甘肅省重點(diǎn)流域地表水資源量時(shí)間序列趨勢(shì)變化研究

王漢卿，王啟優(yōu)， 張春林，吳彥昭，張昌順

(1.甘肅省臨洮水文水資源勘測(cè)局，甘肅 臨洮 730500；2.甘肅省水文水資源局，甘肅 蘭州 730000； 3.甘肅省隴南水文水資源勘測(cè)局，甘肅 成縣 742500；4.甘肅省酒泉水文水資源勘測(cè)局，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

1 研究背景

2016年12月31日，中央1號(hào)文件明確實(shí)施第三次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)的工作。2017年8月8日，甘肅省召開(kāi)第三次全省水資源調(diào)查評(píng)價(jià)工作啟動(dòng)會(huì)。項(xiàng)目組在完成第三次甘肅省水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)甘肅重點(diǎn)流域河流地表水資源量進(jìn)行研究，通過(guò)三個(gè)不同年代區(qū)間降水、蒸發(fā)和徑流的演變規(guī)律分析，得出全面、真實(shí)、準(zhǔn)確、系統(tǒng)的成果，目的是掌握重點(diǎn)流域地表水資源動(dòng)態(tài)，為水資源調(diào)度利用及生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

2 重點(diǎn)流域特征[1- 2]

2.1 確定重點(diǎn)流域

我省河流水系分內(nèi)陸河、黃河、長(zhǎng)江三大流域9個(gè)水系。內(nèi)陸河流域有石羊河、黑河、疏勒河(含蘇干湖區(qū)的哈爾騰河等)。黃河流域分黃河干流(包括支流莊浪河、大夏河、祖厲河及直接入干流的小支流)、洮河、湟水、渭河、涇河。長(zhǎng)江流域各河除漢江八廟河外都屬嘉陵江。按照第三次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)大綱和主要江河名錄，確定我省14條重點(diǎn)流域河流為石羊河、黑河、疏勒河、湟水、大通河、大夏河、洮河、莊浪河、渭河、涇河、北洛河、嘉陵江、白龍江和漢江。

2.2 DEM(重點(diǎn))河網(wǎng)提取

DEM是柵格高程數(shù)字模型，模擬地球表面真實(shí)形態(tài)，利用DEM各像元高程值可有效提取與現(xiàn)實(shí)接近的河網(wǎng)分布。將DEM(甘肅)3″(分辨率30m)、大地平面基準(zhǔn)WGS84、高程基準(zhǔn)EGM96、垂直誤差滿足90%置信度的數(shù)據(jù)裁剪得到DEM(重點(diǎn))數(shù)據(jù)，經(jīng)DEM(重點(diǎn))預(yù)處理、水流流向、匯流柵格、生成河網(wǎng)和流域邊界劃分得到本課題研究的甘肅重點(diǎn)流域河網(wǎng)分布，如圖1所示。

圖1 甘肅省重點(diǎn)流域河網(wǎng)分布

2.3 系列資料統(tǒng)計(jì)

本次研究共收集463處雨量站、129處蒸發(fā)站和107處徑流站資料。由于建站年份不同，依據(jù)技術(shù)大綱要求，在對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)源和三性檢查的基礎(chǔ)上，對(duì)收集到的資料按照水文比擬和上下游相關(guān)插補(bǔ)延長(zhǎng)到與之同步的系列，特別對(duì)水文斷面上下遷移的徑流站資料，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求換算至同一斷面。降水、徑流插補(bǔ)延長(zhǎng)為1956～2016年系列，蒸發(fā)插補(bǔ)延長(zhǎng)為1980～2016年系列。甘肅省重點(diǎn)流域河流站點(diǎn)信息統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 甘肅省重點(diǎn)流域河流站點(diǎn)信息統(tǒng)計(jì)一覽表

3 重點(diǎn)流域地表水資源量計(jì)算[3- 5]

3.1 降水及蒸發(fā)計(jì)算

根據(jù)水文資料系列，考慮系列代表性要求，分1956—2016年(61a)、1980—2016年(37a)和2001—2016年(16a)三段同步期進(jìn)行降水量評(píng)價(jià)。選用代表站盡可能代表重點(diǎn)流域、質(zhì)量可靠、月年數(shù)據(jù)完整；考慮山丘、平原和特殊區(qū)域；對(duì)雨量站稀少、跨度大的地區(qū)，考慮縣級(jí)行政區(qū)，且含一、二次評(píng)價(jià)選用站。由于內(nèi)陸河流域雨量站點(diǎn)較疏，采用泰森多邊形計(jì)算結(jié)果誤差較大，本次確定采用降水量等值線量算值；而黃河、長(zhǎng)江流域雨量站點(diǎn)較密，本次采用泰森計(jì)算值。

水面蒸發(fā)量經(jīng)插補(bǔ)、延長(zhǎng)后采用1980—2016年同步期系列。并將20cm口徑蒸發(fā)觀測(cè)值，按照確定的區(qū)域折算系數(shù)統(tǒng)一換算為E601型蒸發(fā)量。折算系數(shù)內(nèi)陸河流域0.54～0.69之間，平均0.64；黃河流域0.61～0.69之間，平均0.65；長(zhǎng)江流域0.63～0.69之間，平均0.66。另外，干旱指數(shù)是通過(guò)蒸發(fā)量除降水深，并按照干旱指數(shù)劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得出干旱指數(shù)石羊河為4.8，屬半干旱區(qū)；黑河為7.3，屬干旱區(qū)；疏勒河為22.1，屬極端干旱區(qū)；其它流域在1.0～2.4之間，均為半濕潤(rùn)區(qū)。詳見(jiàn)表2。

表2 甘肅省重點(diǎn)流域降水及蒸發(fā)成果

3.2 地表水資源量

3.2.1自產(chǎn)水資源量

本次采用水文站實(shí)測(cè)系列資料，經(jīng)插補(bǔ)延長(zhǎng)、水量還原計(jì)算、一致性修正后，利用DEM(重點(diǎn))數(shù)據(jù)提取水文站及控制站以上集水面積，同時(shí)提取兩個(gè)測(cè)站之間的流域區(qū)域；點(diǎn)繪流域重心，將各站點(diǎn)區(qū)間徑流深求出，并標(biāo)注在該點(diǎn)上；以流域重心處徑流深為依據(jù)，參考降水量等值線、地形等高線、對(duì)照衛(wèi)片所顯示的地貌類(lèi)型繪制徑流深等值線；用控制站天然徑流深與圖上量算的值進(jìn)行合理性檢查，反復(fù)校核，并進(jìn)行調(diào)整相對(duì)誤差不超過(guò)±5%；最后以徑流深等值線與重點(diǎn)流域圖層相交，導(dǎo)出數(shù)據(jù)計(jì)算重點(diǎn)流域自產(chǎn)水資源量，詳見(jiàn)表3。不同系列多年平均自產(chǎn)水資源量合計(jì)分別為230.1億、214.1億、201.5億m3。

3.2.2入境水量

入境水量指從省外入境到本省境內(nèi)的水量，采用入境控制斷面實(shí)測(cè)河川徑流量，無(wú)控制斷面的采用水文比擬法估算入境水量。在計(jì)算黃河流域和全省入境水量時(shí)，由于黃河干流兩次流經(jīng)我省，第一次入境在甘南州瑪曲縣，第二次入境在臨夏州積石山縣，因此入境水量計(jì)算需減去第一次出境水和瑪曲縣自產(chǎn)水。入境的河流集中分布在我省西南部，來(lái)自青海、四川、陜西、寧夏，以青海省流入我省的水量最多。而莊浪河、北洛河和漢江都為甘肅省內(nèi)自產(chǎn)，無(wú)入境水資源量。得出不同系列多年平均入境水資源量合計(jì)分別為176.4億、172.7億、169.0億m3。

3.2.3出境水量

出境水量指流出省界的出口控制斷面實(shí)際河川徑流量，對(duì)于邊界出境無(wú)控制斷面的重點(diǎn)河流，根據(jù)下墊面和氣候條件相似地區(qū)的降水～徑流關(guān)系、水量平衡關(guān)系、水文模型或水文比擬法估算其出境水量。而石羊河和疏勒河無(wú)出境水資源量。得出不同系列多年平均出境水量合計(jì)分別為379.4億、351.3億、322.7億m3。在計(jì)算黃河干流出境水量時(shí)，不計(jì)第一次在瑪曲縣的出境水量。

4 變化趨勢(shì)分析

4.1 趨勢(shì)檢驗(yàn)[6- 13]

考慮到地表水資源量變化趨勢(shì)是一個(gè)隨時(shí)間、季節(jié)、動(dòng)態(tài)、循環(huán)和隨機(jī)變化形式的疊加或組合，認(rèn)為是一個(gè)非平穩(wěn)時(shí)間序列，變化趨勢(shì)可能是線性，也可能是非線性。要識(shí)別一個(gè)觀測(cè)序列的趨勢(shì)性有很多方法，而本次采用DPS矩陣法確定95%置信度相關(guān)系數(shù)區(qū)間，應(yīng)用坎德?tīng)?Kendall)秩次相關(guān)檢驗(yàn)分析變化趨勢(shì)是否顯著，應(yīng)用時(shí)間序列突變滑動(dòng)T檢驗(yàn)法確定顯著跳躍年。經(jīng)分析得出：①矩陣法：選95%置信度時(shí)，1956—2016年、1980—2016年、2001—2016年相關(guān)系數(shù)區(qū)間分別為-0.6612～0.7366、-0.6489～0.7183、-0.6934～0.8339，反映出每條河流地表水資源量要素的等級(jí)和權(quán)重區(qū)間。②Kendall：選置信度α=0.05、U(0.05/2)=1.96時(shí)，1956—2016年疏勒河、大夏河、洮河、渭河、涇河、嘉陵江、白龍江和漢江變化顯著；1980—2016年疏勒河、洮河、渭河、涇河、嘉陵江、白龍江和漢江變化顯著；而2001～2016年只有黑河變化顯著。③滑動(dòng)T檢驗(yàn)：選置信度α=0.05、T(0.05/2)=1.64時(shí)，1956—2016年湟水和大通河無(wú)顯著性跳躍；1980—2016年石羊河、湟水和大通河無(wú)顯著性跳躍；而2001—2016年渭河、涇河和嘉陵江無(wú)顯著性跳躍；其它河流顯著跳躍但跳躍年份不一。

表3 甘肅省重點(diǎn)流域河流自產(chǎn)、出境、入境水量統(tǒng)計(jì) 單位：億m3

注：計(jì)算湟水、嘉陵江自產(chǎn)水資源量時(shí)包含大通河、白龍江，另外大通河、白龍江單獨(dú)計(jì)算。

4.2 趨勢(shì)預(yù)測(cè)

水文序列的變化趨勢(shì)是通過(guò)周期來(lái)反映，而周期又是序列穩(wěn)定的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，一般可用一組三角函數(shù)表示，通常采用諧波分析方法。因?yàn)橹C波分析法的理論基礎(chǔ)為傅立葉級(jí)數(shù)理論，而小波分析又是對(duì)傅立葉分析進(jìn)行了推廣提出的新理論，克服了傅立葉分析不能作局部分析的缺點(diǎn)，從而以時(shí)間與頻率局部化分析的卓越效果被廣泛應(yīng)用。本次采用諧波和小波兩種分析模型結(jié)合的方式，對(duì)14條重點(diǎn)流域1956—2016年系列地表水資源量進(jìn)行時(shí)間序列水文周期分析和預(yù)測(cè)研究，分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果詳見(jiàn)表4。

(1)

(2)

ψ(t)為一個(gè)基本小波、母小波或允許小波，將母函數(shù)ψ(t)經(jīng)伸縮和平移后，可以得到一個(gè)連續(xù)小波序列：

(3)

式中，a—伸縮因子，b—平移因子。

表4 甘肅省重點(diǎn)流域河流地表水資源量周期及趨勢(shì)預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)

從表4統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：①諧波分析河流周期間隔有長(zhǎng)有短、間隔不一。②小波伸縮因子都存在高頻波，其系數(shù)表現(xiàn)出很強(qiáng)的正負(fù)相間振蕩特點(diǎn)，也可明顯看出各個(gè)流域都存在著不同的變化周期，與諧波分析周期基本吻合。③存在不同豐水和枯水周期，主要豐水期：石羊河為1960年前、1987—1990年和2003—2008年；黑河為1967年前、1977—1992年和2004年后；疏勒河為1971～1983年和2015年后；湟水為1958年前、1971—1973年、1987—1989年和2016年后；大通河為1976年前、1987—1989年和2003年后；大夏河為1956—1979年和2012年后；洮河為1985年前和2003年后；莊浪河為1961年前、1977—1989年和2003—2005年；渭河為1990年前和2003年后；涇河為1968年前、1987—1996年和2009年后；北洛河為1958年前和1986—2004年；嘉陵江為1993年前和2010年后；白龍江為1995年前和2010年后；漢江為為1995年前和2010年后。④預(yù)測(cè)顯示：2017年后黑河、洮河、涇河、渭河、嘉陵江和白龍江流域地表水資源量將出現(xiàn)上升趨勢(shì)，其它流域?qū)⒊霈F(xiàn)先上后降的趨勢(shì)，這與小波變換反映的未來(lái)短期變化趨勢(shì)基本一致。

5 結(jié)論

本課題研究結(jié)果表明：甘肅省重點(diǎn)流域河流地表水資源變化趨勢(shì)出現(xiàn)明顯的區(qū)域性和不均勻性，且呈顯年代逐漸減少趨勢(shì)，這與近年內(nèi)下墊面改變、水庫(kù)攔蓄、塘壩建設(shè)和人類(lèi)活動(dòng)息息相關(guān)。另外，預(yù)測(cè)結(jié)果顯示未來(lái)6年或短期內(nèi)，黑河、洮河、涇河、渭河、嘉陵江和白龍江流域?qū)⒊霈F(xiàn)豐水年變化周期。這項(xiàng)研究結(jié)果將為水利部門(mén)和流域機(jī)構(gòu)規(guī)劃配置水資源、合理調(diào)度利用、防汛減災(zāi)及生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，并且對(duì)未來(lái)甘肅省重點(diǎn)流域水資源可持續(xù)發(fā)展利用具有重要的意義。