京津冀山区水平衡演变及其影响因素识别.pdf

DOI：10.16030/ki.issn.1000-3665.202305007白华，杨会峰，张英平，等.京津冀山区水平衡演变及其影响因素识别 J.水文地质工程地质，2023，50(6):25-40.BAI Hua,YANG Huifeng,ZHANG Yingping,et al.Identifying the evolution of water balance and influencing factors in the mountainousarea of Beijing-Tianjin-HebeiJ.Hydrogeology&Engineering Geology,2023,50(6):25-40.京津冀山区水平衡演变及其影响因素识别白华1,2,3，杨会峰1,2，张英平1,2，孟瑞芳1,2，包锡麟1,2，戴磊1,2，李祥志1,2（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄050061；2.河北沧州平原区地下水与地面沉降国家野外科学观测研究站，河北 石家庄050061；3.中国地质大学环境学院，湖北 武汉430074）摘要：定量识别水平衡演变影响因素及其贡献是开展生态环境保护和水资源科学管理的前提。以往成果对人类活动中不同影响因子的归因识别与定量研究较少。在识别京津冀山区水平衡演变的基础上，采用双累计曲线法、径流变化定量分离法分析了降水变化和人类活动对水平衡演变的影响；分别选择涞源盆地、清水河小流域，分析了用水增加以及林业耗水增加对水平衡演变的影响。结果显示：（1）近 65 a 来，京津冀山区年降水量总体呈缓慢减少趋势，速率为 0.97 mm/a，21 世纪以来，年降水量有小幅增加趋势；（2）相比于 19561979 年基准期，19802000 年降水变化和人类活动对天然径流衰减的影响程度分别为 49.25%、50.75%，水土保持和植树造林是影响水平衡变化的主要人类活动因素，20012020 年天然径流衰减的主要原因为人类活动，影响程度达到 68.2%，其中地下水开采增加是主要人类活动因素，林业耗水量增加是重要人类活动因素；（3）山区水库蓄水及用水增加直接造成实际径流衰减，是造成平原区水平衡加剧的主要原因；（4）清水河小流域研究结果表明，在一定规模下，林地耗水增加与山区径流衰减呈正相关关系。林地面积增加对径流衰减的影响存在 1520 a 的滞后性。林地面积达到 23.48%后，林地耗水增加对天然径流产生了明显负作用，平均每增加 1 km2林地，耗水量增加 37.25104 m3/a，天然径流量衰减 59104 m3/a，林地年均耗水增加量占流域天然径流衰减量的 63.22%，表明林地面积增加起到水源涵养的作用，同时也造成了有效径流的减少。研究成果对开展京津冀山区生态环境保护、水资源科学管理以及水平衡调控具有重要意义。关键词：水平衡演变；水资源量衰减；影响因素；定量识别；京津冀山区中图分类号：P641.8 文献标志码：A 文章编号：1000-3665（2023）06-0025-16Identifying the evolution of water balance and influencing factorsin the mountainous area of Beijing-Tianjin-HebeiBAI Hua1,2,3，YANG Huifeng1,2，ZHANG Yingping1,2，MENG Ruifang1,2，BAO Xilin1,2，DAI Lei1,2，LI Xiangzhi1,2（1.The Institute of Hydrogeology and Environmental Geology,Chinese Academy of Geological Science,Shijiazhuang,Hebei050061,China；2.National Field Scientific Observation and Research Station onGroundwater and Ground Subsidence in the Plain Area of Cangzhou,Hebei,Shijiazhuang,Hebei050061,China；3.School of Environment,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei430074,China）收稿日期：2023-05-04；修订日期：2023-07-18投稿网址：基金项目：国家自然科学基金地质联合基金（U2244214）；中国地质调查局地质调查项目(DD20190336；DD20230078)；中国地质科学院科研业务费项目(SK202118；SK202216；KY202301)第一作者：白华（1987-），男，博士研究生，研究实习员，主要从事地下水资源调查评价与水循环研究。E-mail：通讯作者：杨会峰（1978-），男，博士，研究员，主要从事水文地质与水资源研究。E-mail： 第 50 卷 第 6 期水文地质工程地质Vol.50 No.62023 年 11 月HYDROGEOLOGY&ENGINEERING GEOLOGYNov.，2023Abstract：Quantitatively identifying the effects and contributions on the water balance evolution is the premise ofecological environmental protection and scientific management of water resources.However,most of the previousstudies focused on the effects of climate change and human activities on runoff attenuation;few studies paidattention to the attribution and quantitative identification of different factors in human activities.On the basis ofidentifying the evolution process of water balance in the study area,the effects of precipitation change and humanactivities on the evolution of water balance at different time periods were analyzed by using the double cumulativecurve method and the quantitative separation method of runoff change.The effects of the increase of waterresource exploitation and forestry water consumption on water balance evolution were analyzed in the LaiyuanBasin and Qingshuihe Basin,respectively.The results show that:(1)The annual precipitation presented a slightlydecreasing trend with a decreasing rate of 0.97 mm/a in the past 65 years;since the 21st century,precipitation hasincreased slightly.(2)Compared with the period of 19561979,the natural runoff attenuation during 19802000was affected by precipitation change and human activities,with corresponding contributions of 49.25%and50.75%,respectively.Soil and water conservation and afforestation are the main factors of human activityaffecting the change of water balance.the decrease in natural runoff was mainly caused by human activities,withthe influence contribution of 68.2%.The increase of groundwater exploitation was the main factor of humanactivity,and the increase of water consumption was the second factor of human activity.(3)The increase inreservoir storage and water consumption in mountainous areas led to the actual runoff attenuation directly,whichwas the main reason for the intensification of water balance in the plain areas.(4)In the Qingshuihe River Basin,there was a positive correlation between the increase of forest water consumption and the decline of mountainrunoff at a certain scale.The effect of runoff attenuation on the increase of forest area was not immediate,with alag of 1520 a.As the forest area reached 23.48%,the increase in forest water consumption had a significantnegative effect on the natural runoff.An average increase of 1 km2 of forest land led to water consumption beingincreased by 37.25104 m3/a,and the natural runoff being decreased by 59104 m3/a.The increase in annual waterconsumption of forest land accounted for 63.22%of the natural runoff attenuation.It indicated that the increase inforest area played an important role in water conservation,resulting in a decrease in effective runoff.The results ofthe study are of great significance for the ecological and environmental protection,scientific management of waterresources and regulation of water balance in the Beijing-Tianjin-Hebei mountain area.Keywords：water balance evolution；water resources attenuation；influence factors；quantitativeidentification；the mountainous area of Beijing-Tianjin-Hebei 京津冀山区是京津冀主要产水区，也是平原的重要生态屏障和水源涵养区。自 20 世纪 80 年代以来，水资源显著减少1，已成为我国水资源衰减最为严重的地区之一；相比于 19561979 年，19802000 年、20012020 年山区水资源量分别衰减了 20.96%2、35.40%。山区来水减少导致下游平原地表水可供水量减少、河道断流、湖泊湿地萎缩3，同时由于减少了河水对地下水的补给，加剧了平原区地下水超采，引发了地面沉降、地裂缝、海水入侵等一系列环境地质问题4 5，严重制约着区域经济社会、生态环境协调发展。径流特别是天然径流变化是山区水平衡变化的重要体现。通常把径流衰减归因于气候变化和人类活动影响。气候变化通过驱动降水、蒸发等水文要素发生改变6，影响大气过程和陆面过程中的水量平衡和能量交换，进而改变径流的时空分布7，其中，降水是气候变化中最主要的影响因素，能够直接影响径流量8。人类活动通过直接取用水以及改变下垫面从而影响区域水循环过程，进而影响降水径流关系9，其影响因素众多，如土地利用/覆被变化、水利工程、水资源开发利用等10。有关径流衰减的研究表明，气候变化和人类活动对径流变化的影响存在地域差异；气候变化对我国南方地区径流影响较北方显著11，对长江上游年径流量影响超过 70%12；人类活动对北方地区径流影响显著，其贡献率多在 50%以上13 14。进入21 世纪以来，京津冀平原水资源衰减已趋稳定，但山区仍在持续发展15，尚未达到拐点。有关径流衰减归 26 水文地质工程地质第 6 期因的常用分析方法有双累计曲线法、水文模型模拟法、基于 Budyko 假设的弹性系数法等。以往成果多研究气候变化和人类活动对实际径流的影响，对反映流域水资源本底状况的天然径流影响的研究较少。此外，对人类活动中不同影响因子的归因识别与定量研究较少。近年来，京津冀山区用水、土地利用以及水库蓄水等变化对水平衡的影响不断增大，已成为径流减少的重要原因16。山区水利工程蓄水以及用水增加直接造成径流减少。植被是全球气候和陆地生态环境变化的指示器17，而林地是水源涵养的主体。随着水土保持、退耕还林等工程的相继实施，山区土地利用/覆盖开始发生了复杂的变化18。林地通过影响流域产流过程进而影响水平衡，其影响程度受气候、地域、尺度、林地类型、林地管理方式等影响，过程复杂19。有关林地面积增加对径流的影响一直存在争议，多数结论认为林地覆盖率增加会不同程度地减少年径流量，在干旱半干旱地区尤为明显20，这与林地面积变化导致的蒸散发与流域产水量的变化密切相关21 22。目前有关林水效应的研究多以试验站尺度开展，在区域尺度上研究山区林地面积变化对水资源的影响效应尚无定论，制约着生态环境保护和水资源科学管理。本文以水平衡问题严峻的京津冀山区为对象，研究其水资源与水平衡演变过程并识别主要影响因素。选择清水河流域以及涞源盆地分别研究林业耗水以及用水增加对水平衡演变的影响，在此基础上识别水平衡变化的主控因子，定量评估不同影响因素对径流变化的贡献。研究成果对京津冀地区水资源开发利用、水源涵养和生态保护具有重要意义。1 研究区概况京津冀山区西为太行山脉，北为坝上高原和燕山，东接华北平原，地势西高东低，面积 12.26104 km2，占京津冀总面积的 56.63%（图 1）。行政区包括北京、天津和河北三个省市山区，辖 80 个县市区。土地利用类型以林地、草地为主，林地类型主要为针阔混交林与落叶阔叶林。20 世纪 70 年代末以来，该区一直是我国“三北”防护林体系、京津风沙源治理防护林体系重点建设工程区和国家级水土保持重点治理区。经过综合治理，林地面积、植被覆盖率大幅提高，生态环境明显改善；同时，随着山区经济社会发展，水利工程不断修建，水库蓄水以及用水不断增大。山区面临着生态环境与水资源的诉求。典型盆地选择保定西北部的涞源盆地。该盆地是一个泉排型岩溶水系统，同时也是一个典型的向斜式汇水盆地23，面积为 1 092 km2。地下水以泉群的形式排泄于拒马河，成为拒马河源头，其水量大小对下游及白洋淀生态环境具有举足轻重的作用。近年来，随着城镇化的发展，盆地用水量不断增加，导致地下水水位下降，泉流量减少，泉水流量由最高年份（1996年）的 4.68 m3/s，减小到 2000 年的 3.5 m3/s，2014 年仅为 0.9 m3/s24。由于用水增加导致的泉流量衰减问题受到关注。典型小流域选择张家口崇礼区的清水河流域。该流域是永定河水系洋河上游的一条较大的支流，流域面积为 2 380 km2。土地利用类型主要为林地、草地、耕地，林地类型为阔叶林、针阔混交林、落叶针叶林、灌木丛等。近年来，区内林地面积不断增加，2022年底森林覆盖率已达 71.53%。林地面积的增大，改变了降水入渗与产流过程，关于林地面积增加对水平衡变化的影响需要进一步研究。2 数据与研究方法 2.1 数据本文所用资料包括遥感解译数据、气象水文数据、水资源数据、林业面积数据等。（1）京津冀山区1985、1990、2000、2010、2015、2020年土地利用分布特征，通过 LandSat 卫星遥感解译获取，经过人机交互判读结合监督分类将土地利用类型!观台雨量站水文站秦涞源盆地清水河流域下会滦县紫荆关石门张家口张家坟（二）邯郸邢台石家庄河沙大洋河河河白潮永定河河泃泜河沱滹漳唐洺洺洺河干桑河滦山区边界04 kmN河观台图 1 研究区位置图Fig.1 Map of study area location2023 年白华，等：京津冀山区水平衡演变及其影响因素识别 27 分为梯田、林地、草地 3 类，作为趋势性分析研究的依据。京津冀山区 1950 年以来逐年林地面积数据来自中国林业年鉴25以及河北省26、北京市27、天津市28统计年鉴。（2）1956 年以来京津冀山区 65 a 的降水量数据通过国家气象数据平台气象站点获取，雨量站点 52 个。水文数据参考水文部门水文站资料，水文站点 7 个。（3）地表水资源数据采用水利部门三次水资源评价成果；地下水资源采用自然资源部地下水资源评价数据，参考华北地区地下水资源评价29京津冀地区地表水及浅层地下水资源调查评价30以及海河流域地下水资源调查评价31成果。京津冀山区不同时期出入境水量、水资源开发利用量、水库蓄变量等通量变化数据以上述数据来源以及各省市水资源公报综合确定。（4）崇礼区清水河流域林业来源于张家口经济统计年鉴（19992019）32、张家口国民经济和社会发展统计公报（19992021）33、张家口崇礼区国民经济和社会发展统计公报（20202021）34和河北省林木种质资源35等。涞源盆地水文数据来源于保定市地质环境监测报告以及水文年鉴。19802020 年地下水开采量数据、地下水水位埋深数据参考历年保定市地质环境监测报告36保定市水资源公报37河北省水利年鉴38等综合确定。2.2 研究方法（1）趋势分析方法Manner-Kendall（MK）检验法被广泛应用于水文气象变量的趋势检验，包括降水、径流等要素，该方法不要求样本遵从一定的分布特征，可以直接检验变量的变化趋势39 40，是一种非参数统计检验方法，同传统的参数方法比较有明显的优越性。（2）双累计曲线法双累计曲线法是目前用于水文气象要素一致性分析中最简单、直观的方法，可通过绘制降水-径流累积值关系检查降水-径流关系是否随时间一致。曲线或关系的显著变化表明降水以外的因素对水流有影响，因此被广泛应用于计算降水与人类活动对年径流量变化的相对贡献率41。（3）径流变化定量分离方法利用人类活动扰动前的天然径流数据作为背景值，将水文系列突变点前后的径流变化总量分为 2 部分:气候要素变化的影响和人类活动的影响。然后进行这 2 个随机系列的特征比较，可发现气候变化和人类活动导致下垫面条件改变对天然径流量的各自影响程度。径流变化总量为基准期和变异期年均径流量之差，是气候变化和人类活动对年径流量变化的综合影响结果。计算公式为：Qt=Qc+QhR（1）c=Qc/Qt100%（2）hR=QhR/Qt100%（3）式中：Qt径流总变化量/mm；Qc、QhR人类活动、气候变化引起的径流 变化量/mm；c、hR气候变化、人类活动对天然径流量变 化的贡献率/%。（4）遥感解译方法基于 1985、1990、2000、2010、2020 年夏季长时间序列 LandSat 系列卫星遥感影像，对京津冀山区的梯田、林地及草地 3 种土地利用类型进行解译，利用地物遥感训练样本库，通过深度学习框架下的遥感训练分类与信息提取技术，开展遥感土地类型信息提取与解译。利用 MODIS 遥感卫星解译不同时期的蒸散发量。（5）林地耗水量计算根据不同林木单株季节变化耗水数据，按照不同类型林地分别计算后再按面积和林分密度加权进行尺度放大，进而推算某个区域的林地耗水量。林地耗水量包括林木耗水和林分耗水。区域林木耗水总量计算公式为：W=nj=1(QjDjSj)（4）林分耗水量计算公式为：Qj=mi=kqi=mi=k(ViC24di)（5）式中：W区域树木耗水量/kg；Qj某树种生长季林分耗水量/kg；Dj林分密度或株数密度/（株km2）；Sj某树种的种植面积/km2；qi某树种第 i 月的林分耗水量/kg；k 该树种在一个生长季树干液化流结束的月 份/mon；Vii该树种第 月的月平均液流速率/（kgh1 cm1）；28 水文地质工程地质第 6 期C该树种的木质周长总和/cm；dii第 月的液流天数/d。3 京津冀山区水平衡演变过程 3.1 径流变化特征20 世纪 50 年代以来，山区河流径流发生了显著变化，20 世纪 80 年代后径流衰减尤为明显。以滦河、潮河、白河以及彰河为例，这几条河流径流在 1980年、2000 年左右发生了 2 次明显的突变，见图 2。根据突变点可将径流系列分为 3 段：19561979 年天然期阶段，19802000 年变异期第阶段，20012020变异期第阶段。经统计，京津冀山区 3 个阶段河流出山口径流总量分别为 131.01108，57.69108，30.91108 m3。相比于天然期阶段，变异期第阶段、第阶段径流衰减程度分别为 55.97%和 76.41%。050100150200250300350400450195019601970（a）滦河出山口-滦县站（c）白河-张家坟站（d）漳河出山口-观台站（b）潮河-下会站1980年份年份年份年份1990200020102020年径流量/（ms1）0510152025301960197019801990200020102020年径流量/（ms1）1960197019801990200020102020010203040506070年径流量/（ms1）02040608010012014016019501960197019801990200020102020年径流量/（ms1）图 2 山区河流径流变化Fig.2 Runoff variation from the hydrological stations in major rivers 3.2 水资源演变特征本文阐述的水资源为狭义水资源，即地表水资源量与地下水资源量之和，再减去两者之间的重复量。与径流变化同步，山区水资源状况也发生了变化，对比 3 个阶段水资源评价成果，水资源总量、地表水资源量、地下水资源量均呈递减趋势（图 3）。相比于19561979 年，19802000 年、20012020 年水资源总量分别衰减了 30.37108，51.63108 m3/a，衰减程度分别为 20.96%、35.40%；地表水资源量（即天然径流量）衰减程度分别为 34.70%、55.64%，地下水资源量衰减程度分别为 11.07%、14.98%。山区水资源量衰减主要表现在地表水资源量衰减，地下水资源量衰减幅度相对较小。3.3 水平衡演变过程径流和地下水水位变化是诊断区域水平衡状态的指示器。京津冀山区（含盆地）不同阶段水平衡通量变化见图 4，对比分析不同阶段主要补给通量以及排泄通量变化，将水平衡演变过程分为 3 个阶段：基本稳定、失衡显现、失衡加剧。基本稳定阶段（19561979 年）：该阶段降水量较大，地表水资源丰富，开始修建以防洪为主的水库等水利工程；地下水开采规模较小，地下水水位基本处于天然状态。从水平衡通量角度分析，该阶段降水总 020406080100120140160地表水资源量水资源量/（108 m3a1）地下水资源量水资源总量19561979年19802000年20012020年图 3 京津冀山区不同阶段水资源演变特征Fig.3 Evolution characteristics of water resources at differentstages in the mountainous area of Beijing-Tianjin-Hebei2023 年白华，等：京津冀山区水平衡演变及其影响因素识别 29 量为 702.24108 m3/a，入境水量为 41.7108 m3/a；蒸散发总量为 570.9108 m3/a，出境水量为 131108 m3/a，侧向排泄量为 14.99108 m3/a，水资源净消耗量为 19.62108 m3/a；该阶段大中型水库蓄变量为 1.61108 m3/a。失衡显现阶段（19792000 年）：该阶段山区水库拦蓄以及地表水开发利用量增加，同时水土保持与植树造林等措施开始大面积实施，山区径流量显著减小；地下水开采量有所增加，区域地下水水位下降不明显。从水平衡通量变化角度分析，该阶段降水量减少了 69.41108 m3/a，上游山西、内蒙入境径流量减少了 14.8108 m3/a；而区域蒸散发消耗量减少了 21.58108 m3/a，加上本区用水增加，导致出境水量减小了73.33108 m3/a，山区盆地地下水储存量减少 0.23108 m3/a，大中型水库蓄水量增加 0.94108 m3/a。平原区水位下降导致山前侧向径流量增加了 7.71108 m3/a。失衡加剧阶段（20002020 年）：该阶段山区水库拦蓄用水及林地面积进一步增加，出山口径流减少；同时由于地下水开采量加大甚至超采，山间盆地和岩溶泉域地下水水位显著下降，出现局部地下水降落漏斗，山区地下水储量明显减少，河流基流量与泉流量锐减，甚至无法维系基本的生态流量，下游平原河道断流成为常态。从水平衡通量角度分析，虽然该阶段降水总量缓慢增加至 639.03108 m3/a，但是蒸散发量增加至 575.18108 m3/a，入境水量减小至 22.27108 m3/a，出境水量减小至 30.91108 m3/a。山区盆地地下水储存量减少 1.13108 m3/a，大中型水库蓄水量增加 2.47108 m3/a。径流量衰减一部分由于上游山西、内蒙古来水减少，主要原因在于本区产水与耗水的不平衡导致。4 天然径流衰减原因分析 4.1 气候变化对水平衡的影响河川径流源于降水，降水量是影响径流量的主要因素。从 52 个气象站 19562020 年降水量年际变化来看（图 5），京津冀山区年降水量总体呈减小趋势，Mann-Kendall 检验结果表明减少趋势不显著，衰减速率为 0.97 mm/a，多年平均降水量为 538.31 mm。19561979 年、19802000 年、20012020 年 3 个时段，年均降水量分别为572.96，516.33，521.44 mm。相比于19561979 年，后 2 个时段，年均降水量分别减少了 56.53，51.42 mm。而进入 21 世纪后，降水量有小幅增加趋势。3504004505005506006507007508001955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020年份降水量/mm图 5 京津冀山区降水量年际变化Fig.5 Interannual variation of precipitation 将实测径流还原为天然径流是开展地表水资源变化归因识别及定量研究的关键。由于 19561979年人类活动影响较小，可认为接近天然状态，作为基准期。根据海、滦河流域水资源调查评价初步分析报告（1982）42中京津冀山区 19561979 年逐年天然径流、降水数据，绘制了降水与径流关系曲线（图 6）。入境42108 m3入境27108 m3入境26108 m3出境131108 m3出境58108 m3出境31108 m3侧向排泄15108 m3侧向排泄23108 m3侧向排泄17108 m319561979年19802000年20012020年降水702108 m3降水633108 m3降水639108 m3蒸散571108 m3蒸散549108 m3蒸散575108 m3水资源净消耗19.62108 m3水资源净消耗20.71108 m3水资源净消耗22.27108 m3图 4 京津冀山区不同时期主要水平衡通量变化图Fig.4 Changes of major water balance flux at different periods注：本次计算的水平衡通量中并不包括小型水库及塘坝等地表水体蓄变量、山区（不含盆地）地下水蓄变量以及土壤水蓄变量等。30 水文地质工程地质第 6 期采用径流变化定量分离法对天然径流衰减进行分析。以基准期降水径流关系曲线为计算依据，通过输入不同阶段多年平均降水量，得出降水变化对径流衰减的影响量，再从水文系列突变点前后的径流变化总量中分离出降水变化的影响量即可得出人类活动变化的影响量。由表 1 可知，相比于基准期，19802000年、20012020 年天然径流分别减少了 56.0，79.83 mm。降水变化和人类活动对 19802000 年天然径流的影响量分别为27.58，28.42 mm，影响程度分别为 49.25%和 50.75%；降水变化和人类活动对 20012020 年天然径流的影响量分别为25.38，54.42 mm，影响程度分别为 31.81%、68.19%，表明人类活动是该阶段天然径流量衰减的主要原因。相比于 19802000 年，20012020 年在降水量有所增加的情况下，天然径流量仍衰减了 23.81 mm，说明 2001 年以后人类活动对天然径流量的影响进一步加剧。表 1 京津冀山区天然径流衰减定量分析Table 1 Quantitative analysis of natural runoff attenuation 阶段降水量/mm天然径流深/mm总变化量/mm降水变化影响人类活动影响数量/mm比例/%数量/mm比例/%19561979572.96130.2319802000516.3374.2456.027.5849.2528.4250.7520012020521.4450.4379.8025.3831.8154.4268.19 4.2 人类活动对水平衡的影响人类活动影响是包括因土地利用和植被覆盖变化而改变流域下垫面、拦蓄工程以及用水变化等的总计。林业面积增加导致的林地耗水增加，山间盆地、河谷、岩溶区用水增加以及水利工程拦蓄地表水增加是影响山区水平衡过程的主要人类活动因素。4.2.1 林地耗水增加对水平衡影响（1）区域林地耗水变化对水平衡的影响京津冀山区 1985、1990、2000、2010、2020 年 5 期土地利用类型遥感解译成果见表 2。由表可知，山区土地类型，面积大小为林地草地梯田。相比于 1985年，梯田、草地面积呈减小趋势，林地面积增加，林地面积占比由1985 年的35.87%，增加至2020 年的46.21%。从空间分布上，林地主要分布在太行山、燕山一带，以承德、北京、张家口最多。发生上述变化的原因是该区域先后开展了“三北”防护林、水土保持小流域治理、林草生态工程等山区生态建设和生态修复项目。草地、梯田面积减少的主要原因是草地、梯田改种林地。京津冀山区林地面积、林地耗水量、降水量与地表水资源量（天然径流）变化关系见图 7。林地面积、林地耗水量呈增长趋势，地表水资源量呈衰减趋势。林地耗水量与降水量的比值由 20 世纪 60 年代的 1.69%增大到了 2020 年的 43.47%。根据林业年鉴资料，在1963 年 8 月洪水事件之前，山区以荒山为主，1948 年林地面积仅 7.18104 hm2；20 世纪 60 年代中期至 80 年代，开展以水土保持为主的植树造林，林地面积年均增加 17.6104 hm2，在林地面积增长初期，天然径流衰减并不明显，径流明显衰减发生在 1984 年，也就是在植树造林 20 年后。19801999 年，林地面积保持稳定，1999 年以后太行山绿化工程启动，林地面积进一步增长，年均增加 16.3104 hm2，同时天然径流显著衰减，以 19952002 年最为显著，也就是 20 世纪 70 年代末大范围造林之后 20 a。随着林地面积持续增加，林地耗水/山区降水量的比值不断升高，但是地表水资源量/山区降水量的比值趋于稳定。以上分析表明京津冀山区林地面积增加到一定程度后会显著减少天然径流，林地对天然径流衰减影响在 20 a 后达到最大，至于影响程度如何需要进一步研究。30040050060070080090050100150200250300350降水量/mm天然径流深/mm图 6 京津冀山区降水-径流关系图（19561979 年）Fig.6 The relationship between precipitation and runoff(19561979)表 2 京津冀山区土地利用占比Table 2 The variation of proportion of land use 年份林地面积占比/%草地面积占比/%梯田面积占比/%198535.8732.2231.91199036.6231.7931.59200040.3530.7728.88201043.3830.7925.83202046.2127.6226.172023 年白华，等：京津冀山区水平衡演变及其影响因素识别 31 （2）清水河典型流域林地耗水增加对水平衡影响识别为进一步研究林地耗水对区域水平衡的影响，以张家口市崇礼区清水河流域为重点开展研究。由于20 世纪 80 年代以来，林地面积的增加是清水河流域下垫面变化的重要因素。因此可用于分析不同阶段林地耗水对水平衡的影响。林分群体耗水量包括林木蒸腾耗水量和林地地表蒸发耗水量。受林分结构、组成和立地条件的影响，林木蒸腾耗水通常占林地蒸散耗水的绝大部分，生长正常的成龄郁闭林达到 67%以上，林地树木蒸腾耗水量占林地蒸散耗水量的 80%以上。不同林种结构数据参考河北省林木各质资源35（表 3），由表可知，清水河流域优势树种为白桦及华北落叶松。清水河流域优势树种单株生长季平均耗水情况见表 4。表 3 清水河流域现状树种面积及其占比43Table 3 The area and proportion of the tree species in the Qingshuihe River Basin 树种白桦华北落叶松杨树蒙古栎白榆柳八棱海棠油松樟子松云杉沙棘山杏枸杞果木类面积/km2239.1178.758.314.622.50.20.1235.30.551.461.