青海省近61年來地表水資源現(xiàn)狀及演變趨勢分析

汪清旭

(青海省水文水資源勘測局，青海 西寧 810000)

受氣候變化和人類活動(dòng)的影響，近61年，青海省地表水資源量發(fā)生了明顯的改變對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了一定的影響。本次分析以青海省第三次水資源調(diào)查評價(jià)為基礎(chǔ)，介紹青海省的地表水資源量的現(xiàn)狀和水資源量的分布特征，分析青海省61年地表水資源變化情況。

1 地表水資源現(xiàn)狀

省地表水資源量主要來源于降水，年平均降水量為2205億m3，只有29.2%的降水轉(zhuǎn)化為地表水和地下水資源量，其余70.8%的降水以植物蒸散發(fā)或以土壤蒸發(fā)的形式消耗。

省河川徑流量為627.4億m3，折合徑流深為90.1mm。按流域面積計(jì)算，平均1km2產(chǎn)水量為9萬m3；按水資源分區(qū)劃分，黃河流域地表水資源量為203.4億m3，占地表水資源總量的32.42%，長江流域地表水資源量為182.1億m3，占地表水資源總量的29.02%，西南諸河地表水資源量為112.8億m3，占地表水資源總量的17.98%，西北諸河地表水資源量為129.1億m3，占地表水資源總量的20.58%。

2 地表水資源量分布特征

省氣候類型屬于大陸性氣候，具有干旱少雨、蒸發(fā)量大且水文循環(huán)過程緩慢的特點(diǎn)。受季節(jié)性氣候的影響較大，導(dǎo)致省降水的年內(nèi)變化多集中于夏秋兩個(gè)季節(jié)，年際變化隨季風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)、季風(fēng)的強(qiáng)弱及其所夾帶的水汽量在各年有所不同。年際間降水量變化大，導(dǎo)致了年徑流變化大，存在明顯的豐枯交替或連豐連枯的現(xiàn)象。河川徑流量極值比較大，全省各水文站極值比在1～7之間，其中，黃河流域極值比較大，在2～7之間，長江流域、西南諸河及西北諸河極值比相對較小，在1～2之間。

河川徑流量的年際變化除降水主導(dǎo)外，還受到下墊面產(chǎn)水條件、流域蒸發(fā)量、流域集水面積大小等影響。降水量大的流域，下墊面對降水量的作用越小，流域蒸發(fā)量小，形成的徑流量所占的比重較大，相反，降水量小的流域，下墊面對降水量的作用越大，流域蒸發(fā)量大，形成徑流所占的比重就越小，結(jié)果使徑流量的年際變幅要大于降水的年際變幅。

青海省大多數(shù)河流屬于季節(jié)性河流，河川徑流量年內(nèi)分配不均勻。河川徑流量的年內(nèi)變化具有汛期徑流量多而變化劇烈，非汛期徑流量少而穩(wěn)定的特點(diǎn)。黃河流域河川連續(xù)最大四個(gè)月徑流量集中出現(xiàn)在7—10月，長江流域、西北諸河及西南諸河流連續(xù)最大四個(gè)月徑流量集中出現(xiàn)在6—9月，少數(shù)河流受春汛的影響，連續(xù)最大四個(gè)月徑流量出現(xiàn)在4—7月。連續(xù)最大四個(gè)月徑流量占全年徑流量的40.4%～81.7%，最大月徑流量集中在7月和8月，占比年徑流量的10.6%～26.9%，最小月徑流量集中在2月，占年徑流量的0.2%～6.6%。

省河川徑流量年內(nèi)分配不均勻，年際變化大，導(dǎo)致了地表水資源量在空間上分布不均勻，極容易形成洪災(zāi)或旱災(zāi)，對我省水資源開發(fā)利用極其不利。

從水資源的空間分布來看，南北差異較大，由于青海省降水分布呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的趨勢，形成了東南水多、西北水少的局面。全省徑流深變化范圍在0～500mm之間，徑流深高值區(qū)位于河西內(nèi)陸河?xùn)|部區(qū)冷龍嶺，多年均值徑流深在500mm以上，徑流深低值區(qū)位于柴達(dá)木盆地的中心地帶，多年平均徑流深在5mm以下，基本不產(chǎn)流。

3 資料選取與研究方法

3.1 資料選取

徑流站點(diǎn)選取了大江大河的控制站，受人類活動(dòng)影響較小的站點(diǎn)為區(qū)域徑流代表站。黃河流域選取了唐乃亥、民和、享堂等站點(diǎn)，長江流域和西南諸河選取直門達(dá)站和昌都站，西北內(nèi)陸河選取了德令哈、格爾木、布哈河口和札馬什克等站點(diǎn)見表1。

表1 青海省區(qū)域徑流代表站

選取1956—2016年分區(qū)水資源量系列值，包括地表水資源量總量、黃河流域、長江流域、西南諸河和西北諸河，見表2。

表2 青海省水資源一級分區(qū)

3.2 研究方法

集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)是一種適合于處理非線性、非平穩(wěn)時(shí)間序列的方法。它是在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，處理信號時(shí)在EMD的基礎(chǔ)上加入了一組或多組白噪聲信號，用于抑制經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過程中出現(xiàn)的端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊現(xiàn)象，有效的避免了尺度混合問題，使得最終分解的各分量保持了物理上的唯一性。對于原始信號，EEMD分解表達(dá)式為：

(1)

式中，ci(t)—信號在i固有尺度上的本征模函數(shù)(IMFs)；rn(t)—表信號分解后的趨勢項(xiàng)(RES)。

集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的具體操作步驟為：

(1)在待分析的原始信號中加入給定振幅的白噪序列。

(2)對于加入白噪聲后的信號做經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解。

(3)反復(fù)以上兩步操作，每次加入振幅相同的新生的白噪聲序列從而得到不同的IMFs。

(4)將各次分解得到的IMFs進(jìn)行集合平均，使加入的白噪聲相互抵消，并將其作為最終的分解結(jié)果。

4 水資源量趨勢分析

對于距平后的徑流時(shí)間序列，采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法進(jìn)行分解，得到了4個(gè)IMFs分量和一個(gè)趨勢項(xiàng)(RES)，這反映了天然徑流復(fù)雜的多時(shí)間尺度性，如圖1所示。各IMFs分量依次反映了徑流從高頻到低頻不同時(shí)間尺度的波動(dòng)特征，最后所得趨勢項(xiàng)(RES)表示徑流隨時(shí)間變化的整體演變趨勢。通過集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)青海省內(nèi)天然河川徑流量和分區(qū)水資源量的變化趨勢有以下特點(diǎn)：

受降水和下墊面影響天然河川徑流量的變化趨勢形態(tài)上存在差異性，從趨勢項(xiàng)可以看出，河流的變化趨勢主要存在三種類型，分別是：上升型、先上升后下降型、先下降后上升型。

總體來看，各水文站的變化趨勢基本與分區(qū)水資源變化趨勢一致。但也不盡相同，如直門達(dá)水文站變化趨勢明顯上升，但長江流域分區(qū)水資源量呈現(xiàn)出不明顯的增加趨勢，主要原因是長江流域內(nèi)其他分區(qū)水資源量變化趨勢不明顯引起的。

從流域分區(qū)水資源量變化趨勢看，長江流域、西南諸河和西北諸河總體趨勢都呈增加趨勢，可能與區(qū)域內(nèi)降水增加及氣候變暖等因素有關(guān)。黃河流域內(nèi)水資源量呈減少趨勢，但省內(nèi)主要支流變化趨勢不顯著，因此，主要引起分區(qū)水資源量減少的原因是黃河干流水資源量減少所致，從區(qū)域降水量來看，黃河流域降水呈增加趨勢，可見降水與徑流變化趨勢相反，這與降水徑流的一致性相矛盾，導(dǎo)致黃河干流水資源減少的原因有待進(jìn)一步分析研究，可能是由于下墊面的變化或人類活動(dòng)引起的。

圖1中IMFs1振幅越大，表示信號的能量大。通過比較集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后IMFs1分量的振幅，黃河流域20世紀(jì)60年代及80年代的振幅較大，表明該時(shí)期為豐水期，同理比較后得出，長江流域的豐水期為20世紀(jì)80年代和2000年以后，西南諸河的豐水期為20世紀(jì)80年代，西北諸河的豐水期為20世紀(jì)80年代和2000年以后，各流域分區(qū)豐水時(shí)段綜合后得出青海省的豐水期為80年代。

從各分量IMFs的周期變化看，大多數(shù)水文站和分區(qū)水資源量EEMD分解的IMFs1和IMFs2年際變化基準(zhǔn)周期為3年和7年，IMFs3和IMFs4年代際變化周期為12年和30年。

圖1 水文站河川徑流量及分區(qū)水資源量距平的各IMFs分量及趨勢項(xiàng)

圖1 水文站河川徑流量及分區(qū)水資源量距平的各IMFs分量及趨勢項(xiàng)(續(xù)圖)

5 結(jié)語

本文在第三次評價(jià)成果的基礎(chǔ)上，采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)法對地表水資源量做了簡單的趨勢分析，至于水資源量增加或減少的成因沒有做定性分析，還需要從區(qū)域氣候變化及人類活動(dòng)對下墊面的改變等角度來進(jìn)一步研究地表水資源量增加或減少的具體原因，這樣才能更好的了解變化環(huán)境下地表水資源量的演變趨勢，為區(qū)域水資源管理提供更為全面的科學(xué)依據(jù)。

本文只是在方法上為水資源量趨勢分析提供一種新的思路，優(yōu)勢在于去除了人為因素的影響，分解的趨勢項(xiàng)能夠真實(shí)反映時(shí)間序列的變化趨勢，缺陷在于趨勢項(xiàng)不能夠直接體現(xiàn)出時(shí)間序列變化的顯著性。