青海省近61年来地表水资源现状及演变趋势分析

汪清旭

(青海省水文水资源勘测局，青海 西宁 810000)

受气候变化和人类活动的影响，近61年，青海省地表水资源量发生了明显的改变对社会经济发展和生态环境产生了一定的影响。本次分析以青海省第三次水资源调查评价为基础，介绍青海省的地表水资源量的现状和水资源量的分布特征，分析青海省61年地表水资源变化情况。

1 地表水资源现状

省地表水资源量主要来源于降水，年平均降水量为2205亿m3，只有29.2%的降水转化为地表水和地下水资源量，其余70.8%的降水以植物蒸散发或以土壤蒸发的形式消耗。

省河川径流量为627.4亿m3，折合径流深为90.1mm。按流域面积计算，平均1km2产水量为9万m3；按水资源分区划分，黄河流域地表水资源量为203.4亿m3，占地表水资源总量的32.42%，长江流域地表水资源量为182.1亿m3，占地表水资源总量的29.02%，西南诸河地表水资源量为112.8亿m3，占地表水资源总量的17.98%，西北诸河地表水资源量为129.1亿m3，占地表水资源总量的20.58%。

2 地表水资源量分布特征

省气候类型属于大陆性气候，具有干旱少雨、蒸发量大且水文循环过程缓慢的特点。受季节性气候的影响较大，导致省降水的年内变化多集中于夏秋两个季节，年际变化随季风出现的次数、季风的强弱及其所夹带的水汽量在各年有所不同。年际间降水量变化大，导致了年径流变化大，存在明显的丰枯交替或连丰连枯的现象。河川径流量极值比较大，全省各水文站极值比在1～7之间，其中，黄河流域极值比较大，在2～7之间，长江流域、西南诸河及西北诸河极值比相对较小，在1～2之间。

河川径流量的年际变化除降水主导外，还受到下垫面产水条件、流域蒸发量、流域集水面积大小等影响。降水量大的流域，下垫面对降水量的作用越小，流域蒸发量小，形成的径流量所占的比重较大，相反，降水量小的流域，下垫面对降水量的作用越大，流域蒸发量大，形成径流所占的比重就越小，结果使径流量的年际变幅要大于降水的年际变幅。

青海省大多数河流属于季节性河流，河川径流量年内分配不均匀。河川径流量的年内变化具有汛期径流量多而变化剧烈，非汛期径流量少而稳定的特点。黄河流域河川连续最大四个月径流量集中出现在7—10月，长江流域、西北诸河及西南诸河流连续最大四个月径流量集中出现在6—9月，少数河流受春汛的影响，连续最大四个月径流量出现在4—7月。连续最大四个月径流量占全年径流量的40.4%～81.7%，最大月径流量集中在7月和8月，占比年径流量的10.6%～26.9%，最小月径流量集中在2月，占年径流量的0.2%～6.6%。

省河川径流量年内分配不均匀，年际变化大，导致了地表水资源量在空间上分布不均匀，极容易形成洪灾或旱灾，对我省水资源开发利用极其不利。

从水资源的空间分布来看，南北差异较大，由于青海省降水分布呈现出由东南向西北递减的趋势，形成了东南水多、西北水少的局面。全省径流深变化范围在0～500mm之间，径流深高值区位于河西内陆河东部区冷龙岭，多年均值径流深在500mm以上，径流深低值区位于柴达木盆地的中心地带，多年平均径流深在5mm以下，基本不产流。

3 资料选取与研究方法

3.1 资料选取

径流站点选取了大江大河的控制站，受人类活动影响较小的站点为区域径流代表站。黄河流域选取了唐乃亥、民和、享堂等站点，长江流域和西南诸河选取直门达站和昌都站，西北内陆河选取了德令哈、格尔木、布哈河口和札马什克等站点见表1。

表1 青海省区域径流代表站

选取1956—2016年分区水资源量系列值，包括地表水资源量总量、黄河流域、长江流域、西南诸河和西北诸河，见表2。

表2 青海省水资源一级分区

3.2 研究方法

集合经验模态分解(EEMD)是一种适合于处理非线性、非平稳时间序列的方法。它是在经验模态分解(EMD)的基础上发展起来的，处理信号时在EMD的基础上加入了一组或多组白噪声信号，用于抑制经验模态分解过程中出现的端点效应和模态混叠现象，有效的避免了尺度混合问题，使得最终分解的各分量保持了物理上的唯一性。对于原始信号，EEMD分解表达式为：

(1)

式中，ci(t)—信号在i固有尺度上的本征模函数(IMFs)；rn(t)—表信号分解后的趋势项(RES)。

集合经验模态分解的具体操作步骤为：

(1)在待分析的原始信号中加入给定振幅的白噪序列。

(2)对于加入白噪声后的信号做经验模态分解。

(3)反复以上两步操作，每次加入振幅相同的新生的白噪声序列从而得到不同的IMFs。

(4)将各次分解得到的IMFs进行集合平均，使加入的白噪声相互抵消，并将其作为最终的分解结果。

4 水资源量趋势分析

对于距平后的径流时间序列，采用集合经验模态分解方法进行分解，得到了4个IMFs分量和一个趋势项(RES)，这反映了天然径流复杂的多时间尺度性，如图1所示。各IMFs分量依次反映了径流从高频到低频不同时间尺度的波动特征，最后所得趋势项(RES)表示径流随时间变化的整体演变趋势。通过集合经验模态分解(EEMD)青海省内天然河川径流量和分区水资源量的变化趋势有以下特点：

受降水和下垫面影响天然河川径流量的变化趋势形态上存在差异性，从趋势项可以看出，河流的变化趋势主要存在三种类型，分别是：上升型、先上升后下降型、先下降后上升型。

总体来看，各水文站的变化趋势基本与分区水资源变化趋势一致。但也不尽相同，如直门达水文站变化趋势明显上升，但长江流域分区水资源量呈现出不明显的增加趋势，主要原因是长江流域内其他分区水资源量变化趋势不明显引起的。

从流域分区水资源量变化趋势看，长江流域、西南诸河和西北诸河总体趋势都呈增加趋势，可能与区域内降水增加及气候变暖等因素有关。黄河流域内水资源量呈减少趋势，但省内主要支流变化趋势不显著，因此，主要引起分区水资源量减少的原因是黄河干流水资源量减少所致，从区域降水量来看，黄河流域降水呈增加趋势，可见降水与径流变化趋势相反，这与降水径流的一致性相矛盾，导致黄河干流水资源减少的原因有待进一步分析研究，可能是由于下垫面的变化或人类活动引起的。

图1中IMFs1振幅越大，表示信号的能量大。通过比较集合经验模态分解后IMFs1分量的振幅，黄河流域20世纪60年代及80年代的振幅较大，表明该时期为丰水期，同理比较后得出，长江流域的丰水期为20世纪80年代和2000年以后，西南诸河的丰水期为20世纪80年代，西北诸河的丰水期为20世纪80年代和2000年以后，各流域分区丰水时段综合后得出青海省的丰水期为80年代。

从各分量IMFs的周期变化看，大多数水文站和分区水资源量EEMD分解的IMFs1和IMFs2年际变化基准周期为3年和7年，IMFs3和IMFs4年代际变化周期为12年和30年。

图1 水文站河川径流量及分区水资源量距平的各IMFs分量及趋势项

图1 水文站河川径流量及分区水资源量距平的各IMFs分量及趋势项(续图)

5 结语

本文在第三次评价成果的基础上，采用集合经验模态法对地表水资源量做了简单的趋势分析，至于水资源量增加或减少的成因没有做定性分析，还需要从区域气候变化及人类活动对下垫面的改变等角度来进一步研究地表水资源量增加或减少的具体原因，这样才能更好的了解变化环境下地表水资源量的演变趋势，为区域水资源管理提供更为全面的科学依据。

本文只是在方法上为水资源量趋势分析提供一种新的思路，优势在于去除了人为因素的影响，分解的趋势项能够真实反映时间序列的变化趋势，缺陷在于趋势项不能够直接体现出时间序列变化的显著性。