，而水资源总量在此期间减少了38%。表明在研究期间长江流域用水量缓慢增大，而水资源总量下降较快，导致其遭受的水资源压力增大。

图2 1998-2016年长江流域WSI变化图Fig.2 WSI in the Yangtze River basin during 1998-2016

1998年与2016年长江流域内19个省WSI分布如图3所示，图中颜色深浅表示水资源压力严重程度。结果显示，约40%省份的水资源压力严重程度加剧， 四川、重庆、陕西、贵州和江西由低压力转为中压力状态，安徽从中压力转为中高压力状态，河南从中高转为高压力状态，而上海和江苏一直处于高压力状态。实际上，整个研究期间水资源压力平均水平处于高压力状态的省份有上海市、江苏省、浙江省和河南省，如图4所示。根据上海、江苏、浙江和河南各省的统计年鉴资料显示，1998-2016年间上海的人口增长率为58.46%，GDP从3831亿元增长到28 178.65亿元；江苏的人口增长率为11.36%，GDP从7 199.95亿元增长到76 086.17亿元，翻了近10倍；浙江和河南的人口增长率分别为10.43%、15.81%，其GDP均翻了约8倍。说明社会经济快速发展的省份受到水资源压力较严重。

图3 长江流域19个省1998年与2016年的WSI分布图Fig.3 WSI for 1998 and 2016 in the Yangtze River basin

图4 1998-2016年长江流域水资源高压力省份WSI变化图Fig.4 WSI in cities where in high water stress during 1998-2016

2.2 基于MK检验的水资源压力分析

运用MK检验对长江流域的19个省级行政区水资源压力指数进行趋势分析，由公式(1)计算气候变化与人类活动双重影响下的水资源压力指数，受气候变化与人类活动显著影响的省份有7个；由公式(2)计算气候变化影响下的水资源压力指数，受气候变化显著影响的省份有6个，其中呈上升趋势的有4个，呈下降趋势的有2个，见表2所示。重庆和安徽的WSI受气候变化与人类活动显著影响，但在气候变化下无显著性；相反地，河南和广东的WSI受气候变化显著影响，但在气候和人类活动影响下无显著性。说明不同地区水资源压力对于气候变化的反馈不同，同一地区水资源压力对于气候变化和人类活动的反馈也不同，且存在水资源压力对于气候变化更为敏感的省份。

表2 WSI变化趋势具有显著性(α=0.5)的省份Tab.2 Provinces where change trends of WSI is significant(α=0.5)

注：当|z|≥1.64时，判定具有α=0.05显著性水平；用加粗表示。

针对上述显著性结果不同的重庆、安徽、河南和广东，分析其1998-2016年气候与人类活动下、气候变化下的WSI变化，如图5所示。重庆自2002年起两种情况下的WSI差异逐渐增大，在1998-2001年用水量仅增加了7%，WSI竟增大了约3倍，在2003-2006年用水量增加了15%，WSI却增大了80%之多。分析其用水结构变化，如图6所示，主要是占总用水量比重最大的工业用水量的增加，但此后生活用水比重逐渐加大，说明在水资源总量不变的情况下，人类社会经济活动引起用水量增加会大大地恶化水资源压力。安徽省由于受降雨偏少且持续高温天气影响，在2006年发生1998-2016年期间内最严重的干旱事件，显示出高WSI值(0.42)，值得注意的是，最大WSI值却发生在2013年，发现2013年的用水量增加了40%，其用水结构变化中农业用水始终所占比重最大，工业较生活用水比重上升速率快，生态用水显著增大。表明城市经济发展和维持生态环境健康的背景下，安徽的水资源压力受人类活动显著影响。

研究期间河南总用水量维持在22 亿m3左右，广东总用水量维持在0.18 亿m3，均无明显上升趋势，如图7所示。根据河南省统计年鉴资料显示，在1998-2016年河南的人口增长15.81%，GDP从4 308.24 亿元增长到4 0471.79 亿元；国家统计局资料显示广东省在1998-2016年GDP从8 531 亿元增长到79 512 亿元，其经济发展迅速。但是河南和广东在气候变化与人类活动下、气候变化下的WSI差异不明显，说明了两省受人类活动影响不显著，受气候变化显著影响。

图5 1998-2016年重庆和安徽在两种情况下WSI变化图Fig.5 WSI for two situations in Chongqing and Anhui during 1998-2016

图6 2001-2016年重庆和安徽四个用水部门用水量示意图Fig.6 Total water uses for major user in Chongqing and Anhui (2001-2016)

图7 1998-2016年河南和广东在两种情况下WSI变化图Fig.7 WSI for two situations in Henan and Guangdong during 1998-2016

2.3 干旱与水资源压力的关系

进入21世纪以来南方地区干旱频繁发生，据河南统计年鉴记载，自2000年以来，2001、2013年河南均发生严重干旱；2006、2009、2011和2013年长江流域大部分地区如江西、安徽、广东出现干旱现象[22,23]；2006年川渝地区出现百年大旱，对当地造成严重损失[24]。

1998-2016年长江流域内受气候变化和人类活动影响下的水资源压力指数变化如图5，图7所示，河南在2001和2013年的WSI均达到波峰，且2006年的WSI大于0.4属于高压力状态；重庆在2006年遇百年大旱时WSI值达1998-2016年期间的最大值；安徽在2006、2011、2013年WSI均大于0.4属于高压力状态。结果说明，区域发生干旱时，WSI值均较高，体现了气候变化和人类活动影响下的水资源压力与水文干旱、社会经济干旱相关。

3 结 语

本文运用水资源压力指数和Mann-Kendall检验法分析了人类活动与气候变化影响下的区域水资源压力，得出如下结论。

(1)在1998-2016年期间，以整个长江流域为评价区，总用水量增加了16%，而水资源总量在此期间减少了38%，其WSI值从0.09上升到0.17。约40%省份的水资源压力严重程度加剧，1998-2016年间上海的人口增长率为58.46%，江苏的GDP翻了近10倍，浙江和河南的GDP翻了约8倍，社会经济迅速发展的同时，其水资源压力一直处于高压力状态。

(2)在1998-2016年期间，以长江流域19个省级行政区为评价区，运用MK检验对气候变化与人类活动共同作用下、气候变化下的WSI做趋势分析，重庆和安徽的WSI受到人类活动显著影响，6个省份受气候变化显著影响，7个省份受气候变化与人类活动显著影响，其他省份无显著性。

(3)近20年历史上记载发生干旱的地区，其干旱年对应的WSI值均较大。由于水资源压力受气候变化和人类社会经济活动的影响，表明水资源压力与水文干旱、社会经济干旱具有一定联系。