水文變異的主因分析研究
——以渭河為例

(甘肅省平?jīng)鏊乃Y源勘測(cè)局，甘肅 平?jīng)?744000)

伴隨著厄爾尼若現(xiàn)象對(duì)全球氣候的不斷影響，同時(shí)在人類社會(huì)活動(dòng)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境不斷加劇的交互作用下，自然生態(tài)中的水資源循環(huán)過程及其形成的物理化學(xué)等因素間均發(fā)生了顯著變化，這樣勢(shì)必會(huì)影響水資源的評(píng)估與保護(hù)，而且也容易使相關(guān)水資源序列資料丟失或者失去其自身一致性，其在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的規(guī)律會(huì)產(chǎn)生重大變化，直至發(fā)生水資源變異等諸多問題[1]。眾所周知，水資源是支持經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、維護(hù)自然生態(tài)平衡以及凈化自然環(huán)境的重要基礎(chǔ)，其具有為自然資源以及經(jīng)濟(jì)資源保駕護(hù)航的雙重作用[2]。

影響水資源變異的因素眾多，主要包括地理分區(qū)、行政分區(qū)和水資源分區(qū)等空間尺度影響因素，以及時(shí)間尺度作用因素，諸如豐枯水期、季度、逐月與年際等，所以其具有空間屬性，另外也具備時(shí)間屬性。因此，研究人員必須考慮從兩個(gè)屬性尺度，即時(shí)間與空間尺度，對(duì)影響水資源序列發(fā)生變異現(xiàn)象的重要影響因素完成系統(tǒng)性研究分析，這樣做不僅可以得出水資源變異在時(shí)間和空間兩個(gè)尺度上的主因，還把自然影響因素與人為導(dǎo)致的影響因素在上述兩個(gè)尺度上進(jìn)行了統(tǒng)一性分析，故其得出的結(jié)論既能凸顯出水資源變異在時(shí)間尺度和空間尺度上的關(guān)鍵時(shí)段和作用區(qū)域，又能對(duì)水資源的決策以及綜合保護(hù)等相關(guān)政府職能工作提供有建設(shè)性的指導(dǎo)建議，基于此目的，本研究下面將會(huì)對(duì)水資源序列發(fā)生變異現(xiàn)象，其在時(shí)間尺度上的主要形成原因以及相關(guān)的分析方法給出系統(tǒng)介紹。

1 時(shí)間尺度水資源序列變異主因分析方法

在對(duì)水資源序列產(chǎn)生變異現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)性主因分析時(shí)，必須考慮到時(shí)間尺度等重要影響因素對(duì)其產(chǎn)生的復(fù)雜作用，故而所研究的水資源序列必須滿足相關(guān)時(shí)間尺度上的邏輯關(guān)系，同時(shí)這些水資源資料也一定是符合時(shí)間嵌套關(guān)系的，也就是說在年、季度、豐枯水期、逐月等時(shí)間影響因素上，找出水資源序列與上述因素之間的作用關(guān)系。

1.1 水資源序列變異診斷

在對(duì)水資源序列進(jìn)行分析時(shí)，首先需要對(duì)其進(jìn)行歸納分類，其主要包括確定性的成分以及隨機(jī)性的成分，周期、趨勢(shì)和跳躍等成分均屬于確定性成分。如果上述確定性的成分和水資源序列沒有任何關(guān)系，那么這就說明其為平穩(wěn)時(shí)間序列，這也從側(cè)面反映出水資源序列的系統(tǒng)性物理形成因素間具備一致相同性，它的統(tǒng)計(jì)規(guī)律也相同，詳細(xì)來說，就是其分布形式(諸如P-Ⅲ型)和重要影響因素(包括均值、偏態(tài)系數(shù)等)在水資源序列的完整時(shí)間尺度上均具有恒定不變性，在該種情形下，水文序列只會(huì)在均值附近隨機(jī)變化，不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的規(guī)律；如果出現(xiàn)水文序列波動(dòng)較大，變動(dòng)異常，這說明形成水文序列的物理成因產(chǎn)生了重大變化，該水文序列的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律也是不一致的。總結(jié)上述分析可知，在統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域，水資源序列發(fā)生變異現(xiàn)象的因素可以分為水資源序列的分布形式和對(duì)其產(chǎn)生重要影響的分布參數(shù)，如果二者均發(fā)生明顯改變，那么水資源序列肯定也會(huì)相應(yīng)做出調(diào)整[8]。

1.2 時(shí)間尺度主因分析方法

對(duì)水資源序列進(jìn)行時(shí)間尺度主因分析，歸納起來，主要包括以下兩個(gè)主要步驟：

1) 時(shí)間尺度上的劃分

水資源工作的目標(biāo)不同，對(duì)所需要的水資源序列時(shí)間尺度的一些要求也會(huì)適時(shí)的做出一些調(diào)整，比較常見的方法是，研究人員在對(duì)地表水資源量進(jìn)行分析時(shí)主要考慮的因素是年尺度徑流序列，而環(huán)保人員在對(duì)河流生態(tài)環(huán)境進(jìn)行調(diào)研時(shí)，則會(huì)將重心傾斜于河流枯水期間內(nèi)的徑流序列，而對(duì)于江河防洪工作來說，研究人員更加注重對(duì)其汛期徑流的分析。此外，影響時(shí)間尺度劃分的另外一個(gè)因素就是地理地形因素，例如我國(guó)華南地區(qū)降雨量豐富，水文工作的重中之重就是進(jìn)行水利環(huán)境保護(hù)與防洪排澇，然而我國(guó)華北大部分地區(qū)降雨量稀少，并且其隨著季節(jié)波動(dòng)明顯，故而在華北地區(qū)我國(guó)水文工作應(yīng)該側(cè)重于水利資源的有效供給和合理配置等。在對(duì)各種水資源變異問題進(jìn)行分析討論時(shí)，需要充分考慮到各個(gè)地區(qū)之間在時(shí)間尺度和空間尺度上的差異。研判水資源序列變異在在時(shí)間尺度上的關(guān)鍵影響因素，首先要掌握當(dāng)?shù)厮Y源工作的重點(diǎn)以及發(fā)生變異的詳細(xì)情況，然后依照時(shí)間尺度劃分規(guī)則，對(duì)已獲得的水資源序列詳細(xì)信息進(jìn)行細(xì)致有效區(qū)分，最后歸納總結(jié)得到主因影響因素。

常用的時(shí)間尺度劃分方法主要包含汛/非汛期、枯/豐水期、季度、月份等，這些均是在年尺度范圍內(nèi)進(jìn)行劃分，之后將其拼湊成水資源序列，并且這些水資源序列必須滿足嵌套邏輯關(guān)系。對(duì)其進(jìn)行分析可知，在依據(jù)季度和年尺度等常見時(shí)間尺度進(jìn)行劃分研究時(shí)，其變異結(jié)果會(huì)展現(xiàn)出水資源在一定時(shí)間段內(nèi)平均值的變化波動(dòng)程度。但是，如果改變劃分尺度，將常規(guī)時(shí)間尺度轉(zhuǎn)換成汛/非汛期尺度完成分析，就會(huì)發(fā)現(xiàn)在汛期時(shí)間內(nèi)。

2) 水資源序列變異關(guān)系圖的繪制流程

綜合研究水文變異診斷系統(tǒng)對(duì)水資源序列的變異診斷結(jié)果，并且將該結(jié)果作為后續(xù)分析的基礎(chǔ)，同時(shí)還需要研究在各類水資源序列影響因素在時(shí)間尺度上的相關(guān)作用系數(shù)，將這些系數(shù)系統(tǒng)分析，構(gòu)建出水資源序列在時(shí)間尺度上的變異關(guān)系邏輯圖。分析相關(guān)文獻(xiàn)[9]，可以發(fā)現(xiàn)水資源序列周期成分在各個(gè)年際之間的變化量非常小，故而可以簡(jiǎn)化忽略。本文將會(huì)重點(diǎn)研究趨勢(shì)與跳躍這兩種水資源變異形式對(duì)水資源序列產(chǎn)生變異現(xiàn)象的作用。

(1)跳躍成為水資源序列變異的主要表現(xiàn)形式

當(dāng)確定水資源序列發(fā)生變異的主要形式為跳躍時(shí)，研究人員可以簡(jiǎn)化分析，將各個(gè)跳躍點(diǎn)的年份數(shù)據(jù)資料挑選出來，依據(jù)邏輯關(guān)系得到水資源序列的變異邏輯關(guān)系圖，同時(shí)考慮不同時(shí)間尺度上的水文要素比例之間的關(guān)系及系數(shù)大小，這樣做的目的就是簡(jiǎn)化明了從各類時(shí)間尺度方面，給出水資源序列發(fā)生變異現(xiàn)象的因素關(guān)系。

(2)趨勢(shì)成為水資源序列變異的主要表現(xiàn)形式

那年，她和同事去濟(jì)南檢查安全生產(chǎn)。那是一家部里直管的化工企業(yè)。她記得，雷志雄的表舅，在這家廠里當(dāng)副廠長(zhǎng)，估計(jì)是表舅出面把雷志雄調(diào)回濟(jì)南的。一打聽，雷志雄是一個(gè)分廠的副廠長(zhǎng)了。這次到濟(jì)南出差是她爭(zhēng)取的，當(dāng)時(shí)安排她去蘭州，她找到主管副總，要求到濟(jì)南。她想念雷鋼和雷紅。

水文序列產(chǎn)生顯著變異的兩種主要形式包括跳躍變異和趨勢(shì)變異，這兩者之間具備辯證統(tǒng)一特性，也就是說當(dāng)趨勢(shì)變異發(fā)生的程度較高時(shí)即發(fā)生跳躍變異現(xiàn)象，并且多項(xiàng)跳躍變異的系統(tǒng)整合就成為趨勢(shì)變異。所以，在水資源序列產(chǎn)生趨勢(shì)變異的情況下，研究人員可以將這種趨勢(shì)變異等效轉(zhuǎn)換成多級(jí)跳躍變異來簡(jiǎn)化處理，這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于能夠快速挑選出整個(gè)過程中最明顯的變異點(diǎn)，使實(shí)際問題得到簡(jiǎn)化，將復(fù)雜情況變成多級(jí)跳躍變異的簡(jiǎn)單情形進(jìn)行研究分析。

2 渭河實(shí)例研究

渭河是關(guān)中平原上的一條重要河流，其源頭在甘肅省鳥鼠山，主要流經(jīng)甘肅和陜西兩省，例如甘肅天水、陜西寶雞、關(guān)中西安等，最后至陜西省潼關(guān)縣流入黃河。整體河道平均降比約為1/1 500，全部流域面積達(dá)到了3.34×104km2，它的流域面積達(dá)到了西遼河流域整體面積的24.5%，其處于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年四季分明，春季干旱多風(fēng)，夏季雨量充沛，秋季天高氣爽，冬季酷寒蕭瑟。

我國(guó)在渭河流域內(nèi)設(shè)置的觀測(cè)站數(shù)量較多，本研究受到資料收集難易程度和設(shè)置觀測(cè)站所在地理位置等諸多因素的共同影響，選擇處于1966年至2010年共45年間的實(shí)際觀測(cè)月徑流序列為研究對(duì)象，并且選取在岐山測(cè)站獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)完成時(shí)間尺度主因分析。該觀測(cè)站位于渭河下游約16 km處，集水面積達(dá)到了18 361 km2，其是渭河干流上建筑規(guī)模最大，觀測(cè)設(shè)施齊全的站點(diǎn)。

由于渭河位于我國(guó)北方季風(fēng)區(qū)域，全年降水量不足并且集中于夏秋季，所以，該河流具有非常明顯的季節(jié)性徑流特征，極易發(fā)生在一年內(nèi)徑流分配不均以及汛期特大洪水問題。本研究將岐山觀測(cè)站從1966～2010年間對(duì)渭河的實(shí)際測(cè)量月徑流序列依據(jù)不同時(shí)間尺度完成劃分，其時(shí)間尺度主要包括汛/非汛期、季節(jié)和年尺度等。

2.1 月尺度徑流序列變異診斷

各類尺度徑流序列研究計(jì)算的基本組成單元是月尺度徑流序列，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)可靠性計(jì)算方法，將第一信度水平設(shè)置為α=0.05，第二信度水平參數(shù)設(shè)置為β=0.01，應(yīng)用本文提出的水文變異診斷系統(tǒng)研究渭河岐山站于1966年至2010年間探測(cè)得到的渭河各個(gè)尺度徑流系列，以進(jìn)行水資源序列變異分析。分析數(shù)據(jù)結(jié)果可知，渭河不發(fā)生水資源水文變異現(xiàn)象主要集中于每年的一月、二月、九月以及十二月，而在其它的月份都有水資源水文變異現(xiàn)象產(chǎn)生的情況出現(xiàn)。表1列出了針對(duì)渭河變異現(xiàn)象的分析診斷結(jié)果數(shù)據(jù)，分析該表可知，跳躍變異現(xiàn)象出現(xiàn)在了所有的變異月份中，十月份以外，在其他的月份水資源水文變異現(xiàn)象的主要體現(xiàn)形式為跳躍上升，另外，這些變異現(xiàn)象多發(fā)生于1985年以后，具備很強(qiáng)的規(guī)律性。

2.2 季度/汛期/非汛期/年尺度徑流序列變異診斷

分析岐山站觀測(cè)得到的渭河在不同時(shí)間尺度上的徑流序列變異診斷結(jié)果，其中第一信度水平參數(shù)設(shè)置為α=0.05，第二信度水平參數(shù)設(shè)置為β=0.01，分析該表可知，徑流序列在不同標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間尺度劃分上，均表現(xiàn)出了水文變異現(xiàn)象，渭河在絕大部分時(shí)間尺度的變異表現(xiàn)形式以跳躍向上為主，而例外出現(xiàn)在1961年，再該年的第四季度發(fā)生了跳躍向下的中變異現(xiàn)象，其余時(shí)間所發(fā)生的變異點(diǎn)都集中于上世紀(jì)八十年代中后期，具備顯著的一致性。(注：每年的6～9月是渭河的汛期，而當(dāng)年的10月至次年5月為非汛期)。

2.3 水資源序列時(shí)間尺度主因分析

依據(jù)不同的時(shí)間尺度劃分標(biāo)準(zhǔn)(單月與季度等)以及汛/非汛期等時(shí)間長(zhǎng)度單位劃分，本文把岐山站在不同時(shí)間尺度上獲得的徑流序列變異診斷結(jié)果進(jìn)行分析匯總，得到主要結(jié)論如下：

1) 季度尺度變異主因分析本研究把全年各個(gè)月實(shí)際觀測(cè)得到的徑流序列變異結(jié)果繪制到圖1中，并且計(jì)算了各個(gè)月份與季度的渭河徑流量所占全年徑流量比例，分析可知：變異現(xiàn)象的月份包括8各月份，占到全年的66.7%，而未出現(xiàn)變異的月份只占33.3%，這樣就會(huì)造成季度與年均徑流序列都發(fā)生一定程度變異現(xiàn)象。針對(duì)河流徑流序列發(fā)生變異現(xiàn)象的不同表現(xiàn)形式、變異程度、發(fā)生時(shí)間與持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，研究人員發(fā)現(xiàn)第三季度是造成岐山站觀測(cè)該河流年徑流發(fā)生變異的主要時(shí)間尺度因素，并且由于七月份和八月份包含在第三季度中，故而這兩個(gè)月份的徑流變異又共同影響著該季度的年徑流變異。此外，三月份和十月份是第一季度和四季度發(fā)生變異現(xiàn)象的時(shí)間尺度主要因素，而四月份和五月份則是第二季度產(chǎn)生變異現(xiàn)象的時(shí)間尺度主要因素。

圖1 岐山站季度尺度徑流序列變異關(guān)系

分析季節(jié)尺度下水資源序列相關(guān)系數(shù)據(jù)，第三季度徑流序列與全年徑流序列的相關(guān)性系數(shù)最大，達(dá)到了0.981，而研究各季度與各月份徑流序列的相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，三月份、四月份、八月份、十月份月徑流序列分別與第一至第四季度的徑流序列相關(guān)性最高。這些研究結(jié)果跟上述的主因分析結(jié)果異常吻合，這表明了時(shí)間尺度主因分析非常適合河流徑流序列在各季度尺度上的分析。

2) 汛/非汛期尺度變異主因分析

圖2所示為岐山站各個(gè)季度的變異關(guān)系圖，此圖重要分析了全年各個(gè)月以及汛/非汛期對(duì)渭河年徑流序列的影響，同時(shí)考慮各時(shí)間段內(nèi)徑流量所占年徑流量的比例。從圖2中可以觀察到，汛期徑流是造成岐山站年徑流發(fā)生變異現(xiàn)象的主要因素，而汛期徑流的變異現(xiàn)象多發(fā)生在每年的七八月份，針對(duì)非汛期來說，受四五月份的同時(shí)影響，該河流徑流序列會(huì)發(fā)生出現(xiàn)變異現(xiàn)象。

圖2 岐山站汛/非汛期尺度徑流序列變異關(guān)系圖

表1為汛/非汛期尺度下水資源序列相關(guān)系數(shù)表，繪制該表的目的是證明上述主因分析結(jié)果的合理性以及準(zhǔn)確性。分析表1可知，處于汛期的徑流序列會(huì)對(duì)全年的徑流序列產(chǎn)生非常大的影響作用，二者的相關(guān)性非常高，其系數(shù)可到0.985；而非汛期徑流主要是受四月份徑流序列的影響作用，其次是五月份，在汛期月徑流中，八月徑流序列對(duì)汛期徑流的影響作用最大，其次是七月徑流。這些分析結(jié)果跟上述主因素成因分析統(tǒng)一一致，這說明針對(duì)渭河年徑流量依據(jù)汛/非汛期尺度劃分的合理性以及統(tǒng)計(jì)學(xué)上的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

(1)本文提出了時(shí)間尺度的主因分析方法。該方法通過時(shí)間變異關(guān)系圖和相關(guān)系數(shù)，從不同時(shí)間尺度上對(duì)水資源序列變異的主因進(jìn)行分析，最終能夠準(zhǔn)確找出引起水資源變異的重點(diǎn)時(shí)期，從而為流域規(guī)劃、水資源的合理調(diào)用和管理提供技術(shù)指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

(2) 為了驗(yàn)證時(shí)間尺度的主因分析方法的可行性和適用性，本文基于渭河岐山測(cè)站1966～2010年的徑流量資料，應(yīng)用本文創(chuàng)新性提出的水資源水文變異診斷分析研究了渭河岐山站實(shí)際觀測(cè)得到的徑流序列變異數(shù)據(jù)，針對(duì)上述數(shù)據(jù)的時(shí)間尺度劃分依據(jù)包括月尺度、季度尺度、汛期尺度、非汛期尺度以及年尺度等)，并且重點(diǎn)研究了造成徑流序列出現(xiàn)變異現(xiàn)象的各個(gè)重點(diǎn)時(shí)段，計(jì)算獲得的相關(guān)系數(shù)與時(shí)間尺度主因分析的數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)密切一致相關(guān)性。

表1 汛/非汛期尺度下水資源序列相關(guān)系數(shù)表

(3) 對(duì)于按照月尺度劃分的徑流序列，排出個(gè)別月份(諸如一、二、九以及十二等月份)徑流序列，在全年其他月(包括三、四、五、六、七、八、十以及十一等月份)都產(chǎn)生了河流徑流序列跳躍變異現(xiàn)象，且出現(xiàn)變異的年份均在20世紀(jì)80年代中后期，規(guī)律性較為明顯。

(4) 致使岐山站年徑流出現(xiàn)巨大變異現(xiàn)象的時(shí)間尺度主因是第三季度(依據(jù)季度尺度劃分的徑流序列)，這是由于受到了7、8月份徑流變異的共同影響。