林 琳,劉 健,陳學(xué)群,管清花

(1.山東省水利科學(xué)研究院,山東濟(jì)南 250013;2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室,山東濟(jì)南 250013)

黃河三角洲1961—2000年水資源時空變化特征

林 琳1,2,劉 健1,2,陳學(xué)群1,2,管清花1,2

(1.山東省水利科學(xué)研究院,山東濟(jì)南 250013;2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室,山東濟(jì)南 250013)

采用降水量、徑流量、地下水位及埋深4個指標(biāo)對1961—2000年水資源的時空變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明:①降水量年內(nèi)及年際變化均較大,年內(nèi)降水量集中于夏季,年際呈下降趨勢,空間分布呈自南向北逐漸下降的趨勢。②黃河入境徑流量年內(nèi)及年際變化均較大,根據(jù)趨勢分析1986年之前徑流量變化較平緩,之后呈線性下降趨勢。當(dāng)?shù)貜搅髁磕陜?nèi)變化較大,夏季徑流量超過全年的80%;年際變化較小,呈峰-谷-峰的變化趨勢。③東營市淺層地下水位年內(nèi)變化較小,其中廣饒縣年內(nèi)及年際變化均較大,自20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初平均下降了12.78m。④廣饒縣地下水埋深自70年代至90年代增幅達(dá)到14.70m。1975—2000年廣饒縣地下水埋深呈顯著線性增加趨勢(R2=0.93),年均增速達(dá)到0.72m/a。

黃河三角洲;水資源;時空變化特征;降水;徑流;地下水位;地下水埋深

水循環(huán)是聯(lián)系地球系統(tǒng)“地圈—生物圈—大氣圈”的紐帶,是全球變化的核心問題之一。它受自然變化和人類活動的雙重影響,決定著水資源的形成及演變[1-2]。氣候變化改變了水文循環(huán)過程,并將深刻影響人類社會對水資源的開發(fā)、利用、規(guī)劃、管理等諸多環(huán)節(jié)。探討氣候變化影響下的水資源問題成為全球關(guān)注的焦點之一[3-4]。根據(jù)氣候變化最權(quán)威研究成果IPCC評估報告的分析,全球氣候變化已是不爭的事實,將對全球和區(qū)域水資源安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[5]。

黃河是我國第二大河,水資源開發(fā)利用歷史悠久。在氣候變化的背景條件和人類活動脅迫下,黃河流域水資源出現(xiàn)了日益嚴(yán)重的問題:洪水、地下水漏斗以及20世紀(jì)90年代以來出現(xiàn)的下游頻繁斷流,水資源供需矛盾日益突出[6]。位于黃河下游的黃河三角洲是我國最大的三角洲,該區(qū)地處大氣、河流、海洋與陸地交接帶上,其地表水資源不僅包括當(dāng)?shù)亟邓纬傻膹搅?還包括黃河上中游徑流下泄量,受當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、上中游人類引水等活動的影響十分強(qiáng)烈;其地下水礦化度較高,淺層淡水較少且連年超采,水資源時空演變較為復(fù)雜。隨著黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃上升為國家戰(zhàn)略,黃河三角洲水資源供需矛盾將更為突出,水資源的合理開發(fā)、利用及保護(hù)至關(guān)重要。筆者以黃河三角洲主要組成部分——東營市為研究區(qū),利用近50年來降水、徑流、地下水位及埋深4個指標(biāo)分析其水資源的時空變化特征,以期為水資源預(yù)測、保護(hù)、優(yōu)化配置及管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

黃河三角洲是由黃河泥沙淤積而成的三角洲沖積平原,位于渤海灣南岸和萊州灣西岸,地處117°31′～ 119°18′E 和 36°55′～38°16′N 之間 ,是由古代 、近代和現(xiàn)代3個三角洲組成的聯(lián)合體,主要分布于東營市和濱州市境內(nèi)。通常所指的黃河三角洲即近代黃河三角洲,包括現(xiàn)代黃河三角洲。近代黃河三角洲系指1855年(清咸豐五年)黃河于河南省銅瓦廂決口北奪大清河入渤海后沖積而成的三角洲,其范圍是以東營市墾利縣寧海為頂點,北起套爾河口,南至淄脈溝口,向東撒開的扇形淤積地區(qū),海拔高程低于15m,陸地面積達(dá)5450km2,其中東營市所屬面積約占總面積的96%[7-8]。因此,筆者選擇以東營市為研究區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置

東營市成立于1983年10月,轄東營、河口兩區(qū),墾利、利津、廣饒 3縣(圖1)。2010年全市總?cè)丝谶_(dá)184.87萬人,土地總面積為79.23萬 hm2,全市生產(chǎn)總值為2359.94億元[9]。東營市是魯北平原的重要組成部分,地勢總體平緩,西高東低,南高北低。除小清河以南地區(qū)為山前沖積平原外,其余均為黃河沖積而成的典型三角洲地貌,主要地貌類型有緩崗、河灘高地、微斜平地、淺平洼地和海灘地。區(qū)內(nèi)廣為第三系和第四系沉積物覆蓋,其中山前平原區(qū)面積為636km2,水文地質(zhì)特征為水平方向由南向北含水層顆粒由粗變細(xì),地下水埋深由深變淺,水力性質(zhì)由潛水逐步過渡為承壓水,礦化度逐步增高,由淡水過渡為微咸水、咸水。黃泛平原區(qū)全市現(xiàn)行骨干排水河道30余條,現(xiàn)行水系按流域劃分,黃河屬黃河流域,黃河以北屬海河流域,黃河以南屬淮河流域;其中海河流域水系多為南北走向,淮河流域水系多為東西走向[10]。

2 數(shù)據(jù)系列

地表水資源選取降水和徑流量兩個指標(biāo)。降水采用東營市5個氣象觀測站實地觀測的逐日降水量,5個氣象站包括1個國家級氣象站(東營站)以及4個省級氣象站(廣饒站、利津站、墾利站和河口站),時間序列為1961—2007年。徑流量采用黃河利津站和東營市的逐月徑流量,時間序列分別為1973—2001年和1967—1999年[10]。利津站數(shù)據(jù)代表入境黃河徑流量,東營市數(shù)據(jù)主要反映當(dāng)?shù)氐乇韽搅?特別是利津站以下黃河三角洲地區(qū)的情況。

地下水資源選取淺層地下水位和埋深兩個指標(biāo)。地下水位采用東營市及利津縣、墾利縣、東營區(qū)、廣饒縣4個縣區(qū)逐月淺層地下水位,時間序列為20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)初兩個階段。埋深采用廣饒縣井灌區(qū)的逐月淺層地下水埋深,時間序列為1975—2000年[10]。

3 地表水資源時空變化特征

3.1 降水量

a.年內(nèi)變化。由圖2(a)可見,東營市多年月平均降水量為55.4mm,年內(nèi)變化較大,其中最大值為176.0mm(7月),最小值為15.3mm(12月)。從季節(jié)分配來看,降水量由大到小順序為:夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、春季(3—5月)、冬季(12—2月),其中夏季約占全年的57.4%。

圖2 東營市降水量隨時間變化曲線

b.年際變化。由圖2(b)可見,東營市多年平均降水量為631.4 mm,降水量最高值為1 498.4 mm(1964年),最低值為359.3mm(2002年)。降水量隨時間變化呈明顯下降趨勢,降幅達(dá)到47.56%。以10a作為1個周期統(tǒng)計,降水量呈先下降后上升的趨勢,20世紀(jì)60年代達(dá)到最大值,為854.8mm,80年代到達(dá)最小值,為503.4mm,下降了351.4mm,下降幅度達(dá)到41.11%,之后略有增加,至21世紀(jì)初達(dá)到588.1mm。

c.空間變化。東營市多年平均降水量的空間分布呈自南向北逐漸減小的趨勢(圖3),符合緯度地帶性分布規(guī)律。其中廣饒縣降水量最大,為693.4mm;其次是東營區(qū),為673.8mm;墾利和利津兩縣緯度大致相同,降水量差異也很小,分別為616.5mm和614.0mm;河口區(qū)最小,為559.3mm。

圖3 東營市降水量空間分布

3.2 徑流量

a.黃河利津站多年平均徑流量。據(jù)黃河利津站1973—2001年徑流量實測資料分析(圖4(a)),多年平均年徑流量為227.6億m3,月徑流量為19.0億m3。黃河徑流量年內(nèi)變化較大,最大月徑流量為42.7億m3(8月),最小月徑流量為6.4億m3(5月),最大值約為最小值的6.7倍。月徑流量的季節(jié)分配從大到小順序為:秋季、夏季、冬季、春季,其中秋季流量為98.2億m3,約占全年的43.1%。由圖4(b)可知,徑流量年際變化也較大,最大值出現(xiàn)在 1983年,為490.7億m3,最小值出現(xiàn)在1997年,為 16.6億m3,最大值約為最小值的30倍。由5年滑動平均趨勢分析可知,1986年之前,徑流量變化趨勢較為平緩,1986年之后,呈明顯線性下降趨勢。

圖4 利津站徑流量隨時間變化曲線

b.東營市當(dāng)?shù)囟嗄昶骄鶑搅髁?。根?jù)東營市1967—1999年逐月徑流量系列分析(圖5(a)),多年平均年徑流量為44721.8萬m3,月徑流量為3726.8萬m3。年內(nèi)變化比利津站大,最大月徑流量為16948.1萬m3(7月),約占全年的37.9%,12—3月徑流量均為0,出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。根據(jù)月徑流量的季節(jié)分配由大到小順序為:夏季、秋季、春季、冬季,其中夏季徑流量為 36 391.0萬 m3,約占全年的81.4%。東營市當(dāng)?shù)貜搅髁考竟?jié)分配特征與當(dāng)?shù)亟邓恳恢?高值出現(xiàn)在夏季,而利津站徑流量變化反映了上游來水特征,高值出現(xiàn)在秋季。東營市徑流量年際變化(圖5(b))比利津站小,最大值出現(xiàn)在1990年,為82461.5萬m3,最小值出現(xiàn)在1968年,為23553.1萬m3,最大值約為最小值的3.5倍。由5年滑動平均趨勢分析可知,多年平均徑流量呈峰-谷-峰的變化趨勢。

圖5 東營市當(dāng)?shù)貜搅髁侩S時間變化曲線

c.空間分布特征。從空間分布上看,以利津站為分界點,徑流量沿黃河流向減少。利津站年平均徑流量和月平均徑流量均比東營市高約51倍,而且利津站之下河道斷流現(xiàn)象比較突出。當(dāng)?shù)氐乇硭Y源較為短缺,黃河作為重要的客水水源,多年平均調(diào)水量占東營市總供水量的75%左右[11]。

4 地下水資源時空變化特征

4.1 東營市淺層地下水位動態(tài)變化

由圖6可知,20世紀(jì)80年代東營市年平均淺層地下水位為4.81m,變化幅度為0.71m;月平均水位最高值為6.16m(利津縣),最低值為1.97m(廣饒縣)。各縣區(qū)中月變幅最大的是廣饒縣,幅度為3.82m,總體呈下降趨勢;其他縣區(qū)全年變幅較小,均不超過1.33m。21世紀(jì)初東營市地下水位年內(nèi)動態(tài)變化趨勢與20世紀(jì)80年代大致相同,年平均淺層地下水位為2.25m,變化幅度為1.10m;月平均水位最高值為7.29m(利津縣),最低值為-10.79m(廣饒縣)。廣饒縣月變化仍最大,變化幅度為2.63m,總體呈下降趨勢;其他縣區(qū)變化范圍很小,均不超過0.61m。

圖6 東營市地下水位動態(tài)變化趨勢

通過對兩個時期的比較可以看出,東營市地下水位自20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初,總體呈下降趨勢,平均降幅為2.56m。各縣區(qū)中利津縣、墾利縣和東營區(qū)的變化趨勢與全市平均相反,均表現(xiàn)出升高的趨勢,平均變化幅度分別為1.14m、0.20m和1.18m,廣饒縣則呈明顯下降的趨勢,平均降幅為12.78m。空間分布上,北部利津縣、墾利縣和東營區(qū)地下水位均表現(xiàn)出年內(nèi)及年際變化均較小,年際表現(xiàn)出上升趨勢;南部廣饒縣年內(nèi)變化較大,表現(xiàn)出年初最高,年中明顯下降,年末保持低值的特征,年際也表現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

4.2 廣饒縣地下水埋深動態(tài)變化

東營市淺層淡水主要集中在廣饒縣境內(nèi),而其余廣大地區(qū)均屬咸淡水混合區(qū)和咸水區(qū),地下水礦化度較高。廣饒縣地下水位急劇下降的原因主要是隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展,需水量逐漸增加,造成對地下水的開采量逐漸加大,從而致使地下水位大幅度下降。根據(jù)廣饒縣井灌區(qū)1975—2000年地下水觀測井水位月埋深序列,對20世紀(jì)70年代、80年代和90年代的地下水埋深逐月變化進(jìn)行分析(圖7(a)),70年代年平均地下水埋深為5.41m,變化幅度為2.48m,埋深最深值為6.86m,出現(xiàn)在6月,最淺值為4.38m,出現(xiàn)在1月和2月;80年代年平均地下水埋深為14.34 m,變化幅度為1.98m,埋深最深值為14.91m,出現(xiàn)在6月,最淺值為12.93m,出現(xiàn)在2月;90年代年平均地下水埋深為20.11m,變化幅度為2.04m,埋深最深值為21.15m,出現(xiàn)在7月,最淺值為19.11m,出現(xiàn)在2月。上述3個年代年內(nèi)地下水埋深變化一致,4—8月埋深較深,年初和年末埋深較淺。從年際變化來看,自70年代至90年代埋深逐漸增加,增幅達(dá)到14.70m。根據(jù)逐年平均地下水埋深曲線(圖7(b))分析,廣饒縣地下水埋深呈顯著線性增加趨勢(R2=0.93),年均增速達(dá)到0.72m/a。

圖7 廣饒縣20世紀(jì)70—90年代地下水埋深動態(tài)變化趨勢

5 結(jié) 論

采用降水、徑流、地下水位及埋深4個主要指標(biāo)對1961—2000年黃河三角洲主要組成部分——東營市的水資源時空變化特征進(jìn)行了分析。結(jié)果如下:

a.東營市多年平均降水量為631.4mm,降水量年內(nèi)及年際變化均較大。年內(nèi)夏季降水量最大,約占全年的57.4%,年際尺度上,降水量總體呈下降趨勢,20世紀(jì)60年代為最高值,至80年代達(dá)到最低值,之后略有上升。多年平均降水量的空間分布呈自南向北逐漸下降的趨勢,符合緯度地帶性分布規(guī)律,自南部廣饒縣至北部河口區(qū)降水量下降幅度達(dá)到134.1mm。

b.黃河入境徑流量年內(nèi)及年際變化均較大,秋季徑流量最大,占全年的14.4%,年際尺度上最大徑流量約為最小值的30倍,根據(jù)5年滑動平均趨勢分析結(jié)果,1986年之前徑流量變化較平緩,之后呈線性下降趨勢。當(dāng)?shù)貜搅髁磕陜?nèi)變化較大,夏季徑流量超過全年的80%;年際變化較小,呈峰-谷-峰的變化趨勢。利津站年、月平均徑流量均比東營市高約51倍,利津站以下河道斷流現(xiàn)象比較突出。

c.東營市淺層地下水位年內(nèi)變化較小,年際由20世紀(jì)80年代的4.81m下降至21世紀(jì)初的2.25m,下降幅度為2.56m。其中利津、墾利和東營3縣區(qū)年內(nèi)及年際變化均較小,年際表現(xiàn)出上升趨勢;廣饒縣年內(nèi)及年際變化均較大,特別是年際由20世紀(jì)80年代的1.97m下降至21世紀(jì)初的-10.79 m,下降幅度為12.78m。廣饒縣地下水埋深自20世紀(jì)70年代至90年代逐漸增加,增幅達(dá)到14.7m。1975—2000年廣饒縣地下水埋深呈顯著線性增加趨勢(R2=0.93),年均增速達(dá)到0.72m/a。

[1]夏軍,劉春蓁,任國玉.氣候變化對我國水資源影響研究面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2011,26(1):1-12.

[2]江善虎,任立良,雍斌,等.氣候變化和人類活動對老哈河流域徑流的影響[J].水資源保護(hù),2010,26(6):1-4.

[3]劉昌明,劉小莽,鄭紅星.氣候變化對水文水資源影響問題的探討[J].科學(xué)對社會的影響,2008(2):21-27.

[4]張圣微,雷玉平,姚琴,等.土地覆被和氣候變化對拉薩河流域徑流量的影響[J].水資源保護(hù),2010,26(2):39-44.

[5]IPCC.Climate change 2007:the physical science basis[M].Cambridge:Cambridge University Press,2007.

[6]牛玉國,張海敏,李世明.黃河水資源問題與對策研究[J].湖泊科學(xué),2004,16(S1):16-29.

[7]高善明,李元芳.黃河三角洲[EB/OL].[2011-10-03].http://baike.baidu.com/view/145124.htm#3

[8]任美鍔.黃河三角洲自然地理概念[EB/OL].[2009-12-04].http://www.dzwww.com/2009/hsj/bj/200912/t20091204_5246425.htm

[9]東營市統(tǒng)計局,國家統(tǒng)計局東營調(diào)查隊.東營市統(tǒng)計年鑒—2011[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2011.

[10]《東營市水利志》編纂委員會.東營市水利志[M].北京:紅旗出版社,2003:34-68.

[11]東營市水利局.東營市水資源公報(2002—2010年).東營:東營市水利局,2002—2010.

Spatial and temporal characteristics of water resources in Yellow River Delta from 1961 to 2000

LIN Lin1,2,LIU Jian1,2,CHEN Xue-qun1,2,GUAN Qing-hua1,2
(1.Water Resources Research Institute of Shandong Province,Jinan250013,China;2.Shandong Provincial Key Laboratory of Water Resources and Water Environment,Jinan250013,China)

The spatial and temporal characteristics of water resources in the Yellow River Delta from 1961 to 2000 were analyzed based on four indicators:precipitation,runoff,water table,and bury of groundwater.A case study was conducted in Dongying City,which is the main part of the Yellow River Delta.The results show the following:(1)Both the intra-annual and inter-annual changes of precipitation were significant.The intra-annual precipitation was concentrated in summer.The inter-annual precipitation had a decreasing trend.The spatial distribution of precipitation showed a gradual declining trend from south to north.(2)The intra-annual and inter-annual changes of inflow of the Yellow River were significant.A trend analysis indicated a slight fluctuation and linear decline of runoff before and after 1986,respectively.The local runoff showed significant intra-annual change,with the runoff in summer being over 80%of that over a whole year,and a small inter-annual change,with a peak-valley-peak trend.(3)There was a slight change in the water table of the shallow groundwater in Dongying City,but large intra-annual and inter-annual changes in Guangrao County,where an average decrease of 12.78 m of the water table was observed from the 1980s to the early 21st century.(4)The bury of groundwater in Guangrao County increased by 14.70m from the 1970s to the 1990s.A notable linear increase(R2=0.93)of the bury of groundwater in Guangrao County was observed from 1975 to 2000,with an average growth rate of 0.72m per year.

Yellow River Delta;water resources;spatial and temporal characteristics;precipitation;runoff;water table;bury of groundwater

TV211.1

A

1004-6933(2012)01-0029-05

10.3969/j.issn.1004-6933.2012.01.007

水利部公益性行業(yè)專項(200801026)

林琳(1979—),女,工程師,博士,主要從事水資源及水環(huán)境研究。E-mail:llin_mail@126.com

2011-10-26 編輯:徐 娟)