红河区地表水资源量减少原因分析

2021-02-26吕雁翔

水资源开发与管理 2021年2期

吕雁翔

(山西省水文水资源勘测站，山西太原 030001)

地表水资源量是指由当地降水形成的、可以逐年更新的河流、湖泊、冰川中的动态水量[1]。2018年，在第三次水资源调查评价时，山西省北部黄河流域的四级水资源分区红河区地表水资源量明显减少，为探究其原因，本文对红河区地表水资源量减少原因进行了分析研究，以期为该区域的水资源保护提供参考。

1 研究区概述

1.1 分区情况

红河区位于山西省北部，属于黄河流域，为四级水资源分区；该区跨大同、朔州两市，涉及左云、右玉、平鲁3个县区；全区总面积2211km2，其中右玉县面积1680km2、平鲁区面积451km2、左云县面积80km2。红河区河流水系见图1。

图1 红河区河流水系

1.2 下垫面情况

红河区下垫面产流地类主要有灰岩土石山区，面积为544km2，占比24.6%；灰岩灌丛山地，面积为259km2，占比11.7%；砂页岩灌丛山地，面积为466km2，占比21.1%；变质岩灌丛山地，面积为436km2，占比19.7%；黄土丘陵阶地，面积为506km2，占比22.9%；其中灰岩区占全区总面积的36.3%，见图2。

图2 红河区产流地类

1.3 参证站选择

2001年，第二次水资源调查评价时红河区选取黄河流域黄河水系红河太平窑水文站为参证站，该站设立于1958年10月，位于内蒙古自治区和林格尔县太平窑村，控制集水面积为3400km2。2004年该站上迁至二道边水文站，控制集水面积为2119km2，因该站离山西省境较近，为红河出省境把口站，而且径流资料序列为2004—2016年，可以较为真实地反映现状的产流情况，所以，第三次水资源调查评价红河区选取二道边水文站作为参证站。

1.4 评价技术

本次红河区地表水资源量评价按照《山西省第三次水资源评价细则》的要求进行径流量的还原计算、一致性修正，并沿用第二次水资源评价专家们研究出的分水系数进行分水。

2 研究区评价成果

2.1 降水量

本次水资源评价采用经纬度网格法和算术平均法计算得出1956—2016年红河区降水量均值为411.0mm，与第二次水资源评价1956—2000年红河区降水量均值412.1mm相比减少了1.1mm，减幅为0.3%。红河区降水量变化趋势见图3。

图3 红河区降水量变化趋势

由图3可知：红河区1959年、1964年降水量介于600～700mm之间，处于60年间最大级别；1961年、1967年、1969年、1973年、1976年、1978年、1979年、1990年降水量介于500～600mm之间，处于次大级别；1962年、1965年、1986年、1993年降水量介于200～300mm之间，处于最小级别；其余年份降水量介于300～500mm之间，处于中间水平。

2.2 径流量

本次水资源评价对太平窑、二道边水文站进行还原计算得出天然径流量，折算成红河区天然径流量后进行一致性修正，1956—2016年红河区天然径流量均值为4144万m3，径流深为18.7mm；与第二次水资源评价1956—2000年红河区天然径流量均值6157万m3、径流深27.8mm相比，径流量减少了2013万m3，径流深减少了9.1mm，减幅为32.7%，与年降水量0.3%的减幅相比，减幅极大。红河区径流量变化见图4。由图4可知：1956—2016年红河区年径流量最大值出现在1961年，最小值出现在2007年，大部分年径流量介于4000万～8000万m3之间，总体呈明显下降趋势，2006—2012年年径流量处于最低水平。

图4 红河区径流量变化趋势

3 研究区评价成果分析

根据还原计算、一致性修正、参证站选择、森林覆被变化情况，对红河区天然径流量显著减少原因进行研究分析。

3.1 还原计算方面

为了消除水利工程对地表径流的影响，保持径流资料系列的一致性[2]，本次采用分项调查法，收集研究区内2001—2003年、2004—2016年第一产业第二产业第三产业的用水数据、水文站的实测径流资料、各水库的蓄变量、水面蒸发资料，并将各用水资料还原至太平窑和二道边水文站，计算出两站的天然径流量。由《山西省清泉水流量调查成果》的资料可知，2009年3月红河杀虎口断面的实测流量为1.35m3/s，而同期二道边水文站实测流量为0[3]，通过量测相关图层，杀虎口至二道边断面约3.7km，区间存在较大的水量损失，但是由于缺乏多年的实际调查资料，未能将该部分水量还原至二道边水文站，使红河区的天然径流量偏小。

3.2 一致性修正方面

一致性修正是通过建立研究区的降水径流双累积曲线，然后确定拐点，对流域下垫面条件改变导致的入渗、径流、蒸发等水平衡要素的系列变化进行一致性修正[4]。将1956—2003年太平窑水文站和2004—2016年二道边水文站的天然径流序列，按照水文比拟法统一折算至1956—2016年的红河区，然后根据红河区的降水径流双累积关系确定修正拐点年份为1984年(见图5)，这比第二次水资源评价修正年份1974年多了10年；本次平均修正系数53.7%也较第二次评价中的修正系数69.1%偏小了15.4%，因此计算的红河区天然径流量比第二次评价中的数据偏小。

图5 红河区双累积曲线

3.3 参证站选择方面

第二次评价时红河区采用的参证站为太平窑水文站，处于第三次评价参证站二道边水文站的下游，集水面积更大。其中太平窑至二道边站区间面积为1281km2，该区有石门沟、马场河、海流屯沟等支流，来水量较大，导致太平窑折算至红河区的径流量要比二道边折算至红河区的径流量大；同时二道边站上游红河区灰岩区地类占比36.3%，岩层断裂带较发育，岩性透水性好，导致该区域较大部分的地表径流转化为浅层地下水在太平窑至二道边站区间出露，使得区间形成较大的天然径流，因此选取太平窑站作为参证计算得出的地表径流偏大。

3.4 森林覆被变化方面

森林覆被的变化通过对冠层蒸散发和对大气降水的重新再分配和分布、土壤水分和植物体内水分的蒸散发变化、径流形成机制等的影响，使流域水文循环过程发生极其显著的改变[5]，最终影响流域的水量平衡和水文效应[6]。国内外学者研究表明：森林流域有较大的土壤入渗能力，采伐森林能够增加流域的年径流量，在未利用的土地上造林能够减少流域的年径流量[7]；如将10%的草地覆盖改为不同植被森林覆盖时，则年径流深将减少10～40mm[8-9]；黄土高原非林区的年径流深明显大于林区的年径流深，相比而言非林区径流量为林区径流量的1.7～3.0倍，非林区径流系数比林区径流系数大40%～60%[10]。一般来说，森林具有较高的蒸散发作用，在相同海拔内，随着森林覆盖率的增加地表径流系数将不断减小；随着流域覆被率和母岩持水力的增加，浅层地下径流系数将不断增大。

红河区的主要部分在右玉县，面积占比为76.0%。而右玉县历来有植树造林的优良传统，经历几代人的共同努力，森林覆盖率从20世纪50年代不足1.0%，飙升至现在的50.0%以上，远高于我国21.4%的平均森林覆盖率和全世界32.0%的平均森林覆盖率，完成了从“不毛之地”到“塞上绿洲”的华丽蜕变。由国内外学者研究可知，森林覆盖率的增加会导致地表径流量的减少，红河区第二次评价与本次评价相比，径流量是本次评价的1.49倍，径流深大44.9%。对红河区在右玉县占76.0%的面积进行折算，则径流量是本次评价的1.96倍，径流深比本次评价大59.1%，与以上专家的研究成果相吻合，可知森林覆被是造成红河区地表径流量减少的主要原因之一。同时经调查，右玉县的森林覆被基本都是人工林或人工灌丛，和天然森林相比差别较大，没有形成完善的水文循环系统，涵养水源有限，更多的是消耗地表水资源，使得地表径流系数更小。从1956—2016年红河区径流系数序列分析可知，红河区多年径流系数衰减速率为0.0018，随着区内森林覆盖率的增大，地表径流系数总体呈逐年减小的趋势，见图6。