云南高原湖泊洱海水資源量的研究

李紅燕

(云南省水文水資源局大理分局，云南 大理 671000)

湖泊水資源由補給資源和儲存資源兩部分組成，其中湖泊儲存資源即儲蓄水量，是在湖泊形成過程中慢慢蓄積的，在維持湖泊形態(tài)、維持湖泊生態(tài)功能等方面做出重大貢獻，在水資源利用中起調(diào)節(jié)作用，表現(xiàn)在湖泊的蓄變量中。湖泊補給資源指其湖泊徑流集水區(qū)由降水天然補給方式包括陸地入湖水量、湖面產(chǎn)水量和地下水潛流入湖量3部分量。云南高原湖泊不同于中國東部的湖泊，湖面水面蒸發(fā)是云南湖泊水資源消耗的重要部分，湖面蒸發(fā)量大于湖面降水量，湖面產(chǎn)水量為負值，屬于虧損性湖泊，故不能被過度消耗湖泊儲蓄水量，否則湖泊會逐漸消失[1]，故湖泊水資源利用程度主要取決于湖泊補給資源量，本文研究湖泊水資源量指湖泊補給資源量。洱海是喜馬拉雅地殼運動形成的云南第二大高原湖泊，是云南大理白族人民的“母親湖”，2017年國家環(huán)保部把洱海納入“新三湖”的水污染治理體系，成為“新三湖”之一，洱海良好的發(fā)展環(huán)境，是大理政治、經(jīng)濟、文化的搖籃，也是經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。進入21世紀，洱海水資源量的開發(fā)利用強度加大，入湖污染物總量迅速增加，導致湖體水質(zhì)不斷下降，洱海水生態(tài)系統(tǒng)受損，特別是2009年以來，洱海水資源量逐年減少，換水周期變長，水循壞條件較差，洱海水資源量減少是水質(zhì)惡化的重要原因之一，故對洱海水資源量研究重要的現(xiàn)實意義。由于洱海流域缺乏地下水資料，本文洱海的湖泊水資源量指地表水資源量，即陸地水資源量和湖面產(chǎn)水量之和，本文創(chuàng)新點之一是先從陸地著手，根據(jù)流域產(chǎn)匯流原理，計算出洱海天然水資源量，揭曉其空間分布及湖區(qū)產(chǎn)水情況；再從湖區(qū)著手，根據(jù)湖泊水量平衡公式，結(jié)合云南高原湖泊的特性，推導出洱海水資源量的計算公式，2種方法可以相互驗證。

近年來，隨洱海保護治理強度的加大，洱海流域降水、水資源量變化規(guī)律備受廣大專家學者專注，取得一些成果及研究。例如李蕓等[2]應用小波分析對洱海流域降水量時空分布特征研究，揭曉洱海流域降水量隨時間呈減少趨勢，并存在“豐—枯—豐—枯”的循環(huán)趨勢；李文娟等[3]利用用FAO推薦的Penman-Monteith公式計算洱海潛在蒸散量，分析了近59年來洱海流域地區(qū)降水和蒸散量的變化特征，并分析計算了相應的降蒸差及其演變特征；黃慧軍等[4]通過洱海流域?qū)?0年的氣候變化特征及不同氣候類型對洱海水資源量的影響，并建立了洱海水資源量與洱海流域降水量、氣溫的定量關(guān)系，對洱海水資源量進行定量估計；徐映才等[5]基于Manner-Kendall法研究了洱海流域降水量、入湖徑流量隨時間的變化趨勢和突變情況。但這些研究對洱海流域降水量、蒸發(fā)量等變化進行研究，對水資源量的研究僅是對其進行定量估計或是未考慮人類活動的耗水量，并未揭曉出洱海天然水資源量隨時間的周期性變化規(guī)律，本文的創(chuàng)新點之二根據(jù)推求的洱海天然水資源量序列，研究水資源量的趨勢性及周期性變化規(guī)律，不僅采用Manner-Kendall法對洱海天然水資源量的年際、月際變化進行分析，還采用小波分析對洱海天然水資源量進行多尺度時頻分析，以揭曉洱海天然水資源量在不同尺度上的周期變化特性，為洱海水資源科學調(diào)度、用水管理、湖泊補水、流域轉(zhuǎn)型發(fā)展等提供決策依據(jù)和數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)據(jù)資料及分析方法

結(jié)合流域產(chǎn)匯流原理、湖泊水量平衡原理和云南湖泊特點，洱海天然水資源量的計算見式(1)：

W=Wl+Wh

(1)

式中W——洱海天然水資源量；Wl——洱海流域陸地水資源量；Wh——洱海湖區(qū)產(chǎn)水量。

1.1 湖區(qū)產(chǎn)水量計算方法

本文洱海湖區(qū)產(chǎn)水量為湖區(qū)降水量與湖區(qū)蒸發(fā)量之差，見式(2)：

Wh=Whj-Whz

(2)

式中Whj——洱海湖區(qū)降水量；Whz——洱海湖區(qū)蒸發(fā)量。

a)洱海湖區(qū)降水量計算方法。本文洱海湖區(qū)降水量分析選用洱海湖區(qū)周邊(距離湖岸線3 km以內(nèi))資料系列較長的下關(guān)、大理、喜洲、沙坪、挖色5個長系列站，均勻分布在洱海湖區(qū)周圍，代表性較好，站址穩(wěn)定、資料連續(xù)性較好。分析過程中，因資料長短系列不一，利用下關(guān)、大理站對喜洲、沙坪、挖色等站點的資料進行差補延長后，用算術(shù)平均法計算出1956—2018年洱海湖區(qū)年月降水量。

b)洱海湖區(qū)蒸發(fā)量計算方法。本文洱海湖區(qū)蒸發(fā)損失量采用洱海流域煉城站蒸發(fā)計算。煉城站自1956年以來的水面蒸發(fā)資料，存在蒸發(fā)器型號不一，均折算為E601蒸發(fā)皿的數(shù)據(jù)。洱海湖區(qū)水面蒸發(fā)為大水體，根據(jù)SL 278—2002《水利水電工程水文計算規(guī)范》規(guī)定，20 m2以上標準蒸發(fā)池的觀測資料可以直接用于計算水面蒸發(fā)量，故需要把煉城E601蒸發(fā)皿轉(zhuǎn)化為20 m2以上標準蒸發(fā)池標準，折算系數(shù)采用其規(guī)范中附錄C云南滇池的各月水面蒸發(fā)折算系數(shù)，從而得出洱海湖區(qū)年月水面蒸發(fā)量，再根據(jù)式(2)計算出湖區(qū)產(chǎn)水量。

1.2 洱海天然水資源量計算原理

本文洱海天然水資源量計算方法一結(jié)合流域產(chǎn)匯流原理，從陸地著手，先計算出洱海陸地水資源量，再加上湖區(qū)產(chǎn)水量，得出洱海天然水資源量；方法二通過水量平衡原理，從湖區(qū)著手，倒推出洱海天然水資源量，2種方法之間可相互驗證，具體分析如下。

a)流域產(chǎn)匯流原理。洱海水系總體屬于向心狀水系，由洱海湖區(qū)四周進入湖泊，降水因受局部地形的影響，面上分布和垂直分布差距較大。大體上自南向北、自西向東遞減，故結(jié)合地理位置、降水、植被、下墊面、水系等條件，可以把洱海流域分為5個區(qū)域，根據(jù)各分區(qū)產(chǎn)匯流原理，結(jié)合流域內(nèi)基本水文站、雨量站、巡測流量、水庫觀測等水文要素資料，利用水文比擬法、徑流相關(guān)法等分析計算各區(qū)流量，各分區(qū)基本情況見圖1。

圖1 洱海流域水系、分區(qū)及站點分布

b)水量平衡原理。本文利用云南省水文水資源局大理分局1956年以來監(jiān)測的洱海出湖水量、水位等成果，利用水量平衡原理反推洱海陸地水資源量，見式(3)：

Wl=Wc+Wh±ΔWhx+ΔWkx-Whj+Whz

(3)

式中Wc——西洱河出湖水量和引洱入賓調(diào)水量之和為總出湖水量；Wh——流域內(nèi)工農(nóng)業(yè)及生活用水耗水量，1954—2016年流域耗水采用云南省第三次水資源調(diào)查評價成果還原成果，2017—2018年采用大理州水資源公報計算還原成果；ΔWhx——洱海湖區(qū)計算時段始末蓄水變量，結(jié)合洱海水位庫容曲線求得；ΔWkx——洱海陸地水庫蓄水變量，采用了洱海上游海西海、茈碧湖、三岔河水庫3個中型水庫水量還原。

由式(1)可知，洱海天然水資源量為式(2)、(3)相加，得出：

W=Wl+Wh=Wc+Wh±ΔWhx+ΔWkx

(4)

1.3 洱海水資源量趨勢性及周期性分析方法

1.3.1趨勢性檢驗方法

本文采用Mann-Kendall[6-8]趨勢檢驗法，Mann-Kendall趨勢檢驗法原理為：Xt(t= 1，2，…)為一時間序列，先確定其序列的對偶數(shù)(Xi

(5)

(6)

(7)

如果U為正，表示上升趨勢，為負表示下降趨勢。當|U|≥U0.05/2=1.96時，表示序列趨勢變化顯著；當|U|

1.3.2周期性檢驗方法

本文采用小波分析[9-14]對洱海天然水資源量的周期變化來進行檢驗。連續(xù)小波變化定義為式(8)：

(8)

水文觀測到的時間序列數(shù)據(jù)大多是離散的，設(shè)函數(shù)f(kΔt) (k=1,2,…,N;Δt為取樣間隔)，則式(8)的離散小波變換形式為式(9)：

(9)

由式(8)、(9)可知小波分析的基本原理，即通過增加或減小伸縮尺度a來得到信號的低頻或高頻信息，然后分析信號的概貌或細節(jié)，實現(xiàn)對信號不同時間尺度和空間局部特征的分析，實際研究中，最主要的就是要由小波變換方程得到小波系數(shù)，然后通過這些系數(shù)來分析時間序列的時頻變化特征。

將小波系數(shù)的平方值在b域上積分，就可得到小波方差，即式(10)：

(10)

小波方差隨尺度a的變化過程，稱為小波方差圖。由式(10)可知，它能反映信號波動的能量隨尺度a的分布。因此，小波方差圖可用來確定信號中不同種尺度擾動的相對強度和存在的主要時間尺度，即主周期。

本文的洱海天然水資源量周期分析通過Matlab R2013b軟件計算分析，小波系數(shù)實部等值線圖通過Surfer 8工具中克里金插值法制作。

2 分析結(jié)果

2.1 湖區(qū)產(chǎn)水量

通過上述分析，洱海湖區(qū)多年平均降水量為888.5 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 260.9 mm，湖區(qū)產(chǎn)水量為湖面降水量與蒸發(fā)量之差-372.4 mm，洱海多年湖區(qū)產(chǎn)水量為虧損狀態(tài)，平均每年需陸地補給總量0.932億m3量來滿足湖區(qū)蒸發(fā)，但并不是每月洱海的產(chǎn)水量都是虧損狀態(tài)，其中主汛期(7—9)多年月平均湖面降水量大于蒸發(fā)量，湖區(qū)產(chǎn)水量為正值，其余月份(1—6月、10—12月)均為虧損狀態(tài)。

2.2 洱海天然水資源量

a)流域產(chǎn)匯流原理計算成果。通過上述流域產(chǎn)匯流原理分析得出，洱海多年陸地水資源量9.494億m3，扣除補給湖區(qū)的0.932億m3，洱海多年水資源量8.562億m3。各分區(qū)陸地水資源量從大到小表現(xiàn)為：北部(a)>西部(b)>東南部(c)>東部(d)，依次占洱海陸地水資源量的54.9%、33.2%、6.9%、4.9%(各分區(qū)水量見表1)。

b)水量平衡原理計算成果。通過上述水量平衡原理分析計算得出，洱海多年水資源量8.519億m3，加上補給湖區(qū)的0.932億m3，洱海多年陸地產(chǎn)水量9.449億m3。

c)成果對比。2種方法計算的洱海多年水資源量較為接近，相對誤差為0.5%，滿足分析要求。方法一優(yōu)點是結(jié)合流域內(nèi)雨量站、水文站、巡測站等監(jiān)測數(shù)據(jù)，適合計算各分區(qū)水資源量的空間分布，缺點是工序較為復雜，不僅需計算同期參證站的降水、徑流，還需計算各分區(qū)降水等；方法二優(yōu)點結(jié)合是洱海水位、出流、耗水等資料，可較快計算出洱海各時段水資源量，適合計算各時段序列的洱海天然水資源量系列，缺點是不能看出其洱?？臻g上的水資源量分布，成果見表1。

本文下文的趨勢性和周期性分析采用水量平衡原理法計算的成果，洱海歷年天然水資源量過程線見圖2。由過程線可以看出，1956—1961年洱海天然水資源量基本處于多年均值以下，該階段總體處于枯水期；1962—1975年洱海天然水資源量基本處于多年均值以上，處于豐水期；1976—1988年洱海天然水資源量存在小幅波動，總體在多年均值以下，處于枯水期；1989—2005年洱海天然水資源量存在小幅波動變化，但總體在多年均值以上，處于豐水期；2006—2018年洱海天然水資源量處于多年均值以下，處于枯水期，特別2009年以后，水量大幅度減少，洱海換水周期變長，約是常年的2倍。故可以看出，這63年來洱海天然水資源量大致經(jīng)歷了枯—豐—枯—豐—枯的循環(huán)，2018年以后洱海天然水資源量將進入豐水年。

表1 洱海流域各分區(qū)及天然水資源量統(tǒng)計

圖2 洱海歷年天然水資源量過程線

2.3 洱海水資源量的趨勢性和周期性

2.3.1趨勢性

a)年際變化特征。根據(jù)計算，洱海多年來的天然水資源量Mann-Kendall檢驗值U為-1.71，隨時間呈下降趨勢變化，但下降趨勢不顯著；汛期和枯期也呈下降趨勢，汛期下降趨勢顯著。從季節(jié)變化趨勢來看：春季呈上升趨勢變化，但趨勢不顯著；夏季、秋季、冬季均呈下降趨勢變化，其中秋季和冬季下降趨勢顯著，夏季下降趨勢不顯著，見表2。

表2 洱海天然水資源量Mann-Kendall趨勢特征

b)月際變化特征。根據(jù)計算，洱海天然水資源量月際Mann-Kendall檢驗值情況見圖3。由圖3可以看出，4—5月呈上升趨勢變化，但上升趨勢不顯著；其余10個月均呈下降趨勢變化，10—12月下降趨勢顯著。

圖3 洱海天然水資源量月際Mann-Kendall檢驗值

2.3.2周期性

a)小波變換系數(shù)實部時頻變化分析。圖4 是洱海天然水資源量小波系數(shù)實部等值線，圖中實線是小波變換系數(shù)正值等值線，代表豐水期；虛線是波變換系數(shù)負值等值線，代表枯水期。通過該圖可以分析出在不同時間尺度下洱海天然水資源量隨時間豐、枯交替變化的特征及其突變點的分布?？偟膩碚f，在9、12、21、32 a左右時間尺度的豐枯交替變化特征及突變點比較明顯，且洱海天然水資源量在小于7 a時間尺度下波動變化較快，且突變點分布散亂，故洱海天然水資源量在小尺度周期下，波動頻繁，震蕩明顯。

圖4 洱海天然水資源量小波系數(shù)實部等值線

圖5a可以看出a=9年時間尺度的小波變換系數(shù)過程看，洱海天然水資源量大約經(jīng)歷了10個周期變化；圖5b可以看出a=12年時間尺度的小波變換系數(shù)過程看，洱海天然水資源量大約經(jīng)歷了7個周期變化；圖5c可以看出a=21年時間尺度的小波變換系數(shù)過程看，洱海天然水資源量大約經(jīng)歷了4個周期變化；圖5d可以看出a=32年時間尺度的小波變換系數(shù)過程看，洱海天然水資源量大約經(jīng)歷了2個周期變化。

a)a=9

b)a=12

c)a=21

d)a=32

由以上分析結(jié)果得出，時間尺度越小洱海天然水資源量豐枯變化趨勢突出且劇烈；時間尺度越大，豐枯變化交替趨勢越穩(wěn)定。圖5d可以看出a=32年尺度下，小波變化也趨于穩(wěn)定，經(jīng)歷了枯—豐—枯—豐—枯的循環(huán)，與洱海天然水資源量趨勢分析也一致。4種不同尺度下可以看出，2018年以后洱海天然水資源量進入處于豐水期可能性大。

b)小波變換方差分析。圖6 是洱海天然水資源量小波變換方差過程線，由圖可知，在9、12、21、32 a左右尺度的小波方差的極值周期較明顯，存在峰值；最大峰值對應著12年的時間尺度，說明12年左右的周期震蕩最強，為洱海水資源量的第一主周期；9年時間尺度對應著第二峰值，為第二主周期；32年和21年的時間尺度分別洱海水資源量的第三和第四主周期。

圖6 洱海天然水資源量不同尺度下小波變換方差過程線

3 結(jié)語及討論

3.1 主要結(jié)論

a)洱海多年湖區(qū)產(chǎn)水量為虧損狀態(tài)(湖區(qū)蒸發(fā)量大于湖區(qū)降水量)，平均每年需陸地補給0.932億m3水來滿足湖區(qū)蒸發(fā)。

b)從流域產(chǎn)匯流產(chǎn)原理和水量平衡原理計算的洱海天然水資源量成果可知，2種方法水量較為接近，相對誤差為0.5%。洱海多年天然水資源量8.519億m3，洱海多年陸地產(chǎn)水量9.449億m3，多年陸地水資源量空間分布不均，北部(a)>西部(b)>東南部(c)>東部(d)，依次占洱海陸地水資源量的54.9%、33.2%、6.9%、4.9%。

c)運用Mann-Kendall方法計算得出，年際變化中，洱海全年、汛期、枯期、夏季、秋季和冬季的天然水資源量隨時間整體都呈現(xiàn)減少趨勢，汛期、秋季和冬季下降趨勢顯著，唯春季的天然水資源量隨時間整體呈現(xiàn)增加趨勢，但上升趨勢不顯著；月際變化中，4—5月呈上升趨勢變化，但上升趨勢不顯著，其余10個月均呈下降趨勢變化，10—12月下降趨勢顯著。

d)小波分析計算表明，不同尺度下，在1956—2018年期間，洱海天然水資源存在9、12、21、32年左右的周期變化，它們主導著洱海天然水資源的豐枯變化趨勢，其中12年左右的周期震蕩最強，為洱海天然水資源量的第一主周期。

3.2 討論

根據(jù)洱海保護治理及流域轉(zhuǎn)型發(fā)展的需要，自2017年以來，流域內(nèi)環(huán)湖截污工程的建設(shè)，新增大量的生態(tài)庫塘、濕地以及環(huán)湖洱海生態(tài)調(diào)蓄帶的工程措施，攔截了部分陸地來水，蒸發(fā)損失量的也將增大，這部分來水匯入湖泊時間變長；還有土地流轉(zhuǎn)以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型調(diào)整，將來洱海大型灌區(qū)的建設(shè)，以及城鄉(xiāng)統(tǒng)籌供水，取締無序取水，節(jié)水技術(shù)及措施提高，流域耗水量將大幅變化，故后期應加強對流域內(nèi)蒸發(fā)損失量、農(nóng)業(yè)用水定額以及耗水量的研究，從而了解洱海保護治理及流域轉(zhuǎn)型發(fā)展的工程措施對洱海天然水資源量的影響程度。