山西省水资源量多尺度演变特征分析

王电龙

（山西省水利建设开发中心，山西 太原 030002）

1 引言

山西省水资源量极度匮乏，人均水资源量约为466m3，仅占全国人均水资源量的17%。近50年来，山西省水资源量严重衰减，其原因主要可归结为气候变化和人类活动影响两大因素，但在不同尺度上其衰变特征表现出很大的差异。

尺度效应是水资源演变过程研究不可忽视的问题，尺度过小容易受众多随机因素的影响和干扰，尺度过大则易将重要的演变特征掩盖忽略，因此进行水资源演变尺度效应的研究是十分必要的。国内外已有众多学者对水资源演变的尺度效应进行了研究。下文采用M-K统计检验、小波变换等方法，研究山西全省、山西黄河流域和海河流域水资源量在不同时间尺度上的演变特征，旨在为全省水资源演变过程的研究及水资源评价规划工作提供一定的理论支持。

2 研究区概况

山西省位于华北平原西部，黄土高原东翼，南北长约680 km，东西宽约380 km，总面积156271 km2，从北到南可划分为晋北、晋中和晋南三大区域。气候区划属温带大陆性季风气候，四季变化较大，南北差异明显，冬季寒冷干燥，夏季雨水集中，春季干旱多风，秋季短暂温和。全省平均气温4～14℃，空间分布为由南向北逐步递减，在纬度水平相近的两地，气温随海拔的升高而降低；多年平均降水量507.0 mm，多集中在7—9月，空间分布为由东南向西北逐步递减。

3 研究方法

此次研究采用的基础数据主要为1956—2010年山西省水资源量、山西黄河和海河流域水资源量，其中1956—1983年数据来源于1996年编制的《山西省水中长期供求计划报告（1996—2010年）》，1984—2010年数据来源于《山西省历年水资源公报》。

采用M-K统计检验法研究水资源量在逐年尺度上的变化特征。M-K统计检验是一种非参数统计检验方法，可有效检验气象因子及水资源量序列的演变突变。采用小波变换法研究水资源量在中尺度和大尺度上的演变特征。小波变换是一种新兴的信号处理研究方法，有信号处理“显微镜”之称，可以将信号进行多尺度处理，有效剔除信号的随机因素，还原信号本质演变趋势。

4 研究成果

4.1 逐年尺度演变特征

利用DPS7.5软件对山西省全省、山西省黄河及海河流域水资源量1956—2010年序列进行M-K统计检验（图1）。统计量正、逆序列的交叉点即为水资源量序列的突变点，若交叉点位于1%置信区间之内，则说明水资源量序列在1%显著水平上发生突变，如果交叉点位于5%置信区间之内，说明在5%显著水平上发生突变。

由图1可以看出，山西省水资源量序列在1978年发生突变，由此可将水资源量序列分为两段，1956—1978序列受人类活动和气候影响变化较小，为144.53亿m3，1979—2010序列则受人类活动和气候变化影响较大，为99.52亿m3，即在人类活动和气候变化的共同影响下山西省水资源量减少了45.01亿m3。山西省黄河流域水资源量序列在1974年发生突变，1956—1974序列受人类活动和气候影响变化较小，为86.38亿m3，1975—2010序列则受人类活动和气候变化的影响较大，为61.83亿m3，即在人类活动和气候变化的共同影响下山西省黄河流域水资源量减少了24.55亿m3。山西省海河流域水资源量序列在1979年附近发生突变，1956—1979序列受人类活动和气候影响变化较小，为59.66亿m3，1980—2010序列则受人类活动和气候变化影响较大，为39.02亿m3，即在人类活动和气候变化的共同影响下山西省海河流域水资源量减少了20.64亿m3。

4.2 3年尺度演变特征

采用db3小波函数对山西省、山西省黄河流域和海河流域1956—2010年水资源量序列进行1~5年尺度的离散小波变换，然后对3年尺度的低频信号进行单支重构，得到小波重构图，见图2。

从图2（a）可以看出，近55年来全省水资源量系列在3年尺度上存在3个明显拐点，分别为1967年，1976年和2000年，1956—1967年平均下降速率为0.2亿m3/a，1968—1976年加速下降为 1.1亿m3/a，1977—2000年下降速率为1.35亿m3/a，2001—2010年上升速率为2.1亿m3/a。由图2（b）可以看出，黄河流域水资源量系列存在1966年，1977年，1984年和2000年4个拐点，1956—1966年平均下降速率为0.24亿m3/a，1967—1977年加速下降为1.70亿m3/a，1977—1984年上升速率为0.55亿m3/a，1985—2000年下降速率为0.82亿m3/a，2001—2010年上升速率为1.73亿m3/a。由图2（c）可以看出，海河流域水资源量系列存在1985年和1992年2个拐点，1956—1985年平均下降速率为 1.0亿m3/a，1986—1992年上升速率为0.46亿m3/a，1993—2010年下降速率为0.45亿m3/a。

图1 山西省水资源量序列M-K统计检验

图2 3年尺度山西省水资源量演变特征

图3 5年尺度山西省水资源量演变特征

4.3 5年尺度演变特征

采用db3小波函数对山西省、山西省黄河流域和海河流域1956—2010年水资源量序列5年尺度的低频信号进行单支重构，得到小波重构图，见图3。

从图3可以看出，近55年来，山西全省及山西省黄河流域、海河流域水资源量序列在5年尺度上均存在2个明显拐点，分别为1959年和1990年。1956—1959年全省及省内黄河流域、海河流域水资源量下降速率分别为0.31亿m3/a，0.15亿m3/a和0.16亿m3/a；1960—1990年下降速率分别为2.22亿m3/a，1.28亿m3/a和0.94亿m3/a；1991—2010年上升速率分别为0.8亿m3/a，0.7亿m3/a和 0.1亿m3/a。

5 结论

采用M-K统计检验和小波变换法研究了山西全省、山西省黄河流域和海河流域1956—2010年系列多尺度演变特征，得出如下成果：一是研究区水资源量年序列在1%显著水平上存在明显突变，发生突变的年份分别为1978年，1974年和1979年。明确了水资源在人类活动和气候变化影响下发生突变的节点。二是在3年尺度上，山西全省及海河流域水资源量序列存在3个明显拐点，黄河流域存在4个明显拐点。三是在5年尺度上，山西全省及黄河、海河流域的水资源量序列均存在2个明显拐点。以上研究成果可为进一步厘清全省水资源演变机制提供一定的理论基础，并为区域水资源的合理开发利用提供指导。