云南高原湖泊洱海水资源量的研究

李红燕

(云南省水文水资源局大理分局，云南 大理 671000)

湖泊水资源由补给资源和储存资源两部分组成，其中湖泊储存资源即储蓄水量，是在湖泊形成过程中慢慢蓄积的，在维持湖泊形态、维持湖泊生态功能等方面做出重大贡献，在水资源利用中起调节作用，表现在湖泊的蓄变量中。湖泊补给资源指其湖泊径流集水区由降水天然补给方式包括陆地入湖水量、湖面产水量和地下水潜流入湖量3部分量。云南高原湖泊不同于中国东部的湖泊，湖面水面蒸发是云南湖泊水资源消耗的重要部分，湖面蒸发量大于湖面降水量，湖面产水量为负值，属于亏损性湖泊，故不能被过度消耗湖泊储蓄水量，否则湖泊会逐渐消失[1]，故湖泊水资源利用程度主要取决于湖泊补给资源量，本文研究湖泊水资源量指湖泊补给资源量。洱海是喜马拉雅地壳运动形成的云南第二大高原湖泊，是云南大理白族人民的“母亲湖”，2017年国家环保部把洱海纳入“新三湖”的水污染治理体系，成为“新三湖”之一，洱海良好的发展环境，是大理政治、经济、文化的摇篮，也是经济可持续发展的基础。进入21世纪，洱海水资源量的开发利用强度加大，入湖污染物总量迅速增加，导致湖体水质不断下降，洱海水生态系统受损，特别是2009年以来，洱海水资源量逐年减少，换水周期变长，水循坏条件较差，洱海水资源量减少是水质恶化的重要原因之一，故对洱海水资源量研究重要的现实意义。由于洱海流域缺乏地下水资料，本文洱海的湖泊水资源量指地表水资源量，即陆地水资源量和湖面产水量之和，本文创新点之一是先从陆地着手，根据流域产汇流原理，计算出洱海天然水资源量，揭晓其空间分布及湖区产水情况；再从湖区着手，根据湖泊水量平衡公式，结合云南高原湖泊的特性，推导出洱海水资源量的计算公式，2种方法可以相互验证。

近年来，随洱海保护治理强度的加大，洱海流域降水、水资源量变化规律备受广大专家学者专注，取得一些成果及研究。例如李芸等[2]应用小波分析对洱海流域降水量时空分布特征研究，揭晓洱海流域降水量随时间呈减少趋势，并存在“丰—枯—丰—枯”的循环趋势；李文娟等[3]利用用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算洱海潜在蒸散量，分析了近59年来洱海流域地区降水和蒸散量的变化特征，并分析计算了相应的降蒸差及其演变特征；黄慧军等[4]通过洱海流域对50年的气候变化特征及不同气候类型对洱海水资源量的影响，并建立了洱海水资源量与洱海流域降水量、气温的定量关系，对洱海水资源量进行定量估计；徐映才等[5]基于Manner-Kendall法研究了洱海流域降水量、入湖径流量随时间的变化趋势和突变情况。但这些研究对洱海流域降水量、蒸发量等变化进行研究，对水资源量的研究仅是对其进行定量估计或是未考虑人类活动的耗水量，并未揭晓出洱海天然水资源量随时间的周期性变化规律，本文的创新点之二根据推求的洱海天然水资源量序列，研究水资源量的趋势性及周期性变化规律，不仅采用Manner-Kendall法对洱海天然水资源量的年际、月际变化进行分析，还采用小波分析对洱海天然水资源量进行多尺度时频分析，以揭晓洱海天然水资源量在不同尺度上的周期变化特性，为洱海水资源科学调度、用水管理、湖泊补水、流域转型发展等提供决策依据和数据参考。

1 数据资料及分析方法

结合流域产汇流原理、湖泊水量平衡原理和云南湖泊特点，洱海天然水资源量的计算见式(1)：

W=Wl+Wh

(1)

式中W——洱海天然水资源量；Wl——洱海流域陆地水资源量；Wh——洱海湖区产水量。

1.1 湖区产水量计算方法

本文洱海湖区产水量为湖区降水量与湖区蒸发量之差，见式(2)：

Wh=Whj-Whz

(2)

式中Whj——洱海湖区降水量；Whz——洱海湖区蒸发量。

a)洱海湖区降水量计算方法。本文洱海湖区降水量分析选用洱海湖区周边(距离湖岸线3 km以内)资料系列较长的下关、大理、喜洲、沙坪、挖色5个长系列站，均匀分布在洱海湖区周围，代表性较好，站址稳定、资料连续性较好。分析过程中，因资料长短系列不一，利用下关、大理站对喜洲、沙坪、挖色等站点的资料进行差补延长后，用算术平均法计算出1956—2018年洱海湖区年月降水量。

b)洱海湖区蒸发量计算方法。本文洱海湖区蒸发损失量采用洱海流域炼城站蒸发计算。炼城站自1956年以来的水面蒸发资料，存在蒸发器型号不一，均折算为E601蒸发皿的数据。洱海湖区水面蒸发为大水体，根据SL 278—2002《水利水电工程水文计算规范》规定，20 m2以上标准蒸发池的观测资料可以直接用于计算水面蒸发量，故需要把炼城E601蒸发皿转化为20 m2以上标准蒸发池标准，折算系数采用其规范中附录C云南滇池的各月水面蒸发折算系数，从而得出洱海湖区年月水面蒸发量，再根据式(2)计算出湖区产水量。

1.2 洱海天然水资源量计算原理

本文洱海天然水资源量计算方法一结合流域产汇流原理，从陆地着手，先计算出洱海陆地水资源量，再加上湖区产水量，得出洱海天然水资源量；方法二通过水量平衡原理，从湖区着手，倒推出洱海天然水资源量，2种方法之间可相互验证，具体分析如下。

a)流域产汇流原理。洱海水系总体属于向心状水系，由洱海湖区四周进入湖泊，降水因受局部地形的影响，面上分布和垂直分布差距较大。大体上自南向北、自西向东递减，故结合地理位置、降水、植被、下垫面、水系等条件，可以把洱海流域分为5个区域，根据各分区产汇流原理，结合流域内基本水文站、雨量站、巡测流量、水库观测等水文要素资料，利用水文比拟法、径流相关法等分析计算各区流量，各分区基本情况见图1。

图1 洱海流域水系、分区及站点分布

b)水量平衡原理。本文利用云南省水文水资源局大理分局1956年以来监测的洱海出湖水量、水位等成果，利用水量平衡原理反推洱海陆地水资源量，见式(3)：

Wl=Wc+Wh±ΔWhx+ΔWkx-Whj+Whz

(3)

式中Wc——西洱河出湖水量和引洱入宾调水量之和为总出湖水量；Wh——流域内工农业及生活用水耗水量，1954—2016年流域耗水采用云南省第三次水资源调查评价成果还原成果，2017—2018年采用大理州水资源公报计算还原成果；ΔWhx——洱海湖区计算时段始末蓄水变量，结合洱海水位库容曲线求得；ΔWkx——洱海陆地水库蓄水变量，采用了洱海上游海西海、茈碧湖、三岔河水库3个中型水库水量还原。

由式(1)可知，洱海天然水资源量为式(2)、(3)相加，得出：

W=Wl+Wh=Wc+Wh±ΔWhx+ΔWkx

(4)

1.3 洱海水资源量趋势性及周期性分析方法

1.3.1趋势性检验方法

本文采用Mann-Kendall[6-8]趋势检验法，Mann-Kendall趋势检验法原理为：Xt(t= 1，2，…)为一时间序列，先确定其序列的对偶数(Xi

(5)

(6)

(7)

如果U为正，表示上升趋势，为负表示下降趋势。当|U|≥U0.05/2=1.96时，表示序列趋势变化显著；当|U|

1.3.2周期性检验方法

本文采用小波分析[9-14]对洱海天然水资源量的周期变化来进行检验。连续小波变化定义为式(8)：

(8)

水文观测到的时间序列数据大多是离散的，设函数f(kΔt) (k=1,2,…,N;Δt为取样间隔)，则式(8)的离散小波变换形式为式(9)：

(9)

由式(8)、(9)可知小波分析的基本原理，即通过增加或减小伸缩尺度a来得到信号的低频或高频信息，然后分析信号的概貌或细节，实现对信号不同时间尺度和空间局部特征的分析，实际研究中，最主要的就是要由小波变换方程得到小波系数，然后通过这些系数来分析时间序列的时频变化特征。

将小波系数的平方值在b域上积分，就可得到小波方差，即式(10)：

(10)

小波方差随尺度a的变化过程，称为小波方差图。由式(10)可知，它能反映信号波动的能量随尺度a的分布。因此，小波方差图可用来确定信号中不同种尺度扰动的相对强度和存在的主要时间尺度，即主周期。

本文的洱海天然水资源量周期分析通过Matlab R2013b软件计算分析，小波系数实部等值线图通过Surfer 8工具中克里金插值法制作。

2 分析结果

2.1 湖区产水量

通过上述分析，洱海湖区多年平均降水量为888.5 mm，多年平均蒸发量为1 260.9 mm，湖区产水量为湖面降水量与蒸发量之差-372.4 mm，洱海多年湖区产水量为亏损状态，平均每年需陆地补给总量0.932亿m3量来满足湖区蒸发，但并不是每月洱海的产水量都是亏损状态，其中主汛期(7—9)多年月平均湖面降水量大于蒸发量，湖区产水量为正值，其余月份(1—6月、10—12月)均为亏损状态。

2.2 洱海天然水资源量

a)流域产汇流原理计算成果。通过上述流域产汇流原理分析得出，洱海多年陆地水资源量9.494亿m3，扣除补给湖区的0.932亿m3，洱海多年水资源量8.562亿m3。各分区陆地水资源量从大到小表现为：北部(a)>西部(b)>东南部(c)>东部(d)，依次占洱海陆地水资源量的54.9%、33.2%、6.9%、4.9%(各分区水量见表1)。

b)水量平衡原理计算成果。通过上述水量平衡原理分析计算得出，洱海多年水资源量8.519亿m3，加上补给湖区的0.932亿m3，洱海多年陆地产水量9.449亿m3。

c)成果对比。2种方法计算的洱海多年水资源量较为接近，相对误差为0.5%，满足分析要求。方法一优点是结合流域内雨量站、水文站、巡测站等监测数据，适合计算各分区水资源量的空间分布，缺点是工序较为复杂，不仅需计算同期参证站的降水、径流，还需计算各分区降水等；方法二优点结合是洱海水位、出流、耗水等资料，可较快计算出洱海各时段水资源量，适合计算各时段序列的洱海天然水资源量系列，缺点是不能看出其洱海空间上的水资源量分布，成果见表1。

本文下文的趋势性和周期性分析采用水量平衡原理法计算的成果，洱海历年天然水资源量过程线见图2。由过程线可以看出，1956—1961年洱海天然水资源量基本处于多年均值以下，该阶段总体处于枯水期；1962—1975年洱海天然水资源量基本处于多年均值以上，处于丰水期；1976—1988年洱海天然水资源量存在小幅波动，总体在多年均值以下，处于枯水期；1989—2005年洱海天然水资源量存在小幅波动变化，但总体在多年均值以上，处于丰水期；2006—2018年洱海天然水资源量处于多年均值以下，处于枯水期，特别2009年以后，水量大幅度减少，洱海换水周期变长，约是常年的2倍。故可以看出，这63年来洱海天然水资源量大致经历了枯—丰—枯—丰—枯的循环，2018年以后洱海天然水资源量将进入丰水年。

表1 洱海流域各分区及天然水资源量统计

图2 洱海历年天然水资源量过程线

2.3 洱海水资源量的趋势性和周期性

2.3.1趋势性

a)年际变化特征。根据计算，洱海多年来的天然水资源量Mann-Kendall检验值U为-1.71，随时间呈下降趋势变化，但下降趋势不显著；汛期和枯期也呈下降趋势，汛期下降趋势显著。从季节变化趋势来看：春季呈上升趋势变化，但趋势不显著；夏季、秋季、冬季均呈下降趋势变化，其中秋季和冬季下降趋势显著，夏季下降趋势不显著，见表2。

表2 洱海天然水资源量Mann-Kendall趋势特征

b)月际变化特征。根据计算，洱海天然水资源量月际Mann-Kendall检验值情况见图3。由图3可以看出，4—5月呈上升趋势变化，但上升趋势不显著；其余10个月均呈下降趋势变化，10—12月下降趋势显著。

图3 洱海天然水资源量月际Mann-Kendall检验值

2.3.2周期性

a)小波变换系数实部时频变化分析。图4 是洱海天然水资源量小波系数实部等值线，图中实线是小波变换系数正值等值线，代表丰水期；虚线是波变换系数负值等值线，代表枯水期。通过该图可以分析出在不同时间尺度下洱海天然水资源量随时间丰、枯交替变化的特征及其突变点的分布。总的来说，在9、12、21、32 a左右时间尺度的丰枯交替变化特征及突变点比较明显，且洱海天然水资源量在小于7 a时间尺度下波动变化较快，且突变点分布散乱，故洱海天然水资源量在小尺度周期下，波动频繁，震荡明显。

图4 洱海天然水资源量小波系数实部等值线

图5a可以看出a=9年时间尺度的小波变换系数过程看，洱海天然水资源量大约经历了10个周期变化；图5b可以看出a=12年时间尺度的小波变换系数过程看，洱海天然水资源量大约经历了7个周期变化；图5c可以看出a=21年时间尺度的小波变换系数过程看，洱海天然水资源量大约经历了4个周期变化；图5d可以看出a=32年时间尺度的小波变换系数过程看，洱海天然水资源量大约经历了2个周期变化。

a)a=9

b)a=12

c)a=21

d)a=32

由以上分析结果得出，时间尺度越小洱海天然水资源量丰枯变化趋势突出且剧烈；时间尺度越大，丰枯变化交替趋势越稳定。图5d可以看出a=32年尺度下，小波变化也趋于稳定，经历了枯—丰—枯—丰—枯的循环，与洱海天然水资源量趋势分析也一致。4种不同尺度下可以看出，2018年以后洱海天然水资源量进入处于丰水期可能性大。

b)小波变换方差分析。图6 是洱海天然水资源量小波变换方差过程线，由图可知，在9、12、21、32 a左右尺度的小波方差的极值周期较明显，存在峰值；最大峰值对应着12年的时间尺度，说明12年左右的周期震荡最强，为洱海水资源量的第一主周期；9年时间尺度对应着第二峰值，为第二主周期；32年和21年的时间尺度分别洱海水资源量的第三和第四主周期。

图6 洱海天然水资源量不同尺度下小波变换方差过程线

3 结语及讨论

3.1 主要结论

a)洱海多年湖区产水量为亏损状态(湖区蒸发量大于湖区降水量)，平均每年需陆地补给0.932亿m3水来满足湖区蒸发。

b)从流域产汇流产原理和水量平衡原理计算的洱海天然水资源量成果可知，2种方法水量较为接近，相对误差为0.5%。洱海多年天然水资源量8.519亿m3，洱海多年陆地产水量9.449亿m3，多年陆地水资源量空间分布不均，北部(a)>西部(b)>东南部(c)>东部(d)，依次占洱海陆地水资源量的54.9%、33.2%、6.9%、4.9%。

c)运用Mann-Kendall方法计算得出，年际变化中，洱海全年、汛期、枯期、夏季、秋季和冬季的天然水资源量随时间整体都呈现减少趋势，汛期、秋季和冬季下降趋势显著，唯春季的天然水资源量随时间整体呈现增加趋势，但上升趋势不显著；月际变化中，4—5月呈上升趋势变化，但上升趋势不显著，其余10个月均呈下降趋势变化，10—12月下降趋势显著。

d)小波分析计算表明，不同尺度下，在1956—2018年期间，洱海天然水资源存在9、12、21、32年左右的周期变化，它们主导着洱海天然水资源的丰枯变化趋势，其中12年左右的周期震荡最强，为洱海天然水资源量的第一主周期。

3.2 讨论

根据洱海保护治理及流域转型发展的需要，自2017年以来，流域内环湖截污工程的建设，新增大量的生态库塘、湿地以及环湖洱海生态调蓄带的工程措施，拦截了部分陆地来水，蒸发损失量的也将增大，这部分来水汇入湖泊时间变长；还有土地流转以及产业结构的转型调整，将来洱海大型灌区的建设，以及城乡统筹供水，取缔无序取水，节水技术及措施提高，流域耗水量将大幅变化，故后期应加强对流域内蒸发损失量、农业用水定额以及耗水量的研究，从而了解洱海保护治理及流域转型发展的工程措施对洱海天然水资源量的影响程度。