缺水地区未来水资源量预测方法研究

孙玉华,冯 琳 ,吴俊秀，李洪利

（辽宁省水文水资源勘测局，辽宁 沈阳 110003）

1 典型区域—辽西北地区基本情况

辽西北地区包括锦州市、阜新市、朝阳市、铁岭(市区、调兵山市、昌图县)、沈阳（康平县、法库县），共 27个县（市、区），土地面积约 5万 km2，占全省的33.9%。辽西北地区是我省经济落后地区，县乡财政困难，相对于辽中、辽东南地区相比，差距比较明显。

按2009年人口和耕地面积计算，辽西北地区人均水资源量458.9m3，远低于国际用水紧张线1 750 m3/人；公顷均水资源量2 943 m3，是全国公顷均水资源量的1/7。从全省人口、耕地、水资源分布情况看，辽西北地区以全省的15.2%的水资源量支持着23.7%的人口，支撑着44.0%的耕地面积，属于资源性极度缺水地区。

2009年辽西北总用水量24.12亿m3，其中农业用水量比例较大，占62.1%。辽西北地区2009年用水量与多年平均水资源总量比值为46.4%；2009年用水量与1956—2009年平均水资源总量比值为49.6%。

辽西北地区主要河流有大凌河、小凌河、柳河、绕阳河。

2 水资源量趋势分析与预测方法

随着人类活动和流域下垫面的变化，流域水文循环和水资源形成过程的物理成因就可能发生变化。对于水文序列产流机制发生变化后，其统计规律可能不再服从同一总体分布。为了进行未来水资源总量预测，首先对水文系列进行非一致性识别。辽宁省水资源量是由降水产生的，首先对辽西北地区过去1956—2009年降水资料进行分析，提取该地区年降水量变化所蕴含的随机性和统计规律性，对降水系列进行一致性分析，找出可以代表未来的降水系列，进而找出能够代表未来降水与产水系数关系以及未来产水系数趋势，而后根据降水对未来水资源总量进行预测。

2.1 非一致性分析方法

利用1956—2009年54年的资料，采用10年滑动平均法和Hurst系数法对辽西北区域水文序列进行分析。

1）滑动平均法。对于原序列（x1，x2，…，xn)的滑动平均，可以消除水文系列随机波动，使原序列变得平滑，形成新的系列yt中通过目估的办法判断序列是否有明显变化趋势。

当震荡的平均周期为奇数时：

当震荡的平均周期为偶数时：

2）Hurst系数法。H系数常用来定量表征水文序列是否为随机序列，以及对序列的长期相关性进行分析，通过计算水文系列的Hurst系数H，与临界值比较判别系列变化。

假设检验时选用的显著性水平常用的α＝0.05，非一致性程度按表1判断。

表1 非一致性判断标准表

3）突变点检验方法。采用M ann—Kendall检验法和滑动T检验法对突变点进行检验。

①Mann—Kendall检验法

Mann—Kendall检验 (简称 Mann—K检验)是世界气象组织推荐的一种非参数检验方法，并已广泛地用来分析降水、径流和气温等要素时间序列的趋势或跳跃变化，优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算比较方便。对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列：定义统计变量为：

通过Mann-Kendall求出时间序列的UFk和UBk值，如果UFk和UBk两条曲线出现交点，且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻。

②滑动T检验法。滑动T检验法是针对传统T检验法只能用于已知变异点的检验,而无法用于变异点的识别问题。设变异点τ前后两序列总体的分布函数各为F1(x)和F2(x)，从总体F1(x)和F2(x)中分别抽取容量为n1和n2的两个样本，构造T统计量为：

2.2 降水量预测方法

找出能够代表现状和未来的降水随机系列，采用蒙特卡罗方法对降水量进行预测。蒙特卡罗方法又称随机抽样技巧或统计试验方法，这种方法可以把已经获得的该地区降水量的随机性和统计规律性反映在预报系列中。该方法的特点是其目标不是要精确地预报某一年的降水量，而是使降水量模拟预报系列在整体上反映模拟区的气候特征，使降水预报系列从个体上看具有随机性，从总体上看具有统计规律性。具体来说，确保未来预报系列与代表系列参数相同。

水文序列一般具有确定性和随机性，根据(M onte-Carlo)方法，随机性的考虑首先产生均匀分布的伪随机数。P-Ⅲ型分布是水文序列应用最广的一种类型，采用舍选法把均匀分布的随机数转变成P-Ⅲ型分布的纯随机系列。

2.3 水资源总量预测方法

降水量与产水量关系法：产水系数隐含着降水量与水资源总量关系，为了应用水文统计方法快捷分析此关系，我们对产水系数进行系列一致性分析，寻找突变点。建立可以代表现状条件下降水量与产水量关系，假设现状条件下降水量与产水量关系可以代表未来，利用预测的降水量进行水资源量的预测。

3 辽西北地区水资源量分析与预测结果

3.1 未来降水量代表系列分析

1）降水量一致性分析结果

①滑动平均法分析结果：绘制54年的辽西北地区及主要河流降水量10年滑动过程曲线，如图1所示。目估看辽西北地区降水没有明显变化趋势。

②Hurst系数法结果：辽西北H值为0.507 7，C（t）为0.010 7，查相关系数取显著水平选取α＝0.05的 Hα＝0.674，rα＝0.273 2，H 值小于 Hα，C（t）小于 rα，属于无变异，即没有产生明显的非一致性变化。

2）降水量预测结果

由于降水系列没有产生明显的非一致性变化，可以得出“过去和现在降水系列特征可以代表未来降水量特征”的结论，即未来30年降水量平均值与1956—2009年均值相等，也与1956—2000年均值接近，见表2。

3.2 水资源量预测

1）现状条件下的水资源量产水系数代表系列确定

①产水系数非一致性检验

滑动平均法结果：根据对辽西北地区及主要河流产流系数10年滑动过程线（见图2）目估分析，辽西北略显减少趋势。

Hurst系数法结果：查相关系数取显著水平选取 α＝0.05 的 Hα和 rα，H＝0.982 1＞Hα＝0.674，|C（t）|＝0.950 9＞rα＝0.273 2，属于变异，即产生明显的非一致性变化。

②突变点筛查

针对产水系数产生非一致性变化的辽西北地区进行突变点筛查。

M ann—Kendall检验法（见图 3），UFk在 1966年出现持续的低值，1971，1980年前后UBk与UFk相等。辽西北地区产水系数10年滑动T检验法，（见图 4），T 检验出现最大值年份 1966，1977，1998年。根据辽西北的实际情况，辽西北地区用水增长较快是从1980年前后开始，水土保持措施是在1975年前后开始，同时考虑转折点前后P—W关系有效率，综合确定辽西北突变点出现在1977年。

2）预测结果

对于发生了非一致性变化的辽西北地区以突变点为分界，率定1956-突变点和突变点-2009年过去和现状条件下的P—W关系，见图5，再利用降水量预测结果对未来30年水资源量进行预测。未来30年预测结果平均比1956—2009年均值少6.4%，比1956—2000年均值少12.3%，见表2。

表2 辽西北地区未来30年降水量和水资源量预测结果

4 结论

利用产水系数代表降水量与产水量关系方法，解决了利用统计理论检验降水量与产水量关系线系列一致性问题，此方法简便快捷，此方法也可应用于其它关系密切的水文要素分析；通过对典型区域1956—2009年降水量和产水系数序列一致性分析，降水系列始终服从统一总体分布，而产水系数发生了非一致性变化，利用统计理论变异检验方法找出突变点；采用Monte-Carlo方法对降水量进行预测，采用能够代表未来的降水-水资源总量关系线，对辽西北地区未来水资源总量进行了分析与预测，得出未来30年水资源量与多

［1］谢平，陈广才，等.变化环境下地表水评价方法［M］.北京：科学出版社，2009，25-209.

［2］韦庆，卢文喜，等.运用蒙特卡罗方法预报年降水量研究［J］.干旱区资源与环境，2004，18（4）：144-146.