黄河流域城镇化对地下水的影响分析_管晓丹.pdf

2023 年第 46 卷第 1 期:9-17专 刊http:/dqkxxbcnjournalsorg引用格式:管晓丹，沈晓涵，李梦雅，等，2023黄河流域城镇化对地下水的影响分析J 大气科学学报，46(1):9-17Guan X D，Shen X H，Li M Y，et al，2023Characteristics of urbanization in the Yellow iver Basin J Trans Atmos Sci，46(1):9-17doi:10.13878/jcnkidqkxxb20221223002(in Chinese)黄河流域城镇化对地下水的影响分析管晓丹，沈晓涵，李梦雅，黄建平*，魏志敏，马艳莉 兰州大学 大气科学学院/半干旱气候变化教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000;兰州大学 西部生态安全省部共建协同创新中心，甘肃 兰州 730000;华东师范大学 地理科学学院/自然资源部超大城市自然资源时空大数据分析应用重点实验室，上海 200241*联系人，E-mail:hjp lzueducn2022-12-23 收稿，2023-01-06 接受国家自然科学基金资助项目(42041004)摘要黄河流域是我国重要的生态屏障，也是我国粮食作物的主要产区。近年来，随着城镇化的发展，当地水资源分配出现了显著变化。因此，厘清黄河流域城镇化作用下水循环的改变对制定黄河流域城镇化政策具有重要意义。本文利用资源环境科学与数据中心的黄河流域下垫面数据、世界人口数据集的人口密度和 Gravity ecovery and Cli-mate Experiment(Grace)的 Center for Space esearch(CS)陆地总水储量格点数据，开展了黄河流域城镇化过程中地下水的变化特征分析工作。结果表明:黄河流域城镇化程度具有显著的空间差异，下游存在明显的城镇化加剧现象;全域人口密度整体呈上升趋势，其中下游的人口增长趋势最大;黄河流域的地下水呈下降趋势，以下游的地下水下降最为显著。通过对比黄河流域新增城镇、不变城镇和消失城镇的地下水变化差异，发现地下水下降幅度最小出现在消失城镇，新增城镇的地下水下降幅度小于不变城镇的区域。因此，黄河流域城镇化对地下水的减少具有显著的作用，新增城镇地下水并没有出现显著下降的结果也说明近年来城镇化后的地下水保护政策取得的效果良好。关键词黄河流域;城镇化;人口密度;地下水黄河流域是我国当前西部大开发的重要地区之一，流经青、川、甘、宁、蒙、陕、晋、豫、鲁九省，其流域大部分属于水资源短缺的半干旱和半湿润区(刘昌明，2004)，以全国约 2%的水资源量支撑了全国约15%的耕地以及 12%的人口供水(黄建平等，2020;王国庆等，2020;叶培龙等，2020)。19612016 年黄河流域无论是实测径流还是天然径流，都存在明显的下降趋势(马柱国等，2020)，人类对水资源的需求已经远超流域水资源的承载力，造成地表水的过度利用和地下水的过度开采，人类用水已经显著改变了流域的水循环及水资源格局(张建云等，2013)，黄河河川径流量呈现减少趋势、花园口近几年略有回升，但未来变动不明朗(贾绍凤和梁媛，2020)。黄河流域作为我国的重要粮食产地，人口密度达到 159 人/km2。随着经济的快速发展，黄河流域地区呈现出显著的城镇化现象。城镇化是指农村人口不断向城镇转移，第二、三产业不断向城镇集聚，从而使城镇数量增加，城镇人口、经济、建设用地、社会消费等规模不断扩大的过程，一般包括人口城镇化、经济城镇化、空间城镇化和社会城镇化等过程(Bao and Fang，2008)。其中，人口城镇化是其最基本和最核心的内涵(鲍超，2014)，是人口向城镇集中并由此推动城镇发展的过程，这一过程伴随着国家的经济结构、社会结构和生产方式、生活方式的重大转变(陆大道和陈明星，2015)。同时也是一个国家(地区)实现工业化和现代化的必由之路(Guo et2023 年 1 月第 46 卷第 1 期al，2015)。因此，政府积极推进城镇化发展(国务院发展研究中心和世界银行联合课题组，2014)，并为城镇化良性发展做好保驾护航(Guo et al，2015;Bai et al，2017)。城镇化也存在多种表现形式，在“多村一社区”模式建设的城镇化创新性实验中，“大村庄制”农村社区提出了使原本居住分散的村民实现集中居住(尹雷和王思贤，2020)的新形式。党的十八大后，中央统筹谋划新型城镇化发展战略，明确提出新型城镇化发展要以人为核心。党的十九届五中全会再次指出“推进以人为核心的新型城镇化”的发展政策(方世南，2021)。人作为城镇化的核心，在城镇化推进过程中对我国经济社会发展起到了重要作用。相较于受经济增长方式影响的传统意义城镇化，新型城镇化更加注重城市规模的扩张(史玉丰，2019)。根据城镇化特征，在城镇化过程中农村地区的农民开始逐渐向城镇聚集，造成人口数量增加，人口数量的变化进一步改变城镇化地区的人类活动情况，人类活动一定程度反映了城镇化的程度。城镇化的过程中，必然会影响局地水循环的改变。城镇化主要通过改变地下水的补给进而影响地下水，城镇地表水泥化减少了地下水的降雨入渗补给(Kim et al，2001)。以坦桑尼亚的阿鲁沙为例，从 2015 年到 2050 年，阿鲁沙将迅速增长到 2015 年城市规模的 179%。由于不透水地表面积的增加，地下水补给量将减少 23%，建模地下水盆地(包括阿鲁沙西部和西南部城市的大部分地区以及周边地区)的地下水位预计最多将下降 55 m(Olarinoye etal，2020)。对于典型干旱半干旱地区的黄河流域，如何在城镇化过程中解决增长的水资源需求和地下水下降情况，是黄河流域城镇化持续发展必须要解决的问题。但同时我们需要认识到黄河流域未出现用水量激增或用水结构失调现象(刁艺璇等，2020)，说明在黄河流域开展城镇化是可行的。因此，研究黄河流域城镇化的变化特征，厘清黄河流域城镇化带来的水资源变化，可以为黄河流域水资源的开发利用管理提供重要的理论依据，符合黄河流域生态保护与高质量发展的国家战略，有助于黄河流域亟待通过新旧动能转换、产业结构调整与转型升级、新兴产业培育来转变发展方式，加快推动工业化、城镇化与生态环境协调发展的实现(赵建吉等，2020)。1研究区域介绍、数据和方法1.1黄河流域介绍黄河流域上、中、下游的划分，既是地形、地貌、水文等自然因素决定的，也是科学保护治理的需要。河口以上称为黄河上游，河口至河南郑州桃花峪区域称为黄河中游，黄河干流自桃花峪至渤海湾称为黄河下游。由于上游的源区具有特殊的地理位置、海拔高度等独特特性，导致该地区的环境特征独特，文中把位于青藏高原上的区域单独划分出来作为源区(图 1)。图 1黄河流域海拔高度(单位:m):源区()、上游()、中游()和下游()Fig1Elevation(units:m):()source area，()up-stream，()midstream and()downstream ofthe Yellow iver basin1.2数据和方法下垫面数据为中国多时期土地利用遥感监测数据集(徐新良等，2018)来自资源环境科学数据注册与出版系统，本文使用的是 20002020 年的年数据，空间分辨率为 1 km1 km。该数据集是基于美国陆地卫星 Landsat TM 影像，通过人工目视解译生成，土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、居民地和未利用土地 6 个一级类型以及 25 个二级类型。人口密度数据来自世界人口数据集(WorldPop andCIESIN，2018)，使用的是 20002020 年的年数据，空间分辨率为 1 km1 km。地下水数据采用 Gravity ecovery and ClimateExperiment(Grace)中 Center for Space esearch(CS)数据(Save et al，2016)中陆地总水储量距平月数据(20042009 年平均)代替地下水的变化，空间分辨率为 0.25 0.25，时间范围为 2004 年 1月2017 年 6 月。陆地总水储量由地表雪、土壤中的蓄水变化，以及地下水(以及在较小程度上的地01管晓丹，等:黄河流域城镇化对地下水的影响分析专 刊表水)组成，当土壤和雪中水储量变化已知时，GACE 重力测量可用于量化地下水储量变化(Chen，2014)。由于黄河流域大部分处于干旱半干旱地区，土壤水分变化相对较小，且雪覆盖较少，并有研究指出黄河流域陆地总水储量变化值与地下水储量变化值显著相关(r=0.72，p 0.01)(鲁晓娟等，2022)。因此，利用黄河流域陆地总水储量的变化代表地下水的变化开展分析。本文采用一元线性回归计算人口密度和地下水的变化趋势，利用检验统计量 t 分布，得到了一个假设检验的双侧 p 值，p 值小于 0.05 大于 0.01 标记*，表示通过了置信度为 95%的显著性检验，p 值小于 0.01 标记，表示通过置信度为 99%的显著性检验。在文中定义地下水极差是计算地下水时间范围内的最大值减去最小值，是地下水在时间范围内变动的最大范围，量化地下水的下降幅度。2黄河流域城镇化、人口密度分布与趋势分析2.1黄河流域人口密度的分布和趋势黄河流域全域 20002020 年人口密度的平均分布(图 2)表明，黄河流域源区、上游、中游和下游人口密度区域平均值分别为 25.49 人 km2，103.30 人 km2，220.10 人 km2和 615.06人km2(表 1)，空间分布呈现人口密度自源区、上游、中游、下游逐渐增大的特征。从 20002020 年，黄河流域源区、上游、中游和下游的人口密度趋势分别为 0.26 人km2a1，1.11 人km2a1，1.12 人km2a1和 2.07 人km2a1(表 1，图 3)，虽然黄河流域存在人口减少的区域，但黄河流域整体人口密度呈现增长趋势，且下游的人口增长趋势最为显著。2.2黄河流域城镇分布变化人口密度一定程度上可以体现黄河流域城镇化，但更为直观的数据是城镇下垫面的占比变化。图 4 为黄河流域源区、上游、中游和下游 2000 年和2020 年下垫面的对比，内圈为 2000 年的下垫面，外圈为 2020 年的下垫面，并给出 2020 年下垫面占比较多的前 7 种类型(占比小于 3.8%的百分比数字不显示)。对比发现黄河流域源区、上游和中游草地和旱地的面积占比较大，合计占比超 50%，城镇居民点的占比均小于 3.8%，城镇化程度较低。黄河流域下游旱地的占比最大，达 60%;2020 年城镇用地的占比较 2000 年有明显增加，占比达 3.87%，图 220002020 年黄河流域人口密度分布(单位:人km2)Fig2Spatial distribution of mean population density in theYellow iver Basin from 2000 to 2020(unit:km2)其余下垫面的变化较小。综上在 20002020 年黄河流域的四个区域内，黄河下游的城镇化的程度最大，且在 20002020 年间关于城镇化的变化最为明显，与下游的人口密度分布和增率最大相对应。表 1黄河流域源区、上游、中游和下游平均人口密度和平均人口密度趋势及平均地下水趋势Table 1Mean population density，trends of mean populationdensityandmeangroundwaterinthesource，upstream，midstream and downstream areas of theYellow iver Basin区域平均人口密度/(人km2)平均人口密度趋势/(人km2a1)平均地下水趋势/(cma1)源区25.490.261)0.01上游103.301.111)0.631)中游220.101.121)1.241)下游615.062