汪清旭，時 璐,董勝虎

(1.青海省水文水資源測報中心，青海 西寧 810000；2.黃河水利委員會上游水文水資源勘測局，甘肅 蘭州 730030)

水資源的演變與利用關系到人類的生存與發(fā)展，與社會經(jīng)濟發(fā)展密切相關[1]。湟水流域(不含大通河)多年平均地表水資源量為21.56億m3，占青海省地表量的3.4%，而湟水流域面積僅占青海省面積的2.3%，相對而言水資源較為豐富。但青海省內社會經(jīng)濟發(fā)展不平衡，導致了水資源利用率較低，全省64.8%的人口、62.0%的耕地和工業(yè)園區(qū)都分布于湟水流域內，人均占有水資源量為915.0m3，畝均耕地水資源量為634.0m3，不足全國水平的三分之一，是水資源缺乏地區(qū)。徑流年際年內分配不均勻、氣候變化、極端天氣頻發(fā)及人類活動加劇是導致湟水地區(qū)水資源缺乏的主要原因。在氣候變化、產(chǎn)業(yè)結構動態(tài)調整、最嚴格水資源考核制度及青海省節(jié)約用水制度實施的背景下，湟水流域地表水資源量及用水結構發(fā)生了變化，節(jié)約用水、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結構是目前解決好湟水流域缺水的主要手段。分析湟水流域近20年地表水資源量變化及水資源利用趨勢，認識湟水流域水資源及用水變化規(guī)律，為未來湟水流域水資源演變及利用趨勢預估提供有效參考，對湟水流域水資源利用管理、調整用水結構及節(jié)約用水具有重要意義。

近些年，許多學者對湟水流域水資源量變化和水資源缺乏的原因進行了深入探討。祁文燕等通過湟水干流近60年徑流變化特征分析得出湟水流域徑流有減少的趨勢[2]；楊發(fā)源等通過湟水河流域水資源變化特征及其對應氣候的響應研究發(fā)現(xiàn)氣溫升高、降水量減少和蒸發(fā)量增大是導致湟水河流域水資源減少的主要原因[3]；相震等通過湟水流域水資源承載狀況及水質評價的分析得出湟水流域局部水污染是水資源利用失衡的主要原因[4]。盡管相關的研究豐富且深入，但是對湟水流域的用水變化趨勢研究較少，基于此，文章以《青海省水資源公報》為基礎，分析近20年來，湟水流域(不含大通河)地表水資源量及用水量變化規(guī)律，為水資源管理政策制定、高效節(jié)水方案編寫及社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供一定的技術參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 區(qū)域概況

湟水干流位于青海省東北部，地處青藏高原和黃土高原過渡地帶，介于北緯34°40′～37°28′，東經(jīng)98°30′～103°15′之間。西起日月山，東至甘肅永靖縣，北依達坂山將大通河與之分開，南以拉脊山為界與黃河干流水系相鄰。發(fā)源于海北州海晏縣境內肯特達坂山的洪呼日哈尼南面，于甘肅永靖縣注入黃河，干流全長374km，流域面積為1.78萬km2。其中青海省內流域面積1.61萬km2，占流域總面積的90.4%，干流流經(jīng)地為青海省的政治、經(jīng)濟、文化和交通中心，流域內聚集著青海省2/3以上的人口，也是全省工農(nóng)業(yè)最集中的區(qū)域，因此，也將湟水稱為“青海省的母親河”。

1.2 數(shù)據(jù)資料

研究資料主要來源于《青海省水資源公報》和《青海省統(tǒng)計年鑒》。《青海省水資源公報》中的數(shù)據(jù)通過水文部門核算后發(fā)布，數(shù)據(jù)資料具有可靠性、科學性和權威性，采用數(shù)據(jù)主要包括湟水流域地表水資源量、農(nóng)田灌溉用水、林牧漁畜用水、工業(yè)用水、城鎮(zhèn)公共用水、居民生活用水及生態(tài)環(huán)境用水量，系列均為2000—2019年。社會經(jīng)濟方面的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于《青海省統(tǒng)計年鑒》，系列為2000—2018年。

1.3 研究方法

當下對時間序列趨勢及顯著性檢驗的方法有很多種，但由于時間序列的分布不同，有的方法適用于正態(tài)分布檢驗，有的方法適用于非正態(tài)分布檢驗。而地表水資源量與用水量的時間序列分布與非正態(tài)分布更為貼近，因此采用集合經(jīng)驗模態(tài)分解(EEMD)和Mann-Kendall法對湟水流域地表水資源量和用水量進行分析。首先采用EEMD法對地表水資源量和用水量進行多尺度分解得到趨勢項(RES)，然后用Mann-Kendall法對趨勢項(RES)進行顯著性檢驗。

1.3.1集合經(jīng)驗模態(tài)分解(EEMD)

集合經(jīng)驗模態(tài)分解(EEMD)是一種適合于處理非線性、非平穩(wěn)時間序列的方法。其優(yōu)勢在于不受時間尺度的影響，即便資料年限較短，分解后的趨勢項始終能保持物理上的唯一性，除去數(shù)據(jù)自身的周期性，能很好地反映出上升或下降的趨勢。對于原始信號x(t),EEMD分解表達式為

(1)

式中，t—信號在i固有尺度上的本征模函數(shù)(IMFs)；rn(t)—表信號分解后的趨勢項(RES)。

1.3.2Mann-Kendall檢驗法

Mann-Kendall趨勢檢驗法是一種非參數(shù)檢驗法，序列無須服從某種分布，也不受少數(shù)異值干擾，適用于水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，計算較簡單，定量化程度高。其檢驗統(tǒng)計量公式如下：

(2)

其中，

(3)

式中，S—正態(tài)分布，方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。當n>10時，標準正態(tài)統(tǒng)計變量通過下式計算：

(4)

在雙邊趨勢檢驗中，對于給定的α置信水平，若|Z|≥Z1-α/2,則原假設是不可接受的，即在α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。對于統(tǒng)計變量Z，當Z大于0時，是上升趨勢；當Z小于0時，則是下降趨勢。Z的絕對值大于等于1.28、1.64、2.32時，分別通過了90%、95%、99%的顯著性檢驗。本次計算采用|Z|=1.64來判斷時間序列上升或下降的顯著性。

2 結果與分析

2.1 地表水資源量變化

由圖1(a)可以看出，近20年來湟水流域地表水資源量呈波動變化，與湟水流域豐平枯劃分的標準相比較，2002年屬枯水期，地表水資源量為17.9億m3；2007、2012、2014、2017、2018、2019年地表水資源量都大于20%的頻率值，屬豐水年，其余年份為平水年。

由圖1(b)可以看出，近20年湟水流域地表水資源量呈增加趨勢，通過對趨勢項進行非參數(shù)檢驗，得到|Z|=6.13>1.64，說明地表水資源量趨勢項變化顯著。

圖1 湟水流域地表水資源量

已有研究成果表明，湟水流域徑流變化與氣候和人類活動有關。張調風等就氣候和人類活動對徑流影響給出了定量評估，其中氣候占35.46%，人類活動占64.54%[5]。《青海省水資源公報》中地表徑流已通過還原的方式消除了人類活動對徑流的影響。因此，近20年以來湟水地區(qū)地表水資源量顯著增加是氣候因素起主導作用。

2.2 用水量變化

隨著青海省社會經(jīng)濟發(fā)展及用水結構的調整，湟水地區(qū)用水總量先后發(fā)生了兩次大的轉折。第一次轉折為2008年，用水總量由13.3571億m3(2000—2007年用水均值)減至11.7074億m3(2008—2011年用水均值)；第二次為2012年，用水總量減至9.2544億m3(2012—2019年均值)，20年以來湟水流域用水總量減少3.7192億m3，如圖2(a)所示。

從分解后的趨勢項(RES)可以看出，近20年湟水流域用水總量呈減少趨勢，|Z|=6.10>1.64，說明用水總量趨勢項變化顯著。同時，反映出了湟水地區(qū)用水總量由原來的粗放式、高耗水型向節(jié)約型、低耗水型轉變的趨勢，如圖2(b)所示。

圖2 湟水流域總用水量

從圖3中可以看出，農(nóng)田灌溉用水量比重最大，占總用水量的57.2%，2008年和2011年有明顯的轉折點，都是由高向低轉變，近20年來農(nóng)田灌溉用水量減少了4.8741億m3，減幅為57.7%；工業(yè)用水量占總用水量的比重為18.0%，工業(yè)用水量主要經(jīng)歷了先增加后減少的變化過程，2000—2007年逐漸增加，尤其在2003年以后增幅較大，2003—2007年增加了1.4537億m3，2007年以后逐漸下降，到2012年基本保持與上一年持平的狀態(tài)，近20年來工業(yè)用水量減少了1.4817億m3，減幅為56.8%；居民生活用水量占總用水量的比重為9.2%，2000—2011年緩慢增加，2011年以后逐漸減少，2015年以后再次表現(xiàn)出增長趨勢，近20年來居民生活用水量增加了0.1835億m3，增幅為18.1%；林牧漁畜用水量占總用水量的比重為8.5%，近20年來林牧漁畜用水量逐漸增加，到2019年增加了1.4436億m3，增幅為232%；城鎮(zhèn)公共用水量占總用水量的比重為4.8%，近20年以來緩慢增長，到2019年增加了0.3255億m3，增幅為68.0%；生態(tài)環(huán)境用水量占總用水量的比重為2.3%，生態(tài)環(huán)境用水量2003年以后才被納入用水統(tǒng)計，2003年以來平穩(wěn)增加，到2019年達到0.684億m3。

圖3 湟水流域各行業(yè)用水量

通過集合經(jīng)驗模態(tài)分解法(EEMD)和非參數(shù)法(Mann-Kendall)分析，發(fā)現(xiàn)近20年來各行業(yè)用水結構發(fā)生了深刻變化，各行業(yè)用水量采用集合模態(tài)分解的趨勢項如圖4所示。

圖4 各行業(yè)用水量趨勢項(RES)

農(nóng)田灌溉、工業(yè)、居民生活用水量的趨勢項呈顯著減少趨勢(|Z|=6.10>1.64，|Z|=6.10>1.64，|Z|=4.15>1.64)；林牧漁畜、城鎮(zhèn)公共、生態(tài)環(huán)境用水量的趨勢項呈顯著增加趨勢(|Z|=5.13>1.64，|Z|=5.58>1.64，|Z|=5.60>1.64)。

20年以來湟水流域內各行業(yè)用水結構都呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律，這與當下社會發(fā)展及氣候變化息息相關，未來一段時間內，用水總量系統(tǒng)不會達到平衡，尤其是林牧漁業(yè)、城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水量在未來一定時期內會持續(xù)上升，這將對湟水流域后期水資源開發(fā)利用極其不利。

2.3 用水量變化成因分析

流域內用水量變化是自然因素和社會發(fā)展共同作用的結果?；谝延醒芯砍晒鸞6-10]，文章選取降水、地表水資源量、GDP、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、作物播種面積、有效灌溉面積、糧食產(chǎn)量及工業(yè)增加值等10個指標，進行用水量變化的因子分析。

在主成分分析前，首先要判斷選擇的10個影響用水指標是否符合因子分析，這就需要KMO檢驗和Bartlett檢驗。檢驗結果顯示KMO=0.75>0.5，Bartlett卡方統(tǒng)計值為293.9,自由度為45，P=0<0.01，因此選擇的10個指標數(shù)據(jù)可以進行因子分析。

通過主成分降維分析后，由表1可知，因子1、2的累計貢獻率為80.93%，大于80%，說明降維后的因子幾乎含蓋了全部的原始信號，僅有較少的信息丟失。由表2可知，降水量、地表水資源量、人口、GDP、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增加值、糧食產(chǎn)量及工業(yè)增加值影響較大，可作為第一主要成分，貢獻率為62.32%；作物播種面積和有效灌溉面積影響次之，為第二主要成分，貢獻率為18.61%。詳見表1—2。

表1 主成分貢獻率

表2 主成分荷載矩陣

通過因子篩選，在湟水流域近20年來影響用水呈減少趨勢的驅動因子中，降水、地表水資源量、人口、GDP、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增值、糧食產(chǎn)量和工業(yè)增加值為主要驅動因子。降水和地表水資源量的多少直接影響農(nóng)業(yè)需水量，21世紀以來湟水流域降水和地表水資源量呈增加趨勢，有效減緩了區(qū)域內土壤干旱程度，農(nóng)作物生長期從河道中獲取的水量減少，是農(nóng)田灌溉用水量下降的主要原因；而節(jié)約型社會的建設和區(qū)域內高耗水企業(yè)轉型，是工業(yè)用水量下降的主要原因。作物播種面積和有效灌溉面積產(chǎn)生的總驅動力相對較小，這是由于20年以來作物播種面積和有效灌溉面積沒有明顯變化，再加上區(qū)域內灌溉技術一直未得到改良，都是以粗放式的大水漫灌，因此對用水總量變化的驅動力較弱。

3 結論

(1)湟水流域地表水資源量呈增加趨勢，用水總量呈減少趨勢，趨勢項變化顯著。從湟水流域各行業(yè)用水結構看，農(nóng)田灌溉和工業(yè)用水是主要的用水大戶，占總用水量的75.2%。從變化趨勢來看，農(nóng)田灌溉用水、工業(yè)用水及居民生活用水呈下降趨勢，林牧漁畜用水、城鎮(zhèn)公共用水和生態(tài)環(huán)境用水呈上升趨勢，各行業(yè)趨勢項變化顯著。

(2)湟水流域用水結構系統(tǒng)還未達到平衡狀態(tài)，尤其是林牧漁畜、城鎮(zhèn)公共及生態(tài)環(huán)境用水量在未來一段時期內仍會上升。

(3)人口、GDP、第一產(chǎn)業(yè)增加值、第二產(chǎn)業(yè)增值、糧食產(chǎn)量和工業(yè)增加值是影響湟水流域用水結構變化的主要驅動因子，降水量和地表水資源量因子的驅動力次之，作物播種面積和有效灌溉面積對用水變化的驅動力最小。