山东省水资源脆弱性评价与气候变化影响

山东省位于中国东部沿海，黄河下游，东经114°47′～122°43′，北纬34°23′～38°24′。境内以平原、山地丘陵为主。鲁西有东平湖、微山湖等湖群。京杭大运河经此，黄河自北部入海。比较重要的河流有徒骇河、沂河、小清河、淮河。山东属暖温带半湿润季风气候，四季分明，全省年平均气温11～14℃，年均降水量600～900mm，全年无霜期6～7个月（徐宗学等，2007）。本节依据水资源脆弱性评价指标体系，以全国水资源综合规划中确定的水资源二级区和三级区为单元，评价山东省2000基准年和未来变化环境下东部季风区重点流域水资源的脆弱性。

1.山东省区域降水、径流变化

（1）降水变化。全省1956—2000年平均年降水总量为1060亿m3，相当于面平均年降水量679.5mm。各水资源三级区中，日赣区年降水量均值最大，为861.9mm；徒骇马颊河区最小，为564.5mm。全省17个地级行政分区中，临沂市年均降水量最大，为818.9mm；东营市年均降水量最小，为554.5mm。

由于受地理位置、地形等因素的影响，山东省年降水量在地区分布上很不均匀。从全省1956—2000年平均年降水量等值线上可以看出，年降水量总的分布趋势是自鲁东南沿海向鲁西北内陆递减。1956—2000年平均年降水量从鲁东南的850mm向鲁西北的550mm递减，等值线多呈西南—东北走向。600mm等值线自鲁西南菏泽市的鄄城，经济宁市的梁山、德州市的齐河、滨州市的邹平、淄博市的临淄、潍坊市的昌邑、烟台市的莱州、龙口—蓬莱县的东部。该等值线西北部大部分是平原地区，多年平均年降水量均小于600mm；该等值线的东南部，均大于600mm，其中崂山、泰山和昆嵛山由于地形等因素影响，其年降水量达1000mm以上。

（2）径流变化。

1）年径流深的地区分布。

山东省1956—2000年平均年径流深126.5mm（年径流量为198.3亿m3）。年径流深的分布很不均匀，从全省1956—2000年平均年径流深等值线图上可以看出：总的分布趋势是从东南沿海向西北内陆递减，等值线走向多呈西南—东北走向。多年平均年径流深多在25～300mm之间。鲁北地区、湖西平原区、泰沂山以北及胶莱河谷地区，多年平均年径流深都小于100mm。其中鲁西北地区的武城、临清、冠县一带是全省的低值区，多年平均年径流深尚不足25mm。鲁中南及胶东半岛山丘地区，年径流深都大于100mm，其中蒙山、五莲山、崂山及枣庄东北部地区，年径流深达300mm以上，是山东省径流的高值区。高值区与低值区的年径流深相差10倍以上。

根据全国划分的五大类型地带，山东省大部分地区属于过渡带，少部分地区属于多水带和少水带。

全国按年径流深多寡划分的五大地带是：

a.丰水带：年径流深在1000mm以上，相当于降水的十分湿润带。

b.多水带：年径流深在300～1000mm之间，相当于降水的湿润带。

c.过渡带：年径流深在50～300mm之间，相当于降水的过渡带。

d.少水带：年径流深在10～50mm之间，相当于降水的干旱带。

e.干涸带：年径流深在10mm以下。

山东省年径流深50mm等值线自鲁西南的定陶向东北，经茌平、禹城、商河、博兴、广饶，从寿光北部入海。此等值线的西北部年径流深小于50mm，属于少水带；蒙山、五莲山、枣庄东北部及崂山地区年径流深在300mm以上，属于多水带。山东省的其他地区径流深在50～300mm之间，属于过渡带。

2）径流量的年际变化和年内分配。

a.径流量的年际变化。从年径流量的变差系数Cv来看，天然径流量的年际变化幅度比降水量的变化幅度要大得多。对1956—2000年系列而言，全省平均年径流量的变差系数Cv为0.60，各水文控制站年径流量变差系数Cv一般在0.54～1.34之间。

从年径流量极值比来看，全省最大年径流量6684228万m3，发生在1964年；最小年径流量450136万m3，发生在1989年，极值比为14.8。全省各水文站历年最大年径流量与最小年径流量的比值在7.8～5056之间。其中，胶东半岛区和胶莱大沽区各水文站极值比较大，大部分站点的极值比都大于70。全省年径流量极值比最大的水文站是福山站，极值比为5056，最大年径流量出现在1964年，是70780万m3，最小年径流量出现在1989年，仅14万m3；全省极值比最小的站是官庄站，比值为7.8。

山东省天然径流量不仅年际变化幅度大，而且有连续丰水年和连续枯水年现象。三年（包括三年）以上的连续枯水年有四个：1966—1969年、1977—1979年、1981—1984年及1986—1989年，最小年径流量出现在1986—1989年；三年（包括三年）以上的连续丰水年仅有1960—1965年，最大年径流量出现在该时段。长时间连丰、连枯给水资源开发利用带来很大的困难，特别是1981—1984年和1986—1989年两个连续枯水期的出现，严重影响了工农业生产和城乡人民的生活。

b.天然径流量的年内分配。山东省天然径流量年内变化非常不均匀，汛期洪水暴涨暴落，突如其来的特大洪水，不仅无法充分利用，还会造成严重的洪涝灾害；枯季河川径流量很少，导致河道经常断流，水资源供需矛盾突出。山东省多年平均6—9月天然径流量占全年的75%左右，其中7月、8月两月天然径流量约占全年的57%，而枯季8个月的天然径流量仅占全年径流量的25%左右。河川径流年内分配高度集中的特点，给水资源的开发利用带来了困难，严重制约了山东省经济社会的快速健康发展（杜金辉，2009）。

2.气候变化对水资源影响的敏感性分析

径流的敏感性可以通过改进后的双参数弹性系数法计算得到。在降水变化和温度变化不同组合下，径流量变化和敏感性变化差异较大。研究表明，选取降水变化较大，温度变化在1℃范围内将能获得相对稳定的敏感性系数。利用Leonard方法可对气候变化对水资源的影响进行核算。

理论上，弹性系数的取值范围为（-∞，+∞）。为了便于流域间对比，可以将弹性系数值转化到[0，1]，该公式为：

式中　S——水资源相对气候变化的敏感性；

　　　ep，δT——水资源对气候变化的弹性系数。

通过计算敏感性后，利用转化函数将气候变化对径流的影响程度转为归一化的敏感性，见图2-2-5，结果显示，山东省三级流域以胶东诸河、小清河、徒骇马颊河等最为敏感，而鲁南方大部分区域水资源对气候变化敏感性较弱。

图2-2-5　山东省各流域敏感性分布

3.水资源的暴露度分析

根据IPCC特别报告，本章构建社会经济体量指标（人口、经济产量）来衡量损害时间发生时，各区域面临损害的总体社会经济规模。以社会核心指标即人口表征可能事件发生时面临的人口伤害，以经济核心指标GDP表征经济产值受影响的可能规模。

从流域人口分布图（图2-2-6）可见，山东省流域人口分布以胶东诸河、徒骇马颊河、小清河、大汶河为主要聚集区，其中以徒骇马颊河、胶东诸河等流域最为集中。

图2-2-6　山东省三级流域人口分布图

不利事件发生时，各区域经济条件将决定受影响的程度，一般来说经济较发达地区，不利事件造成的损失更大，而经济较不发达地区，因基础设施落后、经济生产较多以农业或林业等为主，经济影响较小。因此，对山东省各流域经济水平划分及经济规模的评价将利于暴露度的表征。本章利用流域人均GDP在空间上进行展示，确定山东省流域范围内经济发展水平及其分布，见图2-2-7。

图2-2-7　山东省各流域人均GDP分布图

与人口分布相类似，山东省流域人均GDP的分布以胶东诸河、徒骇马颊河、小清河、大汶河等流域较大，流域范围内为山东省重要发展区。

将人口与GDP作为不利事件造成社会经济影响的核心指标，得到山东省流域暴露度分布图（图2-2-8）。结果显示，综合考虑县域面积上的社会经济情况的暴露度指标，能较好地表征山东省流域范围内社会经济系统易于受到损害的程度。在同样的灾害情况下，胶东诸河、小清河、大汶河的损害最大，沂沭河区、中运河区暴露度次之，而日赣区、湖东区暴露度较小。

图2-2-8　山东省各流域干旱暴露度分布图

4.水资源的旱灾风险分析

利用我国1949—2000年历史干旱的研究成果（Feng和He，2009）可以对我国各区域进行旱灾风险的评估，并以此作为影响水资源保障的可能性，结果如图2-2-9所示。结果显示，旱灾高发区主要分布在胶东诸河、小清河、大汶河、徒骇马颊河、湖东区，发生概率在60%以上，特别是胶东诸河、小清河、湖东区尤为严重，发生概率在70%以上，发生概率较小区域则在日赣区、沂沭河区、中运河区等区域。

图2-2-9　山东省各流域干旱概率分布图

5.水资源的抗压性分析

根据第三章的抗压性的公式可知，水资源抗压性是水资源需求压力和水资源承载人口压力的函数。根据Falkenmark的水资源压力指数定义，水资源需求压力可以用水资源开发利用率来表征，而水资源承载人口压力可以用每100万m3水承载人口数表征。

（1）水资源开发利用率分析。山东省水资源开发利用率分析结果显示（图2-2-10），20世纪80年代以后，涉及黄淮海的山东省地区进入持续干旱少雨期，而经济社会的飞速发展则不断加大对水资源的需求，这导致1980—2000年时段山东省流域的水资源开发利用率较高。20世纪80年代后人口急剧增长，经济社会飞速发展，致使鲁北和鲁南地区水资源需求量大增，从而加大了水资源的开发利用程度。

图2-2-10　1980—2000年时段山东省流域水资源开发利用率分布

由于水资源开发利用率是用水量与总水资源量的比值，所以水资源开发利用率还反映了经济社会用水与生态环境用水之间的竞争关系。人类生活和生产活动用水越多，水资源的开发利用程度越高，就越挤占生态环境用水。根据国际公认的标准，40%的水资源开发利用率是生态环境用水是否受到挤占的判断标准。评估结果显示，1980—2000年时段，山东省水资源三级分区中出了胶东诸河水资源开发利用率小于50%之外，其他三级流域均大于50%，尤其像徒骇马颊河、小清河等流域水资源开发利用率大于100%。

图2-2-11　1980—2000年时段山东省流域水资源承载人口压力分布

（2）每100万m3水承载人口数分析。承载人口驱动的水资源压力在山东省各流域也呈现加重趋势，见图2-2-11。在1980—2000年时段，“严重缺水”或“极端缺水”的水资源三级分区大部分集中在湖西区、徒骇马颊河、湖东区流域。对山东省各流域而言，20世纪80年代后进入一个干旱期，在1980—2000年时段要在水资源总量减少25%的情况下支撑增长了37.8%的人口，水资源承载人口的压力进一步加剧。这与改革开放后人口剧增的历史事实正相符。

为进一步分析水资源的人口承载压力状况，本章对山东省2000年的水资源承载力（WRCC）进行了计算。通过以下公式可以确定一定经济社会发展水平下区域水资源量能够承载的最大人口数：

式中　GDPc——区域水资源量能支撑的最大GDP规模。

　　　GDP、WD和WA分别是国内生产总值、总用水量和可利用水资源量。Pc是一定社会经济发展水平下区域水资源所能支撑的最大人口数；

[GDPP]为区域在某一社会发展水平下的人均占有国内生产总值的下限阀值。

根据我国经济社会发展现状和战略目标，参考国外有关社会发展的阶段划分，将社会发展水平划分为温饱型、初步小康、中等小康、全面小康、初步富裕和中等富裕6个阶段，其相应的人均GDP下限分别为3000元、6300元、13000元、24000元、34000元和62000元。通过对中国小康进程的综合分析，至2000年74.84%的人口已经实现了小康水平，从而确定山东省涉及的三大流域的人均GDP下限见表2-2-4。

表2-2-4　2000年东部季风区的水资源承载力

表3-1-5计算的水资源承载力结果与每100万m3水承载人口数的评价结果具有很好的一致性。山东省涉及的黄淮海流域在2000年的实际人口超过了区域水资源所能承载的最大人口数，水资源承载的人口数已经比可承载最大人口数多了45.8%；黄河流域和淮河流域实际承载的人口数分别比可承载的最大人口数多了23.7%和19.3%。

（3）山东省水功能区达标率评价。山东省水环境污染严重，难以满足水功能区划要求，在山东省水功能区划的基础上，对其水功能区的水质进行评价分析。在计划监测的全省147个水功能区中，2009年实测142个水功能区（5个河干），其中水质达到Ⅰ类标准的有2个，占1.4%；水质达到Ⅱ类标准的有25个，占17.6%；水质达到Ⅲ类标准的有33个，占23.2%；水质符合Ⅳ类标准的有26个，占18.3%；水质符合Ⅴ类标准的有9个，占6.3%；水质为劣Ⅴ类的有47个，占33.1%（表3-1-6）。全省监测评价的142个水功能区中，有61个水功能区水质达标（指达到《山东省水功能区划》中规定的水质目标），达标率为43.0%。评价河长5989.2km，达标河长2056.3m，占34.3%；评价湖库面1563.0km2，达标面积205.9km2，占13.2%。其中，保护区达标率为54.2%，保留区达标率为58.3%，缓冲区达标率为0.0，饮用水源区达标率为58.0%，工业用水区达标率为37.5%，农业用水区达标率为15.4%，渔业用水区达标率为0.0，景观娱乐用水区达标率为33.3%，过渡区达标率为0.0，排污控制区达标率为100.0%。

根据我国的水功能区水质状况和水质目标要求，对山东省各流域水资源三级区水功能达标情况进行评价，结果显示（图2-2-13），山东省各流域三级区流域达标率普遍较低，低于48%。

全省除省控河流源头河段和部分出境断面外，其他主要河流均受到不同程度的污染，见表2-2-5（来自《2000—2008年山东河流水质表》）。

图2-2-12　山东省流域水资源三级区水功能区达标率

表2-2-5　2000—2008年山东河流水质表

从《2001—2008年山东省主要湖泊水质表》（表2-2-6）看，2001—2003全年期监测评价大明湖一直是劣Ⅴ类；南四湖水质也较差，其中微山湖污染逐渐加重，南阳湖处于劣Ⅴ类标准，昭阳湖二级湖闸上下水质也处于Ⅳ～劣Ⅴ类之间。水质在2004—2006年相比2001—2003年略有好转，微山湖、昭阳湖二级湖闸上、下水质在Ⅳ类左右，南阳湖和大明湖水质为Ⅴ类左右。2007—2008年部分湖泊水质又呈现恶化趋势，微山湖、南阳湖、昭阳湖二级湖闸上均为Ⅴ～劣Ⅴ类，昭阳湖二级湖闸下和大明湖水质保持在Ⅳ～Ⅴ类左右。因此，山东省主要湖泊的水质已经恶化。

表2-2-6　2001—2008年山东省主要湖泊水质表

续表

从《2001—2008年山东省主要水库水质表》（表2-2-7）看，全省大中型水库全年期水质呈现逐步改善的趋势。但是从多年平均值看，山东水库状况不容乐观。

表2-2-7　2001—2008年山东省主要水库水质表

（4）水资源的抗压性分析。将水资源需求压力和水资源承载人口压力耦合后，利用抗压性公式对山东省流域水资源二级分区的水资源抗压性进行评估计算，见图2-2-13。可以看出，1980—2000年时段，在气候变化和人类活动的影响下山东省流域的水资源抗压能力明显不高，大汶河、徒骇马颊河、湖东区、湖西区、中运河区、沂沭河区、日赣区流域的水资源应对供需矛盾的抗压能力很差，而在胶东诸河、小清河流域水资源的抗压能力则相对较高。

图2-2-13　1980—2000年时段山东省水资源抗压性分布

6.考虑气候变化敏感性、抗压性、水资源暴露度及旱灾风险水资源脆弱性

（1）山东省各流域水资源脆弱性评价。利用建立的山东省流域水资源脆弱性评价模型，对山东省流域水资源三级分区的水资源敏感性、抗压性与水资源脆弱性状况进行评估。考虑资料的权威性，本研究利用山东省水资源调查评价的结果，将1980—2000年时段的平均值作为现状基准年的情况，进行水资源脆弱性评估，见图2-2-14。评估结果如下：可以看出，总体上山东省流域水资源脆弱性程度较为严重，且大致呈现平原高山区低的状态。其中，日赣区、沂沭河区、湖西区、蚌洪区间北岸等流域水资源脆弱程度属于高度水资源脆弱区；而中运河区、小清河、大汶河、徒骇马颊河、湖东区承载大面积的农田灌溉和社会经济的高速发展，水资源开发利用率远远超过世界粮农组织规定的70%的“物理性缺水”线，所以水资源处于严重脆弱的状态。

图2-2-14　山东省各流域三级区水资源脆弱性V现状（2000年）

（2）未来变化环境下山东省各流域水资源脆弱性评价。一方面，由于气候变化引起水文循环过程的改变，导致山东省天然来水发生情况变化，从而使流域的水资源条件发生改变；另一方面，随着经济社会进一步发展，人口规模不断增大，城市化进程不断加快，这就使需水量不断加大，从而使得流域水资源供需矛盾、水环境问题、与水相关的生态问题等进一步凸显，而经济结构调整、水资源管理制度的改变又会使得用水效率提高、用水总量得到控制，所以，在正向因素与负向因素共同作用下，山东省流域未来的水资源脆弱性状况将发生相应的改变。

1）规划水平年供需分析。规划水平年水资源供需分析按三次供需平衡进行。“一次平衡”是在需水预测的“基本方案”与供水预测的“零方案”之间进行，需水预测的“基本方案”是考虑人口的自然增长、经济的发展、城市化程度和人民生活水平的提高，在现状节水水平和相应节水措施基础上，基本保持现有节水投入力度，并考虑20世纪80年代以来用水定额的变化趋势，所拟定的需水方案；供水预测的“零方案”是在现状水资源开发利用格局和发挥现有供水工程潜力的情况下所拟定的供水方案。若“一次平衡”有缺口，则在此基础上进行“二次平衡”分析，即考虑实施当地新水源开发、强化节水、治污与污水处理再利用、挖潜配套以及合理提高水价、调整产业结构、抑制需求的不合理增长和保护生态环境等工程与非工程措施，进行水资源供需分析。若“二次平衡”仍有较大缺口，应进一步加大调整经济布局和产业结构及节水的力度，并考虑实施跨流域调水（南水北调东线工程），进行“三次平衡”分析。

在对各种工程与非工程等措施所组成的供需分析方案集进行技术、经济、社会、环境等指标比较的基础上，对各项措施的投资规模及其组成进行分析，提出推荐方案。最终实现水资源供需的基本平衡。

2）规划水平年耗水。由规划水平年各用水部门多年平均供水量按相应的耗水率分析计算多年平均耗水量，汇总成果见表2-2-8，为方便对比分析，表中亦列出基准年（2000年）多年平均耗水成果。

表2-2-8　山东省不同水平年多年平均耗水成果汇总表

全省规划水平年2010年、2020年、2030年多年平均耗水量分别为229.7亿m3、234.1亿m3、244.3亿m3，2030年比基准年（2000年）增加35.4亿m3，年均增长率为0.52%，呈缓慢增长态势。2010年城镇生活、农村生活、城镇生产、农村生产、城镇生态耗水量分别为6.0亿m3、12.1亿m3、25.9亿m3、184.8亿m3、0.9亿m3，分别占总耗水量的2.6%、5.3%、11.3%、80.4%、0.4%；2030年城镇生活、农村生活、城镇生产、农村生产、城镇生态耗水量分别为10.0亿m3、9.5亿m3、32.2亿m3、190.8亿m3、1.9亿m3，分别占总耗水量的4.1%、3.9%、13.2%、78.0%、0.8%。

3）规划水平年供水能力。以不同规划水平年多年平均供水量、供水破坏深度指标进行供水能力评价。由于不同规划水平年供需平衡结果只表现为农村生产缺水，故仅对农村生产供水能力进行评价。不同水平年农村生产供水量、供水破坏深度分析详见表2-2-9，为便于对比分析，表中亦列出基准年（2000年）成果。

表2-2-9　山东省不同水平年农村生产供水量、供水破坏深度分析表

4）规划水平年当地水资源开发利用程度。以模型分析计算的规划水平年多年平均供水量、耗水量为基础，以水资源开发利用率、水资源利用消耗率指标，分析评价规划水平年当地水资源开发利用程度。不同水平年按流域分区当地水资源开发利用程度，汇总成果见表2-2-10，为便于对比分析，表中亦列出基准年（2000年）评价成果。

5）山东省流域未来水资源脆弱性。根据山东省流域未来水资源量预测结果，同时参考海河流域综合规划对流域未来经济社会发展趋势和需水预测的结果，利用构建的水资源脆弱性评估模型，对根据IPCC第五次评估报告（AR5）多模式（CMIP5）提供最新的全球变化未来低、中、高的典型浓度路径排放情景（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）和未来最不利情景下的水资源脆弱性进行预估。

表2-2-10　山东省不同水平年当地水资源开发利用程度分析汇总表

图2-2-15　未来情景下山东省各流域三级区水资源脆弱性V（RCP2.6）

图2-2-16　未来情景下山东省各流域三级区水资源脆弱性V（RCP4.5）

如图2-2-15～图2-2-18所示分别为未来低的典型浓度路径排放情景（RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5）和最不利情景下山东省流域水资源脆弱性预估结果。图中可以看出，在气候变化与人类活动双重作用下，山东省各流域未来的水资源脆弱性有增有减，但总体上山东省各流域在未来仍然属于严重水资源脆弱区。且最不利情景的水资源脆弱性高于2030年三种典型浓度路径排放情景。相对基准期而言，胶东诸河和沂沭河区、湖西区流域的水资源脆弱性有明显的增大趋势，而且脆弱性等级由原来的高脆弱性上升到严重脆弱性。其他流域水资源脆弱性也有一定的增加，涨幅为10%～20%，进一步说明了未来气候变化加剧了山东省流域水资源的脆弱性。

图2-2-17　未来情景下山东省各流域三级区水资源脆弱性V（RCP8.5）

图2-2-18　未来最不利情景下山东省各流域三级区水资源脆弱性V