西南諸河地表水資源演變的基因圖譜

謝 平，吳林倩，吳子怡，桑燕芳，霍競(jìng)?cè)?，牛靜怡，陳 斐，袁 蘇

(1. 武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072；2. 生態(tài)環(huán)境部珠江流域南海海域生態(tài)環(huán)境監(jiān)督管理局生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與科學(xué)研究中心，廣東 廣州 510610；3. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4. 復(fù)合鏈生自然災(zāi)害動(dòng)力學(xué)應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085)

水資源作為一種基礎(chǔ)資源，其演變過(guò)程在水量增減和時(shí)空分配等方面受到氣候變化與人類活動(dòng)的雙重影響[1-3]。從過(guò)程模擬的角度來(lái)看，水文過(guò)程受到了確定性和隨機(jī)性因素的綜合影響[4-5]，當(dāng)環(huán)境因素相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可將水文序列近似看作滿足“一致性”(獨(dú)立同分布)要求的純隨機(jī)序列[6]，概率分布函數(shù)將不隨時(shí)間而變，表現(xiàn)較為穩(wěn)定；當(dāng)流域水循環(huán)和水資源形成的物理?xiàng)l件發(fā)生“非一致性”變化時(shí)，用于區(qū)域水資源評(píng)價(jià)的水文序列將含有反映變異特性的跳躍、趨勢(shì)、周期和相依成分[7]，破壞了工程水文分析計(jì)算的“一致性”假設(shè)前提[8]。因此，水資源序列及其評(píng)價(jià)結(jié)果(概率統(tǒng)計(jì)分布與特征值)是一個(gè)隨環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，科學(xué)的水資源演變分析與評(píng)價(jià)方法應(yīng)能合理反映出從過(guò)去到現(xiàn)狀不同環(huán)境下的水資源評(píng)價(jià)成果[9]。

水文水資源序列的變異識(shí)別與檢驗(yàn)是研究水資源演變問(wèn)題的重要內(nèi)容之一[6]，許多學(xué)者對(duì)此做出了創(chuàng)新與應(yīng)用。例如，王銀堂等[10]提出了具有局部與整體趨勢(shì)識(shí)別能力的滑動(dòng)窗口趨勢(shì)分析法，此方法較現(xiàn)行方法更有助于合理估計(jì)水文設(shè)計(jì)值；Xie等[11]采用賦權(quán)的方式，對(duì)常用的12種跳躍變異點(diǎn)檢驗(yàn)方法進(jìn)行了綜合加權(quán)，并利用Monte-Carlo 統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證了這一思路的可靠性；Sang等[12]將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EMD)和最大熵譜分析(MESA)相結(jié)合，提出了可通過(guò)區(qū)分噪聲、周期和趨勢(shì)來(lái)提高整體的周期識(shí)別能力的EMD-MESA方法；黎清霞等[13]綜合相關(guān)分析和隨機(jī)森林算法，定量識(shí)別并對(duì)比了瀾滄江中下游主要?dú)庀笠刈兓皬搅鏖g的相依性。但是，現(xiàn)有研究多是針對(duì)某單一變異成分進(jìn)行診斷，且方法的選擇較為主觀，顯著性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一，較少?gòu)恼w的角度將趨勢(shì)、跳躍、周期、相依所有成分及各成分之間的遞進(jìn)關(guān)系整合在一個(gè)診斷系統(tǒng)內(nèi)來(lái)準(zhǔn)確、全面地分析水文序列的變異特性，此外，中國(guó)水文分析計(jì)算中常采用的P-Ⅲ型分布有3個(gè)分布特征參數(shù)(位置參數(shù)、尺度參數(shù)和形狀參數(shù))，這3個(gè)參數(shù)間接對(duì)應(yīng)3個(gè)統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)(均值、變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù))，每個(gè)參數(shù)都可能存在跳躍、趨勢(shì)、周期、相依其中的1種或幾種變異類型，無(wú)論哪個(gè)參數(shù)發(fā)生了變異，也無(wú)論變異是何種形式，都會(huì)對(duì)水文序列所屬的概率分布特征產(chǎn)生影響。目前變異診斷的對(duì)象主要集中于原始序列的均值[10-13]和方差的變異分析[14-15]，進(jìn)一步考慮偏態(tài)系數(shù)變化的研究仍較少[16]。

謝平等[17]借鑒生物基因理論提出了具備普適性、完備性與拓展性的水文基因遺傳、變異和進(jìn)化原理，并定義水文序列的各階原點(diǎn)矩和中心矩作為控制水文概率分布函數(shù)性狀發(fā)生進(jìn)化的基本遺傳和變異單位。與其他途徑相比，水文基因途徑較為全面地考慮了包括一階矩、二階矩和三階矩中可能出現(xiàn)的跳躍、趨勢(shì)、周期、相依等變異成分和純隨機(jī)遺傳成分，但尚未建立起一套較為全面的水文基因診斷系統(tǒng)，既能對(duì)各個(gè)變異成分進(jìn)行確認(rèn)，也可對(duì)其變異程度進(jìn)行分級(jí)；且由于水文基因檢測(cè)結(jié)果會(huì)有多種可能組合，僅依靠水文過(guò)程圖或結(jié)果表格無(wú)法簡(jiǎn)潔明了地呈現(xiàn)所有的水文基因信息，因此，針對(duì)水文基因的遺傳與變異規(guī)律有待提出更為直觀的表示方法。

西南諸河流域水資源極其豐富，但現(xiàn)階段水資源開發(fā)利用程度還較低[18-19]，且目前對(duì)該區(qū)域水資源演變規(guī)律的研究較少或不夠系統(tǒng)全面[20-21]。因此，本文選取中國(guó)西南諸河水資源區(qū)中的各個(gè)水資源二級(jí)區(qū)(藏西諸河、藏南諸河、雅魯藏布江、怒江及伊洛瓦底江、瀾滄江、紅河)的地表水資源序列作為研究對(duì)象，構(gòu)建基于相關(guān)系數(shù)測(cè)度的水文基因檢測(cè)系統(tǒng)，并提出“水文基因圖譜”的概念與繪制方法，從而揭示并直觀地展示西南諸河地表水資源序列的遺傳和變異規(guī)律，為進(jìn)一步開展基于水文基因理論的西南諸河地表水資源的頻率分布規(guī)律研究打下基礎(chǔ)，也可為制定西南諸河水資源戰(zhàn)略規(guī)劃、實(shí)施重大水利工程建設(shè)和促進(jìn)流域經(jīng)濟(jì)社會(huì)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展等提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)說(shuō)明

西南諸河水資源區(qū)位于中國(guó)西南邊陲，是青藏高原與云貴高原的一部分，位于21°09′N—35°30′N，77°50′E—106°00′E。作為中國(guó)十大水資源一級(jí)區(qū)之一，西南諸河流域幅員遼闊，總面積約為85萬(wàn)km2，流域內(nèi)河流眾多，自西向東依次劃分為藏西諸河、藏南諸河、雅魯藏布江、怒江及伊洛瓦底江、瀾滄江、紅河共6個(gè)水資源二級(jí)區(qū)(圖1)，涉及新疆、西藏、青海、云南、廣西5省(自治區(qū))。西南諸河河流補(bǔ)給來(lái)源與類型復(fù)雜，西藏西部與青海大部分地區(qū)多為地下水補(bǔ)給為主的類型；云南西部和南部、西藏南部與東南部的河流河段多以降水補(bǔ)給為主；西藏的林芝、波密一帶，雅魯藏布江、朋曲等河的河源段多為冰雪融水、降水補(bǔ)給；怒江、瀾滄江干流的徑流補(bǔ)給多為地下水與降水的混合補(bǔ)給類型。西南諸河流域內(nèi)國(guó)際河流眾多，流域內(nèi)除西藏南部有一些面積大小不等的內(nèi)陸河零星分布外，其余河流分別由新疆、西藏、云南、廣西流出國(guó)境[22-23]，經(jīng)其他國(guó)家入海，均屬外流型國(guó)際河流。

圖1 西南諸河水資源區(qū)及其各個(gè)二級(jí)區(qū)位置示意Fig.1 Location of secondary water resources regions in the Southwest rivers zone in China

本文選取西南諸河水資源區(qū)中的6個(gè)水資源二級(jí)區(qū)的地表水資源序列作為研究對(duì)象。地表水資源量是指由當(dāng)?shù)亟邓纬傻暮恿?、湖泊、冰川等地表水體中可以逐年更新的動(dòng)態(tài)水量，用河川年徑流量表示。選取的地表水資源量序列與年降水量序列的起止時(shí)間均為1956—2019年，其中，1956—2000年數(shù)據(jù)采用第二次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果(以下簡(jiǎn)稱“第二次評(píng)價(jià)”)?！暗诙卧u(píng)價(jià)”中的徑流序列由實(shí)測(cè)徑流資料整理而來(lái)，大多經(jīng)過(guò)還原與修正，以期消除由于水資源開發(fā)利用和下墊面變化所造成的影響，但由于西南諸河區(qū)人類活動(dòng)影響極小，未進(jìn)行還原[24]。2001—2019年數(shù)據(jù)來(lái)自水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)發(fā)布的《長(zhǎng)江流域及西南諸河水資源公報(bào)》(http:∥www.cjw.gov.cn/zwzc/bmgb/szygb/)。

2 研究方法

2.1 水文基因遺傳、變異與進(jìn)化原理

生物學(xué)中，基因是控制遺傳的基本單元，通過(guò)復(fù)制和突變(變異)將生物體的遺傳信息由親代傳遞到子代。在水文要素的遺傳和變異過(guò)程中，水文基因即是具有傳遞性的水文過(guò)程信息載體，是可以控制水文“性狀”(概率分布函數(shù))發(fā)生“進(jìn)化”的統(tǒng)計(jì)量[17]?？紤]到水文序列的分布特征參數(shù)均可通過(guò)數(shù)字特征參數(shù)來(lái)表達(dá)，而數(shù)字特征參數(shù)是水文序列各個(gè)矩的轉(zhuǎn)換函數(shù)，因此可以將水文變量的各階矩定義為水文基因[17]。以中國(guó)常用的P-Ⅲ型分布為例，常規(guī)矩基因L1t、L2t和L3t(t為時(shí)序，作為下標(biāo)表示變量隨時(shí)間變化，下同)分別表示原始水文序列xt的一階原點(diǎn)矩、二階中心矩和三階中心矩[25]。

類似的，水文基因的組成成分即為水文堿基。依據(jù)隨機(jī)水文學(xué)原理[26-27]，水文堿基包括確定性成分——跳躍(Jt)、趨勢(shì)(Tt)、周期(Pt)成分和隨機(jī)性成分——相依(Dt)、純隨機(jī)(即獨(dú)立)(St)成分。對(duì)于僅包含純隨機(jī)成分的一致性水文序列，其概率分布不隨時(shí)間發(fā)生變化，因此，純隨機(jī)成分為遺傳堿基；而確定性成分Jt、Tt、Pt與隨機(jī)性成分中的Dt均可以改變水文時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)特征，使其概率分布函數(shù)在過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)的不同環(huán)境下具有不同的分布參數(shù)，因此，這些成分均為變異堿基。含有變異成分的水文序列是非一致性的，可將其看作是一致性水文序列的遺傳性狀適應(yīng)環(huán)境變化發(fā)生變異后進(jìn)化的結(jié)果。

圖2 水文基因原理示意Fig.2 Schematic diagram of hydrological gene principle

2.2 基于相關(guān)系數(shù)測(cè)度的水文基因檢測(cè)系統(tǒng)

水文基因變異決定了水文概率分布函數(shù)的“性狀”發(fā)生進(jìn)化的進(jìn)程和程度，因此，如何識(shí)別水文基因的變異成分并度量其變異程度是進(jìn)行非一致性水文頻率計(jì)算的前提。本文選取相關(guān)系數(shù)(r)作為水文基因變異的測(cè)度指標(biāo)以統(tǒng)一度量跳躍、整體趨勢(shì)、周期、相依成分的變異分級(jí)程度[28-32]，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1；并基于相關(guān)系數(shù)測(cè)度，對(duì)水文基因的跳躍、整體趨勢(shì)、局部趨勢(shì)、周期和相依等變異成分進(jìn)行識(shí)別與檢驗(yàn)[33-37]，關(guān)鍵公式總結(jié)見(jiàn)表2。

表1 水文序列變異程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 水文變異的類型、描述、分級(jí)及識(shí)別

為全面考慮水文基因的變異與遺傳規(guī)律，以上述基于相關(guān)系數(shù)測(cè)度的水文基因變異識(shí)別、檢驗(yàn)與分級(jí)方法為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于相關(guān)系數(shù)測(cè)度的水文基因檢測(cè)系統(tǒng)，流程如圖3所示。水文基因檢測(cè)系統(tǒng)將原始水文序列作為輸入，以“先判斷水文基因變異成分，后驗(yàn)證水文基因遺傳成分”為整體原則，得到水文序列包含的水文基因信息。具體來(lái)說(shuō)，首先對(duì)序列可能存在的趨勢(shì)及跳躍成分進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)相關(guān)系數(shù)值的大小從中確定最顯著的一種變異成分，然后對(duì)已經(jīng)剔除了趨勢(shì)與跳躍這類變異成分或這類變異成分均不顯著的水文序列進(jìn)行周期變異成分的檢測(cè)。在上述過(guò)程中，若某種成分顯著存在則將其剔除，然后對(duì)剩余水文基因序列進(jìn)行新一輪檢測(cè)，循環(huán)此過(guò)程直至序列無(wú)顯著變異成分，最后將剩余水文基因序列作為下一階段檢測(cè)的輸入。當(dāng)剩余水文基因序列不含顯著的跳躍、趨勢(shì)與周期成分時(shí)，還需對(duì)其是否存在顯著相依成分進(jìn)行檢測(cè)，不同于跳躍、趨勢(shì)、周期等變異成分可能在序列中多次出現(xiàn)，相依成分如顯著存在也僅有“一次相依”，因此不再需要對(duì)剩余序列做循環(huán)識(shí)別。無(wú)論是未檢出顯著相依變異成分的序列還是已扣除相依變異成分的剩余水文基因序列，均需進(jìn)行純隨機(jī)成分的驗(yàn)證，以確定其為水文基因序列的遺傳成分[38]。若檢驗(yàn)結(jié)果為純隨機(jī)，則此時(shí)水文序列的變異成分與遺傳成分均已得到，可進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際的水文調(diào)查進(jìn)行成因分析，確認(rèn)后的成分即為該水文序列的水文基因結(jié)構(gòu)組成；若剩余序列未通過(guò)純隨機(jī)檢驗(yàn)，仍存在變異項(xiàng)，說(shuō)明之前的步驟中可能出現(xiàn)錯(cuò)誤，應(yīng)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的每一步進(jìn)行核查并重新檢測(cè)。

圖3 水文基因檢測(cè)系統(tǒng)流程Fig.3 Flow chart of the hydrological gene detection system

2.3 水文基因圖譜及其繪制說(shuō)明

生物學(xué)中，基因在染色體上的線性排列可以用基因圖譜的方式表現(xiàn)出來(lái)，以精準(zhǔn)反映其遺傳與變異信息。為直觀展示水文基因檢測(cè)系統(tǒng)給出的水文基因信息，借鑒這種表達(dá)方式，本文提出水文基因圖譜的概念與繪制方法。水文基因圖譜是指依據(jù)水文基因識(shí)別與檢測(cè)結(jié)果，按照判別順序繪制成的用以反映序列水文基因構(gòu)成信息的條狀百分比圖。

在對(duì)水文基因序列進(jìn)行完整檢測(cè)后，可以得到該序列各個(gè)變異成分與遺傳成分的表達(dá)式，各個(gè)成分對(duì)原水文基因序列的貢獻(xiàn)可借助相關(guān)系數(shù)這一指標(biāo)進(jìn)行量化。設(shè)水文基因序列共由k個(gè)變異成分及純隨機(jī)成分構(gòu)成，分別計(jì)算各個(gè)成分與原始水文基因序列的相關(guān)系數(shù)，記為ri(i=1，2，…，k-1，k)，則每種成分對(duì)原始水文基因序列的貢獻(xiàn)率(Ci)可表示為

(1)

對(duì)比各變異成分與遺傳成分的貢獻(xiàn)率，可看出在原始水文基因序列中遺傳成分與變異成分是按何種比例構(gòu)成的；進(jìn)一步，根據(jù)各變異成分所占比重，可判斷各變異成分對(duì)序列影響的大小，貢獻(xiàn)率大即占比大的成分，在原始水文基因序列中更為顯著，也更易首先被檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別出。

水文基因圖譜的繪制方法：依據(jù)水文基因檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果，計(jì)算各水文基因成分對(duì)原水文序列的貢獻(xiàn)率，并標(biāo)注各成分的具體信息。① 跳躍變異點(diǎn)出現(xiàn)的位置、跳躍方向(上升↑、下降↓)、跳躍變異程度、跳躍變異成分的貢獻(xiàn)率(即該成分在水文序列的占比)；② 整體趨勢(shì)方向(遞增、遞減)、整體趨勢(shì)變異程度、整體趨勢(shì)變異成分的貢獻(xiàn)率；③ 局部趨勢(shì)折點(diǎn)出現(xiàn)的位置、局部趨勢(shì)的方向(由遞增、遞減、平緩→等各段子序列的趨勢(shì)方向組成)、局部趨勢(shì)變異成分的貢獻(xiàn)率；④ 周期長(zhǎng)度、周期變異程度、周期變異成分的貢獻(xiàn)率；⑤ 相依變異的表現(xiàn)類型(AR模型、MA模型、ARMA模型)、相依變異成分的階數(shù)、相依變異程度、相依變異成分的貢獻(xiàn)率；⑥ 純隨機(jī)成分的貢獻(xiàn)率(即1-變異成分貢獻(xiàn)率)。圖譜中通過(guò)不同的顏色表征不同的變異類型，無(wú)論是對(duì)于單個(gè)研究對(duì)象的不同階矩的統(tǒng)計(jì)特征，還是不同研究對(duì)象的同階矩的統(tǒng)計(jì)特征，通過(guò)水文基因圖譜可方便地分析得到其時(shí)空變異性規(guī)律。

3 結(jié)果分析

采用水文基因檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)西南諸河區(qū)6個(gè)二級(jí)區(qū)的地表水資源量序列進(jìn)行水文基因檢測(cè)，水文基因檢測(cè)系統(tǒng)的顯著性水平取α=0.05、β=0.01，表1中的分級(jí)閾值可確定為rα=0.246 1，rβ=0.319 8；然后針對(duì)每個(gè)二級(jí)區(qū)的各階矩序列，分別計(jì)算其各個(gè)水文基因成分與該階矩序列的相關(guān)系數(shù)，由公式(1) 計(jì)算每種水文基因成分對(duì)相應(yīng)矩序列的貢獻(xiàn)率，并以水文基因圖譜的形式展示水文基因的遺傳和變異信息，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 西南諸河各二級(jí)區(qū)地表水資源量各階矩序列水文基因圖譜Fig.4 Hydrological gene map of first-，second-，and third-order moment series of annual runoff in secondary regions of Southwest rivers

圖4(a)中，藏西諸河二級(jí)區(qū)地表水資源量各階矩序列均包含變異成分與遺傳成分。一階矩序列(原始序列)在2009年出現(xiàn)向上的跳躍中變異，且此成分所占比重達(dá)到了37.34%，明顯高于周期中等變異成分(長(zhǎng)度為10)，表明跳躍成分對(duì)一階矩序列的變異影響最為顯著；二階矩序列在2003年發(fā)生了向上的跳躍強(qiáng)變異，其成分占比達(dá)到42.53%，明顯高于占比為12.39%的周期成分(長(zhǎng)度為17)；三階矩序列含有周期(長(zhǎng)度6)和相依(1階MA模型，記為MA(1) )2種變異成分，且二者占比相近，說(shuō)明各成分對(duì)序列的影響能力較為平均。

圖4(b)中，藏南諸河二級(jí)區(qū)地表水資源量一階矩及二階矩序列的水文基因由變異成分與遺傳成分構(gòu)成，三階矩序列不含變異成分。一階矩序列中，2個(gè)周期成分(長(zhǎng)度為9和12)占比差異不大，且均為中等程度變異，其水文基因成分構(gòu)成較為簡(jiǎn)單；二階矩序列的變異成分構(gòu)成較復(fù)雜，包括占比分別為15.39%的2001年向下跳躍成分和1.81%的1996年向上跳躍成分，此外還有周期成分(長(zhǎng)度為12)與相依成分(1階AR模型，記為AR(1) )，各成分的變異程度均在中等及以下。

圖4(c)中，雅魯藏布江二級(jí)區(qū)地表水資源量一階矩及二階矩序列的水文基因由變異成分與遺傳成分構(gòu)成，三階矩序列不含變異成分。一階矩序列中所有變異成分的變異程度均在中等及以下，但變異成分整體占比較大，遺傳成分占比僅有41.70%；二階矩序列中遺傳成分達(dá)到71.01%，變異成分僅包含周期變異成分(長(zhǎng)度為3)。

圖4(d)中，怒江及伊洛瓦底江二級(jí)區(qū)地表水資源量一階矩及三階矩序列的水文基因由變異成分與遺傳成分構(gòu)成，二階矩序列不含變異成分。一階矩序列中變異成分占比達(dá)到52.35%，其中，跳躍成分與周期成分對(duì)應(yīng)的變異程度均達(dá)到了中等強(qiáng)度；三階矩序列中變異成分占比較低，僅為34.22%，由17.27%的跳躍變異成分(在1973年上升)和16.95%的周期變異成分(長(zhǎng)度為19)構(gòu)成，各變異成分的變異程度均為弱變異強(qiáng)度。

圖4(e)中，瀾滄江二級(jí)區(qū)地表水資源量各階矩序列的水文基因成分均由變異成分與遺傳成分構(gòu)成。其中，一階矩序列與二階矩序列的水文基因構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，三階矩序列構(gòu)成較為復(fù)雜。一階矩序列中變異成分占比達(dá)到45.98%，由占比為24.07%的局部趨勢(shì)變異成分(在1966年前后先升后降)和占比為21.91%的周期變異成分(長(zhǎng)度為9)構(gòu)成；二階矩序列中，變異成分占比為32.06%，主要為周期中等變異成分(長(zhǎng)度為9)，遺傳成分占比最大，達(dá)到67.94%；三階矩序列中跳躍變異成分(在2008年下降)占比16.18%，周期變異成分(長(zhǎng)度為15)占比14.88%，相依變異成分(1階AR模型)占比16.59%。

圖4(f)中，紅河二級(jí)區(qū)地表水資源量的各階矩序列均由變異成分與遺傳成分構(gòu)成，一階矩序列與二階矩序列中遺傳成分占比較少，三階矩序列遺傳成分占比最大，達(dá)到62.17%。在一階矩序列中，局部趨勢(shì)(在1971年前后先升后降)在變異成分中所占比重最大，達(dá)到31.18%，長(zhǎng)度為15的周期成分占比為16.02%；二階矩序列和三階矩序列的水文基因變異成分與一階矩構(gòu)成相似，均包括局部趨勢(shì)與周期，但這2種成分的占比較小，對(duì)三階矩基因的影響較小。

考慮到流域內(nèi)河流的補(bǔ)給來(lái)源大多為降水補(bǔ)給，所以結(jié)合降水的基因圖譜(圖5)對(duì)地表水資源量基因圖譜呈現(xiàn)的遺傳與變異規(guī)律進(jìn)行歸因分析。整體上，對(duì)于一階矩代表的原始地表水資源量序列，藏西諸河、藏南諸河和雅魯藏布江均與降水呈現(xiàn)出了相同的變異規(guī)律，怒江的周期和相依變異以及紅河的周期變異與降水的變異規(guī)律也是一致的，這說(shuō)明降水變化是影響西南諸河地表水資源量的主要因素[39]；地表水資源量的周期波動(dòng)規(guī)律還存在明顯的空間聚集性，由于西南流域的降水主要受印度季風(fēng)控制，所以地表水資源量中普遍存在的9 a左右周期變化可能間接與印度季風(fēng)存在的準(zhǔn)11 a周期變化有關(guān)[40-42]。

圖5 西南諸河各二級(jí)區(qū)降水量各階矩序列水文基因圖譜Fig.5 Hydrological gene map of first-，second-，and third-order moment series of annual precipitation in secondary regions of Southwest rivers

在二階矩和三階矩中，位于西藏南部且空間位置上相鄰的藏南諸河和雅魯藏布江的降水與地表水資源量也呈現(xiàn)出幾近一致的變化規(guī)律，紅河的降水周期也與地表水資源量的周期相近。由于二階矩基因的變異對(duì)應(yīng)方差的變化情況，三階矩基因的變異與偏態(tài)系數(shù)或分布形狀參數(shù)的變化有關(guān)，說(shuō)明對(duì)于這些二級(jí)區(qū)地表水資源量主要統(tǒng)計(jì)特征的變化，降水因素起主導(dǎo)作用；其余二級(jí)區(qū)不存在明顯的一致對(duì)應(yīng)關(guān)系，可能與下墊面因素有關(guān)，對(duì)于這些區(qū)域更高階矩基因變異現(xiàn)象背后的成因機(jī)制還需要進(jìn)一步分析探討。

4 結(jié) 論

本文選取西南諸河水資源區(qū)中的各個(gè)水資源二級(jí)區(qū)(藏西諸河、藏南諸河、雅魯藏布江、怒江及伊洛瓦底江、瀾滄江、紅河)的地表水資源序列作為研究對(duì)象，通過(guò)建立水文基因檢測(cè)系統(tǒng)得到了其地表水資源量一、二、三階矩序列的水文基因構(gòu)成，并繪制了相應(yīng)的水文基因圖譜，主要結(jié)論如下：

(1) 西南諸河各二級(jí)區(qū)地表水資源量的一階矩序列均存在不同形式的水文基因變異成分，主要表現(xiàn)為跳躍、局部趨勢(shì)、周期與相依，其中周期與跳躍變異成分出現(xiàn)的頻率較高；二階矩序列中，除藏南諸河外，其余二級(jí)區(qū)的二階矩水文基因大多只存在周期弱變異成分，說(shuō)明二階矩代表的方差特性多呈現(xiàn)周期波動(dòng)；三階矩序列中，除瀾滄江外，其余二級(jí)區(qū)的水文基因構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，說(shuō)明高階矩中存在的變異較少。

(2) 基因圖譜從各水文基因成分的貢獻(xiàn)率角度揭示了西南諸河地表水資源量的變異規(guī)律：藏西諸河的遺傳(純隨機(jī))成分在一階矩序列(原始地表水資源量序列)與二階矩序列中的占比均為45%左右，在三階矩中增加到了59.77%；藏南諸河地表水資源量二階矩序列的變異成分包括跳躍、周期、相依，共占比48.56%，一階矩僅含有占比為47.29%的周期變異成分，三階矩不含有變異成分；雅魯藏布江地表水資源量各階矩的遺傳成分占比由一階矩至三階矩逐漸增大；怒江及伊洛瓦底江地表水資源量一階矩及三階矩序列的水文基因分別含有占比為52.35%和34.22%的變異成分，二階矩序列只存在遺傳成分；瀾滄江地表水資源量一階矩序列與二階矩序列的水文基因構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，三階矩序列構(gòu)成較為復(fù)雜，變異成分占比達(dá)到47.65%；紅河地表水資源量的各階矩序列的水文基因均含有局部趨勢(shì)與周期變異成分，三階矩序列中遺傳成分占比最大。

(3) 西南諸河各二級(jí)區(qū)地表水資源量一階矩基因的變化主要受降水因素的影響，對(duì)于更高階矩基因的變異歸因還需在以后研究中分析探討。

受篇幅限制，本文僅呈現(xiàn)了西南諸河各二級(jí)區(qū)地表水資源量基因的遺傳與變異特征。進(jìn)一步地，依據(jù)水文基因理論[17]，還可由地表水資源量基因的變異規(guī)律推得其數(shù)字特征參數(shù)和分布特征參數(shù)的變化規(guī)律，最終得到隨時(shí)間由一種狀態(tài)“進(jìn)化”到另一種狀態(tài)的概率分布函數(shù)，為開展變化環(huán)境對(duì)隨機(jī)水文過(guò)程產(chǎn)生的影響即適應(yīng)性變化的研究提供科學(xué)依據(jù)。