京津冀山区水平衡演变及其影响因素识别.pdf
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1、DOI:10.16030/ki.issn.1000-3665.202305007白华,杨会峰,张英平,等.京津冀山区水平衡演变及其影响因素识别 J.水文地质工程地质,2023,50(6):25-40.BAI Hua,YANG Huifeng,ZHANG Yingping,et al.Identifying the evolution of water balance and influencing factors in the mountainousarea of Beijing-Tianjin-HebeiJ.Hydrogeology&Engineering Geology,2023,50(6
2、):25-40.京津冀山区水平衡演变及其影响因素识别白华1,2,3,杨会峰1,2,张英平1,2,孟瑞芳1,2,包锡麟1,2,戴磊1,2,李祥志1,2(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,河北 石家庄050061;2.河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站,河北 石家庄050061;3.中国地质大学环境学院,湖北 武汉430074)摘要:定量识别水平衡演变影响因素及其贡献是开展生态环境保护和水资源科学管理的前提。以往成果对人类活动中不同影响因子的归因识别与定量研究较少。在识别京津冀山区水平衡演变的基础上,采用双累计曲线法、径流变化定量分离法分析了降水变化和人类活动对水平衡演变
3、的影响;分别选择涞源盆地、清水河小流域,分析了用水增加以及林业耗水增加对水平衡演变的影响。结果显示:(1)近 65 a 来,京津冀山区年降水量总体呈缓慢减少趋势,速率为 0.97 mm/a,21 世纪以来,年降水量有小幅增加趋势;(2)相比于 19561979 年基准期,19802000 年降水变化和人类活动对天然径流衰减的影响程度分别为 49.25%、50.75%,水土保持和植树造林是影响水平衡变化的主要人类活动因素,20012020 年天然径流衰减的主要原因为人类活动,影响程度达到 68.2%,其中地下水开采增加是主要人类活动因素,林业耗水量增加是重要人类活动因素;(3)山区水库蓄水及用水
4、增加直接造成实际径流衰减,是造成平原区水平衡加剧的主要原因;(4)清水河小流域研究结果表明,在一定规模下,林地耗水增加与山区径流衰减呈正相关关系。林地面积增加对径流衰减的影响存在 1520 a 的滞后性。林地面积达到 23.48%后,林地耗水增加对天然径流产生了明显负作用,平均每增加 1 km2林地,耗水量增加 37.25104 m3/a,天然径流量衰减 59104 m3/a,林地年均耗水增加量占流域天然径流衰减量的 63.22%,表明林地面积增加起到水源涵养的作用,同时也造成了有效径流的减少。研究成果对开展京津冀山区生态环境保护、水资源科学管理以及水平衡调控具有重要意义。关键词:水平衡演变;
5、水资源量衰减;影响因素;定量识别;京津冀山区中图分类号:P641.8 文献标志码:A 文章编号:1000-3665(2023)06-0025-16Identifying the evolution of water balance and influencing factorsin the mountainous area of Beijing-Tianjin-HebeiBAI Hua1,2,3,YANG Huifeng1,2,ZHANG Yingping1,2,MENG Ruifang1,2,BAO Xilin1,2,DAI Lei1,2,LI Xiangzhi1,2(1.The Insti
6、tute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Science,Shijiazhuang,Hebei050061,China;2.National Field Scientific Observation and Research Station onGroundwater and Ground Subsidence in the Plain Area of Cangzhou,Hebei,Shijiazhuang,Hebei050061,China;3.School of Environm
7、ent,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei430074,China)收稿日期:2023-05-04;修订日期:2023-07-18投稿网址:基金项目:国家自然科学基金地质联合基金(U2244214);中国地质调查局地质调查项目(DD20190336;DD20230078);中国地质科学院科研业务费项目(SK202118;SK202216;KY202301)第一作者:白华(1987-),男,博士研究生,研究实习员,主要从事地下水资源调查评价与水循环研究。E-mail:通讯作者:杨会峰(1978-),男,博士,研究员,主要从事水文地质与水资源研究
8、。E-mail: 第 50 卷 第 6 期水文地质工程地质Vol.50 No.62023 年 11 月HYDROGEOLOGY&ENGINEERING GEOLOGYNov.,2023Abstract:Quantitatively identifying the effects and contributions on the water balance evolution is the premise ofecological environmental protection and scientific management of water resources.However,most
9、of the previousstudies focused on the effects of climate change and human activities on runoff attenuation;few studies paidattention to the attribution and quantitative identification of different factors in human activities.On the basis ofidentifying the evolution process of water balance in the st
10、udy area,the effects of precipitation change and humanactivities on the evolution of water balance at different time periods were analyzed by using the double cumulativecurve method and the quantitative separation method of runoff change.The effects of the increase of waterresource exploitation and
11、forestry water consumption on water balance evolution were analyzed in the LaiyuanBasin and Qingshuihe Basin,respectively.The results show that:(1)The annual precipitation presented a slightlydecreasing trend with a decreasing rate of 0.97 mm/a in the past 65 years;since the 21st century,precipitati
12、on hasincreased slightly.(2)Compared with the period of 19561979,the natural runoff attenuation during 19802000was affected by precipitation change and human activities,with corresponding contributions of 49.25%and50.75%,respectively.Soil and water conservation and afforestation are the main factors
13、 of human activityaffecting the change of water balance.the decrease in natural runoff was mainly caused by human activities,withthe influence contribution of 68.2%.The increase of groundwater exploitation was the main factor of humanactivity,and the increase of water consumption was the second fact
14、or of human activity.(3)The increase inreservoir storage and water consumption in mountainous areas led to the actual runoff attenuation directly,whichwas the main reason for the intensification of water balance in the plain areas.(4)In the Qingshuihe River Basin,there was a positive correlation bet
15、ween the increase of forest water consumption and the decline of mountainrunoff at a certain scale.The effect of runoff attenuation on the increase of forest area was not immediate,with alag of 1520 a.As the forest area reached 23.48%,the increase in forest water consumption had a significantnegativ
16、e effect on the natural runoff.An average increase of 1 km2 of forest land led to water consumption beingincreased by 37.25104 m3/a,and the natural runoff being decreased by 59104 m3/a.The increase in annual waterconsumption of forest land accounted for 63.22%of the natural runoff attenuation.It ind
17、icated that the increase inforest area played an important role in water conservation,resulting in a decrease in effective runoff.The results ofthe study are of great significance for the ecological and environmental protection,scientific management of waterresources and regulation of water balance
18、in the Beijing-Tianjin-Hebei mountain area.Keywords:water balance evolution;water resources attenuation;influence factors;quantitativeidentification;the mountainous area of Beijing-Tianjin-Hebei 京津冀山区是京津冀主要产水区,也是平原的重要生态屏障和水源涵养区。自 20 世纪 80 年代以来,水资源显著减少1,已成为我国水资源衰减最为严重的地区之一;相比于 19561979 年,19802000 年、2
19、0012020 年山区水资源量分别衰减了 20.96%2、35.40%。山区来水减少导致下游平原地表水可供水量减少、河道断流、湖泊湿地萎缩3,同时由于减少了河水对地下水的补给,加剧了平原区地下水超采,引发了地面沉降、地裂缝、海水入侵等一系列环境地质问题4 5,严重制约着区域经济社会、生态环境协调发展。径流特别是天然径流变化是山区水平衡变化的重要体现。通常把径流衰减归因于气候变化和人类活动影响。气候变化通过驱动降水、蒸发等水文要素发生改变6,影响大气过程和陆面过程中的水量平衡和能量交换,进而改变径流的时空分布7,其中,降水是气候变化中最主要的影响因素,能够直接影响径流量8。人类活动通过直接取用水
20、以及改变下垫面从而影响区域水循环过程,进而影响降水径流关系9,其影响因素众多,如土地利用/覆被变化、水利工程、水资源开发利用等10。有关径流衰减的研究表明,气候变化和人类活动对径流变化的影响存在地域差异;气候变化对我国南方地区径流影响较北方显著11,对长江上游年径流量影响超过 70%12;人类活动对北方地区径流影响显著,其贡献率多在 50%以上13 14。进入21 世纪以来,京津冀平原水资源衰减已趋稳定,但山区仍在持续发展15,尚未达到拐点。有关径流衰减归 26 水文地质工程地质第 6 期因的常用分析方法有双累计曲线法、水文模型模拟法、基于 Budyko 假设的弹性系数法等。以往成果多研究气候
21、变化和人类活动对实际径流的影响,对反映流域水资源本底状况的天然径流影响的研究较少。此外,对人类活动中不同影响因子的归因识别与定量研究较少。近年来,京津冀山区用水、土地利用以及水库蓄水等变化对水平衡的影响不断增大,已成为径流减少的重要原因16。山区水利工程蓄水以及用水增加直接造成径流减少。植被是全球气候和陆地生态环境变化的指示器17,而林地是水源涵养的主体。随着水土保持、退耕还林等工程的相继实施,山区土地利用/覆盖开始发生了复杂的变化18。林地通过影响流域产流过程进而影响水平衡,其影响程度受气候、地域、尺度、林地类型、林地管理方式等影响,过程复杂19。有关林地面积增加对径流的影响一直存在争议,多
22、数结论认为林地覆盖率增加会不同程度地减少年径流量,在干旱半干旱地区尤为明显20,这与林地面积变化导致的蒸散发与流域产水量的变化密切相关21 22。目前有关林水效应的研究多以试验站尺度开展,在区域尺度上研究山区林地面积变化对水资源的影响效应尚无定论,制约着生态环境保护和水资源科学管理。本文以水平衡问题严峻的京津冀山区为对象,研究其水资源与水平衡演变过程并识别主要影响因素。选择清水河流域以及涞源盆地分别研究林业耗水以及用水增加对水平衡演变的影响,在此基础上识别水平衡变化的主控因子,定量评估不同影响因素对径流变化的贡献。研究成果对京津冀地区水资源开发利用、水源涵养和生态保护具有重要意义。1 研究区概
23、况京津冀山区西为太行山脉,北为坝上高原和燕山,东接华北平原,地势西高东低,面积 12.26104 km2,占京津冀总面积的 56.63%(图 1)。行政区包括北京、天津和河北三个省市山区,辖 80 个县市区。土地利用类型以林地、草地为主,林地类型主要为针阔混交林与落叶阔叶林。20 世纪 70 年代末以来,该区一直是我国“三北”防护林体系、京津风沙源治理防护林体系重点建设工程区和国家级水土保持重点治理区。经过综合治理,林地面积、植被覆盖率大幅提高,生态环境明显改善;同时,随着山区经济社会发展,水利工程不断修建,水库蓄水以及用水不断增大。山区面临着生态环境与水资源的诉求。典型盆地选择保定西北部的涞
24、源盆地。该盆地是一个泉排型岩溶水系统,同时也是一个典型的向斜式汇水盆地23,面积为 1 092 km2。地下水以泉群的形式排泄于拒马河,成为拒马河源头,其水量大小对下游及白洋淀生态环境具有举足轻重的作用。近年来,随着城镇化的发展,盆地用水量不断增加,导致地下水水位下降,泉流量减少,泉水流量由最高年份(1996年)的 4.68 m3/s,减小到 2000 年的 3.5 m3/s,2014 年仅为 0.9 m3/s24。由于用水增加导致的泉流量衰减问题受到关注。典型小流域选择张家口崇礼区的清水河流域。该流域是永定河水系洋河上游的一条较大的支流,流域面积为 2 380 km2。土地利用类型主要为林地
25、、草地、耕地,林地类型为阔叶林、针阔混交林、落叶针叶林、灌木丛等。近年来,区内林地面积不断增加,2022年底森林覆盖率已达 71.53%。林地面积的增大,改变了降水入渗与产流过程,关于林地面积增加对水平衡变化的影响需要进一步研究。2 数据与研究方法 2.1 数据本文所用资料包括遥感解译数据、气象水文数据、水资源数据、林业面积数据等。(1)京津冀山区1985、1990、2000、2010、2015、2020年土地利用分布特征,通过 LandSat 卫星遥感解译获取,经过人机交互判读结合监督分类将土地利用类型!观台雨量站水文站秦涞源盆地清水河流域下会滦县紫荆关石门张家口张家坟(二)邯郸邢台石家庄河
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