刘健 夏军 王明森 佘敦先

摘要：利用山东省实测降水资料、政府水资源公报数据，采用小波分析、数理统计等方法，预估了山东省未来水资源情势。结果表明：从目前到2030年左右，山东省降水将处于相对枯水期，受降水量减少和极端降水强度增大的影响，当地水资源量将减少、水资源开发利用难度将增大；黄河水和长江水等客水资源受到干流上游来水量减少、脆弱性增强、调蓄工程不完善、水价成本高等因素限制，未来情势不容乐观；目前山东省非常规水资源利用潜力较大，应在增大非常规水资源利用力度的同时，做好建设节水型社会、完善现代水网工程、提高水利工程调蓄能力等工作。

关键词：气候变化；水资源；情势预估；山东省

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.014

近百年来，全球正经历着以气温升高为主要特征的气候变化。水作为环境和生命的重要载体和组成部分，受气候变化的影响最为直接和明显。研究表明，气候变化已经对全球水循环产生了深刻影响，引起了水资源在时间和空间上的重新分配以及水资源总量的改变，增加了洪涝、干旱等极端事件发生的频率和强度，进而使得区域水资源问题日益突出，影响区域生态环境安全和经济社会的可持续发展。科学地预估气候变化条件下区域水资源发展情势，对及早提出应对措施并减缓水问题带来的损失具有重要的科学价值和现实意义。

山东省地处华东沿海、黄河下游，跨黄河、淮河和海河三大流域，是我国重要的粮食大省和经济强省。但同时，山东省也是我国典型的水资源严重短缺省份，水资源供需矛盾成为制约区域经济社会可持续发展的重要制约因素之一。山東省水资源主要包括当地水源、跨流域（区域）调水水源和非常规水源（再生水、海水淡化水等），其中当地水源和跨流域（区域）调水水源占全省水资源的比例很大。当地水源包括地表水和地下水，主要来源于大气降水；跨流域（区域）调水水源主要包括黄河水和南水北调的长江水。因此，分析山东省当地降水和跨流域调水水源的演变特征可以在很大程度上揭示区域水资源的变化趋势。笔者以区域实测降水资料、水行政主管部门发布的水资源公报数据为基础，采用数理统计、小波分析等方法，预估山东省未来水资源情势，以期为制定水资源安全调控措施、保证区域经济社会可持续发展提供参考。

1 基础数据与研究方法

降水资料来白中国气象局国家气候中心，共包括山东省123个气象站1961-2015年逐日实测降水数据（其中：国家级气象站18个，省、市、县级气象站105个）。这123个气象站降水数据均存在一定程度的缺失，18个国家级气象站数据缺失率为0.63%，省、市、县级气象站数据缺失率为9.7%。对缺失数据的插补采用时间插值和空间插值两种方法处理，处理后的123个气象站的逐日降水资料均通过了95%置信度的均一性验证。山东省供用水资料来自山东省水利厅发布的《山东省水资源公报》（2001-2015年）。

山东省面降水量采用泰森多边形法进行计算，降水资料的趋势、突变和周期分析分别采用线性法、Mann-Kendall非参数检验法和复Morlet小波分析法。山东省气象站空间分布及泰森多边形划分见图1。

2 山东省当地水资源情势预估

山东省多年平均当地水资源量为303.07亿m3，其中：地表水资源量198.26亿m3、地下水资源量165.46亿m3、重复计算量60.65亿m3。当地水资源主要来源于大气降水，分析降水的变化趋势，可以了解当地水资源的演变态势12。

2.1 降水周期变化特征与趋势

采用复Morlet小波法，通过小波变换和小波方差，对山东省1961-2015年降水的全年、汛期（4-9月）、主汛期（6-8月）和非汛期（10-次年3月）时间序列进行周期特征分析。结果表明：全年降水序列存在3～4、15～16、36～37a的变化周期，汛期序列存在6～7、11N12、43～44a的变化周期，主汛期序列存在7～8、15～16、38～39a的变化周期，非汛期存在3～4、12～13、30～31a的变化周期。分别绘制全年、汛期、主汛期和非汛期各变化周期对应的时域和频域变化曲线（见图2、图3、图4和图5）可知，每个时间序列的大变化周期下包含着许多小尺度的变化周期，这说明时间尺度不同降水序列所处的丰枯阶段和强度也不同。大尺度下的枯水期包含许多小尺度下的丰水期，大尺度下的丰水期同样包含许多小尺度下的枯水期，降水序列的周期变化与时间尺度是紧密相关的。本研究要对山东省未来一段时间的水资源情势进行预估，因此重点选择最大尺度的变化周期进行特征与趋势分析。

由图2～图4可知，全年、汛期、主汛期3个时间序列的最大周期（分别为36～37、43～44、38～39a）的变化过程表现出高度的一致，即在1961-2015年大约经历了1.5个丰枯周期变化，其中：20世纪60年代初期-70年代中期、20世纪90年代中期-21世纪10年代初期为丰水期，20世纪70年代中期-90年代中期为枯水期。由图5可知，非汛期时间序列的最大周期（30～31a）在1961-2015年大致经历了2个丰枯周期，其中20世纪60年代初期-70年代中期、20世纪80年代末期-21世纪初期为丰水期，20世纪70年代中期-80年代末期、21世纪初期-21世纪10年代中期为枯水期。

分别统计各时间序列丰枯阶段的降水量多年平均值，并根据不同时间序列变化周期特征预估下一个周期的丰枯趋势（见表1，表中带边框的数字为根据周期特征预估的未来丰枯转折年份）可知，在全年、汛期、主汛期时间序列下山东省从目前开始到21世纪30年代初期和中期将会处于枯水期。根据发展趋势可以简单判断，未来枯水期的枯水程度相比上一个枯水期（20世纪70年代中期-90年代末期）的枯水程度将更严重，而在非汛期时间序列下，山东省从目前开始到21世纪30年代初期将会处于相对丰水期。

2.2 降水年际变化特征与趋势

分别统计山东省1961-2015年逐年的全年、汛期、主汛期和非汛期降水量，并进行线性趋势分析（限于篇幅，各时间序列的线性趋势图略）。由结果可知，山东省1961-2015年的全年、汛期、主汛期和非汛期降水量均呈线性下降趋势，各时间序列的下降速率分别为1.24、1.08、1.04、0.16mm/a。采用Mann-Kendall非参数检验法分析各时间序列的突变特征，发现1961-2015年全年、汛期和主汛期序列均存在较为明显的两个时间突变点，分别在1966年和2001年左右（均通过99%可信度检验）。其中，1966-2001年呈振荡下降趋势，2001年之后略有上升，2013年又有下降。非汛期序列则没有明显的突变特征。

张胜平等13的研究表明，1950-2009年山东省全年、汛期降水量呈减少趋势，这与本研究的年际变化以及周期丰枯变化结论一致。因此，从年际变化来看，山东省未来全年、汛期、主汛期和非汛期降水量仍将呈现持续下降的趋势。

2.3 降水年内变化特征与趋势

受暖温带大陆性季风气候影响，山东省降水量年内分布极不均匀。年内降水集中在汛期（4-9月），汛期降水量占总降水量的85%。汛期降水高度集中在主汛期的几场大暴雨，地表水资源的蓄存也主要集中在几场大暴雨。因此，分析大暴雨的年内变化特征可以从侧面反映山东省当地地表水资源开发利用的难易程度。本文把1961-2015年逐日降水量进行排序，将该时段55a逐日降水量平均值的95%对应的值定义为山东省极端降水的阈值，即某日降水量超过该阈值时，表明该日发生了极端降水事件。某年所有发生极端降水事件的日数总和称为极端降水日数，某年所有极端降水量的总和称为年极端降水量，年极端降水量与日数的比值称为极端降水强度。本研究选择极端降水日数、年极端降水量和极端降水强度3个指标来分析山东省极端降水事件变化特征。

经过分析，山东省极端降水事件阈值为11.1mm，多年平均极端降水日数为18.1d，年极端降水量为365.1mm，极端降水强度为20.2mm/d。通过对55a的极端降水日数、年极端降水量和极端降水强度进行线性趋势分析，发现山东省极端降水日数和年极端降水量两个指标呈线性下降趋势，而极端降水强度则呈上升趋势。采用复Morlet小波法对年极端降水量和极端降水强度进行周期特征分析，发现二者均存在35～36a的变化周期，姜德娟等的研究也得出了类似的结论。通过绘制年极端降水量和极端降水强度的丰枯时频图（限于篇幅，图略），发现二者与年总降水量的丰枯变化过程高度一致。综合极端降水日数、年极端降水量和极端降水强度的线性和周期变化特征，可以预测：未来山东省年内极端降水发生频率和年极端降水量将减少，而极端降水强度却将增大。因此，通过降水周期、年际及年内变化特征与趋势分析，可以判断未来山东省水资源情势不容乐观，不但水资源量将减少，而且开发利用难度将增大。

3 跨流域（区域）调水水资源情势预估

黄河目前是山东省境内最大的跨流域（区域）水源，也是山东省沿黄各地的主要水源。2001-2015年《山东省水资源公报》表明，山东省多年平均引黄河水量为57.5亿mi，其中2001-2008年多年平均引黄量为54.4亿m3，2009-2015年多年平均引黄量为61.1亿m3，山东省对黄河水的需求逐年增多5。目前山东省调引黄河水量执行国务院批准的“八七分水方案”，即山东省共有干流引黄指标65.03亿m3/a，支流引黄指标4.97亿m3/a，合计70亿m3/a，遵循总量控制、丰增枯减、同比例压缩等原則。可见，山东省实际调引黄河水量不仅受到“八七分水方案”总量控制影响，而且受到黄河中上游来水状况影响。相关研究表明，1956-2000年黄河干流花园口水文站年均天然径流量为534.8亿mi.比1919-1975年平均值（580亿m3）减少了8%。径流量总体白20世纪50年代缓慢减少，但是80年代以后减少趋势明显，且下游的减少趋势比上游更为明显。夏军等利用未来气候变化的“典型浓度路径”排放情景，预测到21世纪30年代黄河流域脆弱性将进一步加大。

南水北调东线工程调引的长江水是山东省第二大跨流域（区域）水资源。相关资料表明，南水北调东线（山东段）一期和二期工程建设完成后，每年可调引长江水15亿m3，三期工程建设完成后（2030年前）可调引长江水37亿m3。虽然在理论上未来山东省调引长江水量比较充足，但《山东省水资源公报》表明，2014年和2015年山东省通过南水北调工程实际调引的长江水量仅为0.20亿m3和0.76亿m3，原因是山东省实际利用长江水不仅受到受水地区调蓄工程配套建设情况的限制，而且受到长江水水价因素的限制。王昊等研究表明，南水北调工程末端人户水价平均为6.11元/m3，烟台、威海等远端地区的末端人户水价为10元/m3，远高于现行城市终端平均水价3.43元/m3，因此各受水区南水北调江水利用率极低。

综上所述，未来山东省利用黄河水主要受来水量减少且脆弱性不断增强的限制，而利用长江水主要是受配套工程不完善和高水价的限制，形势不容乐观。

4 讨论

本研究系统分析并预估了未来山东省当地水资源和跨流域（区域）调水水资源的演变趋势，结果表明未来山东省的水资源情势不容乐观，主要表现在水资源量减少、开发利用难度加大、脆弱性增强、经济成本提高等方面。但是，随着水处理技术水平的不断提高，非常规水资源作为一种补充水源越来越受到重视，且其不受政府最严格水资源管理制度用水总量控制指标的限制。据统计，2011-2015年山东省多年平均污废水（包括工业废水和生活废水）排放量为27.94亿m3，按照山东省污废水集中收集和处理效率80%计算，山东省多年平均可利用的再生水量为22.35亿m3。2011-2015年山东省再生水年均实际回用量为6.97亿m3，占总可利用量的31.2%，每年仍有15.38亿m3再生水量未得到充分利用。同时，矿化度大于2g/L的地下咸水、（淡化）海水、矿井排水等非常规水资源数量也很可观，利用潜力和空间较为广阔。

山东省未来水资源情势不容乐观，政府和社会各部门除了要加大非常规水资源的开发利用力度外，还要重点做好以下几个方面的工作：①提高水资源利用效率，大力推进节水型社会建设，突破农业、工业和生活等用水领域的技术约束：②加快河道拦蓄建筑物和大中型水库增容等工程建设进度，提高地表水利工程的拦蓄能力，适当增加地表水资源的拦蓄量：③充分利用地下储水空间的存储能力，在海岸河口、古河道、岩溶地下水补给源区等，修建地下水回灌补给工程，增加地下水的年际补给能力：④建设完善现代水网工程，加快南水北调配套、引黄济青（胶东调水）应急调水、沭水东调等骨干水网工程建设，推动市、县水网建设，加强省、市、县水网衔接与互联互通，增强水资源的空间调配能力。

5 结论

（l）山东省在未来一段时间内（到2030年左右），当地水资源量将减少，减少的程度可能比1961-2015年的枯水阶段（20世纪70年代中期-90年代中期）还要严重。当地水资源量减少的主要原因是汛期降水量减少。虽然极端降水的频率和水量减小，但是其强度却增大，将增大山东省当地地表水资源开发利用的难度。

（2）受到“八七分水方案”总量控制和干流上中游来水状况影响，山东省最大的客水资源黄河水未来引水量将减少，并且黄河水资源的脆弱性将进一步加大。通过南水北调工程调引长江水虽然水量比较充足，但是受到受水地区调蓄工程配套建设不完善和高水价等限制，利用率极低，跨流域（区域）调水水资源未来情势不容乐观。

（3）虽然常规水资源情势不容乐观，但是包括污水处理再生水、微咸水、矿井排水、（淡化）海水等在内的非常规水资源潜力巨大，需要加大对非常规水资源的开发利用力度。同时，为了应对将来可能发生的水资源危机，政府和社会各界还需要在提高水资源利用效率和节约水平、增强地表水利工程调蓄能力、加快地下蓄水工程建设步伐、建设完善现代水网工程等方面进一步做好工作。