山西农谷降水变化与旱涝特征分析及水利应对策略

2022-05-12吴伟伟冯锦萍

水利建设与管理 2022年4期

吴伟伟冯锦萍孟佩

(1.晋中市水利局，山西晋中 030600；2.山西省节约用水服务有限公司，山西太原 030002)

山西农谷位于山西省中部太原盆地，是国家现代农业示范区、国家农高区和现代农业产业科技创新中心，有山西农谷标准化委员会及大数据中心，是山西农业发展最前沿阵地。近年来山西农谷形成了以干鲜果、设施蔬菜、畜牧养殖、苗木花卉为主的四大优势特色产业，在北方旱作农业区农业提质增效、做大特优农产品、做优设施农业、做强现代农业服务业等方面成效显著。山西农谷的农田水利同样发达，2017年农田灌溉水有效利用系数0.604，位于山西省前列，但是从气候和水利角度上看，暖干化趋势显著、旱涝灾害频发、地下水超采严重，成为农业发展的瓶颈，因此，分析降水变化和旱涝特征，以水资源合理利用为中心提出水利应对措施是十分必要的。

1 区域概况

山西农谷位于山西省太谷区，面积1053km2，处于祁吕贺山字形构造前弧东翼和新华夏构造体系联合作用处，地势由东南向西北倾斜，分别是山地、丘陵和平原，海拔767～1914m，属温带大陆性季风气候。多年平均气温9.8℃、蒸发量1614mm、无霜期157天，最大冻土深度67cm，四季变化明显，雨热同季，光热资源丰富，土质肥沃，是优良的农业种植区，拥有耕地面积46万亩。区域属汾河流域，境内有乌马河、象峪河、津水河、咸阳河四大河流，见图1，水利设施有中型水库2座、小水库8座、中型灌区2个、小型自流灌区25个、小型泵站灌区55个、机井3133眼。有效灌溉面积38万亩，节水灌溉面积32万亩，其中防渗渠灌2.35万亩、管灌25.14万亩、喷灌1.74万亩、微灌2.77万亩。

图1 山西农谷水系图

2 采集过程与计算方法

山西农谷降水量数据主要利用太谷区雨量站1960—2019年逐月数据通过加权平均值法求得，水利工程数据主要来自晋中市水利统计资料，水资源数据主要来自晋中市2017年水资源公报。数据分析采用线性回归法、滑动平均法、M-K检验法、小波分析法、旱涝Z指数法等。

3 降水特征分析

3.1 四季变化特征

山西农谷1960—2019年逐月降水见图2，四季特征如下：

a.冬季，12—次年2月份，降水占比2.3%，控制当地气候的是蒙古高压和阿留申低压，地面盛行西北、偏北风，寒潮、冷空气活动频繁，空气湿度小、气温低，形成冬季气候干冷的特点。

b.春季，3—5月，降水占比16.2%，受蒙古高压、阿留申低压、印度低压、副热带高压影响，形成鞍形气压场，冷空气活动频繁，冷高压侵入后变形快，回暖迅速，形成天气多变、冷暖变化大，风多风大，降水稀少的特点。

c.夏季，6—9月，降水占比56.8%，主要受印度低压和副热带高压影响，地面盛行东南风、偏东风，有利于水汽从孟加拉湾和南海洋面输送到当地上空，形成雨热同季，降水集中，雷雨大风、冰雹、暴雨等灾害天气多发的气候特征。

d.秋季，9—11月，降水占比24.7%，出现与春季四个大气活动完全相反的转变，蒙古高压和阿留申低压活跃起来，印度低压、副热带高压逐渐退去，到9月下旬至10月上旬雨季结束，出现晴朗少云、凉爽宜人的秋高气爽天气。

图2 山西农谷1960—2019年逐月降水量

3.2 趋势性分析

山西农谷1960—2019年降水量变化趋势见图3，由图3可以得出：

a.多年平均降水量为423.8mm，最大值为621.4mm(1977年)，最小值为219.0mm(1986年)。

b.降水量呈波动下降趋势，减小速率为1.1319mm/a，结合温度上升趋势，表明山西农谷气候呈暖干化趋势。

c.时序上分为三个丰水段和两个枯水段：1960—1964年、1976—1978年、2011—2014年为丰水段，1979—1982年、1991—2001年为枯水段。

d.从3年滑动平均曲线来看，1997年前降水呈下降趋势，1998—2011年呈上升趋势，2012年以后呈下降趋势。

e.62年中旱涝交替32次，年际变化均值为132mm，其中1980—1990年最高，年均达172.9mm，1990—2000年最低，年均为95.6mm，可见旱涝交替频繁是山西农谷降水最显著的特点。

图3 山西农谷1960—2019年降水量变化趋势

3.3 突变性分析

用Mann-Kendall检验法对山西农谷1960—2019年降水进行突变分析(见图4)，由图4可以看出：UF值在1967年以后均小于0，在α=0.05显著水平上，1967年发生突变，突变后降水量由升转降，且一直保持着下降趋势，1998年下降超过0.05显著水平临界值，表明下降趋势显著，2002年UF值开始回升，但未出现与UB交点，且一直为负值，说明降水回升有限，下降趋势显著。

图4 山西农谷1960—2019年降水量突变检验

3.4 周期性分析

为进一步探寻降水变化规律，采用小波分析法对降水变化进行周期性分析，绘制小波变换系数实部等值线图和小波方差图(见图5、图6)，可以看出山西农谷降水在长、中、短期时间尺度上都有明显的周期变化，在24～27年时间尺度上存在主周期振荡，在2年和6～7年的时间尺度上也存在弱周期，呈现很强的规律性，利于降水趋势的预测和水资源调控，尤其是在6～7年时间尺度上与厄尔尼诺发生周期接近，最有利于水利工程调控。

图5 山西农谷1960—2019年降水距平小波系数实部等值线图

图6 山西农谷1960—2019年降水量距平小波系数方差图

4 旱涝灾害分析及与厄尔尼诺关系

春夏两季是农作物生长的关键期，旱涝灾害已成为农业主要杀手，利用Z指数法对山西农谷1960—2019年降水进行旱涝特征分析，即假设某一段时间内的降水量服从PersonⅢ型分布，通过对降水量进行正态化处理，将PersonⅢ型分布转化为以Z为变量的标准正态分布，计算公式如下：

假设某时段降水量服从PersonⅢ型分布，其概率密度函数公式为

(1)

式中：α为形状参数；β为尺寸参数；x为降水量，mm；Γ(α)为gamma函数。

通过对降水量进行正态化处理，则可将其概率密度函数转化为以Z为变量的标准正态分布，公式如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Cs为偏态系数；φi为标准标量；σ为标准差。

将Z指数划分为7个等级，计算1960—2019年山西农谷年际和春夏发生旱涝出现年数，见表1。

表1 山西农谷1960—2019年Z指数旱涝等级及出现次数

4.1 年际旱涝特征

山西农谷年际发生重旱、大旱、偏旱、正常、偏涝、大涝、重涝的频率分别是3.3%、13.3%、13.3%、41.7%、10.0%、15.0%、3.3%。年际旱涝特征表现为：ⓐ明显的时段特征，大旱8次中有7次集中在1991—2001年，偏旱11次有9次集中在1980—1984年、2006—2010年、2015—2019年三个时段，偏涝、大涝17次中有8次集中在1960—1973年；ⓑ重旱和重涝与厄尔尼诺现象密切相关，重涝发生2次(1977年、1983年)，1977年出现厄尔尼诺现象，经历了厄尔尼诺的发展期和衰退期，旱涝急剧转变，1976年秋至1977年5月初连续200天大旱，小麦死苗率达40%，春播困难，5月14日出现连阴雨，7—8月连降暴雨出现特大洪灾；1983年出现2次厄尔尼诺现象，5月上旬出现暴雨，降水量达106.7mm，7月连降暴雨，出现特大洪灾；重旱发生的2次(1965年、1986年)也均出现厄尔尼诺现象。

4.2 春季旱涝特征

春季发生重旱、大旱、偏旱、正常、偏涝、大涝、重涝的频率分别是3.3%、11.7%、13.3%、45%、10.0%、11.7%、5.0%。春季旱涝特征表现为：ⓐ发生干旱的年份非常集中，且与厄尔尼诺无关年份居多，1972—1978年7年发生6次干旱，其中大旱1次、重旱2次，1989—2001年13年发生7次干旱；ⓑ发生洪涝的年份相对分散，且与厄尔尼诺相关年份居多，出现3次丰水段1963—1965年、1983—1985年、1990—1991年，大涝、极涝多数发生在厄尔尼诺衰退期；ⓒ春季降水少，月均仅为22.9mm，除大涝、重涝其他年份降水均无法满足北方农作物用水需求，60个年份里需春浇的年份达50年，因此民间有十年九旱的说法。

4.3 夏季旱涝特征

夏季发生重旱、大旱、偏旱、正常、偏涝、大涝、重涝的频率分别是6.7%、10.0%、11.7%、41.7%、15%、6.7%、8.3%。夏季旱涝特征表现为：ⓐ发生干旱的年份集中，1991—2001年发生7次干旱，2015—2019年5年发生3次干旱，4个重旱年份均出现厄尔尼诺现象，6个大旱年份有4年出现厄尔尼诺现象，多数处于厄尔尼诺发展期；ⓑ发生洪涝的年份较为分散，5个重涝年份均发生在厄尔尼诺衰退期，4个大涝年份中2个发生在厄尔尼诺衰退期。可以看出，夏季旱涝与厄尔尼诺现象联系更加紧密，在厄尔尼诺现象发展期易发生干旱，衰退期易发生洪涝。

5 水资源利用现状及存在的问题

5.1 水资源总量少，开发利用程度高

由于农谷地区多年平均降水量423.8mm，属半干旱地区，水资源总量仅为13391万m3，人均430m3，低于国际公认极度缺水线500m3。然而2017年用水总量达10370万m3，水资源开发利用率高达77%，属高开发利用区域，表明水资源利用已经超出环境承载能力，破坏了生态平衡。再根据降水减少速率计算，每年减少水资源量119万m3，更加加剧了水的供需矛盾，进而形成了榆太祁中型孔隙浅层地下水超采区。

5.2 水工程调蓄能力差，雨洪利用率低

山西农谷降水主要集中在夏季，达240.6mm，多以强降雨出现，然而水利工程总蓄水能力仅为3400万m3，夏季有大量的水白白流走，经计算2017年地表水利用率仅为42%，其中85%为夏季雨洪损失。从水利工程布局分析有以下三个问题：ⓐ两大河流乌马河和象峪河水工程蓄水能力低，仅有2座中型水库，无其他蓄水设施；ⓑ无水系连通工程，无法从空间上调配水资源；2016年咸阳河和乌马河流域发生大暴雨，形成洪灾，洪水无法补给缺水地区，也未集蓄起来，导致接下来几年形成重旱；ⓒ蓄水设施稀少，主要体现在拦河坝、塘坝、蓄水池等水利工程的不足，湿地和湖泊等天然水库更为稀少。

5.4 防洪有死角，重排轻滞

夏季降水量大历时短，是洪灾主要发生时段，根据旱涝特征分析大涝、重涝发生频率为15%，每次都会造成巨大的经济损失。近年来山西农谷防洪能力大幅提升，境内河流堤防多数达到10年一遇以上防洪标准，水库也均进行了除险加固，随着河长制的深入，河道垃圾也大幅减少，行洪能力增强。但是咸阳河的无尾河问题一直未得到解决，河道纵坡大，沿岸企业、村庄多，洪水破坏力强，还会造成下游城区内涝，成为防洪死角，亟待解决。其次境内河道过直，河网密度小，沟壑纵横，缺少湿地或洼地，滞水能力较差。

5.5 旱灾频发，应对能力差

从旱涝特征来看，山西农谷干旱最明显的特征是集中，年际、春夏两季均有此特点，尤其在厄尔尼诺发展期干旱多发，随着水资源供需矛盾加剧，旱灾破坏力已成倍放大。在应对干旱方面，目前的主要措施是打井，据统计区域现有机井3133眼，密度极高，短期内是解决干旱的有效措施，但是不可持续，地下水位已出现严重下降，每年超采1800万m3，形成了晋中最大的地下水超采区。应对能力差还表现在水利工程蓄水能力低、滞水能力差、河湖水系未连通、高效节水灌溉面积少等方面。

5.6 农业用水多，高效节水面积少

春季降水稀少，伏旱频次高，旱涝急转是山西农谷气候另一个重要特征，受影响最大的就是农业，然而区域农业用水量已占到总用水量的80%，说明种植结构不合理，高耗水作物偏多，这就造成了旱灾对农业影响更大更广。从农田水利上讲，区域主要灌溉方式以管道输水加长畦灌溉为主，漫灌较为普遍，灌溉方式落后。近年来随着国家现代农业示范区建设的开展，喷微灌面积提高到了12%，水有效利用系数提高到0.604，但是相比农业发达地区差距仍较大，无法应对水资源短缺和干旱频发问题。

6 水利优化策略

6.1 河湖连通，滞蓄水两手抓

河湖连通工程可以有效解决降水时空分布不均问题，最大限度利用好水资源，尤其是利用好雨洪资源，就山西农谷来说，乌马河与象峪河流域、咸阳河与乌马河流域有狭长的接触带，高低落差不大，地形条件不复杂，为流域连通提供了天然良好条件。其次是滞水，河湖治理时尽量保持原有河道形状，每隔一段设置一个雨水花园、生态缓洪区、人工湿地等形式的滞留区，提高滞水能力，补充地下水。蓄水方面可以在河道上建设合理数量的低堰、塘坝、人工湖泊和调蓄库，提高蓄水能力。只有滞蓄两手抓，才能从从宏观上提高水资源转化率，提高防洪抗旱能力。

6.2 兴建雨水集蓄设施，城乡村山路全利用

雨水集蓄利用不仅需要在河湖兴建水利工程，还需要在广大具备集流条件的“城乡村山路”建立分散式收集系统。当地降水集中于夏季，且多以强降雨形式出现，为雨洪集蓄利用提供了良好条件。具体建议有：ⓐ在乌马河、象峪河、咸阳河建小型调蓄库，库区可以在河床或流域间；ⓑ东部山区较多，村镇多分布于山脚平缓地带，集雨面好、汇流量大，可兴建蓄水池或雨水花园，解决山区水源短缺问题，还能缓洪防火；ⓒ公路集雨效率高、离农田近，可在道路两边兴建水窖，发展补充灌溉面积；ⓓ以海绵城市建设为基本框架，尽快实现雨污分离，构建多级雨水收集系统，为城市提供综合的生态系统服务，缓解供水紧张。

6.3 制定不同尺度应对策略

在长时间尺度上，构建与水资源承载能力相适应的经济社会发展模式和产业结构，保证水资源供需的长期稳定，在降水上升期，水利工程应突出“渗、滞”的功能，延缓地表径流，涵养地下孔隙水、裂隙水和喀斯特水。在降水下降期，限制高耗水产业，调整农业种植结构，实施有机旱作农业，水利工程应突出“蓄、用”的功能，提高蓄水能力，增强河湖连通功能，从时空上尽量做到平衡，尤其预防干旱链。在中时间尺度上，水利工程应突出“净、用”两大功能，构建海绵系统，充分利用土壤渗透、植被、水体净化水质，提高非常规水资源的利用效率，将输水渗漏降到最低。在短时间尺度上，各行业各部门可及时缩减用水定额应对干旱，把所有水源包括集中供水水源和分散自备水源以及机井纳入统一的水资源管理系统，统一分配，统一调度，最大限度地蓄水节水，稳定土层含水率。

6.4 发展高效节水，改进灌溉方式

发展高效节水是解决半干旱地区农业灌溉的最佳方式，山西农谷农业发达，农民技术水平较高，通过积极宣传、引导和培训结合农业水价综合改革，可以让农民快速适应并掌握高效节水灌溉，尤其是利用微灌的水肥一体化技术，可大幅提高用水和施肥效率。大田作物则可通过改进地面灌溉方式，如短畦、垄作沟灌等方式提高水利用率。同时还要调整作物结构，选用节水高产型品种，农耕蓄水和覆盖技术、增施有机肥和水肥耦合技术，应对资源型缺水。

6.5 制定基于天气预报的灌溉制度

目前短期气象预报技术趋于成熟和准确，通过天气预报数据可以预测作物蒸发蒸腾量，进而计算出作物不同时间段的需水量，结合土壤墒情监测，可制定出科学的灌溉制度，从而大大提高水利工程供水计划的科学性。尤其是大中型灌区，输水线路长，灌溉周期长，天气预报技术对灌溉制度非常重要，能从最后一公里上做到科学决策，从而有效提高水资源利用效率，促进供水单位标准化规范化管理。这就需要在气象部门、农业部门、水利部门、供水单位之间建立平台，实现信息共享。