安圖縣水資源演變規(guī)律研究

劉 文 尹 華

（吉林省水文水資源局，吉林 長春 130022）

前言

吉林省延邊朝鮮族自治州安圖縣境內(nèi)山嶺縱橫，河道交錯，受長白山脈影響，地勢東南高西北低，東西向窄南北向長的特點。 特有 “天然礦泉水基地”、“中國礦泉水之鄉(xiāng)”、“中藥材良種繁育基地縣”、 “長白山下第一縣”、“綠色”中藥材出口基地縣、國家生態(tài)示范區(qū)、全國水利經(jīng)濟先進縣、吉林省生態(tài)建設試點縣等美譽。水資源是安圖縣的經(jīng)濟命脈，所以科學認識和掌握水資源的演變情勢尤為重要。

1 安圖縣降雨徑流趨勢變化和突變檢驗

1.1 檢驗方法

1.1.1 M-K秩次相關(guān)檢驗法

非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗法Mann-Kendall(M-K)被廣泛應用于水文數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)序列分析，能有效地提取各種數(shù)據(jù)序列變化趨勢，此方法樣本不用嚴格遵從規(guī)定的分布規(guī)律，少數(shù)異常值對其干擾影響也較小。在M-K趨勢檢驗中，原假設H0為數(shù)據(jù)序列沒有發(fā)生趨勢改變，對n個樣本總?cè)萘康臅r間序列x1，x2，……，xn，其構(gòu)造統(tǒng)計量S。

其中，sign()為符號函數(shù)。當xi-xj大于、等于或小于零時，sign(xi-xj)分別為1、0或-1； 當n≥10時，S基本滿足正態(tài)分布狀態(tài)，標準量化為：

當顯著水平 ，查標準正態(tài)分布表后臨界值為

。如果 ，那么在當前顯著水平下，數(shù)據(jù)序列必定存在向下或向上的趨勢，否則數(shù)據(jù)序列沒有趨勢的原假設也必然成立。

1.1.2 M-K突變趨勢檢驗方法

Mann-Kendall(M-K)突變趨勢檢驗法是一種無分布檢驗的方法，此方法優(yōu)點是樣本不需要遵從規(guī)定的分布規(guī)律，少數(shù)異常值對其干擾影響也較小，檢測區(qū)間寬、人為干擾少、量化度高等特點。

M-K趨勢檢驗法應用于對n個樣本總量的徑流數(shù)據(jù)要素序列x檢驗數(shù)據(jù)序列是否突變時，構(gòu)造序列Sk：

表示＞ 時的樣本累積數(shù)。

在假定在隨機獨立的時間序列條件下，Sk的均值計算公式和方差計算公式如下：

式中，UFk為標準正態(tài)分布，取UF1=0。當顯著水平 時，臨界值查標準正態(tài)分布表后為1.96。若，表明數(shù)據(jù)序列明顯存在向下或向上的趨勢。

將時間序列反向排列，再次進行如上計算，同時使k′=n+1-k、UBk=-UFk′、UB1=0。由UFk繪出曲線C1、UBk繪出曲線C2。當曲線C1超過臨界值線，則判定為變化趨勢明顯，當曲線C1與曲線C2相交于臨界值之間，交點時間為開始突變時間。

1.2 檢驗結(jié)果

從安圖縣時間序列為1956—2010年的降水量數(shù)據(jù)趨勢檢驗結(jié)果來看，Z＝-0.86，小于臨界值1.96，說明有不顯著的下降趨勢。

圖1為安圖縣時間序列為1956—2010年降水量的M-K突變檢驗和趨勢變化圖。由圖1可見，UFk和UBk曲線相交在1986年處，而且交點位于臨界值以內(nèi)，可確定1986年為突變開始時間。而曲線UFk位于臨界值以內(nèi)，變化趨勢可確定為不顯著。

從UFk曲線還可以確定，降水量多年的趨勢變化情況：1956—1958年趨勢向下，1959—1967年趨勢向上，1968—1984年趨勢向下，1985—2010年趨勢向上。

從安圖縣時間序列為1956—2010年的徑流量數(shù)據(jù)趨勢檢驗結(jié)果來看，臨界值為1.96，Z＝-1.28，說明Z值小于臨界值，年徑流有不顯著的下降趨勢。

圖2安圖縣年天然徑流量的M-K突變檢驗和趨勢變化圖。由圖2可以，UFk和UBk曲線在1967年、1986年、1989年有3個交點，表明其突變時間不明顯，應用滑動t檢驗法對其結(jié)果進行驗證時，同樣沒有突變點，可確定沒有突變年。又因曲線UFk位于臨界值區(qū)域以內(nèi)，表明它的變化趨勢不顯著。

圖1 安圖縣年降水量的M-K突變檢驗和變化圖

圖2 安圖縣年天然徑流量的M-K突變檢驗和趨勢變化圖

1.3 計算成果分析

1.3.1 降雨徑流關(guān)系分析

用工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活等用水量對地表水水量進行還原，可以得到安圖縣時間序列為1956—2010年和天然年徑流數(shù)據(jù)系列值。

確定以1986年突變時間為界，統(tǒng)計1956—1986、1987—2010年的2段安圖縣的多年平均天然徑流量、多年平均降水量以及徑流系數(shù)和徑流深，計算結(jié)果詳見表1。

表1 安圖縣前后2階段水文要素統(tǒng)計表

地表徑流源自天然降水，降水經(jīng)匯聚形成地表徑流，當降水量有較大變化時，地表徑流也會發(fā)生相應的改變。從表1中可以總結(jié)出，降水兩段差為20.6mm，比前一段增加了2.78%，徑流深也增加了3.5mm，增幅為1.10%，徑流總量增加0.25億m3，從趨勢來看，隨著降水量的略有增加，徑流量也有增加的變化趨勢。

單位降水量形成的徑流深即為徑流系數(shù)，它能夠反映出自然地理要素對流域內(nèi)徑流關(guān)系和降水的影響。根據(jù)表1，兩階段徑流系數(shù)變化較小，可以確定安圖自然地理要素沒有發(fā)生較大改變，表明流域的下墊面受人類活動影響較小，也沒有發(fā)生較大變化。

1.3.2 降雨趨勢變化

根據(jù)安圖縣的M-K突變檢驗結(jié)果，可以確定1986年為降水序列突變起始時年，雖然從總體趨勢上來講是增加趨勢，但顯著性水平還不夠。

2 水資源演變情勢分析

2.1 地表水資源量演變情勢分析

第1次水資源評價的時間序列為1956—1979年的多年平均地表水資源量為23.21億m3；近期1980—2000年的年平均地表水資源量為23.7818億m3。序列為1956—2000年的多年平均地表水資源量24.2598億m3。近期21a的多年平均地表水資源量比第1次評價結(jié)果增加了0.573億m3，增加2.47%，比長系列值減少0.478億m3，減少1.97%。

2001—2010年多年平均徑流量為20.2551億m3，與1956—2000年多年平均徑流量比較，減少16.5%，其中，布爾哈通河區(qū)減少6.97%，二道松花江區(qū)減少17.9%。

2.2 地下水資源量演變情勢分析

第1次水資源評價地下水資源量5.39億m3/a，第2次水資源評價地下水資源量為5.4122億m3/a，相比增加0.41%。可開采量基本持平，本次評價可開采量2.7924億m3/a。本次評價對山丘區(qū)按《評價細則》要求進行了地下水可開采量計算，因此，安圖縣地下水可開采量減少很小。

3 結(jié)論

安圖縣降雨徑流關(guān)系從變化趨勢來看，雖然降水有少量增加，但徑流量也表現(xiàn)出增加的趨勢。從徑流系數(shù)來看，自然地理要素沒有發(fā)生較大改變，表明流域的下墊面受人類活動影響較小，沒有發(fā)生較大變化。地表水資源量與長系列相比有減少情勢，而地下水資源總量略有增加，然而可開采量則基本沒有變化，與往年持平。

[1]安圖縣河湖健康評估報告[R].松遼水利水電開發(fā)有限責任公司,2016.

[2]安圖縣水資源保護規(guī)劃[R].安圖縣水利局,2017.

[3]梁艷芹,張瑞云.石家莊市水資源演變情勢分析[J].水科學與工程技術(shù),2012.