山西省水資源量多尺度演變特征分析

王電龍

（山西省水利建設(shè)開發(fā)中心，山西 太原 030002）

1 引言

山西省水資源量極度匱乏，人均水資源量約為466m3，僅占全國人均水資源量的17%。近50年來，山西省水資源量嚴(yán)重衰減，其原因主要可歸結(jié)為氣候變化和人類活動(dòng)影響兩大因素，但在不同尺度上其衰變特征表現(xiàn)出很大的差異。

尺度效應(yīng)是水資源演變過程研究不可忽視的問題，尺度過小容易受眾多隨機(jī)因素的影響和干擾，尺度過大則易將重要的演變特征掩蓋忽略，因此進(jìn)行水資源演變尺度效應(yīng)的研究是十分必要的。國內(nèi)外已有眾多學(xué)者對(duì)水資源演變的尺度效應(yīng)進(jìn)行了研究。下文采用M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、小波變換等方法，研究山西全省、山西黃河流域和海河流域水資源量在不同時(shí)間尺度上的演變特征，旨在為全省水資源演變過程的研究及水資源評(píng)價(jià)規(guī)劃工作提供一定的理論支持。

2 研究區(qū)概況

山西省位于華北平原西部，黃土高原東翼，南北長約680 km，東西寬約380 km，總面積156271 km2，從北到南可劃分為晉北、晉中和晉南三大區(qū)域。氣候區(qū)劃屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季變化較大，南北差異明顯，冬季寒冷干燥，夏季雨水集中，春季干旱多風(fēng)，秋季短暫溫和。全省平均氣溫4～14℃，空間分布為由南向北逐步遞減，在緯度水平相近的兩地，氣溫隨海拔的升高而降低；多年平均降水量507.0 mm，多集中在7—9月，空間分布為由東南向西北逐步遞減。

3 研究方法

此次研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要為1956—2010年山西省水資源量、山西黃河和海河流域水資源量，其中1956—1983年數(shù)據(jù)來源于1996年編制的《山西省水中長期供求計(jì)劃報(bào)告（1996—2010年）》，1984—2010年數(shù)據(jù)來源于《山西省歷年水資源公報(bào)》。

采用M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法研究水資源量在逐年尺度上的變化特征。M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，可有效檢驗(yàn)氣象因子及水資源量序列的演變突變。采用小波變換法研究水資源量在中尺度和大尺度上的演變特征。小波變換是一種新興的信號(hào)處理研究方法，有信號(hào)處理“顯微鏡”之稱，可以將信號(hào)進(jìn)行多尺度處理，有效剔除信號(hào)的隨機(jī)因素，還原信號(hào)本質(zhì)演變趨勢(shì)。

4 研究成果

4.1 逐年尺度演變特征

利用DPS7.5軟件對(duì)山西省全省、山西省黃河及海河流域水資源量1956—2010年序列進(jìn)行M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（圖1）。統(tǒng)計(jì)量正、逆序列的交叉點(diǎn)即為水資源量序列的突變點(diǎn)，若交叉點(diǎn)位于1%置信區(qū)間之內(nèi)，則說明水資源量序列在1%顯著水平上發(fā)生突變，如果交叉點(diǎn)位于5%置信區(qū)間之內(nèi)，說明在5%顯著水平上發(fā)生突變。

由圖1可以看出，山西省水資源量序列在1978年發(fā)生突變，由此可將水資源量序列分為兩段，1956—1978序列受人類活動(dòng)和氣候影響變化較小，為144.53億m3，1979—2010序列則受人類活動(dòng)和氣候變化影響較大，為99.52億m3，即在人類活動(dòng)和氣候變化的共同影響下山西省水資源量減少了45.01億m3。山西省黃河流域水資源量序列在1974年發(fā)生突變，1956—1974序列受人類活動(dòng)和氣候影響變化較小，為86.38億m3，1975—2010序列則受人類活動(dòng)和氣候變化的影響較大，為61.83億m3，即在人類活動(dòng)和氣候變化的共同影響下山西省黃河流域水資源量減少了24.55億m3。山西省海河流域水資源量序列在1979年附近發(fā)生突變，1956—1979序列受人類活動(dòng)和氣候影響變化較小，為59.66億m3，1980—2010序列則受人類活動(dòng)和氣候變化影響較大，為39.02億m3，即在人類活動(dòng)和氣候變化的共同影響下山西省海河流域水資源量減少了20.64億m3。

4.2 3年尺度演變特征

采用db3小波函數(shù)對(duì)山西省、山西省黃河流域和海河流域1956—2010年水資源量序列進(jìn)行1~5年尺度的離散小波變換，然后對(duì)3年尺度的低頻信號(hào)進(jìn)行單支重構(gòu)，得到小波重構(gòu)圖，見圖2。

從圖2（a）可以看出，近55年來全省水資源量系列在3年尺度上存在3個(gè)明顯拐點(diǎn)，分別為1967年，1976年和2000年，1956—1967年平均下降速率為0.2億m3/a，1968—1976年加速下降為 1.1億m3/a，1977—2000年下降速率為1.35億m3/a，2001—2010年上升速率為2.1億m3/a。由圖2（b）可以看出，黃河流域水資源量系列存在1966年，1977年，1984年和2000年4個(gè)拐點(diǎn)，1956—1966年平均下降速率為0.24億m3/a，1967—1977年加速下降為1.70億m3/a，1977—1984年上升速率為0.55億m3/a，1985—2000年下降速率為0.82億m3/a，2001—2010年上升速率為1.73億m3/a。由圖2（c）可以看出，海河流域水資源量系列存在1985年和1992年2個(gè)拐點(diǎn)，1956—1985年平均下降速率為 1.0億m3/a，1986—1992年上升速率為0.46億m3/a，1993—2010年下降速率為0.45億m3/a。

圖1 山西省水資源量序列M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

圖2 3年尺度山西省水資源量演變特征

圖3 5年尺度山西省水資源量演變特征

4.3 5年尺度演變特征

采用db3小波函數(shù)對(duì)山西省、山西省黃河流域和海河流域1956—2010年水資源量序列5年尺度的低頻信號(hào)進(jìn)行單支重構(gòu)，得到小波重構(gòu)圖，見圖3。

從圖3可以看出，近55年來，山西全省及山西省黃河流域、海河流域水資源量序列在5年尺度上均存在2個(gè)明顯拐點(diǎn)，分別為1959年和1990年。1956—1959年全省及省內(nèi)黃河流域、海河流域水資源量下降速率分別為0.31億m3/a，0.15億m3/a和0.16億m3/a；1960—1990年下降速率分別為2.22億m3/a，1.28億m3/a和0.94億m3/a；1991—2010年上升速率分別為0.8億m3/a，0.7億m3/a和 0.1億m3/a。

5 結(jié)論

采用M-K統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)和小波變換法研究了山西全省、山西省黃河流域和海河流域1956—2010年系列多尺度演變特征，得出如下成果：一是研究區(qū)水資源量年序列在1%顯著水平上存在明顯突變，發(fā)生突變的年份分別為1978年，1974年和1979年。明確了水資源在人類活動(dòng)和氣候變化影響下發(fā)生突變的節(jié)點(diǎn)。二是在3年尺度上，山西全省及海河流域水資源量序列存在3個(gè)明顯拐點(diǎn)，黃河流域存在4個(gè)明顯拐點(diǎn)。三是在5年尺度上，山西全省及黃河、海河流域的水資源量序列均存在2個(gè)明顯拐點(diǎn)。以上研究成果可為進(jìn)一步厘清全省水資源演變機(jī)制提供一定的理論基礎(chǔ)，并為區(qū)域水資源的合理開發(fā)利用提供指導(dǎo)。