王電龍

（山西省水利建設(shè)開發(fā)中心，山西 太原 030002）

1 引言

山西省水資源量極度匱乏，人均水資源量約為466m3，僅占全國人均水資源量的17%。近50年來，山西省水資源量嚴重衰減，其原因主要可歸結(jié)為氣候變化和人類活動影響兩大因素，但在不同尺度上其衰變特征表現(xiàn)出很大的差異。

尺度效應是水資源演變過程研究不可忽視的問題，尺度過小容易受眾多隨機因素的影響和干擾，尺度過大則易將重要的演變特征掩蓋忽略，因此進行水資源演變尺度效應的研究是十分必要的。國內(nèi)外已有眾多學者對水資源演變的尺度效應進行了研究。下文采用M-K統(tǒng)計檢驗、小波變換等方法，研究山西全省、山西黃河流域和海河流域水資源量在不同時間尺度上的演變特征，旨在為全省水資源演變過程的研究及水資源評價規(guī)劃工作提供一定的理論支持。

2 研究區(qū)概況

山西省位于華北平原西部，黃土高原東翼，南北長約680 km，東西寬約380 km，總面積156271 km2，從北到南可劃分為晉北、晉中和晉南三大區(qū)域。氣候區(qū)劃屬溫帶大陸性季風氣候，四季變化較大，南北差異明顯，冬季寒冷干燥，夏季雨水集中，春季干旱多風，秋季短暫溫和。全省平均氣溫4～14℃，空間分布為由南向北逐步遞減，在緯度水平相近的兩地，氣溫隨海拔的升高而降低；多年平均降水量507.0 mm，多集中在7—9月，空間分布為由東南向西北逐步遞減。

3 研究方法

此次研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要為1956—2010年山西省水資源量、山西黃河和海河流域水資源量，其中1956—1983年數(shù)據(jù)來源于1996年編制的《山西省水中長期供求計劃報告（1996—2010年）》，1984—2010年數(shù)據(jù)來源于《山西省歷年水資源公報》。

采用M-K統(tǒng)計檢驗法研究水資源量在逐年尺度上的變化特征。M-K統(tǒng)計檢驗是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，可有效檢驗氣象因子及水資源量序列的演變突變。采用小波變換法研究水資源量在中尺度和大尺度上的演變特征。小波變換是一種新興的信號處理研究方法，有信號處理“顯微鏡”之稱，可以將信號進行多尺度處理，有效剔除信號的隨機因素，還原信號本質(zhì)演變趨勢。

4 研究成果

4.1 逐年尺度演變特征

利用DPS7.5軟件對山西省全省、山西省黃河及海河流域水資源量1956—2010年序列進行M-K統(tǒng)計檢驗（圖1）。統(tǒng)計量正、逆序列的交叉點即為水資源量序列的突變點，若交叉點位于1%置信區(qū)間之內(nèi)，則說明水資源量序列在1%顯著水平上發(fā)生突變，如果交叉點位于5%置信區(qū)間之內(nèi)，說明在5%顯著水平上發(fā)生突變。

由圖1可以看出，山西省水資源量序列在1978年發(fā)生突變，由此可將水資源量序列分為兩段，1956—1978序列受人類活動和氣候影響變化較小，為144.53億m3，1979—2010序列則受人類活動和氣候變化影響較大，為99.52億m3，即在人類活動和氣候變化的共同影響下山西省水資源量減少了45.01億m3。山西省黃河流域水資源量序列在1974年發(fā)生突變，1956—1974序列受人類活動和氣候影響變化較小，為86.38億m3，1975—2010序列則受人類活動和氣候變化的影響較大，為61.83億m3，即在人類活動和氣候變化的共同影響下山西省黃河流域水資源量減少了24.55億m3。山西省海河流域水資源量序列在1979年附近發(fā)生突變，1956—1979序列受人類活動和氣候影響變化較小，為59.66億m3，1980—2010序列則受人類活動和氣候變化影響較大，為39.02億m3，即在人類活動和氣候變化的共同影響下山西省海河流域水資源量減少了20.64億m3。

4.2 3年尺度演變特征

采用db3小波函數(shù)對山西省、山西省黃河流域和海河流域1956—2010年水資源量序列進行1~5年尺度的離散小波變換，然后對3年尺度的低頻信號進行單支重構(gòu)，得到小波重構(gòu)圖，見圖2。

從圖2（a）可以看出，近55年來全省水資源量系列在3年尺度上存在3個明顯拐點，分別為1967年，1976年和2000年，1956—1967年平均下降速率為0.2億m3/a，1968—1976年加速下降為 1.1億m3/a，1977—2000年下降速率為1.35億m3/a，2001—2010年上升速率為2.1億m3/a。由圖2（b）可以看出，黃河流域水資源量系列存在1966年，1977年，1984年和2000年4個拐點，1956—1966年平均下降速率為0.24億m3/a，1967—1977年加速下降為1.70億m3/a，1977—1984年上升速率為0.55億m3/a，1985—2000年下降速率為0.82億m3/a，2001—2010年上升速率為1.73億m3/a。由圖2（c）可以看出，海河流域水資源量系列存在1985年和1992年2個拐點，1956—1985年平均下降速率為 1.0億m3/a，1986—1992年上升速率為0.46億m3/a，1993—2010年下降速率為0.45億m3/a。

圖1 山西省水資源量序列M-K統(tǒng)計檢驗

圖2 3年尺度山西省水資源量演變特征

圖3 5年尺度山西省水資源量演變特征

4.3 5年尺度演變特征

采用db3小波函數(shù)對山西省、山西省黃河流域和海河流域1956—2010年水資源量序列5年尺度的低頻信號進行單支重構(gòu)，得到小波重構(gòu)圖，見圖3。

從圖3可以看出，近55年來，山西全省及山西省黃河流域、海河流域水資源量序列在5年尺度上均存在2個明顯拐點，分別為1959年和1990年。1956—1959年全省及省內(nèi)黃河流域、海河流域水資源量下降速率分別為0.31億m3/a，0.15億m3/a和0.16億m3/a；1960—1990年下降速率分別為2.22億m3/a，1.28億m3/a和0.94億m3/a；1991—2010年上升速率分別為0.8億m3/a，0.7億m3/a和 0.1億m3/a。

5 結(jié)論

采用M-K統(tǒng)計檢驗和小波變換法研究了山西全省、山西省黃河流域和海河流域1956—2010年系列多尺度演變特征，得出如下成果：一是研究區(qū)水資源量年序列在1%顯著水平上存在明顯突變，發(fā)生突變的年份分別為1978年，1974年和1979年。明確了水資源在人類活動和氣候變化影響下發(fā)生突變的節(jié)點。二是在3年尺度上，山西全省及海河流域水資源量序列存在3個明顯拐點，黃河流域存在4個明顯拐點。三是在5年尺度上，山西全省及黃河、海河流域的水資源量序列均存在2個明顯拐點。以上研究成果可為進一步厘清全省水資源演變機制提供一定的理論基礎(chǔ)，并為區(qū)域水資源的合理開發(fā)利用提供指導。