论文快递｜张修宇等：变化环境下河南省水资源情势与驱动力分析

水资源是人类社会发展和维持生态环境的基础资源。随着经济社会的发展与人口数量的增加，我国水资源短缺问题日益凸显，水资源供需关系愈发紧张。为贯彻落实习近平总书记“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路，河南省水资源规划论证强调要精准分析水资源变化态势，推动水资源的安全利用和节约集约利用，为河南省水资源的合理开发与利用、优化配置、有效保护及综合治理提供可靠的科学依据［1］，助力生态保护和高质量发展［2］。

国内外学者采用多种方法进行水资源演变趋势分析和驱动力分析。张修宇等［3］运用Spearman 相关性分析法深入剖析了河南省引黄受水区的水资源现状及其变化趋势，结果表明河南省引黄受水区水资源各要素在时序上变化不大，降水量和蒸散发量是影响水资源情势的重要因子，水资源总量受降水量影响较大。杨翊辰等［4］开展了黄河流域用水演变特征分析及未来水资源开发利用情势识别研究，结果表明黄河流域1980—2016 年农业用水量整体呈现减少特征，未来生态环境用水量及总耗水量将呈现持续增长态势。薛晴等［5］建立系统动力学预测模型模拟江苏省水资源承载力动态变化，并耦合遗传算法和改进的BP 人工神经网络模型对水资源承载力进行评价，认为江苏省水资源承载力不断恶化，难以满足未来经济社会发展的需要。甘丰余等［6］基于海南省各类型用水和经济社会指标数据，运用信息熵、灰色关联分析模型对全省用水结构演变和驱动因子进行分析，结果表明海南省用水结构信息熵和均衡度皆在波动中趋于上升，用水结构趋于均衡方向发展，常用耕地面积、重工业企业数量、常住人口、人均公园绿地面积分别为农业、工业、生活、生态用水量变化的主要驱动因子。Baig 等［7］ 利用1983—2018 年逐日和逐月降雨资料，采用标准化降水指数、降水距平指数和Mann－Kendall 检验法对安德拉沿海地区降水趋势和格局进行了分析，结果表明研究区降雨量呈下降趋势，年降雨量与归一化植被指数之间相关性较强。

本文采用统计分析、Mann－Kendall 趋势检验及BP 神经网络方法，对1999—2022 年河南省水资源进行时序演变情势分析，并对导致水资源总量变化的气候因素和下垫面因素进行驱动力分析，以期为河南省水资源开发利用与保护以及优化配置提供参考。

河南省横跨黄河、淮河、海河和长江4 个流域，总面积16.7 万km2，地势西高东低，地形地貌多样，山地、丘陵、平原分别占总面积的37.1%、11.7%、51.2%［8］。河南省位于我国亚热带与暖温带过渡区，具有显著的大陆性季风气候特点，多年平均气温为15.1 ℃，水面蒸发量为1 000 mm，降水量为771 mm，降水量时空分布不均［9］。河南省1956—2000 年多年平均水资源总量403.5 亿m3，人均水资源量不足全国平均值的1／5，水资源严重短缺［10］。河南省作为我国产粮和人口大省，对水资源的需求量巨大。

本文所用数据来源于《河南省四水同治规划（2021—2035 年）》《河南省水资源公报》和《河南统计年鉴》。

2.1  水资源统计特征分析

统计分析法是水资源情势演变分析常用的方法之一，其基本原理是通过对水资源相关数据进行整理和分析，运用统计学方法揭示水资源的演变趋势、规律和变化特征［11］。

2.1.1 降水量

降水是河川径流形成的重要因素，河南省年内降水分配与径流分配基本一致。

1）年降水量序列的CV值和极值比能够有效揭示降水量的相对波动情况。对河南省1999—2022 年降水量系列进行统计分析，依据频率（P）对年降水量进行丰、平、枯水年划分，并计算得出降水量均值为756.06 mm，变差系数CV＝0.216，经过适线后得出偏差系数CS＝4.31CV＝0.93，12.5%、37.5%、62.5%和87.5%频率对应的模比系数分别为1.27、1.03、0.91 和0.75。CV值为0.216，表明不同年份间的降水量差异较大，具有一定的不稳定性；极值比为1.13，表明研究期河南省极端降水事件的强度略高于平均水平。在24 a 的研究系列中，特丰年、偏丰年、平水年、偏枯年和特枯年等不同丰枯年份出现的频次是不均衡的，特丰年仅为3 a，偏丰年和平水年均为7 a，偏枯年和特枯年分别为4 a 和3 a。河南省降水量时空分布不均，干旱和洪涝现象出现较为频繁。2000—2001 年河南省降水量骤减，由之前的特丰年突然转变为特枯年，这种突然的转变可能受到复杂气候的影响，例如厄尔尼诺事件或其他气象因素。2003 年河南省出现了气温略偏低、降水量异常偏大的情况［12］，2003—2005 年降水量较大，出现偏丰年及特丰年。

2）差积曲线法通过描绘距平累积值随时间的相对变化来分析和展示流域洪水流量或地区降水量等水文要素在不同年份的丰枯变化及其趋势，曲线的形态主要有多峰型和单峰型两种，分别对应降水丰、枯段的不同交替循环期，体现降水系列的周期性特征。由图1（a）可知，河南省降水量变化频率高、幅度大。模比系数累积平均曲线主要用于展示系列累积平均值随时间的变化情况，从而揭示系列的整体变化趋势。由图1（b）可知，河南省降水量模比系数累计平均曲线随时间的延长变化幅度越来越小，具有一定稳定性。根据差积曲线和模比系数累积平均曲线分析，在1999—2022 年包含有2 个丰水期、2 个枯水期、1 个平水期。丰水期分别为2003—2005 年（历时3 a）、2020—2022年（历时3 a），枯水期分别为1999—2002 年（历时4 a）、2010—2019 年（历时10 a），平水期为2006—2009 年（历时4 a）。由此可见，该系列展示了年降水量由丰到枯的完整变化过程，呈现一定的周期性。

图１　河南省降水量差积曲线和模比系数累积平均曲线

 

2.1.2 水资源总量

经过频率计算，得出1999—2022 年河南省水资源总量多年均值为378.88 亿m3，变差系数CV ＝0.40，适线后得到偏差系数CS ＝2.88CV ＝1.21，12.5%、37.5%、62.5%和87.5%频率的模比系数分别为1.51、1.03、0.81和0.57。研究期特丰年、偏丰年、平水年、偏枯年和特枯年等不同类型年份出现频次不尽相同，分别为3、6、7、5、3 a。河南省水资源总量在不同年份有较大的不同，其中2003—2007 年水资源总量较为充足，2012—2015 年水资源总量偏少。

2.1.3 供用水量趋势分析

1999—2022 年河南省总供用水量呈增长趋势，但增速有所放缓（见图2）。1999—2003 年总供用水量变化较大，2003 年为最小值187.16 亿m3；2004—2013年总供用水量在波动中增加，2013 年为最大值240.57亿m3；2014 年总供用水量骤减至209.29 亿m3，2015—2019 年保持稳定增长，2019 年为237.85 亿m3；2020—2021 年供用水量呈现下降趋势，2022 年有所回升。2006—2022 年总供用水量除2014 年、2015 年外都在均值222.8 亿m3 以上。河南省总供用水量增长可能与人口增长、经济发展、工业扩张和灌溉需水量增加有关，但由于采取了有效的水资源管理措施，因此供用水量增速有所放缓。

图２　河南省总供用水量变化

 

2.2  水资源演变趋势分析

Mann－Kendall 趋势检验方法是一种常用的非参数统计工具，它能够有效分析时间序列数据的趋势性变化，并检测出潜在的突变点［13］。采用Mann－Kendall方法对河南省1999—2022 年降水量、地表水资源量、地下水资源量、水资源总量、供用水量及耗水量6 个指标的变化趋势和突变性进行检验（给定显著性水平α＝0.05，U0.05 ＝±1.96）。

2.2.1 趋势分析

Z值是检验统计量的标准化值，它的大小代表了数据变化趋势的强弱，Z值的绝对值越大趋势越显著。若Z 值为正，则表明数据呈现上升趋势；若Z值为负，则表明数据呈现下降趋势。由表1 可知：河南省地表水资源量及耗水量呈现不显著的增加趋势；降水量、地下水资源量及水资源总量呈现不显著的减少趋势；供用水量，呈现显著的增加趋势（Z 值为2.406），表明河南省水资源利用面临较大挑战，需要进一步加强水资源管理、减少用水量。河南省已采取一系列措施减少气候变化对水资源的影响和加强水资源利用管理，如：《河南省适应气候变化行动方案》旨在增强气候变化适应能力、防范化解气候变化带来的风险；《河南省取水许可管理办法》规定了严格的取水许可审批流程，以确保水资源的合理利用。河南省地表水资源量的增加可能是南水北调中线和黄河干流等外调水的引入等多种因素共同作用的结果，供用水量显著增加但耗水量增加不显著主要是水资源利用效率提升、漏损和浪费减少、用水需求结构变化以及中水回用等因素共同作用的结果，表明河南省在水资源管理和利用方面取得良好效果。

表１　1999—2022年河南省水资源指标变化趋势

 

2.2.2 突变分析

采用Mann－Kendall 突变检验方法检测1999—2022年河南省水资源指标的突变情况，结果如图3 所示。

图３　1999—2022年河南省水文系列突变检验结果

 

1）降水量。河南省降水量1999—2002 年波动变化，2003—2011 年呈现不显著的上升趋势，2012—2022 年呈不显著的下降趋势。突变发生于2011 年，在2012 年后降水量开始下降，可能影响地表水和地下水的供给。

2）地表水资源量。河南省地表水资源量在1999—2011 年持续增加，这可能得益于降水量增加及水资源管理政策的实施，但2004—2011 年地表水资源量增加速度有所放缓；在2012—2019 年地表水资源量呈下降趋势。突变发生在2012 年，上述变化趋势均不显著。

3）地下水资源量。河南省地下水资源量在1999—2011 年呈现持续上升趋势，2012—2022 年呈持续下降趋势，于2011 年发生突变，上述变化趋势均不显著。

4）水资源总量。河南省水资源总量在1999—2011 年呈不显著的上升趋势，在2012—2022 年呈不显著的下降趋势，在未来一段时间下降趋势可能延续，这与地表水资源量、地下水资源量变化趋势大体一致。突变发生于2011 年。

5）供用水量。河南省供用水量2002—2008 年呈现不显著的下降趋势，突变发生于2009 年，2010—2022 年供用水量呈持续上升趋势，并且增速逐渐变大，其中2013 年、2017—2022 年的供用水量统计值超过了0.05 显著性水平临界线，表明上述年份供用水量增加趋势达到显著水平。

6）耗水量。河南省耗水量在1999—2022 年波动变化，其中：2003—2012 年、2014—2019 年呈不显著的下降趋势，这主要受气候变化、节水意识的提高、水资源管理政策的实施等因素的影响；2019—2022 年呈不显著的增长趋势，这可能与经济社会发展、城镇化进程等因素有关。

2.3  水资源预测

在BP 神经网络中，网络权值和各层神经元阈值的确定是一个持续优化调整的过程，这一过程的核心是BP 算法，该算法通过正向传播网络信息输出和反向传播误差两个阶段来实现权值和阈值的更新。对于输入的每一组信号，网络会将其得到的输出值与预期输出值进行比较，如果比较结果满足预先设定的精度标准，则完成网络训练；若不满足，则会触发误差的反向传播过程，以便进一步精细调整网络参数，优化网络性能［14］。根据1999—2022 年河南省降水量及水资源量等资料，采用BP 神经网络预测未来5 a（2023—2027 年）的降水量及水资源总量，结果见图4。

图４　河南省降水量及水资源总量预测结果

 

1）降水量。河南省未来5 a 降水量预测值分别为726.59、726.90、687.25、811.72、798.56 mm。预测值均落在95%置信区间内，说明具有较高的可信度；但多数预测值数据点落在降水量均值以下的范围，表明预测的未来5 a 降水量呈下降趋势。

2）水资源总量。河南省未来5 a 水资源总量预测值分别为332.64 亿、376.16 亿、403.79 亿、320.90 亿、359.71 亿m3。预测值均落在95%置信区间内，说明具有较高的可信度。预测的河南省水资源总量变化趋势与实测数据所呈现的变化趋势一致，表明未来5 a 水资源总量将减少。

气候变化对河南省水资源演变具有重要影响。本文选用降水量和年平均气温作为驱动因子对河南省水资源总量进行驱动力分析。河南省水资源总量受气候因素影响如图5 所示。由图5 可知，1999—2022 年河南省降水量波动较大，丰枯交替频繁；年平均气温总体呈较为显著的上升趋势，平均变化率为每10 a 上升0.35 ℃，高于全国平均水平（每10 a 上升0.22 ℃）。河南省水资源总量在研究期内呈波动下降趋势，与同期降水量的变化有高度一致性，这表明降水量对水资源量变化有重要影响。地表水资源的主要来源是降水，降水量的减少直接影响水资源总量的减少；河川径流量和湖泊水库等蓄水量随着降水量的减少而减少，也导致水资源总量减少。此外，研究期内年平均气温的升高也对水资源总量减少产生一定影响，随着气温升高，地表水体和土壤中的水分蒸发速率增大，导致湖库中的水量和土壤水分减少，从而影响水资源总量。

图５　河南省水资源总量受气候因素影响

 

3.2  下垫面变化

作为农业大省，河南省农业用水量较大，其农业活动对下垫面产生了显著影响。随着农业的发展，大规模的农业耕作、灌溉和化肥施用等改变了地表植被覆盖和水土保持能力，进而影响地表径流和地下水的补给。随着农业机械化率的提高和农田灌溉面积的扩大，水资源的需求量不断增加，加剧了水资源短缺形势。此外，随着城镇化进程加快，河南省的土地利用结构发生了显著变化，城镇用地扩张导致不透水地面面积增大，减少了降水自然渗透和补给地下水的机会。但河南省在水资源管理方面采取了一系列措施，如实施水资源消耗总量和强度双控行动，推进节水型社会建设等，水资源总量减少的局势有所缓和。

本文采用统计分析、Mann－Kendall 趋势检验及BP 神经网络方法，对河南省水资源演变情势进行分析，并对导致水资源总量变化的气候和下垫面因素进行驱动力分析。结果表明，河南省年降水量年际变化较大，整体不太稳定，在756.06 mm 附近波动，丰枯交替频繁；全省水资源总量丰枯年交替频繁，总体在378.88亿m3 附近波动；全省总供用水量呈增长趋势，但增速有所放缓。全省降水量、地下水资源量及水资源总量呈现不显著的减少趋势，地表水资源量及耗水量呈现不显著的增加趋势，供用水量呈现显著增加的趋势。由驱动力分析可知，河南省水资源总量的减少受降水量的影响最大，年平均气温和下垫面的变化也是导致水资源总量减少的重要因子。

在变化环境下，随着全球气候变暖及人类活动增加，一些地区可能会更加严重地受到水资源短缺问题的困扰。受极端天气影响，2021 年河南省各指标数据都出现了较大的突变，这对进行水资源各项指标趋势分析有较大影响。受限于目前研究数据不足以及分析方法不够全面，对于河南省水资源演变规律的分析研究仍需要进一步深入。