典型山地降水径流时空演变及“水—热—人—地”匹配性分析

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贾仰文, 郝春沣, 牛存稳, 仇亚琴, 杜军凯, 徐飞, 刘欢中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038

Spatio-temporal variations of precipitation and runoff and analyses of water-heat-human-land matching characteristics in typical mountainous areas of China

JIA Yangwen, HAO Chunfeng, NIU Cunwen, QIU Yaqin, DU Junkai, XU Fei, LIU HuanState Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China

收稿日期:2019-05-14修回日期:2019-10-9网络出版日期:2019-11-25

基金资助:

国家重点基础研究发展计划项目(973计划).2015CB452701
国家重点研发计划.2017YFC0404600
国家重点研发计划.2016 YFC0402405

Received:2019-05-14Revised:2019-10-9Online:2019-11-25

Fund supported:

National Key Basic Research Program of China.2015CB452701
National Key R&D Program of China.2017YFC0404600
National Key R&D Program of China.2016 YFC0402405

作者简介 About authors
贾仰文(1965-),男,山东成武人,教授级高级工程师,博导,主要从事水循环研究E-mail:jiayw@iwhr.com。

摘要
山地是中国自然生态保护与经济社会发展问题交织、矛盾突出的区域。山地水资源受气候变化和人类活动综合影响发生演变,进一步影响到其与区域气候资源、土地资源以及经济社会之间的协调匹配,研究这些问题对辨识山地发展关键短板、提供山地问题解决思路具有基础意义。根据自然环境特点和经济社会发展状况,选择太行山、横断山和黔桂喀斯特三大典型山地开展研究,基于全国水资源调查评价成果及土地利用、经济社会数据,采用Mann-Kendall检验等方法分析1956-2015年山地降水和径流时空演变特点;采用匹配距离和不平衡指数对山地的水（降水和径流）、热（积温和辐射）、地（面积和耕地）以及社会经济（人口和GDP）等4类要素匹配性进行综合对比分析。结果表明：三大典型山地中,太行山水资源禀赋最差,且2000年以来径流显著衰减,而横断山和黔桂喀斯特降水、径流丰富,且无明显变化趋势;从“水—热—人—地”对比来看,太行山以缺水问题为主,横断山多数地区土地与热资源偏少且水热空间差异大,黔桂喀斯特整体来说土地资源偏少;综合来看,水与其他要素的匹配性最差,特别是在太行山区,水的时空分布及其均衡匹配是保障山地可持续发展的关键。
关键词： 太行山;横断山;黔桂喀斯特山地;不平衡指数;水文学及水资源

Abstract

Mountainous areas in China face complex problems due to conflicts between natural eco-environmental protection and socio-economic development. Mountain water resources have evolved in the context of climate change and human activities, which further affects their coordination and matching with regional climate resources, land resources and socio-economy. Hence, it is of fundamental significance for mountain development to study these issues to identify key weakness and provide solutions. The paper focuses on three typical mountainous areas under different natural geographic conditions and at socio-economic development levels in China, namely, Taihang Mountains Area (TMA), Hengduan Mountains Region (HMR) and Guizhou-Guangxi Karst Area (GKA), and studies the spatio-temporal variations of precipitation and runoff from 1956 to 2015 by Mann-Kendall test based on national water resources assessment results and statistical data of land use and socio-economy. The characteristics of natural and socio-economic factors are analyzed by matching distance and imbalance index. In this process, four groups of parameters are selected, including water (precipitation and runoff), heat (accumulated temperature and radiation), land (total area and farmland area) and socio-economy (population and GDP). The results indicate that, the water resources endowment of TMA is the worst, and significant reduction of runoff since 2000 makes it even worse, while the precipitation and runoff of HMR and GKA are abundant and there is no obvious change trend. According to the analysis of regional water-heat-human-land matching characteristics, TMA mainly suffers from water shortage, land and heat resources have great disadvantages in most parts of HMR with uneven distribution of water and heat, and land resources are relatively deficient in all counties of GKA. In general, mismatching degree of water and other factors is the highest, and the allocation and coordination of water are the key issue for sustainable development of mountainous areas, especially in TMA.

Keywords：Taihang Mountains Area;Hengduan Mountains Area;Guizhou-Guangxi Karst Area;imbalance index;hydrology and water resources

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本文引用格式
贾仰文, 郝春沣, 牛存稳, 仇亚琴, 杜军凯, 徐飞, 刘欢. 典型山地降水径流时空演变及“水—热—人—地”匹配性分析. 地理学报[J], 2019, 74(11): 2288-2302 doi:10.11821/dlxb201911007
JIA Yangwen. Spatio-temporal variations of precipitation and runoff and analyses of water-heat-human-land matching characteristics in typical mountainous areas of China. Acta Geographica Sinice[J], 2019, 74(11): 2288-2302 doi:10.11821/dlxb201911007

1 引言

山地是淡水资源的重要发源区,全球湿润地区50%以上、干旱半干旱地区90%以上的淡水资源来源于山区,山区水资源演变对全流域水安全情势有直接影响^[1]。同时,众多山区面临水资源短缺、供水困难等问题^[2],水资源是制约山区发展的重要因素之一。中国山地分布广泛,总面积约占陆域国土面积的65%,总人口约占全国人口的40%^[3]。山地自然地理条件复杂多样,生态环境脆弱,经济发展相对滞后,是自然生态保护与经济社会发展问题交织、矛盾突出的区域。

在气候变化和人类活动综合影响的背景下,研究山地水循环时空演变规律,在此基础上评估并促进山地水资源（水）、气候资源（热）、土地资源（地）与经济社会（人）的协调发展,是开展山地生态文明建设、解决山区深度贫困等系列问题的重大实践需求,对研究人与自然互馈关系、认识和应对复杂水问题均具有重要参考意义^[4,5,6]。目前关于山地水资源时空演变的研究中,多基于气象及水文站点资料序列或气候及水文模型结果进行分析^{[7,8,9,10,11]},而对山地分区水资源量序列测算、时空演变解析及不同山地的对比研究较少。在水资源与其他要素匹配性研究方面,已有研究多集中在水资源与经济社会^{[12,13,14,15]}、水土要素耦合^{[16,17,18,19]}、水热平衡^[20,21,22]等两两要素匹配性,而对水、土、热及社会经济等多要素综合匹配性研究较少。

本文选取不同气候背景、地形特点和经济社会发展水平的三大典型山地（太行山、横断山和黔桂喀斯特）开展研究,全面对比解析典型山地水循环要素时空演变规律及自然环境和经济社会“水—热—人—地”多要素的综合匹配性,阐释典型山地的人地关系特点,为山地可持续发展和水土耦合调控提供支撑。

2 研究区概况

海拔高程和地形起伏是山地的基本特征,兼之气候类型、经纬度、土壤类型、开发利用等方面的差异,共同塑造了山地独特的自然属性和经济社会特点。中国幅员辽阔,从西到东形成三大阶梯,不同山地的水、土、热等自然禀赋和经济社会发展状况呈现出不同的特点,这在位于三大阶梯之间过渡地带的山区体现得尤为突出。本文结合地理位置、地形地貌、气象水文等地带性特征以及集中连片特困地区情况,选择太行山、横断山和黔桂喀斯特等三个不同类型山地开展研究（图1）。为使研究成果更好地支撑区域经济社会发展决策,研究区范围划分以县级行政区为最小单元。

图1

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图1太行山区、横断山区、黔桂喀斯特山地在中国的位置注：基于国家测绘地理信息局审图号为GS(2016)1606号的标准地图制作,底图无修改。

Fig. 1Location of Taihang Mountains Area, Hengduan Mountains Region and Guizhou-Guangxi Karst Area in China

太行山研究区面积13.3万km²,呈东北—西南走向,区域位于中国地势第二阶梯东缘、第二阶梯向第三阶梯过渡区,东部湿润半湿润区与西部干旱半干旱区的分界地带,属于暖温带大陆性季风气候。太行山区是中国北方典型的土石山区,也是华北平原、特别是京津冀地区的重要水源地。区域社会经济快速发展,造成水资源供需矛盾突出、水循环状况显著变化^[23],是高强度人类活动给山地水资源形成巨大压力的典型代表。横断山研究区面积50.6万km²,是中国第一﹑第二阶梯的交界地带,地形复杂,新构造运动活跃,岭谷之间高差一般在1000 m以上,水分、温度、植被垂直地带性显著^[24]。区域气候主要受高空西风环流、印度洋和太平洋季风环流影响,地域差异性强,湿润、干旱、干热等分异明显。区域经济社会欠发达,特别是在滇西集中连片特困地区。黔桂喀斯特研究区面积14.9万km²,位于中国第二阶梯与第三阶梯的交汇处,区域岩溶裂隙发育,土地石漠化严重,地表水渗漏强度大,水土流失严重,生态脆弱性强^[25]。区域地表水缺乏、供水困难,人、地、水关系失调对山区发展形成制约,是贵州和广西两省区农村贫困人口重要分布地区^[26]。三个典型山地研究区总面积78.8万km²,涵盖中国地势三大阶梯过渡地带及不同气候区,涉及北京、河北、河南、山西、四川、西藏、云南、贵州、广西等9个省（市、自治区）,海河、黄河、长江、珠江、西南诸河等5个一级流域（图1）。

3 研究方法与数据来源

3.1 研究方法

本文采用Mann-Kendall检验法,对系列变化的趋势性和突变点等统计特征进行解析,具体可参考相关文献^[27,28]。

在“水—热—人—地”匹配性分析中,选取水资源、气候资源、土地资源和经济社会等方面的代表性要素,对比其相对优劣关系,分析不同类别要素的均衡匹配特点,以此辨识区域自然环境与经济社会协同发展的关键短板。

采用匹配距离

d

^[29]分析区域各要素的两两匹配性及优劣势特点,公式如下：

（1）

d_{i} = \sqrt[]{2} (a_{i} - b_{i}) / 2

式中：a_i为区域

i

的要素a在全国的占比;b_i为区域

i

的要素b在全国的占比。从数学涵义来说,d_i的绝对值是点（a_i, b_i）到直线b = a的垂直距离;要素占比越接近,匹配距离绝对值越小,认为要素之间越均衡。当d_i为正值时,表示要素a的禀赋相对优于要素b,d_i为负值时反之。

采用不平衡指数

I

分析两要素之间的整体匹配性,公式如下：

（2）

I = \sqrt[]{\overset{n}{\sum_{i = 1}} \sqrt[]{2} (a_{i} - b_{i})^{2} / 2 n}

式中：a_i为区域

i

的要素a在全国的占比;b_i为区域

i

的要素b在全国的占比;n为区域个数。不平衡指数越大,表示要素的不匹配性越显著。要素占比相当时,则不平衡指数较小,可以认为要素之间较为均衡。

在前述指标基础上,分析区域及要素的综合均衡匹配状况,方法如下：① 以各区域全部要素之间两两匹配距离的绝对值构成多维矩阵;② 将多维矩阵按照要素类别统计,得到要素综合匹配距离,反映区域整体层面上某类要素与其他要素的匹配性,要素综合匹配距离越大,说明该要素与其他要素的匹配性越差（该要素相对其他要素而言可能特别多,也可能特别少）;③ 将多维矩阵按照区域统计,得到区域综合匹配距离,反映该区域全部要素的均衡程度,区域综合匹配距离越大,说明该区域水、热、人、地要素越不均衡。

3.2 数据来源

研究涉及气象、水资源、经济社会、土地利用等多种类型数据。降水量和水资源量数据来源于第二次全国水资源调查评价成果和《中国水资源公报》基础数据,主要是基于1956-2015年水资源二级区套地级行政区的基础数据对应三大典型山地研究区范围进行统计。气象数据来源于中国地面气候资料日值数据集（V 3.0）。人口和GDP（国内生产总值）数据主要基于中国1 km格网人口数据集（2010年）和中国1 km格网GDP数据集（2010年）对应三大典型山地研究区范围进行统计,基础数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心。耕地面积根据2014年全国土地利用数据成果（以2014年TM影像为解译基础,30 m分辨率）进行统计。其他数据根据调查资料、查阅文献等综合确定。

4 三大山地降水和径流时空演变

4.1 太行山区

太行山区多年平均降水量在400~700 mm之间,空间分布呈现出自西北向东南递增的格局（图2a）,西北区域多年平均降水量不足500 mm,南部部分地区降水量超过600 mm;与1956-2000年相比,2001-2015年平均降水量变化呈现出明显的区域特点,太行山区西部降水量整体有所增加,增加幅度在10%以内,东部降水量整体减少,部分地区达10%以上（图2c）,东部迎风坡和西部背风坡差异显著。在地表水资源方面,太行山区多年平均径流深在20~170 mm之间,空间分布与降水相似,西北少、南部多（图2b）;2001-2015年平均径流深较1956-2000年平均值整体显著减少,太行山区东部区域地表水资源衰减超过40%,东北部分地区甚至超过50%（图2d）。太行山东部及北部地区属于海河流域上游水源区,地表径流衰减加剧了下游华北平原地区的经济社会发展供用水矛盾。在位于太行山区北部的永定河流域,自20世纪80年代以来径流显著衰减,官厅水库等京津冀重要水源地入库水量不足,部分河段甚至出现断流。

图2

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图2太行山研究区降水、地表水分布及其变化

Fig. 2Distribution of precipitation and runoff and their variation in Taihang Mountains Area

基于太行山区1956-2015年降水量和径流量系列,采用Mann-Kendall检验法（M-K法）分析其变化趋势和突变性。结果表明（图3）,太行山区年降水量和年径流量均呈下降趋势,且自20世纪80年代开始下降趋势较为显著（通过了0.05的显著性水平检验）;降水量和径流量系列均无显著的突变点（径流系列UF和UB曲线交点不在置信区间内）,如图3。以1980年为分界点比较,太行山区年平均降水量减少了9.7%,而年平均径流量减少了40.0%;2000年以后年平均降水量较1956-2000年长系列多年平均值偏少2.3%,而年平均径流量偏少了35.2%。区域径流系数显著下降,由20世纪50年代的0.20逐步下降到2010年以后的0.08,气候变化、下垫面改变以及水资源开发利用等均可能对其产生影响^[30,31]。太行山区降水量和径流量系列的年际变化较为剧烈,极值比（年最大值与最小值之比）分别达到了2.44和8.08,不利于水资源开发利用。

图3

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图3太行山区降水量和径流量系列M-K分析结果

注：UF和UB是M-K法定义的统计变量,用于检测序列的变化趋势和突变点,具体可参考相关文献^[27,28],下文同。
Fig. 3Analysis of precipitation and runoff series in Taihang Mountains Area by M-K test

4.2 横断山区

横断山区多年平均降水量在600~2600 mm之间,北部降水量最少,南部次之,位于西侧的林芝、怒江州等区域降水量显著高于其他地区（图4a）;与1956-2000年相比,2001-2015年平均降水量整体有所减少,特别是在南部地区（图4c）。在地表水资源方面,横断山区多年平均径流深空间分布差异较大,南部地区地表径流深不足400 mm,西侧部分地区超过2000 mm（图4b）;2001-2015年平均径流深较1956-2000年平均值整体减少,南部地区地表水资源衰减率明显大于北部（图4d）。

图4

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图4横断山研究区降水、地表水分布及其变化

Fig. 4Distribution of precipitation and runoff and their variation in Hengduan Mountains Area

基于横断山区1956-2015年降水量和径流量系列,采用M-K法分析表明,横断山区年降水量和年径流量略有减小,但是整体变化趋势不显著;系列突变点出现在20世纪60年代中后期、80年代中期以及2006-2008年（图5）。降水量和径流量年际变化相对较小,降水量和径流量系列的极值比分别为1.37和1.61。区域各年代平均径流系数变化不大,在0.52~0.56之间波动。值得注意的是,自2010年以来,横断山区平均年降水量和径流量均低于多年平均水平,持续干旱给区域生产生活用水安全带来挑战。

图5

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图5横断山区降水量和径流量系列M-K分析结果

Fig. 5Analysis of precipitation and runoff series in Hengduan Mountains Area by M-K test

4.3 黔桂喀斯特山地

黔桂喀斯特山地多年平均降水量在1200~1700 mm之间,西部地区降水量相对较小,东部降水量较大（图6a）;与1956-2000年相比,大部分地区2001-2015年平均降水量有所减少（图6c）。在地表水资源方面,黔桂喀斯特山地多年平均径流深介于500~1200 mm之间,空间分布格局与降雨分布类似（图6b）;多数地区2001-2015年平均径流深较1956-2000年平均值有所减少,特别是西部地区地表水资源衰减率超过15%（图6d）。

图6

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图6黔桂喀斯特研究区降水、地表水分布及其变化

Fig. 6Distribution of precipitation and runoff and their variation in Guizhou-Guangxi Karst Area

基于黔桂喀斯特山地研究区1956-2015年降水量和径流量系列,采用M-K法分析表明,黔桂喀斯特山地长系列年降水量和年径流量整体变化趋势不显著;系列突变点出现在20世纪70年代以及90年代中期（图7）。1980-1992年属于相对枯水时期,1993-2000年水量较为丰沛,进入21世纪多为丰枯交替。降水量和径流深系列的极值比分别为2.13和3.13,年际变化较太行山区小、较横断山区大。区域各年代平均径流系数变化不大,在0.44~0.50之间。

图7

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图7黔桂喀斯特山地降水量和径流量系列M-K分析结果

Fig. 7Analysis of precipitation and runoff series in Guizhou-Guangxi Karst Area by M-K test

5 “水—热—人—地”耦合分析

5.1 典型山地整体分析

基于前述数据来源,统计3个典型山地的基础信息、人口、GDP、耕地、热量、降水、水资源等各类数据（表1）。可以看到,太行山区人口密度和GDP、耕地面积等经济发展指标最高,而人均水资源量仅有346 m³;横断山区平均高程、年平均辐射量均最大,但耕地面积占区域总面积之比最小,人口稀疏;黔桂喀斯特山地平均降水深和径流深最高,≥ 10 ℃积温最大,但是人均GDP最低,土地条件较差。从单要素对比来看,人均、耕地亩均水资源禀赋横断山区最好,太行山区最差,而整体经济社会发展水平则正好相反。

Tab. 1
表1
表1典型山地研究区自然地理及社会经济指标
Tab. 1Geographical and socio-economic indices in the study area

指标		太行山	横断山	黔桂喀斯特
基础信息	面积(万km²)	13.3	50.6	14.9
基础信息	平均高程(m)	842	3585	583
人口	总人口(2010年)(万人)	4387	1633	2140
人口	人口密度(人/km²)	331	32	143
GDP	GDP(2010年) (亿元)	11289	2485	2887
GDP	人均GDP(万元)	2.57	1.52	1.35
耕地	耕地面积(2014年) (万亩)	8382	3609	3411
热量	≥10 ℃积温(℃)	2800~4500	3000~6500	4000~8000
热量	年平均辐射量(kW·h/m²)	1300~1400	1400~1700	1000~1200
降水	多年平均降水量(亿m³)	718.6	4488.1	2088.7
降水	多年平均降水深(mm)	542	887	1398
水资源	多年平均水资源总量(亿m³)	151.9	2437.9	995.6
	人均水资源量(m³)	346	14930	4652
	耕地亩均水资源量(m³)	181	6754	2919
	多年平均径流量(亿m³)	94.8	2437.9	995.6
	多年平均径流深(mm)	72	482	666

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在此基础上,采用不平衡指数,分析典型山地“水—热—人—地”相关要素匹配性特点（表2）。结果表明,对于三个典型山地,径流与GDP、人口、耕地的不匹配性显著高于其他要素组合,即水资源和土地、社会经济之间失衡最为严重;从类别来看,水（降水和径流）和人（人口和GDP）的不匹配性最强,热（辐射和积温）和人的不匹配性次之,水和地（面积和耕地）的不匹配性再次之,水、地、热等资源与社会经济发展之间均存在不同程度的不匹配性。这反映了研究区经济社会对水、热和土地等资源的依赖各有不同,资源禀赋并未完全决定经济社会发展水平。从资源利用的角度来看,即使在要素禀赋及其匹配性较差的情况下（特别是人和水两类要素）,人类仍然通过资源调配满足了自身发展需求（特别是在太行山区）,在一定程度上改造了人地关系,但也付出了地下水超采、河道生态基流不足等代价,进一步印证了促进“水—热—人—地”协调发展的重要性。

Tab. 2
表2
表2典型山地研究区“水—热—人—地”相关要素不平衡指数
Tab. 2Imbalance indices of water-heat-human-land factors in the study area

要素	面积	耕地	降水	径流	人口	GDP	辐射	积温
面积	0.000	0.022	0.014	0.022	0.022	0.024	0.003	0.012
耕地	-	0.000	0.032	0.041	0.005	0.010	0.023	0.030
降水	-	-	0.000	0.009	0.033	0.036	0.014	0.004
径流	-	-	-	0.000	0.042	0.045	0.021	0.011
人口	-	-	-	-	0.000	0.006	0.024	0.032
GDP	-	-	-	-	-	0.000	0.026	0.035
辐射	-	-	-	-	-	-	0.000	0.011
积温	-	-	-	-	-	-	-	0.000

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采用匹配距离指标,分析各典型山地“水—热—人—地”相关要素匹配性及优劣势特点。结果表明,对于太行山区,径流对其他所有要素的匹配距离指标均为负值,说明水资源是最稀缺、产生最大制约的要素;而耕地面积对其他要素的匹配距离指标均为正值,说明太行山区存在耕地面积过大的倾向（表3）;对于水热要素来说,人口、耕地面积、GDP对其优势的程度递减,相关匹配距离指标均为负值,说明区域经济社会发展对水热要素需求产生压力。随着太行山区水资源的显著衰减,区域水资源与土地、经济、热量等要素的失衡情况将更加严峻。

Tab. 3
表3
表3太行山区“水—热—人—地”相关要素匹配距离
Tab. 3Matching distance of water-heat-human-land factors in Taihang Mountains Area

要素	面积	耕地	降水	径流	人口	GDP	辐射	积温
面积	0.000	-0.019	0.001	0.007	-0.013	-0.010	0.001	-0.001
耕地	0.019	0.000	0.021	0.027	0.006	0.010	0.020	0.019
降水	-0.001	-0.021	0.000	0.006	-0.015	-0.011	-0.001	-0.002
径流	-0.007	-0.027	-0.006	0.000	-0.021	-0.017	-0.007	-0.008
人口	0.013	-0.006	0.015	0.021	0.000	0.004	0.014	0.013
GDP	0.010	-0.010	0.011	0.017	-0.004	0.000	0.010	0.009
辐射	-0.001	-0.020	0.001	0.007	-0.014	-0.010	0.000	-0.001
积温	0.001	-0.019	0.002	0.008	-0.013	-0.009	0.001	0.000

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对于横断山区,人口和GDP对其他要素的匹配距离指标均为负值且绝对值较大,说明区域社会经济发展较为滞后,对其他要素的利用尚未达到一定的水平（表4）;降水和径流对其他要素的匹配距离指标均为正值,其数值都较大,表明水资源整体较为丰沛,不构成制约;耕地对水热要素的匹配距离指标均为负值,说明农业发展主要不是受水热条件制约,而与区域高海拔等其他因素影响有关。

Tab. 4
表4
表4横断山区“水—热—人—地”相关要素匹配距离
Tab. 4Matching distance of water-heat-human-land factors in Hengduan Mountains Region

要素	面积	耕地	降水	径流	人口	GDP	辐射	积温
面积	0.000	0.025	-0.015	-0.027	0.029	0.033	-0.003	-0.015
耕地	-0.025	0.000	-0.040	-0.052	0.004	0.008	-0.027	-0.039
降水	0.015	0.040	0.000	-0.012	0.044	0.048	0.012	0.000
径流	0.027	0.052	0.012	0.000	0.056	0.060	0.025	0.012
人口	-0.029	-0.004	-0.044	-0.056	0.000	0.004	-0.031	-0.043
GDP	-0.033	-0.008	-0.048	-0.060	-0.004	0.000	-0.036	-0.048
辐射	0.003	0.027	-0.012	-0.025	0.031	0.036	0.000	-0.012
积温	0.015	0.039	0.000	-0.012	0.043	0.048	0.012	0.000

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对于黔桂喀斯特山地,降水和径流对其他要素的匹配距离指标均为正值,表明水资源整体较为丰沛,但是现实中由于喀斯特特殊地貌特点,区域供水困难,后续研究中可加入可供水量等要素,进一步反映区域特点;GDP对其他要素的匹配距离指标均为负值,体现了该区域贫困、欠发达的特点（表5）;辐射对其他要素的匹配距离指标多为负值（仅对GDP为正值）,说明区域太阳辐射能量处于较低水平,这对部分作物生长有影响;除降水和径流外,积温对其他要素的匹配距离指标均为正值,有利于农作物生长;但是耕地对降水、径流、积温的匹配距离指标均为负值,表明区域水多土少,可耕作土地是主要制约性因素。

Tab. 5
表5
表5黔桂喀斯特山地“水—热—人—地”相关要素匹配距离
Tab. 5Matching distance of water-heat-human-land factors in Guizhou-Guangxi Karst Area

要素	面积	耕地	降水	径流	人口	GDP	辐射	积温
面积	0.000	-0.001	-0.013	-0.015	0.000	0.006	0.003	-0.008
耕地	0.001	0.000	-0.012	-0.014	0.001	0.007	0.004	-0.008
降水	0.013	0.012	0.000	-0.002	0.013	0.019	0.016	0.005
径流	0.015	0.014	0.002	0.000	0.015	0.021	0.018	0.007
人口	0.000	-0.001	-0.013	-0.015	0.000	0.006	0.003	-0.008
GDP	-0.006	-0.007	-0.019	-0.021	-0.006	0.000	-0.003	-0.014
辐射	-0.003	-0.004	-0.016	-0.018	-0.003	0.003	0.000	-0.011
积温	0.008	0.008	-0.005	-0.007	0.008	0.014	0.011	0.000

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为比较各类要素的综合匹配性,将三大山地各类要素与其他要素的匹配距离（取绝对值）进行合计,得到要素综合匹配距离（表6）。结果表明,典型山地研究区各类要素与其他要素的不匹配性排序为：水（降水和径流）>人（人口和GDP）>地（面积和耕地）>热（辐射和积温）,要素综合匹配距离依次为0.738、0.729、0.609和0.541。

Tab. 6
表6
表6典型山地研究区“水—热—人—地”综合匹配距离(基于1956-2015年降水和径流)
Tab. 6Integrated matching distance of water-heat-human-land factors in study area (based on precipitation and runoff of 1956-2015)

类别	要素	太行山	横断山	黔桂喀斯特	要素综合匹配距离
地	面积	0.052	0.146	0.047	0.245
	耕地	0.122	0.195	0.046	0.364
	小计	0.174	0.341	0.093	0.609
水	降水	0.057	0.171	0.081	0.308
	径流	0.092	0.245	0.093	0.430
	小计	0.149	0.416	0.174	0.738
人	人口	0.085	0.211	0.046	0.343
	GDP	0.070	0.237	0.078	0.386
	小计	0.155	0.448	0.124	0.729
热	辐射	0.054	0.146	0.057	0.257
	积温	0.052	0.170	0.061	0.284
	小计	0.106	0.316	0.118	0.541
区域综合匹配距离		0.585	1.522	0.510	2.617

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为比较三大山地的“水—热—人—地”区域综合匹配性,对各典型山地全部要素的匹配距离（取绝对值）进行合计,得到区域综合匹配距离（表6）。结果表明,三大山地“水—热—人—地”不匹配性排序为：横断山区>太行山区>黔桂喀斯特山地,区域综合匹配距离分别为1.522、0.585和0.510,主要是由于横断山区水量极为丰沛,与其他要素不相匹配。

因此,水与其他要素的均衡仍然是山地资源环境和社会经济发展问题的核心,特别是太行山区水资源短缺而耕地面积较大,对区域水、土、热和社会经济协调发展形成制约。同时,综合考虑水、人这两类要素的不匹配性及可再分配性,采取水资源优化配置、异地扶贫搬迁等调控手段以应对区域可持续发展问题,是十分重要且必要的。

上述结果是以1956-2015年长系列多年平均降水和径流为基础,若按2000年以来平均降水和径流分析,则横断山、太行山、黔桂喀斯特三大山地的区域综合匹配距离分别为1.498、0.599和0.499,太行山区“水—热—人—地”匹配性变差,主要受其降水和径流显著衰减的影响;要素综合匹配距离变化不大（表7）。

Tab. 7
表7
表7典型山地研究区 “水—热—人—地”综合匹配距离(基于2001-2015年降水和径流)
Tab. 7Integrated matching distance of water-heat-human-land factors in study area (based on precipitation and runoff of 2001-2015)

类别	要素	太行山	横断山	黔桂喀斯特	要素综合匹配距离
地	面积	0.054	0.144	0.046	0.243
	耕地	0.123	0.193	0.045	0.362
	小计	0.177	0.337	0.091	0.605
水	降水	0.059	0.166	0.078	0.303
	径流	0.098	0.237	0.090	0.425
	小计	0.156	0.403	0.168	0.728
人	人口	0.086	0.209	0.045	0.341
	GDP	0.071	0.235	0.077	0.383
	小计	0.158	0.444	0.122	0.724
热	辐射	0.055	0.144	0.056	0.255
	积温	0.054	0.170	0.060	0.284
	小计	0.108	0.314	0.117	0.539
区域综合匹配距离		0.599	1.498	0.499	2.596

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此外,前述分析均基于多年平均尺度,若进一步细化到年际和年内尺度来考虑,由于热、地、人等要素相对稳定,而中国水资源的年际变化剧烈、年内分配不均,“水—热—人—地”在不同丰枯年份及干湿季节的匹配性也随之波动。因此,在水资源丰富的横断山区和黔桂喀斯特山地,部分时间也存在严重干旱缺水问题,而对于水资源本底状况较差的太行山区,在枯水年份和干旱季节“水—热—人—地”匹配性更差,水资源供需矛盾更为突出。

5.2 县域“水—热—人—地”匹配性差异分析

在三个典型山地整体分析的基础上,为了更准确体现山地内部的地域差异性,进一步将“水—热—人—地”基础数据的空间尺度精细化,以县为单元开展分析,包括太行山区107个县、横断山区95个县、黔桂喀斯特山地51个县。分析各单元水、热、人、地等要素与其他要素的匹配性,并选出各县不同类别要素中相对其他要素匹配指数最差的一类（即最短板要素）,作为区域的不匹配类型（图8）。结果表明：太行山区大部分区域以缺水矛盾以主,少部分地区经济社会欠发达;横断山区多数地区土地资源与热资源偏少,部分地区经济社会欠发达;喀斯特山地全区以土地资源紧缺矛盾最为突出。

图8

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图8典型山地研究区县域“水—热—人—地”不匹配类型

Fig. 8Mismatching type of water-heat-human-land for counties in study area

6 结论与讨论

本文针对太行山、横断山和黔桂喀斯特三个典型山地开展了降水、径流等水循环要素时空演变解析和“水—热—人—地”要素匹配性对比。结果表明：

（1）太行山区降水和径流分布整体呈西北少、东南相对较多的格局;21世纪以来,太行山区西部降水略有增加、东部降水整体减少,而全区地表水资源均出现较大幅度的衰减,径流系数降至0.1以下,且20世纪80年代之后下降趋势较为显著。

在“水—热—人—地”匹配性方面,太行山区水资源与气候、土地、经济社会等要素相比均处劣势,是最稀缺、产生最大制约的要素,多数县域以水资源为最短板要素;相对水热要素,区域耕地面积过大,农业灌溉对水资源压力较大。由于降水和径流的衰减,2000年之后区域“水—热—人—地”匹配性变得更差,水资源短板问题更为突出,随之而来的水资源开发利用挤占河道基流、超采地下水等问题日益严峻。考虑区域可持续发展,水资源的开源和节流需求迫切。

（2）横断山区平均高程达3585 m,且岭谷高差极大,区域水热条件空间差异明显,西侧为降水高值区,平均径流系数超过0.5,整体水资源极为丰沛;2000年以来,区域降水和径流相对偏少,但是变化趋势不显著。

从“水—热—人—地”对比来看,横断山区经济社会要素相对落后,人口稀疏且GDP总量在3个典型山地中排名最末,丰沛的水资源与较低的经济社会发展水平反差大,农业和经济社会发展主要受高海拔等因素制约。横断山区不同区域之间水、热、人、地匹配性差异大,从各县域分析结果来看,土地资源和气候资源是主要短板。需要注意的是,2010年以来,横断山区降水和径流总体低于常年水平,季节性干旱时有发生,而受地形影响和工程制约,区域山高水低、供水困难,水安全保障能力有待提升。

（3）黔桂喀斯特山地平均降水和径流在3个典型山地中最大,在空间分布上呈西部较高、东部相对较低的特点;从时间变化来看,总体变化趋势不显著。需要说明的是,尽管黔桂喀斯特山地水资源较为丰沛,但是受岩溶地貌影响,区域地表水和地下水交换频繁且路径复杂,水资源在地表存储时间短、利用难度大,给供水的稳定保障带来挑战。

在“水—热—人—地”匹配性方面,黔桂喀斯特山地耕地对径流、积温等的匹配距离均为负值,水多土少特性明显,积温高但是太阳辐射量低,也是区域的一个特点。区内所有县域均以土地资源为最短板,土地是经济社会发展主要制约性因素。水土流失和石漠化治理是迫切需要解决的问题。

（4）综合来看：从区域来说,“水—热—人—地”匹配情势从劣到优依次为横断山区、太行山区、黔桂喀斯特山地,横断山区丰沛的水资源与土地、气候等资源及经济社会发展水平形成强烈对比;从要素来说,研究区各类要素不匹配程度由大到小依次为水、人、地、热,水与其他要素的均衡是山地资源环境和社会经济协调发展的关键,特别是太行山区,经济社会发展与生态环境保护的水资源矛盾突出。

太行山区、横断山区和喀斯特山地等山地区域是中国脱贫攻坚重点地区,也是水土匹配失调、生态脆弱、人口超载、发展落后等自然生态保护与经济社会发展问题突出的代表性地区。针对主要短板问题,通过积极主动的水、土、热等自然资源配置和经济社会综合调控^[32],促进山地“水—热—人—地”的协调匹配,是解决山区发展问题的重要前提和保障基础。

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DOI:10.13243/j.cnki.slxb.20150484 Magsci [本文引用: 1]

论文分析了水资源配置在水利规划管理工作中的基础性作用,总结了国内水资源配置的主要发展历程,剖析了新形势下水资源配置的原则和需要解决的主要平衡关系,分析了最严格水资源管理制度下量、质、效三个层次对水资源配置的综合需求,对未来发展方向作了展望,指出了水资源配置需要在多维决策机制下基于高效目标和低碳模式开展,实现自然水循环和社会水循环双重目标体系下水资源从低效向高效转化的多维调控。

[ 王浩, 游进军 . 中国水资源配置30年
水利学报, 2016,47(3):265-271, 282.]

DOI:10.13243/j.cnki.slxb.20150484 Magsci [本文引用: 1]