氣候波動(dòng)對(duì)水資源供需平衡和脆弱性的影響

氣候波動(dòng)對(duì)水資源供需平衡和脆弱性的影響

隨著世界水資源的增加，全球水資源的氣候影響研究變得越來(lái)越重要。例如,FrederickKD研究了美國(guó)Missouri-Iowa-Nebraska-Kansas(MINK)區(qū)域氣候變化水資源影響與響應(yīng)。BowesMD和CrossonPR分析了MINK區(qū)域氣候變化水資源影響的社會(huì)經(jīng)濟(jì)后果。FrederickKD討論了氣候變化及人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)對(duì)未來(lái)水資源供給和需求的影響及適應(yīng)對(duì)策。RiebsameWE研究了水資源管理對(duì)氣候變化的調(diào)整。山東省萊州灣地區(qū)按1993年人口和耕地計(jì)算,人均水資源315m3/人,耕地每公頃水資源只有全國(guó)平均水平的1/7,水資源已成為制約地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境治理的瓶頸。本文旨在分析近40年來(lái)的氣候波動(dòng)及未來(lái)氣候變化對(duì)該地區(qū)水資源供需平衡和脆弱性的影響。1鹽堿地區(qū)“海咸水”水入侵區(qū)個(gè)體”現(xiàn)狀萊州灣地區(qū)位于山東省的北部,北緯36°25′~37°47′,東徑118°17′~120°44′,總面積10114km2,沿萊州灣海岸呈半環(huán)狀。全區(qū)包括龍口、招遠(yuǎn)、萊州、平度、昌邑、寒亭、壽光和廣饒8個(gè)縣(市),是我國(guó)東部經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的地區(qū),也是發(fā)展中的重點(diǎn)對(duì)外開放區(qū)。全區(qū)有小清河、淮河、彌河、膠萊河、白浪河、王河和黃水河等河流二十余條,屬淮河流域沿海諸河水系。區(qū)內(nèi)的河流多發(fā)源于南部的丘陵山區(qū),向北獨(dú)流入海。全區(qū)多年平均(1956~1993年)降雨量594.7mm,多年平均地表徑流量12.94億m3(含上游入境客水量)。汛期6~9月徑流量占全年徑流量的70%~85%,洪水暴漲暴落,調(diào)蓄困難,而枯季徑流量很小,甚至長(zhǎng)時(shí)間斷流,無(wú)水可用。自1977年以來(lái),該地區(qū)近20年氣候持續(xù)干旱,同時(shí)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)也進(jìn)入了粗放型持續(xù)高速發(fā)展時(shí)期,水資源供需矛盾日益突出,導(dǎo)致超采地下水,致使形成大面積地下水位負(fù)值區(qū),引發(fā)了海(咸)水入侵災(zāi)害,使濱海海(咸)水入侵區(qū)生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重危害,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到嚴(yán)重?fù)p失。本文所用的該地區(qū)還原水資源及年年和年規(guī)劃年供水量和需水量資料來(lái)源于海水入侵防治試驗(yàn)研究》第三專題組水資源計(jì)算成果匯編(1)。240年來(lái)，氣候變化對(duì)萊州灣水資源的脆弱性有影響2.1降雨變化周期根據(jù)萊州灣地區(qū)1960~1993年年降雨量差積曲線,1960~1976年17年間差積曲線呈上升趨勢(shì),而在1977~1993年17年間差積曲線呈下降趨勢(shì)(圖略)。由此可以判定,萊州灣地區(qū)在1960~1976年期間處在多雨期,而在1977~1993年期間則處在少雨期。另?yè)?jù)煙臺(tái)、青島和濟(jì)南近百年降雨量資料的分析,降雨變化存在60年左右的周期。由于萊州灣地區(qū)處在膠東半島區(qū)之中,且短系列降雨資料又與長(zhǎng)系列站的同期降雨資料基本一致,故萊州灣地區(qū)的降雨變化周期也可以認(rèn)定為60年左右。從近百年降雨資料看,1917~1946年為連續(xù)少雨期,1947~1976年為連續(xù)多雨期,而1977年以后又進(jìn)入一個(gè)新的少雨期。據(jù)此,以1976年為轉(zhuǎn)折點(diǎn),將1960~1993年全區(qū)年雨量序列劃分為1960~1976年17年的多雨期和1977~1993年17年的少雨時(shí)期。以上兩個(gè)時(shí)期及干旱最嚴(yán)重的1980年代降雨距平百分率和同期各項(xiàng)水資源距平百分率見(jiàn)表1。由表1可知,在1960~1976年多雨時(shí)期,全區(qū)降雨量較多年平均增加12%,相應(yīng)的全區(qū)水資源總量較多年平均(14.57億m3)增加了26%;在1977~1993年少雨時(shí)期,全區(qū)降雨量較多年平均減少12%,相應(yīng)的全區(qū)水資源總量較多年平均減少27%。1980~1989年是近40年來(lái)最干旱的時(shí)期,全區(qū)降雨量較多年平均減少18%,相應(yīng)的全區(qū)地表水資源較多年平均減少43%,全區(qū)地下水資源較多年平均(6.83億m3)減少25%,全區(qū)水資源總量較多年平均減少42%。若用水資源變化百分率比降雨變化百分率作為水資源對(duì)降雨變化的敏感指數(shù),對(duì)于全區(qū)水資源總量,降雨增加10%,全區(qū)水資源總量增加22%;降雨減少10%,全區(qū)水資源總量減少23%。由此可見(jiàn),萊州灣地區(qū)水資源對(duì)氣候波動(dòng)很敏感。2.2地下水可供水量自1958年以來(lái),萊州灣地區(qū)修建了大量地表水?dāng)r蓄工程。至1993年,總庫(kù)容達(dá)20.5億m3,興利庫(kù)容8.8億m3。但因各項(xiàng)攔蓄工程年久失修,病險(xiǎn)水庫(kù)較多,不能充分發(fā)揮效益。根據(jù)1993年水利工程條件下地表水可供水量計(jì)算結(jié)果,建立地表水可供水量Y1993(億m3)與年地表徑流量R(億m3)之間的相關(guān)方程:地下水可供水量根據(jù)年地下水補(bǔ)給量與1993年地下水開采能力計(jì)算,開采系數(shù)取值0.95。此外,在1993年引黃工程條件下,總引水能力2.04億m3,其中由打漁張引黃河水1.54億m3,引黃濟(jì)青工程引黃河水0.50億m3。不同時(shí)期萊州灣地區(qū)在1993年水利工程條件下水資源可供水量見(jiàn)表2。如不計(jì)引黃客水資源,在1960~1976年的多雨時(shí)期,萊州灣地區(qū)可供水量為13.6億m3;在1977~1993年的少雨時(shí)期,可供水量為8.8億m3;在最干旱的1980~1989年,全區(qū)可供水量為7.1億m3?？晒┧吭诙嘤陼r(shí)期,較多年平均增加20%,少雨時(shí)期減少22%,干旱最嚴(yán)重的1980年代則較多年平均減少了37%。在增加2.0億m3引黃客水資源后,可供水量在多雨期較多年平均增加17%,在少雨期減少19%,在最干旱的年代減少全區(qū)總可供水量較引黃前受氣候波動(dòng)的影響略有減小即總可供水量穩(wěn)定性略有增加。2.3水資源供需平衡萊州灣地區(qū)用水部門主要有工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)生活用水、商品菜田需水和農(nóng)村人畜需水等。根據(jù)現(xiàn)狀年(1993年)社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)模及各部門用水定額指標(biāo),采用用水定額法確定萊州灣地區(qū)現(xiàn)狀年水資源需求量。不同氣候條件下萊州灣地區(qū)現(xiàn)狀水資源供需平衡見(jiàn)表3。由表3可知,在現(xiàn)狀年水資源供需條件下,農(nóng)業(yè)用水保證率50%時(shí),1960~1976年多雨期,可供水資源較需水量多2.4億m3,年脆弱性指數(shù)(年可供水量比年需水量)為1.2,屬弱脆弱(MarginallyVulnerable)(2)。在1977~1993年少雨期,可供水量較需水量少2.4億m3,年脆弱度指數(shù)0.8,屬脆弱;在最干旱的1980年代,可供水量較需水量少4.1億m3,年脆弱度指數(shù)0.7,屬極端脆弱。隨著農(nóng)業(yè)用水保證率的提高,水資源脆弱程度隨之增加。3未來(lái)氣候變化對(duì)水資源脆弱性的影響3.1降雨變化的趨勢(shì)及與趨勢(shì)的關(guān)系由于人類對(duì)氣候及其變化認(rèn)識(shí)的局限性,目前還不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化,只能利用各種方法研究制定未來(lái)氣候情景,以此為基礎(chǔ)分析未來(lái)氣候變化的影響[5、6]。據(jù)王紹武先生對(duì)華北地區(qū)夏季(6~8月)45年(1998~2042年)降水的預(yù)測(cè)結(jié)果,未來(lái)華北地區(qū)降水的自然變化有增加的趨勢(shì)。距平百分率1998~2002年為年為年為年為年為年為5。根據(jù)葉篤正先生“我國(guó)未來(lái)(20~50年)生存環(huán)境變化趨勢(shì)”的預(yù)測(cè)結(jié)果:華北地區(qū)在2030年左右總的氣候情景是:冬季將比現(xiàn)代增溫1~1.5℃,降雨基本持平,夏季增溫0.5℃~0.8℃,降雨增加1%~2%;由于未來(lái)的增溫,蒸發(fā)量明顯增加,而降雨的增加不足以彌補(bǔ)蒸發(fā)的消耗。由于萊州灣地區(qū)歷年降雨量與山東全省歷年降雨量變化趨勢(shì)幾乎一致,因此,可以認(rèn)為萊州灣地區(qū)未來(lái)氣候情景和華北地區(qū)基本相同?？紤]到萊州灣地區(qū)降雨量主要集中于夏季,年降雨量的變化主要取決于夏季降雨的變化,故用未來(lái)夏季降雨距平百分率作為全年降雨距平百分率。并根據(jù)以上未來(lái)氣候情景進(jìn)行未來(lái)氣候變化水資源脆弱性影響分析。3.2水資源總量、年際變化首先在不考慮增溫情況下,根據(jù)全區(qū)地表水資源、地下水資源和全區(qū)水資源總量的變化與降雨變化的比值,對(duì)未來(lái)萊州灣地區(qū)天然水資源量的變化作一初步估測(cè)。結(jié)果見(jiàn)表4。1998~2002年,萊洲灣地區(qū)水資源與多年平均持平,在2003~2007年的5年中,水資源量將有較大幅度的增加,相應(yīng)的極端雨澇事件將增加。全區(qū)地表水和水資源總量在2008~2012年間較多年平均增加10%,在2013~2022年的10年中將增加20%,2023~2032年的10年中較多年平均較少10%左右,2033~2042年又較多年平均增加10%。總之,在1998~2042年的45年中,2003~2007年和2013~2022年的15年萊州灣地區(qū)水資源較多年平均增加較多外,其余30年中基本上與多年平均相差不大。根據(jù)葉篤先生預(yù)測(cè)的未來(lái)氣候情景,2030年左右,萊州灣地區(qū)水資源總量將略增2%~4%,也基本上與多年平均持平。3.3水資源需需平衡根據(jù)2000年水資源開發(fā)利用規(guī)劃及工程建設(shè)情況計(jì)算的地表水可供水量,建立年地表徑流R(億m3)與年可供水量經(jīng)驗(yàn)方程:式中,Y2000為2000年水利工程條件下地表水可供水量(億m3),上限值取全區(qū)總興利庫(kù)容8.8億m3。由于自1993年以來(lái)對(duì)已有地表水?dāng)r蓄工程進(jìn)行了除險(xiǎn)加固及修建部分新的地表水?dāng)r蓄工程,2000年水利工程供水能力較1993年有所提高。同理,可建立2020年水資源開發(fā)利用規(guī)劃及水利工程建設(shè)情況下,年地表徑流R與地表水可供水量經(jīng)驗(yàn)方程:式中,Y2020為在2020年水利工程條件下地表水可供水量(億m3),上限值取2020年全區(qū)總興利庫(kù)容10.0億m3。2000年地下水開采系數(shù)仍采用0.95。根據(jù)1993年至2000年期間在各主要入海河流的下游修建攔河閘、橡膠壩等低水頭擋水建筑物、滲井、滲渠、滲溝等地下水回補(bǔ)工程及地下壩等地下水?dāng)r蓄調(diào)節(jié)工程對(duì)地下水資源的增加量,建立2000年地下水可供水量與1993年水利工程條件下地下水可供水量間的相關(guān)方程:式中,G1993為1993年水利工程條件下地下水可供水量(億m3),G2000為2000年水利工程條件下地下水可供水量?jī)|32020年地下水開采系數(shù)仍采用0.95,根據(jù)1993年至2020年之間水利工程對(duì)地下水資源增量的計(jì)算值建立相關(guān)方程:式中,G2020為2020年水利工程條件下地下水可供水量(億m3),G1993意義同前。2000年水資源需求量仍用用水定額法計(jì)算,其中用水定額根據(jù)1993年用水定額及1993年至2000年發(fā)展趨勢(shì)擬定,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展指標(biāo)根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃擬定;2020年水資源需求量確定方法相同,用水定額和社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)根據(jù)2000年至2020年社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃擬定。引黃客水資源根據(jù)水資源開發(fā)利用規(guī)劃2000年約3.8億m3,2020年約5.6億m3。未來(lái)(2000~2042年)萊州灣地區(qū)水資源供需平衡見(jiàn)表5。2000~2019年的20年中,將處在一個(gè)多雨時(shí)期,平均降雨距平百分率在10%以上。在2000規(guī)劃年水利工程條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模下,農(nóng)業(yè)用水保證率50%時(shí),全區(qū)水資源供需基本平衡,脆弱性指數(shù)在0.9~1.1,屬弱脆弱范圍,在農(nóng)業(yè)用水保證率75%時(shí),尚缺0.9~3.6億m3,脆弱性指數(shù)在0.8~1.0,屬弱脆弱和脆弱范圍;在農(nóng)業(yè)用水保證率95%時(shí),缺水2.5~6.2億m3,脆弱性指數(shù)在0.8~0.9,屬脆弱范圍。2020~2042年的23年中,平均降雨與多年平均基本持平。在2020規(guī)劃年水利工程條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模下,農(nóng)業(yè)用水保證率50%時(shí),全區(qū)水資源供需缺口加大,缺水2.0~5.7億m3,脆弱性指數(shù)0.8~0.9,屬脆弱范圍;在農(nóng)業(yè)用水保證率75%時(shí),缺水4.9~8.6億m3,脆弱性指數(shù)0.7~0.8,屬脆弱和極端脆弱范圍;在農(nóng)業(yè)用水保證率95%時(shí),缺水6.4~10.1億m3,脆弱性指數(shù)0.7~0.8,屬脆弱和極端脆弱范圍。在2000規(guī)劃年水利工程條件下,2000~2019年地表水和地下水可供水量之和基本上小于未來(lái)氣候情景下全區(qū)水資源總量。但在2020年水利工程遠(yuǎn)景規(guī)劃條件下,2020~2042年地表水和地下水可供水量之和已超過(guò)未來(lái)氣候情景下全區(qū)水資源總量。根據(jù)未來(lái)氣候變化水文水資源影響研究結(jié)果,未來(lái)氣溫上升1℃,在雨養(yǎng)方式下,黃淮海平原土壤蒸散將增加,全年作物需水量增加9%,年灌溉量增加13%。若考慮未來(lái)氣溫上升,則2020年以后,萊州灣地區(qū)水資源供需缺口將進(jìn)一步加大。4水資源供需平衡(1)萊州灣地區(qū)水資源對(duì)氣候波動(dòng)很敏感,降雨10%的增減將引起全區(qū)水資源20%以上的增減。(2)在1993規(guī)劃年水利工程條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模下,農(nóng)業(yè)用水保證率50%時(shí),1960~1976年的多雨時(shí)期,全區(qū)水資源盈余2.4億m3,而在1977~1993年的少雨時(shí)期,全區(qū)水資源缺2.4億m3,在1980年代的干旱條件下,全區(qū)水資源缺4.1億m3。脆弱性指數(shù)由多雨時(shí)期的1.2下降至干旱時(shí)期的0.7。(3)未來(lái)20年(2000~2019年)將處在一個(gè)多雨時(shí)期,平均降雨距平百分率在10%以上。在2000規(guī)劃年水利工程條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模下,農(nóng)業(yè)用水保證率50%時(shí),全區(qū)水資源供需基本平衡。(4)2020~2042年平均降雨基本上與多年平均持平。在2020規(guī)劃年水利工程條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模下,農(nóng)業(yè)用水保證率50%時(shí),全區(qū)水資源缺2.0~5.7億m3。(5)若未來(lái)再出現(xiàn)類似1980年代的干旱,同時(shí)又將伴隨氣溫的上升,則萊州灣地區(qū)水資源供需矛盾將比1980年代更加突