沧州市水资源危机原因分析及对策研究
0 前言
近50年来，以全球变暖为主要特征，全球的气候与环境发生了重大变化：水资源短缺，生态系统退化，土壤侵蚀加剧，生物多样性锐减，臭氧层耗损，大气化学成分改变等等。由于气候变化的幅度已经超出了地球本身自然变动的范围，对人类的生存和社会经济的发展构成了严重威胁。降水是气候变化的最明显、最重要的一个衡量因素。沧州市地处华北地区东部，气候变化和人类活动两个主要因素的共同作用，使沧州市近20年水资源量明显减少，90%以上的河流处于干涸状态、水污染情况日益严重。水资源供需矛盾突出，给经济建设和人民的生产生活的持续发展造成了严重的障碍和困难。研究以降水量为代表的气候变化，及时采取相应对策，合理利用及保护水资源对社会又好又快发展意义重大。
1 影响降水的主要天气系统
沧州市属暖温带大陆性季风气候区，冬春两季主要受西伯利亚、蒙古高压控制，盛行北风和西北风，天气寒冷干燥少雨雪，局部多风沙。夏秋季节，蒙古高压减弱衰退，而太平洋副热带高压增强西进，在其影响下，我市多西南风和东南风，从海洋带来暖温气流，致使多阴雨天气。沧州市降水的形成受西来槽和冷峰影响的机率约占70%，其次是太平洋的台风运行方向，一般情况下台风登陆地点在长江口以北地区均能影响沧州市。
2 降水资料及分析
2.1 分析资料的收集与整理
分析参加初选的雨量观测站点共105处，其中沧州市境内91处，相邻省市14处。按照降水量资料质量较好，系列较长，面上分布均匀，且实测年数不少于30年的原则，确定了98处站点参与本次降水量计算与分析，站网密度为154km2/站。
选用的降水量资料主要来源于历年整编后的“水文年鉴”、“水文特征值统计”，并收集了河北省水文水资源勘测局以往的分析成果，为了提高降水量的计算精度，便于等值线图的拼接，还收集了相邻省市的14处650站年的降水量资料和有关分析成果，全市共选用的降水量资料总数为4850站年，系列1956～2005年共50年。
为了提高资料系列的代表性，减少抽样误差，提高统计参数精度，对资料不连续或个别年份缺测的雨量站，根据具体情况采用直接移用法、相关法、等值线法进行了插补延长。
2.2 年降水量成果
根据1956～2005年降水量同步系列资料统计分析，沧州市多年平均降水量551.1mm，其中运东平原区多年平均降水量为556.0mm，滹滏平原区多年平均降水量为515.5mm，黑龙港平原区多年平均降水量为539.4mm，淀东清南区多年平均降水量为516.6mm。
在17个县（市、区）中，南大港多年平均降水量最大为588.0mm，其次是临港区多年平均降水量为578.8mm。肃宁县多年平均降水量最小为514.7mm，其次是任丘市多年平均降水量 511.8mm 。
2.3 降水量的地区分布
多年平均降水量的地区分布是受气候、地理位置、地形等多种因素影响的，总的趋势是自东向西递减，变化在590~490mm之间。最大值出现在南大港、周青庄一带，多年平均降水量最大的站是黄骅市周青庄站 593.1mm ，在任丘市的七间房乡出现全市的低值区，多年平均降水量最小的站为白洋淀边的大树刘庄站为476.5mm 。沧州市西部降水量偏小的原因是太平洋暖湿气流受泰山沂蒙山阻挡，在冀中平原形成一个年降水量500mm左右的低值区，而沧州市西部正处在这个低值区的北部边缘。
2.4 降水量的年内分配
沧州市降水量年内分配很不均匀，6～9月份多年平均（1956～2005年系列）降水量为 436.1mm ，占全年降水量的79.1%，区域分布与年降水量基本一致，而整个汛期的降水又多集中于7、8两个月份的二、三场暴雨，特别是大水年份更为集中，7、8两个月多年平均降水量之和为328.2mm，占年降水量的59.6%，而非汛期3～5月多年平均降水量63.7mm，占年降水量的11.6%；10～2月多年平均降水量51.3mm，占年降水量9.3%。一年中7月份多年平均降水量最多191.7mm，占年降水量的37.5%；1月份多年平均降水量最小为3.4mm，占年降水量的0.6%。最大与最小月降水量相差几十倍，甚至几百倍，这都说明了本市年降水量月分配的不均匀性。各县（市）多年平均月降水量统计表见附表1。
3 降水量变化趋势分析
3.1 系列代表性分析
不同长度系列的统计参数分析中必存在抽样误差，人们总是希望选取的系列抽样误差最小或能将误差限制在一定的范围内。因此，为检验所选取的同步系列的统计特征是否接近总体分布，须对系列的代表性进行分析。
（１）时间代表性分析
一个系列的代表性，不仅要看系列的长短，更重要的是看系列本身的丰枯结构和统计参数的相对稳定程度。若在一个随机系列中，有一个或几个完整的丰枯周期，其中又包括长系列中的最大值和最小值，那么统计参数 、Cv、Cs/Cv就会相对稳定，则认为这个系列的代表性比较好。
计算降水量采用1956～2005年资料系列。因此，须对50年同步期系列的代表性进行分析。分析方法采用典型站法，从91处雨量站中选取代表性较好的若干处雨量站，采用多种方法进行分析，未确定这些雨量站系列的代表性，从而印证全部雨量站系列的代表性。
选用献县、沙河桥、任丘、枣林庄、捷地、东光六站作为典型代表站，这些站在91处雨量站中，实测资料的系列最长，完整性好，具有较好的时间代表性。验证系列代表性的方法很多，有丰平枯统计分析法、参数比较分析法、模比差积曲线分析法等，分析过程中我们分别用这几个方法对系列的代表性进行了验证，结果是一样的即：系列代表性较好。篇幅限制，我们选取其中的模比差积曲线法进行分析。
统计代表站献县、捷地、沙河桥、任丘的逐年降水量 与多年平均降水量 ，然后分别计算模比系数Ki（ ），再求其差值 ，然后从2005年开始向前逐年依次累加，最后绘制c-t曲线，此曲线称为模比系数差积曲线。计算公式如下：
（1）
年降水量模比系数差积曲线能较好地反映年降水量的丰枯变化情况。当一段时间内差积曲线总的趋势是下降的，说明在此期间逐年降水量大多小于多年平均值，定为枯水期，当一段时间内差积曲线总的趋势是上升的，说明在此期间逐年降水量大多大于多年平均值，定为丰水期。差积曲线不同的形状反映了不同的降水周期。
河北省第二次水资源评价分析成果认为河北省的降水有丰枯交替变化规律，变化周期大约为45年左右。由上图可以看出，献县站2005年～1996年为下降段属枯水期，1996年～1956年为上升段属丰水期；捷地站2005年～1982年为下降段属枯水期，1982～956年为上升段属丰水年；沙河桥站2005年～1982年为下降段属枯水期，1982～1956年为上升段属丰水期；任丘站2005年～1996年为下降段属枯水期，1996～1956年为上升段属丰水期。由此可见，沧州市1956年～2005年降水量系列基本包括一个丰枯周期，而且期间有小周期变化，可以认为该系列代表性相对较好。
（２） 区域空间代表性分析
沧州市内有子牙河水系，南运河水系和大清河水系，按水资源分区有淀东清南平原区、滹滏平原区、黑龙港平原区和运东平原区四个分区。从各分区中分别选取代表性较好的一个站进行区域间丰枯变化一致性分析。
经计算分析，沧州各区域间丰枯变化的一致性比较显著。其中，滹滏平原与黑龙港平原和淀东清南平原与黑龙港平原之间，同丰、同枯出现机会较多，区域间相关系数同为0.81，淀东清南平原与运东平原之间，同丰、同枯出现机会较少，区域间相关系数为0.62。滹滏平原与运东平原、淀东清南平原与滹滏平原、运东平原与黑龙港平原区相关系数分别为0.70、0.69和0.66。
沧州市多年平均降水总的趋势是自东向西递减，变化在590到 490毫米 之间。最大值出现在南大港、周青庄一带 593毫米 。在任丘市的七间房乡出现全市的低值区为 476.5毫米 。
3.2 降水量的多年变化趋势分析
受大气环流及太平洋副热带高压中心位置影响，全市降水量的年际变化较大，各县市、区变差系数Cv值在0.30～0.35之间。1964年全市平均降水量最大为 1077.4mm ，1965年全市平均降水量最小为 232.2mm ，最大平均降水量是年最小平均降水量的4.64倍。各县市区最大平均降水量与最小平均降水量的比值，青县最大为5.64倍，Cv值为0.34，吴桥县最小为3.79倍，Cv值为0.30。
近20年系列降水量均值比85年的均值偏小6.4%，降水量减少不是水资源危机的主要原因。
4 沧州市水环境危机的社会原因
引起生态危机的原因可以分为自然和人为原因两类。气温增高、降水减少是最重要的自然原因。大量修建水库、闸坝拦蓄水工程等人类活动改变了沧州市本地和上游区域水资源时间和空间的分布，是河道径流量减少的重要因素，但1981年开始实行的“包产到户”终结了中国古典农业“中耕保墒”体制和毛泽东时代建立的“灌溉保水农业”方针，从而加大了农田蒸发[3]。现在的农村，农民“锄禾日当午”的情景因为乡镇企业的发展几乎绝迹，沧州市因放弃“保水耕作”而加大的农田蒸发高达7.6亿m3；相当于即将实施的 “南水北调”中线调水量的两倍。如果继续这种耕作方式，调水只能解决用水的燃眉之急，并不能改变本地水源枯竭的严峻生态趋势。农田土壤蒸散发量增加是沧州市水环境危机的主要原因。
2007年04月，有关部门进行了“松土保墒”实验。实验结果如下：
4.1 裸地实验
实验用地南北长15米，东西宽12米；面积180平方米；属“壤土”型；实验采用烘干、称重法。
（1）实验前测得：土壤干容重=1.28；田间持水量=26.60%。
（2）4月26日，按50m3/亩的常规灌溉，对实验田施水75mm漫灌。（管接水表度量 13.50m3）
（3） 4月29日 ，以南北中线为界，对南部土壤表层进行50-100mm浅锄，作为“实验组”；北部保持原状态作为“对比组”。
（4）设灌溉前土壤含水率为“田间持水量”的60%，
理论灌溉深度—灌溉后获得“田间持水量”土壤深度的理论值：h=550mm 。
（5）实验期间无降水，5月15日，“对比组”出现旱情。即对“实验组”、“对比组”分别各3点、在0~ 550mm土壤深度内，按50mm垂度分布取样。
（6）分别将“实验组”36个样品同取 20克 混合形成“实验样”；将“对比组”36个样品同取 20克 混合形成“对比样”。
（7）称重、烘干测得“实验样”含水率21.60%，为田间持水量的81.2%；“对比样”含水率15.80%，为田间持水量的59.4%。
4.2 裸地蒸发结论
设灌溉前土壤含水率为“田间持水量”的60%
灌溉前 550mm 深土壤含水量=550×1.28×26.6%×60%= 112.5mm
“实验组” 550mm 深土壤蒸发失水量=（ 112.5mm + 75mm ）×[（26.60%- 21.60%）÷26.60%]= 35.24mm = 23.50m3 /亩
“对比组” 550mm 土壤蒸发失水量=（ 112.5mm + 75mm ）×[（26.60%-15.80%）÷26.60%]= 76.13mm = 50.80m3 /亩
“松土保墒”较“放任开裂”减少的土壤蒸发量为（76.13-35.24）= 40.89mm =27.30立方米/亩。
若视“放任开裂”为常态，“松土保墒”减少土壤蒸发率为：（50.80-23.50）÷50.80=54.0%；大于1/2。
4.3 农田蒸散发实验结论
农田蒸散发ET，包括棵间土壤蒸发E和作物蒸腾T。
在中国北方最为普遍的“冬小麦-夏玉米”种植制度中，一般认为E和T大致相当。著名植物生理学家和农业学家娄成后院士认为：“在耘锄不力的大田中蒸发与蒸腾保持平衡” ，即棵间土壤蒸发和作物叶面蒸腾各占农田总散发的50%。
马永良等的研究认为冬小麦的棵间土壤蒸发占48.9％，作物蒸腾占51.1％。
总结多种观点，在中国北方“冬小麦-夏玉米”种植制度中,娄成后院士把棵间土壤蒸发占农田总蒸散量的比例定义在1/2是有充分根据的。
棵间土壤蒸发占农田总蒸散量的1/2， “松土保墒”又减少棵间土壤蒸发1/2以上；因此， “松土保墒”减少的棵间土壤蒸发量，在把作物蒸腾视作常量的情况下，应占农田总蒸散量的1/4以上。
5 结论和建议
5.1沧州市1956-2005年降水量时空变化规律
（1）降水量空间分布格局表现为从东部到西部递减。
（2）降水量年内时间分布格局表现为降水集中在6～9月份，约占总降水量的80%。
（3）沧州市近50年来降水量年际时间分布格局表现为呈现丰枯交替现象， 1956～1984处于丰水期，1984～2004年沧州市处于降水的枯水期，1984年是丰枯转化的关键年。近20年平均年降水量比85年长系列平均降水量减少了6.4%。2005年以后降水有逐步增加的趋势。
5.2 措施和对策
解决沧州市水危机问题已摆上议事日程，必须采取行政的、法律的、技术的和经济的手段，强化水资源统一管理，节水优先，多渠道开源，治污为本，保护好水环境[4]。
（1）合理配置是提高用水效率的核心手段。水源是多方面的，包括地表水、地下水、再生水、微咸水以及淡化海水等。用水也是多方面的，包括城乡生活、生产建设和生态环境等。应当实行时空配置、供用协调、量质统一、实时调度，效益优先的优化配置；进一步规范、调整和指导供水、用水、节水、治污和保护水资源的行为，使有限的水资源发挥充分的效益。
（2）节约用水是提高用水效率的重要环节。目前沧州市工业用水重复利用率达到70%，未来提高工业用水效率，只有通过产业结构和布局调整、压缩高耗水生产、增加工艺节水、逐步提高高新科技产业的比重去实现。
（3）沧州市农业用水占全部用水量的75%，要充分调动农村用水户的节水积极性，制订规划，从提高节水标准、扩大节灌面积和非工程措施等方面加快实施农业节水，发展地膜或秸杆覆盖、优化灌溉制度、非充分灌溉。尤其要鼓励农民投入劳动力进行“保水耕作”减少农田蒸发。如果继续这种耕作方式，调水只能解决用水的燃眉之急，并不能改变本地水源枯竭的严峻生态趋势。
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