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經(jīng)濟發(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。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季節(jié)，年際變化隨季風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)、季風(fēng)的強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。黃河流域河川連續(xù)最大四個月徑流量集中出現(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)最大四個月徑流量出現(xiàn)在4—7月。連續(xù)最大四個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

徑流站點選取了大江大河的控制站，受人類活動影響較小的站點為區(qū)域徑流代表站。黃河流域選取了唐乃亥、民和、享堂等站點，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?zāi)B(tài)分解(EEMD)是一種適合于處理非線性、非平穩(wěn)時間序列的方法。它是在經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(EMD)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，處理信號時在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?zāi)B(tài)分解過程中出現(xiàn)的端點效應(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(RES)。

集合經(jīng)驗?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?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間序列，采用集合經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法進行分解，得到了4個IMFs分量和一個趨勢項(RES)，這反映了天然徑流復(fù)雜的多時間尺度性，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間尺度的波動特征，最后所得趨勢項(RES)表示徑流隨時間變化的整體演變趨勢。通過集合經(jīng)驗?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：

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一步分析研究，可能是由于下墊面的變化或人類活動引起的。

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?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

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(續(xù)圖)

5 結(jié)語

本文在第三次評價成果的基礎(chǔ)上，采用集合經(jīng)驗?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對下墊面的改變等角度來進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，分解的趨勢項能夠真實反映時間序列的變化趨勢，缺陷在于趨勢項不能夠直接體現(xiàn)出時間序列變化的顯著性。