甘肃省水资源演变趋势研究

甘肃省近60年来水资源演变及趋势预测研究

甘肃省近60年来水资源演变及趋势预测研究

摘要：本文利用41个水资源代表站自建站以来的原始观测序列来分析我省地表水资源的变化规律以及对其演变趋势进行超长期预测。分内陆河流域、黄河流域、长江流域分别做趋势分析、显著性检验和跳跃检验，从另一个更加确切、更加真实、更加直观的角度来认识我省地表水资源量的演变规律，并且运用比较适合我省干旱半干旱地区的水文模拟模型来对未来15年各代表站的降水量和径流量进行超长期的预测和展望，希望能给水资源管理者提供有利的决策支撑数据。

关键词：演变趋势规律及预测研究 水资源 甘肃省

中图分类号：TV121 文献标识码：A

随着气温变暖，人类活动对降水径流的影响的日益增大，我省水资源情势究竟发生了怎样的变化，过去的演变规律是什么，现在将来会向什么方向发展，它将对我省工农业生产和国民经济发展产生怎样的影响和决定性的作用体现在哪里？自建国以来近60年，我省水资源调查评价工作曾全面展开三次，每次评价成果都在证明水资源呈减少趋势。本课题就我省典型代表站自有观测资料以来到2005年截至的实测资料序列进行分析，从另一个更加确切、更加真实、更加直观的角度来认识我省地表水资源量的演变规律，并且运用比较适合我省干旱半干旱地区的水文模拟模型来对未来15年各代表站的降水量和径流量进行超长期的预测和展望，希望能给水资源管理者提供有利的决策支撑数据。

1 甘肃省水资源概况

甘肃省位于中国西部偏北，在东经 92°20′～108°46′、北纬32°31′～42°50′之间。东邻陕西省，北接宁夏回族自治区、内蒙古自治区，并与蒙古人民共和国接壤，西靠新疆维吾尔自治区，西南与青海省交界，南与四川毗连。总面积42.58万平方公里，从东南到西北呈狭长状伸展，东西斜长1655公里，南北宽68～530公里，处于黄土高原、内蒙古高原和青藏高原的交汇处。外流区河流有黄河流域和长江流域，内流区河流为河西内陆河流域，全省分三个流域九个水系，年径流量大于1亿m 3的河流78条。

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2 水资源数量

2.1 降水量

全省多年平均（最新全国水资源综合规划1956-2000年系列，下同）降水量为276.9毫米，降水总量为 1258.306亿立方米，其中内陆河流域多年平均降水量为130.4毫米，降水总量为352.147亿立方米，占全省多年平均降水总量的28.0%；黄河流域多年平均降水量为463.0毫米，降水总量为675.495亿立方米，占全省多年平均降水总量的53.7%；长江流域多年平均降水量为599.4毫米，降水总量为230.664亿立方米，占全省多年平均降水总量的18.3%。

2.2 地表水资源量

全省多年平均自产水资源量为282.1392亿m 3，其中内陆河流域为56.6157亿m 3，占全省自产水资源量的20.1%，黄河流域为125.1586亿m 3，占全省自产水资源量的44.3%，长江流域为100.3649亿m 3，占全省自产水资源量的35.6%。多年平均入境水资源量287.3282亿m 3，其中内陆河流域14.0983亿m 3，黄河流域239.6412亿m 3，长江流域33.5887亿m 3。出境水量482.3459亿m 3，其中内陆河流域9.9930亿m 3，为正义峡下泄至内蒙古的水量，黄河流域341.0819亿m 3，长江流域131.2711亿m 3。

3 地表水资源量演变趋势

3.1 区域代表站的选择

气象站点主要考虑不同的地貌单元选取资料比较全，精度高，代表性好的站，以及人类主要居住区和对研究水资源演变有重要影响的气象站点。

本次内陆河流域选取敦煌市、酒泉市、张掖市、大黄山、野牛沟、托勒、武威市、九条岭等8个降水量站；黄河流域选取乌鞘岭、兰州、天水、西峰、合作、平凉、环县等7个降水量站；长江流域选取武都站1站作为代表站，共选取16站作为我省降水量演变趋势研究的代表站。

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径流站点选取了主要江河控制站、人类影响后的出流站、流域面积大部分在我省的站。内陆河主要选取的站有党城湾、昌马堡、鸳鸯池水库、莺落峡、正义峡、祁连、肃南、九条岭、蔡旗、杂木寺等10个站，黄河流域有武胜驿、红旗、折桥、岷县、靖远、天水、北道、秦安、杨家坪、雨落坪等10个站，长江流域有永宁镇、镡家坝、蒿坪、武都和舟曲等5个站，全省共25个，作为我省地表水资源量演变趋势研究的代表站。

3.2 演变趋势的检验方法

水循环演化的趋势性是指某一水循环要素或某一水循环过程朝着特定的方向发展变化。趋势性分析的方法很多，目前常用的有线性倾向估计、滑动平均、累积距平、二次平滑、三次样条函数等。对于趋势十分明显的情况，滑动平均、累积距平、多项式等方法，可以根据变化趋势曲线图直观判断，但有时这种直观判断较为困难或者不够可靠，这时可以借助统计检验的方法，我们主要采用下列2种方法检验。①平稳性检验，②序列一致性分析检验，有双累计曲线分析、年际变化趋势成分的检验。

均值是否存在跳跃，目前多采用分割样本的方法进行检验。这种方法的基本思路是：对于水文资料系列x 1, x 2, , x τ, x τ+1, , x n ，若τ为可能的跳跃点，那么假定x 1, x 2, , x τ的边际分布为F (x ) ；x τ+1, x τ+2, , x n 的边际分布为G (x ) ，原假设为F (x ) 与G (x ) 同分布，即在时间τ前后边际分布无变化（出于同一总体）。检验结果，若接受原假设，则认为系列在时间τ前后的边际分布无变化，因而资料是一致的；若拒绝原假设，则认为边际分布有变化，因而资料系列是不一致的，τ为分割点。在作分割样本检验时，应先确定出分割点τ，然后再进行检验。

3.3 丰枯等级的划分标准

《水文情报预报规范》的划分标准规定，按距平百分率P （p ＝（某年径流量-多年均值）/多年均值×100％））表示：P ＞20%为丰水；10%＜P≤20%为偏丰；-10%＜P≤10%为平水；-20%≤P＜-10%为偏枯；P ＜-20%为枯水。实际工作中可算出相应的模比系数k p 值（k p =某年年径流量／多年平均径流量），只要根据已知年径流量的k p ，就可以在表中给出的区间查找出当年来水量的丰、平、枯水程度。

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3.4 降水趋势

经过对所选16个气象站的长系列降水资料做年际变化趋势成分检验和跳跃现象检验分析，甘肃省代表站降水量年际变化趋势检验结果见表1-1。我省各区域的降水量年际演变趋势及演变规律是：我省河西代表站降水量普遍增大，唯有敦煌略微减少；我省黄河流域大部分降水普遍减少，至今未见回升，唯有泾河水系的代表站西峰在略微增加；长江流域降水普遍减少。

从降水量代表站不同年代降水量过程线图中可以看出，我省河西西部平原区代表站970s 属降水量丰水段，1980s 、1990s 为枯水段，2000s 逐渐回升；河西西部山区代表站1960s 、1990s 为枯水期，1970s 为平水期，1980s 、2000s 为丰水期。黄河流域乌鞘岭1960s 、1990s 为枯水期，1970s 、1980s 、2000s 为丰水期，兰州、西峰、合作、平凉、环县1980s 、1990s 偏枯，其他年代平水，2000s 有所上升，降水开始增加。长江流域1960s 、1980s 为丰水期，1970s 、1990s 、2000s 为枯水期，2000s 年代平均最小，1956～1979年内陆河流域处于枯水期，黄河流域和长江流域为丰水期，1979～1995年内陆河流域处于丰水期，黄河流域和长江流域为枯水期，1995～2005年内陆河流域仍然处于丰水期，黄河流域和长江流域继续为枯水期，根据丰枯变化周期规律，在未来的15年里，内陆河流域将处于平水期，黄河流域和长江流域将逐渐转为平水期和丰水期。

表1-1 甘肃省降水量代表站年际变化趋势检验结果

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3.5 径流趋势

通过对选取的25个主要河流代表站年径流量变化趋势分析，我省内陆河流域西部径流量均有增加的趋势，其中年径流量增幅最大的流域为疏勒河流域，其次为黑河流域，石羊河流域部分站有下降趋势。黑河和疏勒河出山径流量显著增加，尾闾出口断面径流显著减少。石羊河水系出山径流量略微减少，尾闾出口断面径流显著减少。黄河流域和长江流域径流量显著减少，跳跃现象比较明显，基本在1982～1993年发生跳跃。黄河流域和长江流域代表站径流量显著减少，检验结果见表1-2。

在各代表站不同年代径流过程线图、主要代表站径流量各年代丰枯程度对比分析、主要代表站径流量各时段对比分析中我们可以看出：①内陆河1950～1879年基本处于枯水期，1980～2005年大体上处于丰水期；②黄河流域上游地区50、60年代径流最丰，进入70年代初水量处于减少段，70年代后期至80年代中后期，径流略有增加，从80年代后期开始，径流量出现明显的枯水阶段；总体表现出河流自80年代以后来水衰减的趋势。③ 长江流域50、60年代水资源量偏丰（14.6%），为丰水时期；70、80年代基本持平，其中70年代略有减少（-8.3%），80年代略有增加（6.1%）；90年代偏枯（-16.7%），为偏枯阶段，总体上呈现减少趋势。

表1-2 甘肃省径流量代表站年际变化趋势检验结果

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4 水资源演变预测

为了能更好的管理和使用有限而宝贵的水资源，我们在课题中再给与降水和径流的趋势超长期预测，以便提出一个具有前瞻性的预见结论，为给水资源的管理者提供一个比较可靠的决策依据，进而充分利用我省有限的水资源发挥最大的功能，尽量减少因水库库容小，而让宝贵的水资源白白流走，不能灌溉农田和发电增益。

4.1 趋势分析预测的主要方法

本次趋势分析预测的主要工具为水文时间序列分析与模拟，通过数学建模，分析预测我省水资源的演变趋势。①趋势成分分析法，判断出了趋势成分的显著性后，就要对趋势成分进行数学描述，并从原序列中剔除出来。②周期波均值外延叠加模型，谐波分析的基本原理就是认为任何一个水文要素的资料序列过程线，不论多么复杂，都可以分解为一系列的正弦波或余弦波，即一个水文要素可以看成是由若干个正弦波叠加而成的。②逐步回归分析模型，逐步回归的基本思想是：根据各个自变量的重要性大小，每步选一个重要变量进入回归方程。

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4.2 预测模型精度评定

精度评定的目的是人们在应用模型时，了解模型的可靠性以及计算值的精确程度；同时通过精度评定，分析存在的问题，及时对模型进行改进，以促进水文模型技术和理论的发展。用不少于2年的未参加参数率定的资料进行检验，判断其对未来情况的计算效果，只有拟合期和试算期都能满足《水文情报预报规范》规定的精度控制标准，才能认为该模型具有实用价值。

本次研究成果均达到了较好的精度，16个降水量代表站的计算年数在25～70年之间，大多在50～60年之间，合格率在83.6～100％，最大相对误差在13～45.7％，平均相对误差在-0.03～2.66％之间，误差范围符合预测要求，并且精度较高。25个径流量代表站的计算年数在28～61年之间，大多在50～60年之间，合格率在30～100％，平均相对误差在-0.02～16.2％之间，误差范围大部分符合预测要求，并且精度较高，唯有秦安、天水、永宁镇合格率达不到要求，预测模型的误差也较大，分析主要原因是模型结构设计不合理或者是资料还原不合理造成，还是人类引水量过大改变了水文平稳的自然时间序列的性质，需要做更近一步的研究。

4.3 降水演变趋势预测

在未来的15年里，内陆河流域山区代表站的降水趋势基本为增大，较多年均值的增加幅度在0.2～23.8％之间，平原区代表站的降水趋势基本为减小，较多年均值的减小幅度在0.7～28.2％之间，但敦煌和武威在增加。黄河流域未来15年趋势均为下降，但趋势不是十分明显，降幅不会很大，大概在1.1～14.3％左右。长江流域选取的代表站武都的降水量演变趋势也为下降，其趋势直线方程的斜率为- 0.6538，下降幅度小于黄河流域的代表站，其下降幅度为1.1％。内陆河流域的大部分站降水量将增多，增加值在0.5～123.8mm ，相对幅度在0.2～23.8％，酒泉、张掖和武威三个中心城市的降水量有减少趋势，这可能与城市的发展和人为影响因素有关。黄河流域代表站降水量全部呈减少趋势，减少值在21.1～61.5mm ，相对幅度在-4.2～-14.3％，长江流域降水量也呈减少趋势，减少值为4.9mm ，相对幅度在-1.1％，减幅较小，基本稳定，见图1-1。

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图1-1 甘肃省降水代表站降水量演变趋势预测过程线

4.4主要控制站出山径流变化趋势预测

我省内陆河流域出山径流在未来15年里，其径流量较多年均值，大部分在增加，增加幅度在4.0～37.2％，增加值在0.1亿m 3～3.4亿m 3，唯有党城湾和杂木寺在减少，尾闾控制断面径流量大幅减少，见图1-2。

图1-2 甘肃省内流河流域代表站径流量演变趋及势预测过程线

黄河流域径流代表站地表水资源量也呈显著减少趋势，庄浪河1962年以以来发生

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跳跃，洮河1986年开始显著减少，大夏河1968年开始减少显著，渭河更是减少显著，渭河减少始于1968年，泾河始于1970年并且自1990年开始，泾渭河均处于枯水期，流量衰减相当厉害，用常规的径流预报模型模拟，有几个站在未来15年流量减少为零，甚至出现负值，说明径渭河的水问题已经很是严峻；洮河红旗站和岷县站自1986年以来径流持减少，50年代平水、60年代较丰、70、80年代平水，2005年有提升趋势，预测未来15年均值较过去20年均值有上升态势。渭河北道站自1992年以来持续偏枯，造成渭河上游地区缺水严重，给工农业生产带来不利，泾河杨家坪站1960～1970年丰水，1970～1985年平水，1985至今处于枯水段。径渭河连续出现枯水时段增加，持续时间延长，这些特点与整个西北气候环境变迁，水资源时空分布的大趋势一致，见图1-3。

长江流域水资源演变的总体趋势是减少，经预测在未来15年内西汉水镡家坝水文站断面径流量变化趋势较多年均值减少，减少值为0.6×108m 3，减幅4.0％；永宁河永宁镇水文站断面径流量变化趋势较多年均值减少，减少值为0.5×108m 3，减幅11.5％，白龙江舟曲水文站断面径流量变化趋势较多年均值减少，减少值为3.4×108m 3，减幅14.2％；白水江蒿坪水文站断面径流量变化趋势较多年均值减少，减少值为3.1×108m 3，减幅9.4％；白龙江武都水文站断面径流量变化趋势较多年均值减少，减少值为0.2×108m 3。

图1-3 甘肃省黄河、长江流域代表站径流量演变趋及势预测过程线

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5 水资源演变结论

我省祁连山出山口径流量及祁连山区降水量均有增大趋势，尤其是径流量增加显著，这对我省河西地区无疑是件喜事。黄河流域降水量在减少，为此径流量也显著减少，尤其是渭河水系和泾河水系，究其原因：一是降水减少；二是人类活动加剧，水土流失严重；三是气候变暖。长江流域降水和径流尽管也呈减少趋势，但降幅不是太大。

在未来15年内陆河流域水资源量会继续增加，这与西北干旱区由暖干向暖湿转型的问题评估结论一致。黄河径流显著减少主要受降水减少的影响，而降水里减少的主要影响因素是气温普遍升高，水土流失严重、植被破坏等。长江流域水资源数量也在减少，但趋势不显著。

Water Resources Evolution and Tendency Forecast Research of

Gansu Province in the past 60 years

WANG Qi-you

(Hydrology and Water Resources Surveying Bureau of Gansu Province,lanzhou 730000,China)

Abstract: The article has used the original observation sequences from 41 water representative stations from the beginning to analyze Gansu province surface water change rules and carry on its ultra-long-term forecast to its evolution tendency. The inland river basin, the Yellow River valley and the Yangtze River valley was separately made the trend analysis,the prominence examination and the jump examination to understand the evolution rules of surface water quantity of Gansu Province from another more precise, more real, more visual angle,and to use Hydrological Simulation Model which is more suitable to Arid and semi-arid areas of our province to forecast precipitation and runoff of every representative stations ultra-long-term in future 15 years.Hopefully it can provide the advantageous policy-making strut data for the water resources superintendent.

Key words:evolution tendency rules and forecast research;water resources;Gansu Province

主要参考文献：

[1] 丁晶, 邓育仁. 随机水文学[M].成都; 成都科技大学出版社,1988.10,34~60.

[2] 胡兴林. 甘肃省主要河流径流时空分布规律及演变趋势分析[J].地球科学进展,

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2000,15(5):516-521.

[3] 蓝永超, 康尔泗, 张济世. 河西内陆干旱区主要河流出山径流特征及变化趋势分析[J]. 冰川冻土, 2000.22(2): 147～152.

[4] 康尔泗, 程国栋, 董增川, 中国西北干旱区冰雪水资源与出山径流[M].北京:科学出版社,2002年,16~70.

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