最新甘肃省水资源演变趋势研究

甘肃省近60年来水资源演变及趋势预测研究摘要：本文利用41个水资源代表站自建站以来的原始观测序列来分析我省地表水资源的变化规律以及对其演变趋势进行超长期预测。

分内陆河流域、黄河流域、长江流域分别做趋势分析、显著性检验和跳跃检验，从另一个更加确切、更加真实、更加直观的角度来认识我省地表水资源量的演变规律，并且运用比较适合我省干旱半干旱地区的水文模拟模型来对未来15年各代表站的降水量和径流量进行超长期的预测和展望，希望能给水资源管理者提供有利的决策支撑数据。

关键词：演变趋势规律及预测研究水资源甘肃省中图分类号：TV121 文献标识码：A随着气温变暖，人类活动对降水径流的影响的日益增大，我省水资源情势究竟发生了怎样的变化，过去的演变规律是什么，现在将来会向什么方向发展，它将对我省工农业生产和国民经济发展产生怎样的影响和决定性的作用体现在哪里？自建国以来近60年，我省水资源调查评价工作曾全面展开三次，每次评价成果都在证明水资源呈减少趋势。

本课题就我省典型代表站自有观测资料以来到2005年截至的实测资料序列进行分析，从另一个更加确切、更加真实、更加直观的角度来认识我省地表水资源量的演变规律，并且运用比较适合我省干旱半干旱地区的水文模拟模型来对未来15年各代表站的降水量和径流量进行超长期的预测和展望，希望能给水资源管理者提供有利的决策支撑数据。

1 甘肃省水资源概况甘肃省位于中国西部偏北，在东经92°20′～108°46′、北纬32°31′～42°50′之间。

东邻陕西省，北接宁夏回族自治区、内蒙古自治区，并与蒙古人民共和国接壤，西靠新疆维吾尔自治区，西南与青海省交界，南与四川毗连。

总面积42.58万平方公里，从东南到西北呈狭长状伸展，东西斜长1655公里，南北宽68～530公里，处于黄土高原、内蒙古高原和青藏高原的交汇处。

外流区河流有黄河流域和长江流域，内流区河流为河西内陆河流域，全省分三个流域九个水系，年径流量大于1亿m3的河流78条。

2 水资源数量2.1 降水量全省多年平均（最新全国水资源综合规划1956-2000年系列，下同）降水量为276.9毫米，降水总量为1258.306亿立方米，其中内陆河流域多年平均降水量为130.4毫米，降水总量为352.147亿立方米，占全省多年平均降水总量的28.0%；黄河流域多年平均降水量为463.0毫米，降水总量为675.495亿立方米，占全省多年平均降水总量的53.7%；长江流域多年平均降水量为599.4毫米，降水总量为230.664亿立方米，占全省多年平均降水总量的18.3%。

2.2 地表水资源量全省多年平均自产水资源量为282.1392亿m3，其中内陆河流域为56.6157亿m3，占全省自产水资源量的20.1%，黄河流域为125.1586亿m3，占全省自产水资源量的44.3%，长江流域为100.3649亿m3，占全省自产水资源量的35.6%。

多年平均入境水资源量287.3282亿m3，其中内陆河流域14.0983亿m3，黄河流域239.6412亿m3，长江流域33.5887亿m3。

出境水量482.3459亿m3，其中内陆河流域9.9930亿m3，为正义峡下泄至内蒙古的水量，黄河流域341.0819亿m3，长江流域131.2711亿m3。

3 地表水资源量演变趋势3.1 区域代表站的选择气象站点主要考虑不同的地貌单元选取资料比较全，精度高，代表性好的站，以及人类主要居住区和对研究水资源演变有重要影响的气象站点。

本次内陆河流域选取敦煌市、酒泉市、张掖市、大黄山、野牛沟、托勒、武威市、九条岭等8个降水量站；黄河流域选取乌鞘岭、兰州、天水、西峰、合作、平凉、环县等7个降水量站；长江流域选取武都站1站作为代表站，共选取16站作为我省降水量演变趋势研究的代表站。

径流站点选取了主要江河控制站、人类影响后的出流站、流域面积大部分在我省的站。

内陆河主要选取的站有党城湾、昌马堡、鸳鸯池水库、莺落峡、正义峡、祁连、肃南、九条岭、蔡旗、杂木寺等10个站，黄河流域有武胜驿、红旗、折桥、岷县、靖远、天水、北道、秦安、杨家坪、雨落坪等10个站，长江流域有永宁镇、镡家坝、蒿坪、武都和舟曲等5个站，全省共25个，作为我省地表水资源量演变趋势研究的代表站。

3.2 演变趋势的检验方法水循环演化的趋势性是指某一水循环要素或某一水循环过程朝着特定的方向发展变化。

趋势性分析的方法很多，目前常用的有线性倾向估计、滑动平均、累积距平、二次平滑、三次样条函数等。

对于趋势十分明显的情况，滑动平均、累积距平、多项式等方法，可以根据变化趋势曲线图直观判断，但有时这种直观判断较为困难或者不够可靠，这时可以借助统计检验的方法，我们主要采用下列2种方法检验。

①平稳性检验，②序列一致性分析检验，有双累计曲线分析、年际变化趋势成分的检验。

均值是否存在跳跃，目前多采用分割样本的方法进行检验。

这种方法的基本思路是：对于水文资料系列121,,,,,,n x x x x x ττ+，若τ为可能的跳跃点，那么假定12,,,x x x τ的边际分布为()F x ；12,,,n x x x ττ++的边际分布为()G x ，原假设为()F x 与()G x 同分布，即在时间τ前后边际分布无变化（出于同一总体）。

检验结果，若接受原假设，则认为系列在时间τ前后的边际分布无变化，因而资料是一致的；若拒绝原假设，则认为边际分布有变化，因而资料系列是不一致的，τ为分割点。

在作分割样本检验时，应先确定出分割点τ，然后再进行检验。

3.3 丰枯等级的划分标准《水文情报预报规范》的划分标准规定，按距平百分率P （p ＝（某年径流量-多年均值）/多年均值×100％））表示：P ＞20%为丰水；10%＜P≤20%为偏丰；-10%＜P≤10%为平水；-20%≤P ＜-10%为偏枯；P ＜-20%为枯水。

实际工作中可算出相应的模比系数k p 值（k p =某年年径流量／多年平均径流量），只要根据已知年径流量的k p ，就可以在表中给出的区间查找出当年来水量的丰、平、枯水程度。

3.4 降水趋势经过对所选16个气象站的长系列降水资料做年际变化趋势成分检验和跳跃现象检验分析，甘肃省代表站降水量年际变化趋势检验结果见表1-1。

我省各区域的降水量年际演变趋势及演变规律是：我省河西代表站降水量普遍增大，唯有敦煌略微减少；我省黄河流域大部分降水普遍减少，至今未见回升，唯有泾河水系的代表站西峰在略微增加；长江流域降水普遍减少。

从降水量代表站不同年代降水量过程线图中可以看出，我省河西西部平原区代表站970s属降水量丰水段，1980s、1990s为枯水段，2000s逐渐回升；河西西部山区代表站1960s、1990s为枯水期，1970s为平水期，1980s、2000s为丰水期。

黄河流域乌鞘岭1960s、1990s为枯水期，1970s、1980s、2000s为丰水期，兰州、西峰、合作、平凉、环县1980s、1990s偏枯，其他年代平水，2000s有所上升，降水开始增加。

长江流域1960s、1980s为丰水期，1970s、1990s、2000s为枯水期，2000s年代平均最小，1956～1979年内陆河流域处于枯水期，黄河流域和长江流域为丰水期，1979～1995年内陆河流域处于丰水期，黄河流域和长江流域为枯水期，1995～2005年内陆河流域仍然处于丰水期，黄河流域和长江流域继续为枯水期，根据丰枯变化周期规律，在未来的15年里，内陆河流域将处于平水期，黄河流域和长江流域将逐渐转为平水期和丰水期。

表1-1 甘肃省降水量代表站年际变化趋势检验结果3.5 径流趋势通过对选取的25个主要河流代表站年径流量变化趋势分析，我省内陆河流域西部径流量均有增加的趋势，其中年径流量增幅最大的流域为疏勒河流域，其次为黑河流域，石羊河流域部分站有下降趋势。

黑河和疏勒河出山径流量显著增加，尾闾出口断面径流显著减少。

石羊河水系出山径流量略微减少，尾闾出口断面径流显著减少。

黄河流域和长江流域径流量显著减少，跳跃现象比较明显，基本在1982～1993年发生跳跃。

黄河流域和长江流域代表站径流量显著减少，检验结果见表1-2。

在各代表站不同年代径流过程线图、主要代表站径流量各年代丰枯程度对比分析、主要代表站径流量各时段对比分析中我们可以看出：①内陆河1950～1879年基本处于枯水期，1980～2005年大体上处于丰水期；②黄河流域上游地区50、60年代径流最丰，进入70年代初水量处于减少段，70年代后期至80年代中后期，径流略有增加，从80年代后期开始，径流量出现明显的枯水阶段；总体表现出河流自80年代以后来水衰减的趋势。

③长江流域50、60年代水资源量偏丰（14.6%），为丰水时期；70、80年代基本持平，其中70年代略有减少（-8.3%），80年代略有增加（6.1%）；90年代偏枯（-16.7%），为偏枯阶段，总体上呈现减少趋势。

表1-2 甘肃省径流量代表站年际变化趋势检验结果4 水资源演变预测为了能更好的管理和使用有限而宝贵的水资源，我们在课题中再给与降水和径流的趋势超长期预测，以便提出一个具有前瞻性的预见结论，为给水资源的管理者提供一个比较可靠的决策依据，进而充分利用我省有限的水资源发挥最大的功能，尽量减少因水库库容小，而让宝贵的水资源白白流走，不能灌溉农田和发电增益。

4.1 趋势分析预测的主要方法本次趋势分析预测的主要工具为水文时间序列分析与模拟，通过数学建模，分析预测我省水资源的演变趋势。

①趋势成分分析法，判断出了趋势成分的显著性后，就要对趋势成分进行数学描述，并从原序列中剔除出来。

②周期波均值外延叠加模型，谐波分析的基本原理就是认为任何一个水文要素的资料序列过程线，不论多么复杂，都可以分解为一系列的正弦波或余弦波，即一个水文要素可以看成是由若干个正弦波叠加而成的。

②逐步回归分析模型，逐步回归的基本思想是：根据各个自变量的重要性大小，每步选一个重要变量进入回归方程。

4.2 预测模型精度评定精度评定的目的是人们在应用模型时，了解模型的可靠性以及计算值的精确程度；同时通过精度评定，分析存在的问题，及时对模型进行改进，以促进水文模型技术和理论的发展。

用不少于2年的未参加参数率定的资料进行检验，判断其对未来情况的计算效果，只有拟合期和试算期都能满足《水文情报预报规范》规定的精度控制标准，才能认为该模型具有实用价值。

本次研究成果均达到了较好的精度，16个降水量代表站的计算年数在25～70年之间，大多在50～60年之间，合格率在83.6～100％，最大相对误差在13～45.7％，平均相对误差在-0.03～2.66％之间，误差范围符合预测要求，并且精度较高。