浑河流域水资源演变规律研究_郎颖.pdf

109 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）浑河流域水资源演变规律研究郎 颖（抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113006）摘 要：浑河流域水资源演变规律受人类大规模水土保持工程建设、水资源开发利用活动加剧、气候变化和其它活动影响，已发生明显改变。文章运用二元演化模型分析了浑河流域地下水、地表水、直接为生态环境以及人类利用的降水等水资源演变规律，模拟浑河流域 1976-2020 年水资源演变过程。结果表明：浑河流域水资源受降雨量减少、人类水资源不合理开发利用等因素影响呈减少趋势，对浑河流域应加强最严格水资源管理，实现高效可持续利用。关键词：浑河流域；演变规律；水资源；二元演化模型中图分类号：TV213.4文献标识码：B0 引 言近年来，人类活动加剧以及全球气候变暖等因素都在不同程度上改变了地球上的水资源、水循环状况，局部地区面临的水危机和水问题日趋严峻1。因此，针对变化环境下的水资源演变规律及其可持续利用方法，IHP、ESSP、BAHC、WCRP 等国际组织开展了广泛研究2-5。然而，现有研究主要集中于自然条件下的水循环过程分析，有学者等以历史径流、气温和降雨等数据为依托，分析了山间径流受气候变化的影响；李金宝等利用径流量、气候、降雨间的变化关系研究不同气候条件下的河流径流变化特征6-7。对于水资源形成与演化、水文循环过程受人类活动的干扰虽引起了广泛关注，但研究社会水循环与自然水循环耦合机理、人类活动下的水资源演变规律及其作用机理尚处于起始阶段，并未真正形成方法体系和理论依据。因此，有学者提出要重点关注生态水文与水文循环、自然与人类二元驱动下的水循环、人类活动下的水资源可再生性与水文循环的速率调控等问题，也有人结合国际研究成果提出“人工-自然”流域二元水循环演化模式，并集成现代空间信息技术与水文模拟技术开发出原创性二元演化模型，从流域尺度上揭示其发展演变规律8-10。鉴于此，文章利用二元演化模型和广义水资源理论，通过模拟浑河流域在变化环境下的水循环过程，进一步揭示水资源演变规律。1 流域概况浑河流域是辽宁省中东部独立入海河流，也是全省水资源最丰富的内河，全长 415km，流域总面积 11480km2。浑河流域西侧支流很少，而东侧直流密集，水量丰富，整体呈上宽下窄的葫芦状，属不对称水系。该流域为大陆性季风气候，温差较大，日照丰富，年降水量 600900mm，其中 7-8 月份占全年降水量的 48.5%。由于特殊的地貌形态和气候环境，流域内降水自上游到下游、从东北山区到西南呈递减趋势，降水高值区位于上游清原县一带，树基沟站最高降水量 880mm；下游入河口处为降水低值区，邢家窝棚站只有 655.4mm，极值比达到1.34。在抚顺市浑河上游 20km 处修建的大伙房水库最大蓄水量 21.87 亿 m3，集水面积 5437km2，这对流域年内径流分配产生了较大影响，浑河流域雨文章编号:1007-7596（2023）05-0001-04收稿日期2022-05-16作者简介郎颖（1 9 7 5-），女，辽宁抚顺人，高级工程师，研究方向为水工设计。DOI:10.14122/ki.hskj.2023.05.022 110 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）量站、水文站。2 水资源演变规律2.1 影响因素分析浑河流域发源于清原县滚马岭，从东向西流经清原、新宾、抚顺、沈阳、辽中、灯塔、辽阳、台安、海城、大洼、大石桥、营口等地区后于西西炮台注入辽东湾，主要有北口前(二)、占贝、南章党(二)、抚顺(二)、东陵(二)、沈阳(三)、黄腊坨、邢家窝棚、三岔河等水文站。文章结合浑河流域水利工程、水文监测站点分布和水资源径流特征，参考各雨量站逐月实测降水资料和典型水文站 1976-2020年逐月实测径流资料，研讨分析 1976-2020 年浑河流域水资源演变规律及其关键影响因素。2.1.1 降雨量因素浑河流域水资源变化受降雨量因素影响显著，这也是决定流域水资源补给的关键因素。结合各雨量站逐月实测数据，以年均降雨量进行相关分析。根据地理条件，将浑河流域划分成浑河上游段、大伙房水库段、大伙房水库下游段、浑河中游段和下游段，不同时段内各分区年际降雨量变化，如表 1所示。表 1 年际降雨量变化统计时段/年降雨量/mm浑河上游段大伙房水库段大伙房水库下游段浑河中游段浑河下游段全流域1976-1980782.5725.4758.1736.2886.0777.61971-1990804.6791.6782.6725.1818.5784.51991-2000766.8715.0734.5744.6886.2769.42001-2010681.5665.7718.2681.5776.8704.72011-2020712.6652.8670.3720.4798.3710.91976-2000784.6744.0758.4735.3863.6777.22001-2020697.1659.3694.3701.0787.6707.8从表 1 可以看出，随时间变化浑河流域降雨量表现出波动减小趋势，2001-2020 年浑河流域降水量 707.8mm，相较于 1976-2000 年的 777.2mm 下降9.0%。另外，2001-2010 年浑河流域降雨量降幅最大，该时期也是经济迅速发展和各行业用水量急剧增大的时段。2011年后浑河流域年降水量变化放缓，2011-2020 年降水量较上一时段略有增加。2.1.2 人类用水因素浑河流域为沿河两岸生活、工农业生产等提供了重要的水源，随着居民生活、生态环境和工农业生产等用水需求的增大，人类对水资源开发程度不断提高，特别是浑河上游段、大伙房水库段和大伙房水库下游段用水量快速增长，如图 1 所示。图 1 浑河流域总用水量变化曲线由图 1 可知，从 20 世纪 90 年代大伙房水库段用水量逐渐增加，相较于 20 世纪 70 年代用水量整体提高近 3 倍，而浑河上游段用水量相较于 20 世纪 70 年代增大约 1 倍，变化相对较低。2.1.3 土地利用因素受人类活动和气候变化等因素影响浑河流域土地构成已发生明显改变，流域内现有草地覆盖率和植被面积相较于 20 世纪 70 年代减少 5.8%、7.2%，而农业耕地面积增加了 12.5%，其中水源灌溉面积增长了 1.42 倍；工业建筑、基础设施等占地面积，随着城镇化的快速推进和经济的不断发展而持续增大，加之自然生态环境改善和人类用水需求的增加，水利工程设施和景观用水面积也将不断增加。2.2 水循环模拟采用二元演化模型按变时间步长模拟计算浑河流域 1976-2020 年水循环过程，模型率定期为1976-2000 年，率定参数有土壤饱和度、河床材料和倒水系数等，流域年径流量模拟值和水文站实测值，如表 1 所示。率定过程中应遵循的原则如下：选择的实测流量应与模拟流量具有较强的相关性、选用 Nash-Sutcliffe 效率的最大值和误差值最小的年平均径流量11-12，最终确定北口前(二)、沈阳(三)、邢家窝棚 3 个水文站参与模拟计算。表 2 年径流量实测与模拟值水文站北口前(二)沈阳(三)邢家窝棚径流量/亿 m3实测值40.555.768.1模拟值41.153.871.5相对误差/%1.5-3.45.0Nash 效率系数0.7450.7620.708 111 2023 年 第 5 期 黑 龙 江 水 利 科 技 N o.5.2023 （第 51 卷）H e i l o n g j i a n g H y d r a u l i c S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y （T o t a l N o.51）从 表 2 可 以 看 出，1976-2020 年 浑 河 流 域模拟和实测年均径流量值相差不大，相对误差处于 1.5%5.0%之间，Nash 效率系数系数处于0.7080.762 范围，模拟精度较高，运算速率较快。其中，北口前(二)站的模拟误差最小只有 1.5%，而邢家窝棚站的模拟误差最大为 5.0%，仍能够满足精度要求。2.3 演变规律2.3.1 历史演变规律模拟计算 1976-2020 年各时段浑河流域的狭义和广义水资源量，如表 3 所示。结果显示，2001-2020 年浑河流域狭义水资源量相较于 1976-2000年减少 4.86%，其中地表水和不重复地下水分别减少 2.42%、13.28%。浑河流域 2011-2020 年狭义水资源总量相较于 1976-2000 年减少 14.42%，其中地表水降幅达到 14.00%。综上分析，1976-2020 年浑河流域水资源量整体表现出减少趋势，并且降幅呈增大趋势。表 3 狭义水资源模拟值 亿 m3时段/年1976-19801981-19901991-20002001-20102011-20201976-20002001-2020狭义水资源地表水95.3765.1688.4190.5671.3782.9880.97地下水53.4651.7847.4645.1646.7150.9045.94不重复地下水24.4623.6823.9121.4620.2024.0220.83水资源总量119.8388.84112.32112.0291.57107.00101.80广义水资源降水量805.20786.40776.50720.60710.80789.37715.70狭义水资源119.8388.84112.32112.0291.57107.00101.80有效蒸散发396.20387.15377.26378.14385.60386.87381.87水资源总量516.03475.99489.58490.16477.17493.87483.67无效降289.17310.41286.92230.44233.63295.50232.03注：无效降水等于年降水量扣除狭义水资源和有效蒸散发量。从表 3 可以看出，1976-2020 年浑河流域模拟和实测的年均降水量相差较小，计算误差能够满足精度要求。2001-2020 年浑河流域年降水量模拟值相较于 1976-2000 年下降 9.33%，广义水资源量也减少 2.07%，这说明经济型和生态环境等非径流水资源利用率有所减少。2.3.2 未来模拟演变规律为了科学制定长远的规划目标以及合理的水资源开采计划，以二元耦合原理为依托建立模型模拟预测浑河流域的水资源演变规律。鉴于未来人类活动、降水、温度变化等不确定性因素较难预测的情况，为简化计算不考虑气候变化影响，仍以 1976-2020 年序列数据为基础计算模型参数值，2030 年浑河流域水资源演变模拟数据，如表 4 所示。表 4 2030 年浑河流域水资源模拟结果 亿 m3分区浑河上游段大伙房水库段大伙房水库下游段合计狭义水资源地表水16.6720.4234.7171.80地下水10.469.6121.4541.52不重复地下水4.786.066.8517.69水资源总量21.4526.4841.5689.49广义水资源降水量205.46231.67258.42695.55狭义水资源34.4536.4848.56119.49有效蒸散发88.64102.47111.20302.31水资源总量123.09188.95209.76421.80无效降水82.3742.7248.66273.75从表 4 可以看出，2030 年浑