丹东市水资源时空变化规律研究

王振辉

(辽宁省丹东水文局，辽宁 丹东 118001)

0 引 言

大气降水为水资源的有效来源，主要包括可以利用的地表径流水以及能够从自然界获得补充的地下水。水资源能够为人类生存发展和作物生长提供所必需的水分环境，并且人类活动与气候特征对水资源质量、数量的时空分布影响显著。近年来，由于极端天气事件频发以及全球气候变暖增大了气象系统耗散的突变性，这对陆面蒸散、地表径流聚集、降水过程模式造成了显著影响，并使得区域降水特征发生了一定的改变[1-4]。依据1959-2018年丹东市水文气象资料，对研究区水资源变化特征，从时间和空间两个维度利用趋势分析法、GIS空间可视化技术进行探究，以期为促进水资源合理利用和区域产业结构调整提供数据支撑。

1 研究方法

1.1 区域概况

丹东市地处东北亚中心地带，是一座沿海、沿江、沿边城市，核心区坐标为E124°23′，N40°07′，总面积1.52万km2。该区域为辽东丘陵地带，其中丘陵山地占72.4%，水域、平原谷地及其他占8.7%、14.6%、4.3%，从西南向东北地势不断升高，其中东港中南部与主城区地势最低，而地势高低以凤城北部与高点为主，海拔约500m。研究区为温暖带亚湿润季风气候，由于地貌形态差异境内气候环境变化较大，北部气温6-7℃，南部8-9℃，降水量为648.4-1761.7mm，且夏季占年降水的2/3，暴雨集中期为7月至8月中旬。

境内水系发育良好，江河密布，流域面积超过4983km2的有大洋河、鸭绿江、叆河和浑江，其它大小河流944条，水源涵养能力好，林草覆盖率61.6%。结合水文资料，丹东市年均水资源量84.88亿m3，占辽宁省的25.2%，平均径流深81mm，其中地下水补给量16.82亿m3，人均占有量为全省的4.6倍，区域产水模数为57.48万m3/km2，属于辽宁地区降雨量最多且水资源最丰富的地区[5]。

1.2 水资源利用现状

虽然丹东地区具有丰富的水源，但水资源利用过程中仍存在水体污染严重、农业用水效率低、水资源经济意识缺乏、用水忧患意识薄弱、地表水开发利用度低、拦蓄工程建设滞后、水资源时空分布不均等问题[6]，主要体现在以下方面：

1)丹东市人均水资源量为我国平均水平的1.5倍，该水平接近于南方地区，但该区域实现均衡用水仍存在一定的差距。例如，北部低山丘陵区水资源丰富，而南部适宜农耕的沿海平原区农业用水量具有较大缺口。沿海经济带的进一步发展和丹东市东港城区的持续扩大，加之生产生活与工业用水量的持续增大，使得铁甲水库承担城市供水和农田灌溉压力加大，为促进区域用水平衡必须加强水利工程建设。

2)辽东地区山高坡陡、土质疏松、降水流速快，天然降水的拦蓄利用存在较大难度，加之拦蓄工程较少使得雨过河干的现象较为普遍，丹东地区潜在水危机日趋严重。生产生活用水量的剧增进一步激化了水资源供需突出，预测显示未来20年该区域讲义干旱气候为主，必须要有的用水经济意识和忧患意识。

3)科学性、计划性为水资源开发的基本要求，为推动产业发展规划、城市总体布局与用水结构的协调发展必须合理规划水资源利用。今后工作的重点将逐渐转向水资源调蓄能力的提升以及水利工程的建设，目前已逐步规划的河流有叆河及其支流。丹东市出境地表水以注入黄海为主，调查显示水库蓄水量较低，且鸭绿江水资源总体开发较低，因此部分地表水开发潜力较大。

4)当前仍然面临水质性缺水、水利设施老化和工程建设滞后等问题，丹东市农业用水效率低、生活用水浪费严重、公众节水意识薄弱、节水器具普及率低且供水系统管理不当。受特殊的地理条件和历史原因等限制，丹东市边境地区开发较晚、经济不发达，因此存在轻保护、轻管理、重利用的现象，同时存在水质污染和生态破坏的问题。

1.3 数据拟合

选择径流深度、水资源总量、地表径流量和降水量作为研究指标，逐年径流深度和逐日站点降水量来源于中国气象数据中心，以扣除重复计算的地下水和地表水量作为水资源总量。为准确描述水资源趋势特征以及实现空间可视化处理，采用线性回归法和普通Kriging插值法拟合分析各指标均值，设置显著性水平(α=0.05)，采用Matlab系统自带小波分析模块揭示水资源事件变化规律[7]。

2 水资源时空变化规律

2.1 降水量空间分布特征

东南季风和盛行西风带来的暖湿气流为形成该区域大气降水的主要原因，由于不同地区的下垫面和距离海洋的维持存在差异，使得在空间分布上丹东市降水极不均衡。采用普通Kriging差值法和DEM数据、各站点降水监测平均值，从空间上获取连续分布的区域降水情况。尽管站点实测值与空间预测值具有一定的偏差，但各站点间的空间关联性在差值运算过程中得以保留，并且局部降水的变异可以利用DEM数据来衡量。结合预测结果，丹东地区降水量均值为1081.5mm，总体处于648.4-1761.7mm范围。

在南北方向上降水量变化较为明显，这主要与暖湿气流运动、地貌形态特征等因素相关，南部为平原沿海地带，北部地势较高为丘陵地区，从东南向西北降水量表现出逐渐增大趋势。另外，大气运移过程中受地形抬升作用出现聚集，从而形成降水集中的云置雨；不受地势作用且无地表组草组合作用的南部区域，雨峰过境速度较快，其降雨量较少低于1000mm，而西北部局部山口迎风坡的降水量可超过1100mm。

2.2 径流深分布特征

为准确衡量丹东市水资源空间丰富程度引入径流深度指标，其数值等于单位流域面积上的总径流量，所涉及到的数据有各水文站断面以上流域面积、断面处总径流量等，对年均径流深进行统计汇总，并差值预测径流分布状况。研究表明：丹东地区径流深度平均值为81mm，总体处于46-132mm范围。总体而言，自南向北研究区径流深度呈减少分布特征，进一步分析DEM数据发现，径流深度分布与地形呈显著负相关性，相关系数-0.647，通过显著性(α=0.01)检验。北部山区为河流上游发源地，水系发育良好且河网密布，由于受地形条件限制，所以径流深度不高且径流量较少。南部水系密集且径流丰富，该区域中下游其径流深度相对于其他地区明显较高。

2.3 水资源量时间变化趋势

采用Excel2019软件和丹东市1959-2018年水资源相关数据，绘制水资源量时间变化曲线，如图1。从图1可知，区域年均降水量呈减少趋势，变化幅度为-3.7528mm/a，置信度检验未通过5%水平，可见变化趋势不显著。降水量最低值为2016年的648.4mm，其次为1967年的652.6mm，该区域为湿润区，降水量均值1081.5mm。

图1 降水量变化趋势

从图2可以看出，全市水资源总量在整个研究时段内为84.88亿m3，降水量变化与水资源量波动高度吻合，变化斜率为-0.2618亿m3/s，变异程度达到中度，变异系数为62.41%，年际水资源量存在较大变化。

图2 水资源总量变化趋势

大气降水为水资源的主要来源，地下水与地表径流之间存在互补关系如图3。从图3可知，研究区地下水资源量年际平均水平为16.69亿m3，最高值为1965年的33.92亿m3，最低值为1992年的5.91亿m3。在区域降水量减少、气候干化演变、地下水开发力度加大、用水需求量增多以及人口规模增大等因素综合作用下，该区域地下水量呈波动下降趋势，变化率为-0.0981亿m3。结合以上分析结果，近年来丹东市水资源量整体呈下降趋势，该研究结论与其他研究成果保持较好一致性。

图3 地下水资源变化趋势

2.4 水资源周期性

考虑到水资源总量与地下水、地表径流和降水量间的高度相关性，为防止出现冗余计算，采用小波功率谱解析水资源总量的变化周期性。结果显示，准4-6年、准3-4年、准2-3年为丹东市年降水的变化周期，以上准周期在1970-2000年间、2000-2010年间、1975-2010年与1960-1970年间较为显著，而其它时段周期性较弱。整体而言，降水量年、季度量尺度不同，变化复杂且循环周期短，但变化周期均存在准2-4年且通过显著性(P<0.5)检验，可见该区域降水主周期为准2-4a。

3 结 论

全球气候变暖加剧了气象系统耗散的不确定性，从而使得丹东地区降水量、地表径流量和地下水蕴藏量均出现一定程度的减少。随着各行业用水量的剧增以及人口规模的持续扩大，水资源开采力度势必进一步加大，水资源供需矛盾将更加紧张。从空间尺度上，人口密度稀疏且经济欠发达的北部山区为丹东市降水量集中区，而南部平坦地区为地表径流量汇集区，但此区域不宜过度开发地表过境径流，所以可开发利用程度与水资源空间分布不协调。为促进水生态文明建设和提高综合用水效率，必须充分考虑水资源时空分布特征和区域气候变化特点，合理规划水利建设布局。