唐山市降水資源特征研究

佟婧芬

(河北省唐山水文水資源勘測(cè)局，河北 唐山 063000)

水資源總量的年際變化主要受降水等水循環(huán)因素影響，因而具有隨機(jī)性、不確定性的特點(diǎn)，準(zhǔn)確掌握水資源時(shí)間變化規(guī)律為水資源管理調(diào)配提供基礎(chǔ)依據(jù)，也為防洪、抗旱提供預(yù)測(cè)信息。在全球變化特別是氣候變化的背景下，水資源變化規(guī)律性減弱，為深入挖掘其高維特征信息，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了移動(dòng)平均、信息熵、M-K非參數(shù)檢驗(yàn)、小波分析、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法檢測(cè)其結(jié)構(gòu)性規(guī)律[1-3]，并取得良好的效果。唐山市是我國(guó)著名的干旱城市，此前相關(guān)學(xué)者對(duì)該市水資源傾向斜率、年代變化、月季分布特征進(jìn)行了研究[4-5]，而關(guān)于其時(shí)間變化趨勢(shì)、周期性的研究尚不多見。鑒于此，文章擬應(yīng)用M-K和小波分析法，揭示其近60年的變化特征，以促進(jìn)水資源高效、永續(xù)利用。

1 背景資料

唐山市年平均氣溫12.5℃，區(qū)域降水量500～700mm，日照時(shí)數(shù)2212h。河流發(fā)源于山地，流程短、流量小，有明顯豐枯季，有春汛和夏汛，地表徑流量達(dá)14.62億m3，屬渤海水系。用地類型以林草地、耕地、建設(shè)用地為主，典型植被為溫帶落葉闊葉林和針葉林。唐山市常年水資源總量為26.27億m3，人均占有量?jī)H為385m3，低于警戒線400m3的水平，屬于我國(guó)嚴(yán)重缺水城市。近年來(lái)隨著重化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展、人口聚集、城市用水量迅速增加，然而區(qū)域水源供應(yīng)不足、水污染問題十分嚴(yán)重，為民生安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)隱患。

2 研究理論方法

2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

水資源總量的年際變化與降水、氣候變化等因素密切相關(guān)，因而其具有時(shí)間不確定性。對(duì)于水資源量這種隨機(jī)自然變化的變化趨勢(shì)，學(xué)者們往往采用Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法，其不受樣本值、分布類型等影響，能夠深入挖掘隱含信息、排除共線性，得出水資源量準(zhǔn)確變化趨勢(shì)。對(duì)于時(shí)間序列變量(X1，X2，…，Xn)，n為時(shí)間序列長(zhǎng)度，M-K法定義了統(tǒng)計(jì)量S：

(1)

式中，Sgn()—符號(hào)函數(shù)，規(guī)則如下：

(2)

S為正態(tài)分布，其均值為0。方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18，當(dāng)n>10時(shí)，正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量計(jì)算如下：

(3)

若Z>0，則表明降水在該時(shí)間序列呈增加趨勢(shì)，否則為降低趨勢(shì)，并且絕對(duì)值越大，趨勢(shì)越明顯。根據(jù)Z值大小，設(shè)置了不同的信度檢驗(yàn)水平，當(dāng)Z>2.24時(shí)，表明在0.01水平上達(dá)到顯著；Z>1.96時(shí)，在0.05水平上顯著；Z>1.64時(shí)在0.1水平上顯著。

2.2 一元回歸

對(duì)于隨機(jī)變量的一維變化特征解析通常采用一元回歸分析法。水資源總量的宏觀變化用回歸系數(shù)定量表達(dá)，其定義如下：

(4)

式中，h—擬合系數(shù)，表征在該時(shí)間度量上水資源總量的單位變化量；i—年份序列；n—研究時(shí)域長(zhǎng)度[1]。

2.3 小波分析

小波分析是法國(guó)工程師J.Morlet提出用于處理一維信號(hào)的方法，其通過一維伸縮、平移、提取等方法進(jìn)行不同尺度的細(xì)化分析，從而得出信號(hào)變化規(guī)律、宏觀周期。水資源總量變化具有不規(guī)則性、周期性，小波方差能夠很好地識(shí)別這一特性。小波函數(shù)描述如下[5-6]：

(5)

式中，f(x)—小波函數(shù)；ψ(x)—小波基函數(shù)，ψ(x)的收縮或擴(kuò)張因子即為尺度參數(shù)，用a表示，b則表征小波中心位置。小波方差為變量在特定尺度上周期性擬合方差，一般而言，小波方差越大，則其承載的高頻信息越豐富，越能體現(xiàn)變量在此處的細(xì)節(jié)特征。其計(jì)算方法如下：

(6)

式中，S—小波方差;u—小波分解中心;n—信號(hào)數(shù)量。

2.4 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

以唐山市水資源總量和降水量為研究對(duì)象，以氣象數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。氣象數(shù)據(jù)為國(guó)家氣象中心((http://dctc.cmc.cn/))提供的唐山市氣象站點(diǎn)降水資料，共計(jì)7個(gè)站點(diǎn)，時(shí)間跨度為1960—2011年，時(shí)間分辨率為逐日，其中部分日數(shù)據(jù)存在缺漏，按照常規(guī)方法內(nèi)插處理。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要是唐山市水資源總量數(shù)據(jù)，來(lái)源于《唐山市水資源公報(bào)》，時(shí)間跨度為2000—2015年。采用Excel 2016軟件匯總逐日降水量數(shù)據(jù)，計(jì)算年降水量，并采用線性回歸方法繪制變化趨勢(shì)圖；于DPS軟件平臺(tái)上對(duì)降水、水資源總量數(shù)據(jù)進(jìn)行M-K檢驗(yàn)分析；應(yīng)用Matlab2017b進(jìn)行小波變換、小波方差分解，于ArcGIS10.3平臺(tái)上繪制水資源空間分布圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 水資源時(shí)間變化

圖1為唐山市水資源、降水量時(shí)間變化趨勢(shì)圖。可知，自1960年以來(lái)全市水資源總量呈減少趨勢(shì)，其中2006—2010年全市平均水資源總量為歷史最低值，僅為17.0億m3，低于歷史平均水平；最高值出現(xiàn)在1976—1980年間，達(dá)到31.6億m3。其年代變化趨勢(shì)為y=-1.1918x+31.105，R2=0.5985，年變化量為在0.05水平上達(dá)到顯著性，其表面減少的趨勢(shì)特征明顯。徑流深度受降水、徑流量影響，因而亦具有波動(dòng)性，其中2006—2010年達(dá)到最低值，為42.1mm，最高值出現(xiàn)在1976—1980年，其間均值為157.8mm。徑流深度的年代變化表現(xiàn)為y=-9.9864x+157.82，R2=0.6886，呈減少趨勢(shì)，并通過了5%水平的信度檢驗(yàn)，表明這種變化趨勢(shì)具有統(tǒng)計(jì)意義。不難發(fā)現(xiàn)，近年來(lái)唐山市徑流深度僅為20世紀(jì)60年代水平的1/3，地表徑流急劇減少；相應(yīng)地，區(qū)域水資源總量也僅為60年代初的2/3。表明，唐山市水資源總量降低、水源退化。

圖1 唐山市水資源/降水量時(shí)間變化注：圖中年代序列以每5年起算，1代表1960—1965年，2代表1966—1970年，以此類推，11代表2010—2015年。

1960—2010年間唐山市降水資源呈現(xiàn)明顯波動(dòng)特征(如圖1所示)。該時(shí)期降水量最高值出現(xiàn)在1964年，達(dá)1016mm，遠(yuǎn)高于621.17mm的平均水平。另外于1969年達(dá)到次高值，為949mm，1977年降水量亦較大，為901mm、1998和2008年兩個(gè)特殊年份的降水量也較大，分別為793、759mm。降水量最低值出現(xiàn)在1997年，僅為401mm，1989年僅有412mm。經(jīng)擬合分析可知，該時(shí)期唐山市降水資源呈減少趨勢(shì)，表現(xiàn)為y=-2.0091x+673.52，R2=0.0336，然而并未通過0.1水平的信度檢驗(yàn)，表明這種趨勢(shì)不顯著。一元回歸分析只能宏觀描述其傾向斜率，對(duì)于其局部變化信息需要應(yīng)用小波分析解析。

3.2 水資源空間分布

水資源空間分布主要受水循環(huán)過程影響。唐山市位于東亞中緯度溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，降水量受西太平洋季風(fēng)環(huán)流控制，加之海陸位置效應(yīng)，區(qū)域水資源呈東北-西南減少的特征。東北部燕山山地區(qū)地勢(shì)較高，暖濕氣流受地勢(shì)抬升而匯聚，增加了降水；而西南部距離海洋較遠(yuǎn)，加之無(wú)地勢(shì)阻擋，因而降水資源較少。Kring差值表明(如圖2所示)，唐山市東北部為區(qū)域降水資源豐富地區(qū)，局部高達(dá)700mm，西南部、西北部最少，局部小于600mm。而西南部平原區(qū)為區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展基地，東北部則主要是生態(tài)林草地，水資源在空間上分布特征與經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求不匹配。

圖2 唐山市各區(qū)域降水量分配

3.3 水資源突變分析

圖3給出了唐山市水資源總量年際變化細(xì)節(jié)信息及其變化趨勢(shì)檢驗(yàn)。圖3中虛線為UF線，表示相應(yīng)年度降水信息，實(shí)線為UB曲線，用以檢驗(yàn)其變化顯著性，可知自1960—2010年來(lái)唐山市水資源總量整體呈減少趨勢(shì)，這與圖1分析的結(jié)論一致。1960—1980年間UF曲線值明顯高于1980—2010年的值，結(jié)合圖1，前20年水資源總量值高出后30年近10億m3。于1960—1972年間唐山市水資源總量呈波動(dòng)降低趨勢(shì)，在1972—1978年呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，而后的階段主要呈減少變化，于2008年有較大升高，但隨后又劇烈下降。UF-UB曲線相交點(diǎn)為突變存在的年份，結(jié)合其時(shí)間序列變化趨勢(shì)可排除1983、1986、2008年等交點(diǎn)。較為明顯的突變點(diǎn)為1979年，1979年之前唐山市水資源總量變化趨勢(shì)不明顯，而1979年之后表現(xiàn)出逐漸減少趨勢(shì)特征；但UB曲線并未觸發(fā)閾值線，表明這種突變不具有統(tǒng)計(jì)意義。

圖3 唐山市水資源突變檢驗(yàn)

3.4 降水量周期性分析

圖4分別反映了唐山市水資源總量年際變化的小波尺度方差。依據(jù)實(shí)部信息閉合曲線特征可知，不同時(shí)期唐山市水資源總量的時(shí)間尺度特性不同，1960—1970年唐山市水資源總量變化周期以2a為主，這與圖1所示的結(jié)果相吻合。1970—1985年間其循環(huán)周期以10a最強(qiáng)烈，另外也存在5a的震蕩周期；1985—2010年存在三個(gè)明顯的循環(huán)周期，分別是15a、10a、2a。由此看來(lái)，唐山市水資源總量變化趨勢(shì)日益復(fù)雜，其周期性疊加更具有不確定性。結(jié)合小波方差圖可知，時(shí)間尺度為2a、5a、10a、15a時(shí)小波方差存在峰值，依次為0.649、0.77、0.87和0.449，這與方差實(shí)部信息相吻合。根據(jù)小波方差值的大小可知，唐山市水資源總量主要變化周期為10a、2a，次要周期為15a、5a。

圖4 唐山市降水量小波尺度方差

4 結(jié)論

通過對(duì)唐山市水資源時(shí)刻分布變化研究，得出以下結(jié)論：①近60年來(lái)唐山市水資源總量逐漸減少，并于1979年由波動(dòng)趨勢(shì)突變?yōu)闇p少趨勢(shì)。

②唐山市水資源呈東北-西南遞減分布，東北山地丘陵地區(qū)降水豐富、徑流密集，水資源豐度較高，而唐山中南部地區(qū)為經(jīng)濟(jì)、人口密集區(qū)，該區(qū)水資源分布較少，這種格局與用水需求格局不匹配。③唐山市水資源總量年際變化具有波動(dòng)性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，但存在2個(gè)主要震蕩周期，為2a和10a。