變化環(huán)境下滇中地區(qū)典型流域水資源演變特征

丁 文 榮

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 云南 昆明 650500)

變化環(huán)境下滇中地區(qū)典型流域水資源演變特征

丁 文 榮

(云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 云南 昆明 650500)

[目的] 以典型流域?yàn)檠芯繉ο螅沂咀兓h(huán)境下滇中地區(qū)水資源的演變特征，為區(qū)域水資源綜合管理服務(wù)。 [方法] 以滇中地區(qū)蜻蛉河流域1963—2012年的月值徑流實(shí)測資料為基礎(chǔ)，采用線性傾向估計、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、小波分析和R/S分析等作為主要研究方法。 [結(jié)果] (1) 蜻蛉河流域徑流量年內(nèi)分配極不均勻，主要集中在夏秋兩季，而冬春兩季占全年的百分比均較小； (2) 自20世紀(jì)60年代以來，蜻蛉河流域徑流量總體呈現(xiàn)出了減少的趨勢，速率為4.80×107m3/10 a，但其變化趨勢的尚未達(dá)到0.05的顯著性水平； (3) 研究時段內(nèi)蜻蛉河流域徑流量的變化經(jīng)歷了“多—少—多—少”的演變過程，2010年為一個典型突變年份； (4) 從多時間尺度特征來看，蜻蛉河流域徑流量變化局域性特點(diǎn)較為突出，沒有貫穿整個研究時段的周期性波動，相對較為明顯的周期性變化為15 a； (5) 蜻蛉河流域年徑流量的變化存在比較顯著的赫斯特現(xiàn)象，未來持續(xù)減少的概率較大。 [結(jié)論] 蜻蛉河流域水資源季節(jié)性分布不均，年際波動幅度大，未來一段時間內(nèi)將繼續(xù)維持減少趨勢，需提前做好合理規(guī)劃。

變化環(huán)境; 滇中地區(qū); 水資源; 蜻蛉河

文獻(xiàn)參數(shù)： 丁文榮.變化環(huán)境下滇中地區(qū)典型流域水資源演變特征[J].水土保持通報，2017,37(2)：274-277.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.041； Ding Wenrong. Evolutions of Water Resources in Typical Basin of Central Yunnan Province Under Changing Environment[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：274-277.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.041

近百年來，地球系統(tǒng)正經(jīng)歷著以氣候變暖為主要特征的顯著變化，加之劇烈的人類活動影響，不同程度改變了水文循環(huán)過程，嚴(yán)重威脅著人類生存和社會發(fā)展。由此，變化環(huán)境下的水資源效應(yīng)受到各國學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為當(dāng)今國際水科學(xué)研究的前沿課題[1]。自20世紀(jì)80年代以來，關(guān)于變化環(huán)境對水文過程影響的研究已經(jīng)在國內(nèi)外積累了豐富的研究成果[2]，為緩解乃至解決當(dāng)今人類社會所面臨的水資源、水環(huán)境、水生態(tài)和水災(zāi)害問題提供了途徑。滇中地區(qū)是云南省的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心與交通樞紐。2015年的統(tǒng)計結(jié)果表明，該區(qū)域人口1 702.8萬人，占該省總?cè)丝诘?7.4%；GDP占該省的57.8%，人均GDP約為19 400元，是該省人均GDP的1.55倍，已成為云南的名副其實(shí)經(jīng)濟(jì)核心區(qū)。滇中地處金沙江、南盤江、紅河3大水系分水嶺地帶，多年來在氣候變化和土地利用/覆被變化(LUCC)等人類活動的雙重影響下，滇中地區(qū)流域水資源時空分布發(fā)生了深刻的變化，資源型、工程型和水質(zhì)型缺水日益凸顯，不僅影響區(qū)內(nèi)人民生活水平的提高，也嚴(yán)重制約著全省社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[3-4]。鑒此，本研究以滇中地區(qū)典型區(qū)域蜻蛉河流域?yàn)檠芯繉ο螅捎枚喾N時間序列分析方法，系統(tǒng)探討該流域水資源的時間變化規(guī)律，以期為區(qū)內(nèi)水資源的綜合管理提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

蜻蛉河為龍川江左岸最大的一級支流，發(fā)源于楚雄彝族自治州姚安縣太平鄉(xiāng)海拔2 525 m的黎梅山，進(jìn)入大姚縣境后折向東北方向，最后在元謀縣黑泥坡村匯入龍川江。河流全長132 km，多克(二)站以上流域面積3 546 km2，位于101°04′—101°47′E和25°20′—26°10′N，地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)域，屬典型亞熱帶干燥氣候，具有氣候溫和，日照充足，干濕季明顯，無霜期長等氣候特點(diǎn)。年均氣溫15.6 ℃，日照2 526 h，無霜期年均309 d，相對濕度65%。多年平均降水796.3 mm，雨日113 d。研究區(qū)基巖主要是三疊紀(jì)頁巖、砂巖和少量的花崗巖、石灰?guī)r和第四紀(jì)沉積物，地貌表現(xiàn)為中山、丘陵、盆地相間分布的格局。土壤類型以北亞熱帶山原紅壤為主，在海拔1 700 m以下的干熱河谷區(qū)發(fā)育有燥紅土。植被主要為亞熱帶常綠闊葉林，自20世紀(jì)50年代以來，受人類活動的影響，原生植被已消失殆盡，目前云南松人工次生林廣泛分布，是區(qū)內(nèi)荒山綠化和跡地更新的主要林種。

2 數(shù)據(jù)與方法

所用徑流量資料為蜻蛉河下游國家基本水文站多克(2)站1963—2012年的月值徑流實(shí)測序列，數(shù)據(jù)來源于云南省水文水資源局，經(jīng)過了可靠性、一致性與代表性檢驗(yàn)。其中1988年10—12月缺測值以多年平均值進(jìn)行插補(bǔ)，分析時間序列長度為50 a。水資源變化趨勢采用線性傾向方程來表示，即：

Y=α0+α1t

(1)

式中：Y——待分析資料序列；t——時間；α1——線性趨勢項(xiàng)，若該值為正，表明為增加趨勢，反之為減少趨勢，α1×10表示水資源每10 a的變化量。

突變過程檢測采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法，該法因不需要確定樣本服從的分布，也不受外界異常因素的影響而被廣泛應(yīng)用[5]。

水資源時間序列變化的周期性分析采用小波分析方法，該方法通過伸縮平移運(yùn)算對信號逐步進(jìn)行多尺度細(xì)化，自動適應(yīng)時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意尺度，最終達(dá)到高頻處時間細(xì)分，低頻處頻率細(xì)分的目的[6]。

水資源的未來演變趨勢采用了R/S分析方法，該方法假設(shè)一個時間序列ξ(t)，t=1，2，3，…，對于任意整數(shù)τ>1，先指定時均序列<ξ>τ，t=1，2，3，… ，然后計算累計離差X(t,τ)、級差R(τ)和標(biāo)準(zhǔn)差S(τ)。赫斯特曾證明了R(τ)/S(τ)隨τ的增長呈1/2的指數(shù)率關(guān)系[7]，在比值R(τ)/S(τ)=R/S中，R隨τ的增長呈發(fā)散狀態(tài)，即：

(2)

式中：H——赫斯特指數(shù)，可以揭示水資源時間序列的未來演變趨勢。

3 結(jié)果與分析

3.1 年內(nèi)變化特征

地處云南高原的北部邊緣，蜻蛉河流域地表徑流的主要補(bǔ)給源為大氣降水。冬春季水汽源為中緯度干旱大陸，空氣干燥降水稀少，而夏秋季則有孟加拉灣和北部灣的暖濕氣流，雨量充沛[8]。受到降水這種年內(nèi)變化特征的控制，蜻蛉河流域6月上旬進(jìn)入汛期而10月下旬汛期基本結(jié)束，河川徑流量主要集中在每年的6—10月，該時段徑流量占全年的81.06%，而每年的1—5月與11—12月的徑流量只僅全年的18.94%。年內(nèi)徑流量的變差系數(shù)Cv值為1.12，表明徑流年內(nèi)分配極不均勻。按滇中地區(qū)氣候季節(jié)劃分的時間節(jié)點(diǎn)，將蜻蛉河流域徑流量對應(yīng)地劃分為春夏秋冬四季。分別是春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月和冬季12月至翌年2月。徑流量的年內(nèi)季節(jié)變化計算結(jié)果表明，蜻蛉河流域徑流量主要集中在夏秋兩季，分別占全年徑流量的49.62%和42.25%，而冬春兩季占全年的百分比均較小。尤其是春季，由于此時正值農(nóng)業(yè)大春播種，土壤缺墑，加之氣溫緩慢升高蒸發(fā)加劇，而該季節(jié)地表徑流量僅占全年的2.69%，成為流域內(nèi)一年中缺水最為突出的季節(jié)。

3.2 年際變化趨勢

自20世紀(jì)60年代以來，蜻蛉河流域徑流量總體呈現(xiàn)出了減少的趨勢，變化速率為4.80×107m3/10 a(圖1)。特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來減少更為明顯，尤其是2011年徑流量僅為5.00×107m3，相當(dāng)于豐水年份1966年1.39×109m3的3.60%。然而，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)對年徑流量的變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，其變化趨勢的Z值為-1.88，尚未達(dá)到0.05的顯著性水平。

圖1 蜻蛉河流域年徑流量的變化趨勢

從不同年代的變化也可以看出(表1)，蜻蛉河流域徑流量冬春兩季占全年的比例均較少，春季尤為突出，而夏秋兩季占全年的比例均超過90%。而從夏秋季來看，兩個季節(jié)占全年的比例相差不大，夏季略多。此外，從20世紀(jì)60年代至今，春夏季兩季徑流量占全年的比例略有增加，秋冬兩季略有減少，但總體而言不同季節(jié)徑流量占年徑流總量的比例并沒有發(fā)生明顯的變化。

表1 研究區(qū)不同季節(jié)徑流量占年徑流總量的比例 %

3.3 突變分析

采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法進(jìn)行突變分析時，當(dāng)統(tǒng)計量UF和UB構(gòu)成的曲線超過了正負(fù)臨界值直線，則表明原序列具有顯著的上升或下降趨勢，反之趨勢不明顯。若UF和UB在正負(fù)臨界值之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則表明原序列存在跳躍變異(突變)，且兩曲線相交點(diǎn)的時刻即為突變開始的時刻。從圖2中UF曲線的變化可以看出，自20世紀(jì)60年代中期至1983年，蜻蛉河流域徑流量以減少趨勢為主，1983—1997年為小幅波動而沒有明顯的趨勢，1997年以來有增加的趨勢并維持到2002年左右，然后持續(xù)減少至今。研究時段內(nèi)徑流量的變化經(jīng)歷了“多—少—多—少”的演變過程。此外，從圖2還可以看出，UF和UB曲線在2010年有一個交點(diǎn)，2010年后逆序列UB曲線超過了UF曲線且UF曲線呈下降趨勢，表明徑流量呈現(xiàn)出減少趨勢。此外，該交點(diǎn)在正負(fù)臨界值之間，表明2010年為一個突變年份。經(jīng)過計算也發(fā)現(xiàn)，2010年后徑流量由多年平均值4.72×108m3驟減至1.18×108m3左右。這與2009年以來中國西南地區(qū)遭遇百年不遇的極端干旱是相對應(yīng)的[9-10]。

圖2 蜻蛉河流域年徑流量的M-K檢驗(yàn)

3.4 演變周期

研究表明，用復(fù)值Morlet小波進(jìn)行時間序列分析時，小波系數(shù)實(shí)部的變化趨勢與待分析信號的起伏基本一致，而Morlet小波系數(shù)模值的大小代表某一尺度成分的多少，反映了它所對應(yīng)時段的周期性強(qiáng)弱[11]。由于小波系數(shù)模值都是大于或等于零的實(shí)數(shù)，因此周期性的強(qiáng)弱可通過模值的大小反映出來，模值越大則周期性越顯著，反之不顯著。由圖3蜻蛉河流域年徑流量的復(fù)值Morlet小波系數(shù)實(shí)部可以看出，在研究時段內(nèi)，蜻蛉河流域徑流量變化局域性特征較為突出，沒有貫穿整個研究時段的周期性波動。較為明顯的是15 a左右的周期性變化，存在2個明顯的豐水中心和少水中心年份，豐水中心年份分別是1970和1985年，2個少水中心年份分別為1977和1992年。蜻蛉河流域徑流量變化的復(fù)值Morlet小波變換系數(shù)模反映了徑流量變化在各時間尺度的局部化特征(圖3)。由圖3可以看出，15 a時間尺度的振蕩在研究時段內(nèi)相對明顯。而其它尺度則局部化特征很強(qiáng)，如20 a尺度的振蕩最弱，5 a尺度的振蕩在局部性特征尤為突出。

圖3 蜻蛉河流域徑流量的復(fù)值Morlet小波系數(shù)

3.5 演變趨勢

Mandelbrot等[12]對赫斯特指數(shù)H的大小與未來發(fā)展趨勢之間的關(guān)系進(jìn)行了探討，表明H=0.5是一個臨界值，當(dāng)0.5

4 結(jié) 論

(1) 蜻蛉河流域地表徑流年內(nèi)時間分配極不均勻，主要集中在夏秋兩季，而冬春兩季占全年的比例均較小。

(2) 自20世紀(jì)60年代以來，蜻蛉河流域徑流量總體呈現(xiàn)出了減少的趨勢，速率為4.80×107m3/10 a，但其變化趨勢的尚未達(dá)到0.05的顯著性水平。

(3) 自20世紀(jì)60年代中期至今，蜻蛉河流域徑流量的變化經(jīng)歷了“多—少—多—少”的演變過程，2010年為一個明顯的突變年份。

(4) 在研究時段內(nèi)，蜻蛉河流域徑流量變化局域性特征較為突出，沒有貫穿整個研究時段的周期性波動，相對而言較為明顯的是15 a左右的周期性變化。

(5) 蜻蛉河流域年徑流量的赫斯特指數(shù)大于0.5，表明存在比較顯著的赫斯特現(xiàn)象，故將維持前期的演變趨勢。自20世紀(jì)60年代以來蜻蛉河流域徑流量為減少趨勢，故未來持續(xù)減少的概率較大。

[1] Oki T, Kanae S. Global hydrological cycles and world water resources[J]. Science, 2006,313(5790):1068-1072.

[2] Boyer C, Chaumont D, Chartier I, et al. Impact of climate change on the hydrology of St. Lawrence tributaries[J]. Journal of Hydrology, 2010,384(1/2):65-83.

[3] 馮少輝,李靖,朱振峰,等.云南省滇中地區(qū)水資源脆弱性評價[J].水資源保護(hù),2010,26(1):13-16.

[4] 伍立群,王超.滇中地區(qū)水資源特性與水安全問題分析[J].水文,2009,29(S1):28-30.

[5] Burn D H, Elnur M A H. Detection of hydrologic trends and variability[J]. Journal of Hydrology, 2002,255(1/4),107-122.

[6] 吳創(chuàng)收,楊世倫,黃世昌,等.1954—2011年珠江入海水沙通量變化的多尺度分析[J].地理學(xué)報,2014,69(3):422-432.

[7] Lloyd E H, Hurst H E, Black R P, et al. Long-term storage: An experimental study[J]. Journal of the Royal Statistical Society, 1966, 129(4):591.

[8] 曹杰,李華宏,姚平,等.北半球夏季印度洋和太平洋水汽交匯區(qū)及其空間分異規(guī)律研究[J].自然科學(xué)進(jìn)展,2009,19(3):302-309.

[9] 賀晉云,張明軍,王鵬,等.近50年西南地區(qū)極端干旱氣候變化特征[J].地理學(xué)報,2011,66(9):1179-1190.

[10] 黃慧君,李慶紅,高月忠.云南省2009/2010年秋冬季罕見干旱診斷分析[J].熱帶地理,2011,31(1):28-32.

[11] 尤衛(wèi)紅.氣候變化的多尺度診斷分析和預(yù)測的多種技術(shù)方法研究[M].北京:氣象出版社,1998.

[12] 王文圣,丁晶,李躍清.水文小波分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

Evolutions of Water Resources in Typical Basin of Central Yunnan Province Under Changing Environment

DING Wenrong

(CollegeofTourismandGeographyScience,YunnanNormalUniversity,Kunming,Yunnan650500,China)

[Objective] A typical basin was taken as study area, we demonstrated the evolution of water resources in Central Yunnan Province, to supply scientific support for integrated water resources management. [Methods] Runoff data was collected in Qingling River basin of central Yunnan Province. Linear trend estimation, Mann-Kendall non parameter test, wavelet analysis method andR/Sanalysis were used. [Results] (1) Runoff is extremely non-uniform at the annual scale, and concentrating on the summer and winter. (2) Since 1960s, runoff of Qingling River basin showed a decreasing trend with a of 4.80×107m3/10 a, but the trend not yet reached the significant level of 0.05. (3) The periodical evolution of runoff experienced “rich—lack—rich—lack” processes, in 2010, an abrupt change occurred. (4) From the aspect of multi-time scale variation, it was locally prominent but not over all covered. Comparatively a 15 year-periodical variation was obvious. (5) A significant Hurst phenomenon existed for annual runoff of Qingling River basin, whereby the decrease probability in the future was great. [Conclusion] Water resources in Qingling River basin are unevenly distributed in seasonal and inter-annual time scale. A decrease trend will continue in the next period, hence rational planning is important.

changing environment; Central Yunnan Province; water resource; Qingling River

2016-07-18

2016-08-08

云南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目“金沙江下游龍川江流域水沙輸移過程及機(jī)制研究”(2015Z056); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41101099； 41261044)

丁文榮(1979—),男(彝族),云南省昆明市人,博士,副教授 ,主要從事水文水資源方面的研究工作。E-mail:dingwenrong@163.com。

A

1000-288X(2017)02-0274-04

TV312.9, K903