近20年湟水流域地表水资源量及用水量变化规律与成因分析

汪清旭，时 璐,董胜虎

(1.青海省水文水资源测报中心，青海 西宁 810000；2.黄河水利委员会上游水文水资源勘测局，甘肃 兰州 730030)

水资源的演变与利用关系到人类的生存与发展，与社会经济发展密切相关[1]。湟水流域(不含大通河)多年平均地表水资源量为21.56亿m3，占青海省地表量的3.4%，而湟水流域面积仅占青海省面积的2.3%，相对而言水资源较为丰富。但青海省内社会经济发展不平衡，导致了水资源利用率较低，全省64.8%的人口、62.0%的耕地和工业园区都分布于湟水流域内，人均占有水资源量为915.0m3，亩均耕地水资源量为634.0m3，不足全国水平的三分之一，是水资源缺乏地区。径流年际年内分配不均匀、气候变化、极端天气频发及人类活动加剧是导致湟水地区水资源缺乏的主要原因。在气候变化、产业结构动态调整、最严格水资源考核制度及青海省节约用水制度实施的背景下，湟水流域地表水资源量及用水结构发生了变化，节约用水、优化产业结构是目前解决好湟水流域缺水的主要手段。分析湟水流域近20年地表水资源量变化及水资源利用趋势，认识湟水流域水资源及用水变化规律，为未来湟水流域水资源演变及利用趋势预估提供有效参考，对湟水流域水资源利用管理、调整用水结构及节约用水具有重要意义。

近些年，许多学者对湟水流域水资源量变化和水资源缺乏的原因进行了深入探讨。祁文燕等通过湟水干流近60年径流变化特征分析得出湟水流域径流有减少的趋势[2]；杨发源等通过湟水河流域水资源变化特征及其对应气候的响应研究发现气温升高、降水量减少和蒸发量增大是导致湟水河流域水资源减少的主要原因[3]；相震等通过湟水流域水资源承载状况及水质评价的分析得出湟水流域局部水污染是水资源利用失衡的主要原因[4]。尽管相关的研究丰富且深入，但是对湟水流域的用水变化趋势研究较少，基于此，文章以《青海省水资源公报》为基础，分析近20年来，湟水流域(不含大通河)地表水资源量及用水量变化规律，为水资源管理政策制定、高效节水方案编写及社会经济可持续发展提供一定的技术参考。

1 数据与方法

1.1 区域概况

湟水干流位于青海省东北部，地处青藏高原和黄土高原过渡地带，介于北纬34°40′～37°28′，东经98°30′～103°15′之间。西起日月山，东至甘肃永靖县，北依达坂山将大通河与之分开，南以拉脊山为界与黄河干流水系相邻。发源于海北州海晏县境内肯特达坂山的洪呼日哈尼南面，于甘肃永靖县注入黄河，干流全长374km，流域面积为1.78万km2。其中青海省内流域面积1.61万km2，占流域总面积的90.4%，干流流经地为青海省的政治、经济、文化和交通中心，流域内聚集着青海省2/3以上的人口，也是全省工农业最集中的区域，因此，也将湟水称为“青海省的母亲河”。

1.2 数据资料

研究资料主要来源于《青海省水资源公报》和《青海省统计年鉴》。《青海省水资源公报》中的数据通过水文部门核算后发布，数据资料具有可靠性、科学性和权威性，采用数据主要包括湟水流域地表水资源量、农田灌溉用水、林牧渔畜用水、工业用水、城镇公共用水、居民生活用水及生态环境用水量，系列均为2000—2019年。社会经济方面的统计数据来源于《青海省统计年鉴》，系列为2000—2018年。

1.3 研究方法

当下对时间序列趋势及显著性检验的方法有很多种，但由于时间序列的分布不同，有的方法适用于正态分布检验，有的方法适用于非正态分布检验。而地表水资源量与用水量的时间序列分布与非正态分布更为贴近，因此采用集合经验模态分解(EEMD)和Mann-Kendall法对湟水流域地表水资源量和用水量进行分析。首先采用EEMD法对地表水资源量和用水量进行多尺度分解得到趋势项(RES)，然后用Mann-Kendall法对趋势项(RES)进行显著性检验。

1.3.1集合经验模态分解(EEMD)

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。其优势在于不受时间尺度的影响，即便资料年限较短，分解后的趋势项始终能保持物理上的唯一性，除去数据自身的周期性，能很好地反映出上升或下降的趋势。对于原始信号x(t),EEMD分解表达式为

(1)

式中，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)。

1.3.2Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall趋势检验法是一种非参数检验法，序列无须服从某种分布，也不受少数异值干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据，计算较简单，定量化程度高。其检验统计量公式如下：

(2)

其中，

(3)

式中，S—正态分布，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。当n>10时，标准正态统计变量通过下式计算：

(4)

在双边趋势检验中，对于给定的α置信水平，若|Z|≥Z1-α/2,则原假设是不可接受的，即在α置信水平上，时间序列数据存在明显的上升或下降趋势。对于统计变量Z，当Z大于0时，是上升趋势；当Z小于0时，则是下降趋势。Z的绝对值大于等于1.28、1.64、2.32时，分别通过了90%、95%、99%的显著性检验。本次计算采用|Z|=1.64来判断时间序列上升或下降的显著性。

2 结果与分析

2.1 地表水资源量变化

由图1(a)可以看出，近20年来湟水流域地表水资源量呈波动变化，与湟水流域丰平枯划分的标准相比较，2002年属枯水期，地表水资源量为17.9亿m3；2007、2012、2014、2017、2018、2019年地表水资源量都大于20%的频率值，属丰水年，其余年份为平水年。

由图1(b)可以看出，近20年湟水流域地表水资源量呈增加趋势，通过对趋势项进行非参数检验，得到|Z|=6.13>1.64，说明地表水资源量趋势项变化显著。

图1 湟水流域地表水资源量

已有研究成果表明，湟水流域径流变化与气候和人类活动有关。张调风等就气候和人类活动对径流影响给出了定量评估，其中气候占35.46%，人类活动占64.54%[5]。《青海省水资源公报》中地表径流已通过还原的方式消除了人类活动对径流的影响。因此，近20年以来湟水地区地表水资源量显著增加是气候因素起主导作用。

2.2 用水量变化

随着青海省社会经济发展及用水结构的调整，湟水地区用水总量先后发生了两次大的转折。第一次转折为2008年，用水总量由13.3571亿m3(2000—2007年用水均值)减至11.7074亿m3(2008—2011年用水均值)；第二次为2012年，用水总量减至9.2544亿m3(2012—2019年均值)，20年以来湟水流域用水总量减少3.7192亿m3，如图2(a)所示。

从分解后的趋势项(RES)可以看出，近20年湟水流域用水总量呈减少趋势，|Z|=6.10>1.64，说明用水总量趋势项变化显著。同时，反映出了湟水地区用水总量由原来的粗放式、高耗水型向节约型、低耗水型转变的趋势，如图2(b)所示。

图2 湟水流域总用水量

从图3中可以看出，农田灌溉用水量比重最大，占总用水量的57.2%，2008年和2011年有明显的转折点，都是由高向低转变，近20年来农田灌溉用水量减少了4.8741亿m3，减幅为57.7%；工业用水量占总用水量的比重为18.0%，工业用水量主要经历了先增加后减少的变化过程，2000—2007年逐渐增加，尤其在2003年以后增幅较大，2003—2007年增加了1.4537亿m3，2007年以后逐渐下降，到2012年基本保持与上一年持平的状态，近20年来工业用水量减少了1.4817亿m3，减幅为56.8%；居民生活用水量占总用水量的比重为9.2%，2000—2011年缓慢增加，2011年以后逐渐减少，2015年以后再次表现出增长趋势，近20年来居民生活用水量增加了0.1835亿m3，增幅为18.1%；林牧渔畜用水量占总用水量的比重为8.5%，近20年来林牧渔畜用水量逐渐增加，到2019年增加了1.4436亿m3，增幅为232%；城镇公共用水量占总用水量的比重为4.8%，近20年以来缓慢增长，到2019年增加了0.3255亿m3，增幅为68.0%；生态环境用水量占总用水量的比重为2.3%，生态环境用水量2003年以后才被纳入用水统计，2003年以来平稳增加，到2019年达到0.684亿m3。

图3 湟水流域各行业用水量

通过集合经验模态分解法(EEMD)和非参数法(Mann-Kendall)分析，发现近20年来各行业用水结构发生了深刻变化，各行业用水量采用集合模态分解的趋势项如图4所示。

图4 各行业用水量趋势项(RES)

农田灌溉、工业、居民生活用水量的趋势项呈显著减少趋势(|Z|=6.10>1.64，|Z|=6.10>1.64，|Z|=4.15>1.64)；林牧渔畜、城镇公共、生态环境用水量的趋势项呈显著增加趋势(|Z|=5.13>1.64，|Z|=5.58>1.64，|Z|=5.60>1.64)。

20年以来湟水流域内各行业用水结构都呈现出一定的变化规律，这与当下社会发展及气候变化息息相关，未来一段时间内，用水总量系统不会达到平衡，尤其是林牧渔业、城镇公共用水和生态环境用水量在未来一定时期内会持续上升，这将对湟水流域后期水资源开发利用极其不利。

2.3 用水量变化成因分析

流域内用水量变化是自然因素和社会发展共同作用的结果。基于已有研究成果[6-10]，文章选取降水、地表水资源量、GDP、第一产业增加值、第二产业增加值、作物播种面积、有效灌溉面积、粮食产量及工业增加值等10个指标，进行用水量变化的因子分析。

在主成分分析前，首先要判断选择的10个影响用水指标是否符合因子分析，这就需要KMO检验和Bartlett检验。检验结果显示KMO=0.75>0.5，Bartlett卡方统计值为293.9,自由度为45，P=0<0.01，因此选择的10个指标数据可以进行因子分析。

通过主成分降维分析后，由表1可知，因子1、2的累计贡献率为80.93%，大于80%，说明降维后的因子几乎含盖了全部的原始信号，仅有较少的信息丢失。由表2可知，降水量、地表水资源量、人口、GDP、第一产业增加值、第二产业增加值、粮食产量及工业增加值影响较大，可作为第一主要成分，贡献率为62.32%；作物播种面积和有效灌溉面积影响次之，为第二主要成分，贡献率为18.61%。详见表1—2。

表1 主成分贡献率

表2 主成分荷载矩阵

通过因子筛选，在湟水流域近20年来影响用水呈减少趋势的驱动因子中，降水、地表水资源量、人口、GDP、第一产业增加值、第二产业增值、粮食产量和工业增加值为主要驱动因子。降水和地表水资源量的多少直接影响农业需水量，21世纪以来湟水流域降水和地表水资源量呈增加趋势，有效减缓了区域内土壤干旱程度，农作物生长期从河道中获取的水量减少，是农田灌溉用水量下降的主要原因；而节约型社会的建设和区域内高耗水企业转型，是工业用水量下降的主要原因。作物播种面积和有效灌溉面积产生的总驱动力相对较小，这是由于20年以来作物播种面积和有效灌溉面积没有明显变化，再加上区域内灌溉技术一直未得到改良，都是以粗放式的大水漫灌，因此对用水总量变化的驱动力较弱。

3 结论

(1)湟水流域地表水资源量呈增加趋势，用水总量呈减少趋势，趋势项变化显著。从湟水流域各行业用水结构看，农田灌溉和工业用水是主要的用水大户，占总用水量的75.2%。从变化趋势来看，农田灌溉用水、工业用水及居民生活用水呈下降趋势，林牧渔畜用水、城镇公共用水和生态环境用水呈上升趋势，各行业趋势项变化显著。

(2)湟水流域用水结构系统还未达到平衡状态，尤其是林牧渔畜、城镇公共及生态环境用水量在未来一段时期内仍会上升。

(3)人口、GDP、第一产业增加值、第二产业增值、粮食产量和工业增加值是影响湟水流域用水结构变化的主要驱动因子，降水量和地表水资源量因子的驱动力次之，作物播种面积和有效灌溉面积对用水变化的驱动力最小。