甘肃省重点流域地表水资源量时间序列趋势变化研究

王汉卿，王启优， 张春林，吴彦昭，张昌顺

(1.甘肃省临洮水文水资源勘测局，甘肃 临洮 730500；2.甘肃省水文水资源局，甘肃 兰州 730000； 3.甘肃省陇南水文水资源勘测局，甘肃 成县 742500；4.甘肃省酒泉水文水资源勘测局，甘肃 嘉峪关 735100)

1 研究背景

2016年12月31日，中央1号文件明确实施第三次全国水资源调查评价的工作。2017年8月8日，甘肃省召开第三次全省水资源调查评价工作启动会。项目组在完成第三次甘肃省水资源调查评价成果的基础上，针对甘肃重点流域河流地表水资源量进行研究，通过三个不同年代区间降水、蒸发和径流的演变规律分析，得出全面、真实、准确、系统的成果，目的是掌握重点流域地表水资源动态，为水资源调度利用及生态文明建设提供科学依据。

2 重点流域特征[1- 2]

2.1 确定重点流域

我省河流水系分内陆河、黄河、长江三大流域9个水系。内陆河流域有石羊河、黑河、疏勒河(含苏干湖区的哈尔腾河等)。黄河流域分黄河干流(包括支流庄浪河、大夏河、祖厉河及直接入干流的小支流)、洮河、湟水、渭河、泾河。长江流域各河除汉江八庙河外都属嘉陵江。按照第三次水资源调查评价大纲和主要江河名录，确定我省14条重点流域河流为石羊河、黑河、疏勒河、湟水、大通河、大夏河、洮河、庄浪河、渭河、泾河、北洛河、嘉陵江、白龙江和汉江。

2.2 DEM(重点)河网提取

DEM是栅格高程数字模型，模拟地球表面真实形态，利用DEM各像元高程值可有效提取与现实接近的河网分布。将DEM(甘肃)3″(分辨率30m)、大地平面基准WGS84、高程基准EGM96、垂直误差满足90%置信度的数据裁剪得到DEM(重点)数据，经DEM(重点)预处理、水流流向、汇流栅格、生成河网和流域边界划分得到本课题研究的甘肃重点流域河网分布，如图1所示。

图1 甘肃省重点流域河网分布

2.3 系列资料统计

本次研究共收集463处雨量站、129处蒸发站和107处径流站资料。由于建站年份不同，依据技术大纲要求，在对数据来源和三性检查的基础上，对收集到的资料按照水文比拟和上下游相关插补延长到与之同步的系列，特别对水文断面上下迁移的径流站资料，根据相关规范要求换算至同一断面。降水、径流插补延长为1956～2016年系列，蒸发插补延长为1980～2016年系列。甘肃省重点流域河流站点信息统计见表1。

表1 甘肃省重点流域河流站点信息统计一览表

3 重点流域地表水资源量计算[3- 5]

3.1 降水及蒸发计算

根据水文资料系列，考虑系列代表性要求，分1956—2016年(61a)、1980—2016年(37a)和2001—2016年(16a)三段同步期进行降水量评价。选用代表站尽可能代表重点流域、质量可靠、月年数据完整；考虑山丘、平原和特殊区域；对雨量站稀少、跨度大的地区，考虑县级行政区，且含一、二次评价选用站。由于内陆河流域雨量站点较疏，采用泰森多边形计算结果误差较大，本次确定采用降水量等值线量算值；而黄河、长江流域雨量站点较密，本次采用泰森计算值。

水面蒸发量经插补、延长后采用1980—2016年同步期系列。并将20cm口径蒸发观测值，按照确定的区域折算系数统一换算为E601型蒸发量。折算系数内陆河流域0.54～0.69之间，平均0.64；黄河流域0.61～0.69之间，平均0.65；长江流域0.63～0.69之间，平均0.66。另外，干旱指数是通过蒸发量除降水深，并按照干旱指数划分等级标准，得出干旱指数石羊河为4.8，属半干旱区；黑河为7.3，属干旱区；疏勒河为22.1，属极端干旱区；其它流域在1.0～2.4之间，均为半湿润区。详见表2。

表2 甘肃省重点流域降水及蒸发成果

3.2 地表水资源量

3.2.1自产水资源量

本次采用水文站实测系列资料，经插补延长、水量还原计算、一致性修正后，利用DEM(重点)数据提取水文站及控制站以上集水面积，同时提取两个测站之间的流域区域；点绘流域重心，将各站点区间径流深求出，并标注在该点上；以流域重心处径流深为依据，参考降水量等值线、地形等高线、对照卫片所显示的地貌类型绘制径流深等值线；用控制站天然径流深与图上量算的值进行合理性检查，反复校核，并进行调整相对误差不超过±5%；最后以径流深等值线与重点流域图层相交，导出数据计算重点流域自产水资源量，详见表3。不同系列多年平均自产水资源量合计分别为230.1亿、214.1亿、201.5亿m3。

3.2.2入境水量

入境水量指从省外入境到本省境内的水量，采用入境控制断面实测河川径流量，无控制断面的采用水文比拟法估算入境水量。在计算黄河流域和全省入境水量时，由于黄河干流两次流经我省，第一次入境在甘南州玛曲县，第二次入境在临夏州积石山县，因此入境水量计算需减去第一次出境水和玛曲县自产水。入境的河流集中分布在我省西南部，来自青海、四川、陕西、宁夏，以青海省流入我省的水量最多。而庄浪河、北洛河和汉江都为甘肃省内自产，无入境水资源量。得出不同系列多年平均入境水资源量合计分别为176.4亿、172.7亿、169.0亿m3。

3.2.3出境水量

出境水量指流出省界的出口控制断面实际河川径流量，对于边界出境无控制断面的重点河流，根据下垫面和气候条件相似地区的降水～径流关系、水量平衡关系、水文模型或水文比拟法估算其出境水量。而石羊河和疏勒河无出境水资源量。得出不同系列多年平均出境水量合计分别为379.4亿、351.3亿、322.7亿m3。在计算黄河干流出境水量时，不计第一次在玛曲县的出境水量。

4 变化趋势分析

4.1 趋势检验[6- 13]

考虑到地表水资源量变化趋势是一个随时间、季节、动态、循环和随机变化形式的叠加或组合，认为是一个非平稳时间序列，变化趋势可能是线性，也可能是非线性。要识别一个观测序列的趋势性有很多方法，而本次采用DPS矩阵法确定95%置信度相关系数区间，应用坎德尔(Kendall)秩次相关检验分析变化趋势是否显著，应用时间序列突变滑动T检验法确定显著跳跃年。经分析得出：①矩阵法：选95%置信度时，1956—2016年、1980—2016年、2001—2016年相关系数区间分别为-0.6612～0.7366、-0.6489～0.7183、-0.6934～0.8339，反映出每条河流地表水资源量要素的等级和权重区间。②Kendall：选置信度α=0.05、U(0.05/2)=1.96时，1956—2016年疏勒河、大夏河、洮河、渭河、泾河、嘉陵江、白龙江和汉江变化显著；1980—2016年疏勒河、洮河、渭河、泾河、嘉陵江、白龙江和汉江变化显著；而2001～2016年只有黑河变化显著。③滑动T检验：选置信度α=0.05、T(0.05/2)=1.64时，1956—2016年湟水和大通河无显著性跳跃；1980—2016年石羊河、湟水和大通河无显著性跳跃；而2001—2016年渭河、泾河和嘉陵江无显著性跳跃；其它河流显著跳跃但跳跃年份不一。

表3 甘肃省重点流域河流自产、出境、入境水量统计 单位：亿m3

注：计算湟水、嘉陵江自产水资源量时包含大通河、白龙江，另外大通河、白龙江单独计算。

4.2 趋势预测

水文序列的变化趋势是通过周期来反映，而周期又是序列稳定的循环运动，一般可用一组三角函数表示，通常采用谐波分析方法。因为谐波分析法的理论基础为傅立叶级数理论，而小波分析又是对傅立叶分析进行了推广提出的新理论，克服了傅立叶分析不能作局部分析的缺点，从而以时间与频率局部化分析的卓越效果被广泛应用。本次采用谐波和小波两种分析模型结合的方式，对14条重点流域1956—2016年系列地表水资源量进行时间序列水文周期分析和预测研究，分析统计结果详见表4。

(1)

(2)

ψ(t)为一个基本小波、母小波或允许小波，将母函数ψ(t)经伸缩和平移后，可以得到一个连续小波序列：

(3)

式中，a—伸缩因子，b—平移因子。

表4 甘肃省重点流域河流地表水资源量周期及趋势预测统计

从表4统计结果显示：①谐波分析河流周期间隔有长有短、间隔不一。②小波伸缩因子都存在高频波，其系数表现出很强的正负相间振荡特点，也可明显看出各个流域都存在着不同的变化周期，与谐波分析周期基本吻合。③存在不同丰水和枯水周期，主要丰水期：石羊河为1960年前、1987—1990年和2003—2008年；黑河为1967年前、1977—1992年和2004年后；疏勒河为1971～1983年和2015年后；湟水为1958年前、1971—1973年、1987—1989年和2016年后；大通河为1976年前、1987—1989年和2003年后；大夏河为1956—1979年和2012年后；洮河为1985年前和2003年后；庄浪河为1961年前、1977—1989年和2003—2005年；渭河为1990年前和2003年后；泾河为1968年前、1987—1996年和2009年后；北洛河为1958年前和1986—2004年；嘉陵江为1993年前和2010年后；白龙江为1995年前和2010年后；汉江为为1995年前和2010年后。④预测显示：2017年后黑河、洮河、泾河、渭河、嘉陵江和白龙江流域地表水资源量将出现上升趋势，其它流域将出现先上后降的趋势，这与小波变换反映的未来短期变化趋势基本一致。

5 结论

本课题研究结果表明：甘肃省重点流域河流地表水资源变化趋势出现明显的区域性和不均匀性，且呈显年代逐渐减少趋势，这与近年内下垫面改变、水库拦蓄、塘坝建设和人类活动息息相关。另外，预测结果显示未来6年或短期内，黑河、洮河、泾河、渭河、嘉陵江和白龙江流域将出现丰水年变化周期。这项研究结果将为水利部门和流域机构规划配置水资源、合理调度利用、防汛减灾及生态文明建设提供科学依据，并且对未来甘肃省重点流域水资源可持续发展利用具有重要的意义。