邯鄲市水資源時序變化及其與氣候因子關(guān)系

趙國麗

（河北省邯鄲水文水資源勘測局，河北邯鄲056001）

1 邯鄲市概況

邯鄲地處冀南太行山東簏，總面積1.2074萬km2，總?cè)丝?47萬。區(qū)域第十呈階梯狀自西向東傾斜，依次是山地、丘陵、平原地貌類型，海拔介于32.7～1898.7m，高程差異顯著，坡降達11.81%。屬東亞溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，季候分明，年均溫13.5 ℃，年降雨量503.2mm，其中65%集中于6～9月，無霜期200d，日照時數(shù)2557h。區(qū)域氣候濕潤度低，年蒸發(fā)量高達1245mm，地表徑流發(fā)育不足，供水以地下水為主。統(tǒng)計顯示區(qū)域2018年水資源總量16.7億m3，人均占有量不足200m3，是全國嚴重缺水的城市之一。

2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

目標(biāo)變量是區(qū)域水資源總量，其來源于河北統(tǒng)計年鑒與邯鄲市水資源公報，該數(shù)據(jù)為扣除地表徑流與地下水資源重復(fù)計算的部分。氣象環(huán)境變化對水循環(huán)過程具有重要影響，為研究二者關(guān)系，從國家氣象中心提取了同步觀測的降水量、氣溫、蒸發(fā)、日照時數(shù)、氣壓、濕度等在年統(tǒng)計口徑上的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)時間尺度為1971～2015年。通過Excel繪制對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，運用3次樣條函數(shù)插值剔除空值，其他數(shù)據(jù)處理則主要通過Matlab處理［3］。

3 研究方法

時間序列分析是解析時間變量的基礎(chǔ)方法，本文采用一元回歸分析獲取其變化趨勢特征，并通過F檢驗探索統(tǒng)計顯著性。水資源的年際變化可能存在全局或局部趨勢，運用Maan-Kendall檢驗方法進行突變分析，小波分析法用來探究其時間尺度特征；Person 法則獲取水資源與氣候因素之間的線性關(guān)系。

4 結(jié)果與分析

4.1 邯鄲市水資源基本特征

邯鄲市水資源總量變化范圍介于14.01 億～18.78億m3之間（如圖1），最高值出現(xiàn)在1973年，最低值出現(xiàn)在2015年，分別與當(dāng)年的極端降水密切相關(guān)。其水資源均值16.72億m3，變異系數(shù)達32.17%，呈現(xiàn)中等強度變異，表明其年際波動性較強，這為區(qū)域水資源規(guī)劃預(yù)測帶來不確定性影響。回歸分析表明表現(xiàn)為 （y =-0.0242x +65.024，F(xiàn)，2.32，R2=0.1904），傾向斜率達-0.0242億m3，并未通過0.05水平信度檢驗。

圖1 水資源Maan-Kendall突變檢驗

宋曉輝等［4］研究表明華北地區(qū)氣候干化發(fā)展加劇了地表水分損失，這也是區(qū)域水資源減少的自然原因之一，其研究結(jié)果與本文一致。另結(jié)合杜亮亮等［5］研究結(jié)果，近半世紀以來邯鄲地區(qū)極端降水天氣強降雨或冰雹、暴雪增加，這雖然對水資源總量變化影響不大，卻容易誘發(fā)氣象災(zāi)害。

4.2 邯鄲市水資源突變分析

圖2中UF為水資源總量滑動平均的歸一化值，UB為檢驗閾值線，通常認為其值為±1.68，±1.96，±2.24時，表明其突變通過0.1，0.05，0.01信度水平的檢驗。圖上UF，UB曲線在1973年處有個節(jié)點相交，表明存在1個突變點，但突變年份并未通過0.05水平的檢驗，表明該變化不顯著。其中在2000～2012中部分年份水資源量變化觸及閾值線，表明該年水資源變化相對于前一年的變化顯著，但并不存在全局突變趨勢。

圖2 邯鄲市水資源年際序列時間突變分析

4.3 邯鄲市水資源變化周期性分析

周期性特征反映了水資源變化的物候節(jié)律性。圖3中曲線為經(jīng)過連續(xù)小波變化后計算的水資源量及相關(guān)氣候因子的小波方差，方差曲線峰谷變化能夠指示其周期性。圖上顯示區(qū)域水資源變化存在多個周期，基于小波方差大小可知16a為其主周期，27，8，3a為次周期。降水量的主要周期為3，10a；溫度則為23，12a；蒸發(fā)為3，8a；其中蒸發(fā)、降水與水資源的周期存在套合現(xiàn)象，表明這些因素之間具有遙相關(guān)性。

圖3 水資源與氣象因子周期性特征

4.4 VFC動態(tài)變化驅(qū)動因素分析

根據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)相關(guān)性系數(shù)r的絕對值大小判定區(qū)域水資源與氣候因子的相關(guān)程度，通常認為|r|>0.90極度相關(guān)；|r|≥0.8為高度相關(guān)；0.5≤|r|<0.8中度相關(guān)；0.3≤|r|<0.5為低度相關(guān)；|r|<0.3關(guān)系極弱，可認為不相關(guān)。由圖4可知，邯鄲市水資源與降水因素的相關(guān)性最強，R2=0.7953，r=0.8917，二者表現(xiàn)出高度相關(guān)，表明降水對水資源量的數(shù)值模擬具有重要影響。其與蒸發(fā)、溫度的相關(guān)性微弱，相關(guān)系數(shù)分別是0.079，0.014，統(tǒng)計學(xué)上認為二者無關(guān)系。需要指出的是，Pearson相關(guān)性認定為無相關(guān)并不意味著二者在氣候系統(tǒng)聯(lián)動影響上無影響，他們存在一定尺度嵌套，反映了這些要素之間復(fù)雜的非線性關(guān)系。

圖4 邯鄲市水資源與氣象因子的相關(guān)性

5 結(jié)語

初步分析了邯鄲市1971～2015年水資源變化趨勢與相關(guān)氣候因子的響應(yīng)，結(jié)果表明區(qū)域水資源的減少的區(qū)域特征與氣候環(huán)境具有一定的關(guān)聯(lián)性，其中降水的減少削弱了水資源的有效補給，蒸發(fā)量的增加加劇了地表水分的損失，這是該地水資源短缺的主要原因。