Analyzing the imPACt of climate change and human activity on the water resources change in the lower reach of Luan River
Wang Qingping, Liu Jinyan
Abstract: Based on the analysis on the air temperature, precipitation, surface water resources, total water resource, groundwater stage, precipitation variation is defined as the key factor cause the fluctuation of water resource in the lower reach of Luan River. The main factor cause the decreasing of water resources in the basin is human activity, including the water resource utility for agriculture irrigation and indirect impact of land use change, and the direct impact by continuous transferring water to outside.
Key words: lower reach of Luan River; climate change; water resources; human activity; impact
中图分类号：TV123 文献标识码：B 文章编号：1000-1123（2010）15-0041-04
滦河流域下游处于中纬度干旱、半干旱地区，是我国对全球变暖最敏感的流域，同时也是华北地区水资源开发利用程度较高的流域之一。本文依据长期的水文、气象观测数据，分析气候变化和人类活动对滦河流域地表水资源的影响程度，为该流域水资源规划、配置与合理利用提供参考。
一、研究区概况
滦河发源于河北省丰宁满族自治县骆驼沟乡小梁山南坡大古道沟，流经内蒙古、辽宁、河北3 省（自治区）的27 个县（旗、区），于河北省乐亭县兜网铺洼注入渤海，全长888 km，流域面积44 750 km2，滦河流域水资源开发利用较晚，但是开发利用程度较高，目前已达90%左右。按控制性水利工程划分，潘家口水库以上流域控制面积为33 700 km2，大黑汀水库以上流域控制面积为35 100 km2，桃林口水库控制支流青龙河面积5 060 km2。滦河流域上宽下窄呈羽状，中上游平均宽约100 km，滦县以下至入海口平均宽约20 km。滦河山区河道纵坡为2.88‰，平原为0.66‰，全河平均为2.68‰。滦河下游指滦河从滦县京山铁路桥至入海口段，是昌黎与滦县、滦南、乐亭的界河。河道全长75 km，流域面积680 km2。该区域濒临渤海，地势平坦而开阔，自西北倾向东南，坡降为5/10 000。滦县水文站以下约1 km建有岩山渠首引水闸，通过输水干渠将滦河水引至滦河下游灌区。
二、资料与研究方法
1.资料
主要选取滦河下游地区的滦县、乐亭气象站1956—2005 年的气温资料，安各庄、西拗榆树等站1975—2005 年的地下水埋深资料以及潘家口、大黑汀、桃林口、滦县等水文站1956—2005 年的降水、实测径流量及引水量等水文资料，另外还收集了下游流域1980—2005 年用水量（农业、工业和生活用水量）、水土保持措施面积以及流域水利工程等资料。
2.研究方法
从简单实用角度考虑，水文气象要素的变化趋势分析采用倾向斜率法，倾向斜率用一元线性回归方程拟合求得，利用各水文气象要素的时间序列，以时间x 为自变量、要素y 为因变量，建立趋势模拟方程，其斜率的10 年变化称为倾向率。
三、气候变化特征分析
1.气温
据滦县和乐亭2 个气象台站的资料统计，滦河下游地区的年平均气温在近50 年中总体呈上升趋势，变化范围在0.8~1.2℃之间，气温平均值为10.6℃（1956—2005 年），增温幅度达1.0℃，其中，20 世纪50—60 年代各站年平均气温增温幅度为0.1 ~0.6℃；60—70 年代增幅为0.1~0.7℃；70—80 年代增幅大致为0.1~0.6℃；80—90 年代年平均气温的增幅最大，为0.2~1.2℃。以历年平均气温作为“气温距平线”，20 世纪80 年代之前，大部分年份的气温都在年平均气温以下，尤其是50 年代年平均气温为近50 年的最低值，其中1956 年低于平均气温近1.5℃；从1980 年开始，区域内的气温出现明显的上升趋势，90年代是最热的10 年，近50 年来最热的12 年有11 年在近期发生。
分析表明，年平均气温升高（变暖）主要是由于冬季平均气温升高（变暖）及最低气温升高（夜间温度升高）所致，而夏季平均气温和最高气温（白天温度）变化较小。
2.降水
滦河下游地区地处华北平原东北部，南临渤海，北依燕山南麓，受温带大陆季风型气候控制，1956—2005年多年平均年降水量为603.8 mm。为了排除短期降水量的扰动影响，对研究区域内50 年降水系列进行10 年滑动平均分析发现：自1956 年以来区域年降水量总体上呈减少趋势，但也存在年代际的波动。其中，20 世纪60—70 年代为研究区的多雨期，80年代后逐渐步入少雨时期；90 年代初趋于缓和，但自90 年代末期后又进入较为严重的少雨期，波动周期大致10 年左右（见图1）。
图1 滦河下游地区降水量变化趋势
对研究区及各代表站50 年的降水系列进行趋势分析发现：流域平均年降水量变化曲线线性拟合倾向率为-19.1 mm/10 a，其中滦县站为-25.2mm/10 a，乐亭站为-13.1 mm/10 a；研究区年降水量递减受夏季、秋季降水量递减影响。
3.气候变化趋势
通过对气温和降水两个气候因子进行分析发现，近50 年中滦河下游地区的年平均气温总体呈上升趋势，增温幅度达1.0℃，尤其是20 世纪80 年代以来气温上升最快，而且常常伴随出现高温干旱。
区域内年降水与年平均气温变化特征相反，自1956 年以来年降水总体呈减少趋势，其中1980 年以来减少趋势尤其显著，对比变暖前后年降水量的变化发现，1956—1979 年多年平均年降水量为659.8 mm，1980—2005 年为607.1 mm，气温变暖后多年平均年降水减少52.7 mm，降幅达8.0％。
四、水资源变化特征
1.水资源变化趋势
1956—2000 年径流深数据依据唐山市第二次水资源评价成果，并对近5 年数据按水资源评价方法进行了延长。不计过境的客水资源量，扣除地表水和地下水相互转换的重复量，逐年计算研究范围内的水资源总量。经计算，滦河下游多年平均年水资源总量为1.3617 亿m3，其中地表水资源量为0.3763 亿m3，地下水资源量为0.9854 亿m3。对50 年水资源量系列分别进行统计分析与趋势模拟发现，区域水资源整体呈先升后降趋势，转折点发生于1980 年，1980 年前的50—70 年代水资源较为丰富，尤其是20 世纪70 年代，多年平均年水资源总量达1.7593 亿m3；自1980 年后呈显著减少趋势，尤其是进入21世纪后的前6 年，水资源量年均值最小，仅为0.8672 亿m3，1980 年后的26年水资源总量均值较前24 年系列均值减少26%，其中地表水资源减少幅度达54%，地下水资源减少幅度为12%（见图2）。
图2 滦河下游地区水资源量年代际变化趋势
2.地下水水位变化
滦河流域下游平原区地下水主要来自降水补给，滦河两岸附近地区同时还受河道渗漏补给。利用刘台庄、西拗榆树和安各庄3 个地下水观测站1975—2005 年的监测资料，进行流域范围内地下水动态长期变化分析可以看出，近30 年滦河下游地区的地下水位埋深呈下降趋势，尤其是受滦河径流补给的测站（安各庄站），其地下水下降速度和深度明显快于以降水补给为主的测站（刘台庄）。其中安各庄地下水位埋深由1987 年的2.48 m降到2005 年的6.90 m，下降速率为0.23 m/a；西拗榆树和刘台庄地下水水位变化相对较缓，下降速率为0.06 m/a、0.04 m/a，但在20 世纪90 年代末至21 世纪初下降比较迅速，最大降速分别达0.20 m/a、0.21 m/a（见图3）。
图3 滦河下游代表站地下水埋深变化图
地下水动态分析结果表明，地表径流来水越多，地下水补充量就越大，人们开采地下水也就越少，然而随着上游外调水量的增加，致使到达下游平原区的河道径流大幅度减少，同时受近年持续干旱影响，人们便大量开采地下水，导致近年出现地下水水位的快速下降和咸淡水分界线向内陆延伸等现象。
3.入海水量变化
根据滦县水文站实测径流量及下游岩山渠首引水量资料，对1956—2005 年滦河入海水量变化情况进行分析发现（见表1），自1980 年开始入海水量骤减，20 世纪90 年代略有缓和，进入21 世纪后又进一步锐减。以1983 年引滦入津工程投入运行为界，1956—1982 年平均入海水量为37.23亿m3，工程运行后入海水量明显减少；1983—2005 年平均入海水量为11.07 亿m3，仅为前27 年平均入海水量的29.7%，而且大部分入海水量来自于区间产流；90 年代入海水量略有回升，达到18.61 亿m3，这主要是由于1994—1996 年潘家口、大黑汀水库调洪时弃水量增加所致。1997 年滦河支流青龙河上的桃林口水库建成蓄水后，青龙河约90%的水量被控制利用，使近10 年滦河入海水量进一步大幅度减少。
表1 滦河入海水量年代变化
五、气候变化与人类活动对水资源的影响
1.气候变化对水资源的影响分析
气温变化对水资源的影响主要表现为温度升高使水体的蒸发量加大，蒸发强度提高，对水面蒸发的影响作用尤其明显，对土壤蒸发、植物蒸腾的影响也很重要。总之，气温升高造成蒸发环节水的消耗量增加，进而造成人们可以利用的水资源数量减少，使水资源的供需矛盾更加突出。
径流对气候变化的敏感性分析可以帮助我们鉴别气候变异对径流影响的幅度。在滦河流域下游平原区气温升高1℃，降水减少8%，假定下垫面及其他条件不变时地表径流量将减少8%，实际滦河下游地表水资源量减少54%，水资源总量减少26%，可见气候变化是影响滦河下游水资源量减少的一个因素，但不是主导因素。
2.人类活动对水资源的影响分析
一个区域的地表水资源既受气候系统的控制，又受地表下垫面系统的影响。随着人口的增长、工农业生产的发展及城镇化进程的加快，地下水开采、水土保持、河流上的水利工程建设等人类活动明显改变了流域天然状态下的下垫面条件及产流机制，进而改变了流域天然水循环过程。尤其在干旱和半干旱地区，人类作用致使河川流量减少得更快，人类活动对地表水资源的影响更为严重。
（1）上游水库及跨流域引水工程的影响
自20 世纪70 年代中期开始，为解决津唐地区特别是天津市的缺水问题，国家先后在滦河干流投资修建了潘家口水库、大黑汀水库及引滦枢纽工程，20 世纪90 年代中期，为提高滦河下游灌溉用水的保证率，又在滦河支流青龙河上修建了桃林口水库。截至2005 年年底，上述水利工程已累计引调水308.7 亿m3，其中向天津市供水122.4 亿m3，向唐山市供水174.4 亿m3，向秦皇岛市供水11.9 亿m3。引滦工程自1983 年通水运行后，每年向流域外大规模调水，导致滦河流域中下游径流量大幅度减少，1999—2005 年平均年入海水量0.1328 亿m3，不足1956—2005 年多年平均年入海水量的1/10，甚至出现了2001—2002 年连续2 年入海水量为零的情况。滦河口三角洲原为沙质河口，入海沙量的急剧减少致使沙质三角洲由淤积转为侵蚀。
据张金堂等分析，尽量保留上游提供的生态环境用水量4.17 亿m3 不变，再加上区间产流才能基本满足下游河道蒸发渗漏和生态用水需要。然而受上游来水不足影响，河道生态用水量被挤占，滦河两岸平原区地下水补给源减少，水位出现了不同程度的下降，且与入海水量的变化呈现较为明显的负相关关系（见图4）。
图4 滦河入海水量与下游地下水埋深变化趋势对比
（2）地下水的开发利用
据统计，1991—2005年滦河下游平原浅层地下水开采量1.399 亿m3/a，浅层地下水总补给量为0.9854 亿m3/a，总排泄量为1.473 亿m3/a，补排差0.4876 亿m3/a，总体处于超采状态，开采强度为20.6 万m3/（a·km2）。浅层地下水开采较易，且与地表水系统和大气降水系统连通性好，人类活动和气候变化在浅层地下水系统反应敏感。当降水丰沛时，地表径流来水越多，地下水补充量就越大，同时人们开采地下水也就越少，然而随着流域内工农业用水量的增加，致使到达下游平原区的地表径流大幅度减少。为了弥补用水不足，人们便大量开采地下水，导致地下水水位的快速下降，包气带增厚，又进一步减少了地表径流。
六、结语
①滦河下游地区的年平均气温自1956 年以来总体呈上升趋势，50年代年平均气温为近50 年的最低值，其中1956 年低于平均气温近1.5℃；1989 年是显著变暖的年份，1998 年最暖。20 世纪80—90 年代年平均气温的增幅最大，为0.2~1.2℃。
②滦河下游地区年平均降水自1956 年以来总体上呈减少趋势，但也存在年代际的波动，波动周期大致10年左右。其中20 世纪60—70年代为研究区的多雨期，80 年代后逐渐步入少雨时期，90 年代末期减小趋势进一步加剧，年降水量趋势拟合方程递减率为-19.1mm/10a。
③滦河下游地区水资源总量总体上呈现先升后降的趋势，自20 世纪80 年代后开始显著减少，尤其是进入21 世纪后，21世纪前6 年的流域水资源总量平均值仅为20 世纪70年代的49.3%，减少幅度很大。
④分析认为，上游外调水量的增加使滦河出山口径流减小，是造成入海水量锐减的主导原因，同时造成沿岸平原区地下水水位下降。
⑤自1988 年以来滦河下游平原区地下水水位持续下降，原因一方面在于补给源降水量减少，另一方面受经济社会发展影响地下水开采量增加，使地下水补给与排泄失衡。
⑥降水变化是造成滦河流域下游水资源年际波动性变化的主要因素。但从总体上看，气温、降水变化不是造成水资源量显著下降的主要影响因素。流域水资源量的减少在很大程度上受人类活动的影响，这些影响因素主要有：以农业灌溉为主的水资源利用、土地利用活动对流域径流的间接影响，水库对径流的直接拦蓄以及引滦、引青工程向流域外持续调水等因素的直接影响。
参考文献：
[1] 王国庆,张建云,刘九夫，等.气候变化和人类活动对河川径流的影响的定量分析[J]. 中国水利,2008(2).
[2] 海河水利委员会编.滦河志[M].石家庄:河北人民出版社,1994.
[3] 吴洪宝,吴蕾.气候变率诊断和预测方法[M].北京:气象出版社,2005.
[4] 苏剑勤,程树林,郭迎春.河北气候[M].北京:气象出版社,1996.
[5] 王丹,李昌存,艾立志.唐山沿海地区海水入侵及防治措施［J］.资源与产业,2006,8(3).
[6] 刘春蓁,刘志雨,谢正.近50 年海河流域径流的变化趋势研究［J］. 应用气象学报，2004，15(4).
[7] 张金堂,王秀兰.滦河流域水资源配置与合理利用［J］.水科学与工程技术,2009(3).
作者简介：王庆平（1962—），男，高级工程师。
