(甘肅省平?jīng)鏊乃Y源勘測局，甘肅 平?jīng)?744000)

伴隨著厄爾尼若現(xiàn)象對全球氣候的不斷影響，同時在人類社會活動對自然生態(tài)環(huán)境不斷加劇的交互作用下，自然生態(tài)中的水資源循環(huán)過程及其形成的物理化學等因素間均發(fā)生了顯著變化，這樣勢必會影響水資源的評估與保護，而且也容易使相關水資源序列資料丟失或者失去其自身一致性，其在統(tǒng)計學上的規(guī)律會產(chǎn)生重大變化，直至發(fā)生水資源變異等諸多問題[1]。眾所周知，水資源是支持經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展、維護自然生態(tài)平衡以及凈化自然環(huán)境的重要基礎，其具有為自然資源以及經(jīng)濟資源保駕護航的雙重作用[2]。

影響水資源變異的因素眾多，主要包括地理分區(qū)、行政分區(qū)和水資源分區(qū)等空間尺度影響因素，以及時間尺度作用因素，諸如豐枯水期、季度、逐月與年際等，所以其具有空間屬性，另外也具備時間屬性。因此，研究人員必須考慮從兩個屬性尺度，即時間與空間尺度，對影響水資源序列發(fā)生變異現(xiàn)象的重要影響因素完成系統(tǒng)性研究分析，這樣做不僅可以得出水資源變異在時間和空間兩個尺度上的主因，還把自然影響因素與人為導致的影響因素在上述兩個尺度上進行了統(tǒng)一性分析，故其得出的結(jié)論既能凸顯出水資源變異在時間尺度和空間尺度上的關鍵時段和作用區(qū)域，又能對水資源的決策以及綜合保護等相關政府職能工作提供有建設性的指導建議，基于此目的，本研究下面將會對水資源序列發(fā)生變異現(xiàn)象，其在時間尺度上的主要形成原因以及相關的分析方法給出系統(tǒng)介紹。

1 時間尺度水資源序列變異主因分析方法

在對水資源序列產(chǎn)生變異現(xiàn)象進行系統(tǒng)性主因分析時，必須考慮到時間尺度等重要影響因素對其產(chǎn)生的復雜作用，故而所研究的水資源序列必須滿足相關時間尺度上的邏輯關系，同時這些水資源資料也一定是符合時間嵌套關系的，也就是說在年、季度、豐枯水期、逐月等時間影響因素上，找出水資源序列與上述因素之間的作用關系。

1.1 水資源序列變異診斷

在對水資源序列進行分析時，首先需要對其進行歸納分類，其主要包括確定性的成分以及隨機性的成分，周期、趨勢和跳躍等成分均屬于確定性成分。如果上述確定性的成分和水資源序列沒有任何關系，那么這就說明其為平穩(wěn)時間序列，這也從側(cè)面反映出水資源序列的系統(tǒng)性物理形成因素間具備一致相同性，它的統(tǒng)計規(guī)律也相同，詳細來說，就是其分布形式(諸如P-Ⅲ型)和重要影響因素(包括均值、偏態(tài)系數(shù)等)在水資源序列的完整時間尺度上均具有恒定不變性，在該種情形下，水文序列只會在均值附近隨機變化，不存在統(tǒng)計學上的規(guī)律；如果出現(xiàn)水文序列波動較大，變動異常，這說明形成水文序列的物理成因產(chǎn)生了重大變化，該水文序列的統(tǒng)計學規(guī)律也是不一致的?？偨Y(jié)上述分析可知，在統(tǒng)計學領域，水資源序列發(fā)生變異現(xiàn)象的因素可以分為水資源序列的分布形式和對其產(chǎn)生重要影響的分布參數(shù)，如果二者均發(fā)生明顯改變，那么水資源序列肯定也會相應做出調(diào)整[8]。

1.2 時間尺度主因分析方法

對水資源序列進行時間尺度主因分析，歸納起來，主要包括以下兩個主要步驟：

1) 時間尺度上的劃分

水資源工作的目標不同，對所需要的水資源序列時間尺度的一些要求也會適時的做出一些調(diào)整，比較常見的方法是，研究人員在對地表水資源量進行分析時主要考慮的因素是年尺度徑流序列，而環(huán)保人員在對河流生態(tài)環(huán)境進行調(diào)研時，則會將重心傾斜于河流枯水期間內(nèi)的徑流序列，而對于江河防洪工作來說，研究人員更加注重對其汛期徑流的分析。此外，影響時間尺度劃分的另外一個因素就是地理地形因素，例如我國華南地區(qū)降雨量豐富，水文工作的重中之重就是進行水利環(huán)境保護與防洪排澇，然而我國華北大部分地區(qū)降雨量稀少，并且其隨著季節(jié)波動明顯，故而在華北地區(qū)我國水文工作應該側(cè)重于水利資源的有效供給和合理配置等。在對各種水資源變異問題進行分析討論時，需要充分考慮到各個地區(qū)之間在時間尺度和空間尺度上的差異。研判水資源序列變異在在時間尺度上的關鍵影響因素，首先要掌握當?shù)厮Y源工作的重點以及發(fā)生變異的詳細情況，然后依照時間尺度劃分規(guī)則，對已獲得的水資源序列詳細信息進行細致有效區(qū)分，最后歸納總結(jié)得到主因影響因素。

常用的時間尺度劃分方法主要包含汛/非汛期、枯/豐水期、季度、月份等，這些均是在年尺度范圍內(nèi)進行劃分，之后將其拼湊成水資源序列，并且這些水資源序列必須滿足嵌套邏輯關系。對其進行分析可知，在依據(jù)季度和年尺度等常見時間尺度進行劃分研究時，其變異結(jié)果會展現(xiàn)出水資源在一定時間段內(nèi)平均值的變化波動程度。但是，如果改變劃分尺度，將常規(guī)時間尺度轉(zhuǎn)換成汛/非汛期尺度完成分析，就會發(fā)現(xiàn)在汛期時間內(nèi)。

2) 水資源序列變異關系圖的繪制流程

綜合研究水文變異診斷系統(tǒng)對水資源序列的變異診斷結(jié)果，并且將該結(jié)果作為后續(xù)分析的基礎，同時還需要研究在各類水資源序列影響因素在時間尺度上的相關作用系數(shù)，將這些系數(shù)系統(tǒng)分析，構(gòu)建出水資源序列在時間尺度上的變異關系邏輯圖。分析相關文獻[9]，可以發(fā)現(xiàn)水資源序列周期成分在各個年際之間的變化量非常小，故而可以簡化忽略。本文將會重點研究趨勢與跳躍這兩種水資源變異形式對水資源序列產(chǎn)生變異現(xiàn)象的作用。

(1)跳躍成為水資源序列變異的主要表現(xiàn)形式

當確定水資源序列發(fā)生變異的主要形式為跳躍時，研究人員可以簡化分析，將各個跳躍點的年份數(shù)據(jù)資料挑選出來，依據(jù)邏輯關系得到水資源序列的變異邏輯關系圖，同時考慮不同時間尺度上的水文要素比例之間的關系及系數(shù)大小，這樣做的目的就是簡化明了從各類時間尺度方面，給出水資源序列發(fā)生變異現(xiàn)象的因素關系。

(2)趨勢成為水資源序列變異的主要表現(xiàn)形式

那年，她和同事去濟南檢查安全生產(chǎn)。那是一家部里直管的化工企業(yè)。她記得，雷志雄的表舅，在這家廠里當副廠長，估計是表舅出面把雷志雄調(diào)回濟南的。一打聽，雷志雄是一個分廠的副廠長了。這次到濟南出差是她爭取的，當時安排她去蘭州，她找到主管副總，要求到濟南。她想念雷鋼和雷紅。

水文序列產(chǎn)生顯著變異的兩種主要形式包括跳躍變異和趨勢變異，這兩者之間具備辯證統(tǒng)一特性，也就是說當趨勢變異發(fā)生的程度較高時即發(fā)生跳躍變異現(xiàn)象，并且多項跳躍變異的系統(tǒng)整合就成為趨勢變異。所以，在水資源序列產(chǎn)生趨勢變異的情況下，研究人員可以將這種趨勢變異等效轉(zhuǎn)換成多級跳躍變異來簡化處理，這樣做的優(yōu)點在于能夠快速挑選出整個過程中最明顯的變異點，使實際問題得到簡化，將復雜情況變成多級跳躍變異的簡單情形進行研究分析。

2 渭河實例研究

渭河是關中平原上的一條重要河流，其源頭在甘肅省鳥鼠山，主要流經(jīng)甘肅和陜西兩省，例如甘肅天水、陜西寶雞、關中西安等，最后至陜西省潼關縣流入黃河。整體河道平均降比約為1/1 500，全部流域面積達到了3.34×104km2，它的流域面積達到了西遼河流域整體面積的24.5%，其處于溫帶大陸性季風氣候，全年四季分明，春季干旱多風，夏季雨量充沛，秋季天高氣爽，冬季酷寒蕭瑟。

我國在渭河流域內(nèi)設置的觀測站數(shù)量較多，本研究受到資料收集難易程度和設置觀測站所在地理位置等諸多因素的共同影響，選擇處于1966年至2010年共45年間的實際觀測月徑流序列為研究對象，并且選取在岐山測站獲取的觀測數(shù)據(jù)完成時間尺度主因分析。該觀測站位于渭河下游約16 km處，集水面積達到了18 361 km2，其是渭河干流上建筑規(guī)模最大，觀測設施齊全的站點。

由于渭河位于我國北方季風區(qū)域，全年降水量不足并且集中于夏秋季，所以，該河流具有非常明顯的季節(jié)性徑流特征，極易發(fā)生在一年內(nèi)徑流分配不均以及汛期特大洪水問題。本研究將岐山觀測站從1966～2010年間對渭河的實際測量月徑流序列依據(jù)不同時間尺度完成劃分，其時間尺度主要包括汛/非汛期、季節(jié)和年尺度等。

2.1 月尺度徑流序列變異診斷

各類尺度徑流序列研究計算的基本組成單元是月尺度徑流序列，利用數(shù)理統(tǒng)計可靠性計算方法，將第一信度水平設置為α=0.05，第二信度水平參數(shù)設置為β=0.01，應用本文提出的水文變異診斷系統(tǒng)研究渭河岐山站于1966年至2010年間探測得到的渭河各個尺度徑流系列，以進行水資源序列變異分析。分析數(shù)據(jù)結(jié)果可知，渭河不發(fā)生水資源水文變異現(xiàn)象主要集中于每年的一月、二月、九月以及十二月，而在其它的月份都有水資源水文變異現(xiàn)象產(chǎn)生的情況出現(xiàn)。表1列出了針對渭河變異現(xiàn)象的分析診斷結(jié)果數(shù)據(jù)，分析該表可知，跳躍變異現(xiàn)象出現(xiàn)在了所有的變異月份中，十月份以外，在其他的月份水資源水文變異現(xiàn)象的主要體現(xiàn)形式為跳躍上升，另外，這些變異現(xiàn)象多發(fā)生于1985年以后，具備很強的規(guī)律性。

2.2 季度/汛期/非汛期/年尺度徑流序列變異診斷

分析岐山站觀測得到的渭河在不同時間尺度上的徑流序列變異診斷結(jié)果，其中第一信度水平參數(shù)設置為α=0.05，第二信度水平參數(shù)設置為β=0.01，分析該表可知，徑流序列在不同標準的時間尺度劃分上，均表現(xiàn)出了水文變異現(xiàn)象，渭河在絕大部分時間尺度的變異表現(xiàn)形式以跳躍向上為主，而例外出現(xiàn)在1961年，再該年的第四季度發(fā)生了跳躍向下的中變異現(xiàn)象，其余時間所發(fā)生的變異點都集中于上世紀八十年代中后期，具備顯著的一致性。(注：每年的6～9月是渭河的汛期，而當年的10月至次年5月為非汛期)。

2.3 水資源序列時間尺度主因分析

依據(jù)不同的時間尺度劃分標準(單月與季度等)以及汛/非汛期等時間長度單位劃分，本文把岐山站在不同時間尺度上獲得的徑流序列變異診斷結(jié)果進行分析匯總，得到主要結(jié)論如下：

1) 季度尺度變異主因分析本研究把全年各個月實際觀測得到的徑流序列變異結(jié)果繪制到圖1中，并且計算了各個月份與季度的渭河徑流量所占全年徑流量比例，分析可知：變異現(xiàn)象的月份包括8各月份，占到全年的66.7%，而未出現(xiàn)變異的月份只占33.3%，這樣就會造成季度與年均徑流序列都發(fā)生一定程度變異現(xiàn)象。針對河流徑流序列發(fā)生變異現(xiàn)象的不同表現(xiàn)形式、變異程度、發(fā)生時間與持續(xù)時長，研究人員發(fā)現(xiàn)第三季度是造成岐山站觀測該河流年徑流發(fā)生變異的主要時間尺度因素，并且由于七月份和八月份包含在第三季度中，故而這兩個月份的徑流變異又共同影響著該季度的年徑流變異。此外，三月份和十月份是第一季度和四季度發(fā)生變異現(xiàn)象的時間尺度主要因素，而四月份和五月份則是第二季度產(chǎn)生變異現(xiàn)象的時間尺度主要因素。

圖1 岐山站季度尺度徑流序列變異關系

分析季節(jié)尺度下水資源序列相關系數(shù)據(jù)，第三季度徑流序列與全年徑流序列的相關性系數(shù)最大，達到了0.981，而研究各季度與各月份徑流序列的相關系數(shù)發(fā)現(xiàn)，三月份、四月份、八月份、十月份月徑流序列分別與第一至第四季度的徑流序列相關性最高。這些研究結(jié)果跟上述的主因分析結(jié)果異常吻合，這表明了時間尺度主因分析非常適合河流徑流序列在各季度尺度上的分析。

2) 汛/非汛期尺度變異主因分析

圖2所示為岐山站各個季度的變異關系圖，此圖重要分析了全年各個月以及汛/非汛期對渭河年徑流序列的影響，同時考慮各時間段內(nèi)徑流量所占年徑流量的比例。從圖2中可以觀察到，汛期徑流是造成岐山站年徑流發(fā)生變異現(xiàn)象的主要因素，而汛期徑流的變異現(xiàn)象多發(fā)生在每年的七八月份，針對非汛期來說，受四五月份的同時影響，該河流徑流序列會發(fā)生出現(xiàn)變異現(xiàn)象。

圖2 岐山站汛/非汛期尺度徑流序列變異關系圖

表1為汛/非汛期尺度下水資源序列相關系數(shù)表，繪制該表的目的是證明上述主因分析結(jié)果的合理性以及準確性。分析表1可知，處于汛期的徑流序列會對全年的徑流序列產(chǎn)生非常大的影響作用，二者的相關性非常高，其系數(shù)可到0.985；而非汛期徑流主要是受四月份徑流序列的影響作用，其次是五月份，在汛期月徑流中，八月徑流序列對汛期徑流的影響作用最大，其次是七月徑流。這些分析結(jié)果跟上述主因素成因分析統(tǒng)一一致，這說明針對渭河年徑流量依據(jù)汛/非汛期尺度劃分的合理性以及統(tǒng)計學上的準確性。

3 結(jié)語

(1)本文提出了時間尺度的主因分析方法。該方法通過時間變異關系圖和相關系數(shù)，從不同時間尺度上對水資源序列變異的主因進行分析，最終能夠準確找出引起水資源變異的重點時期，從而為流域規(guī)劃、水資源的合理調(diào)用和管理提供技術指導和科學依據(jù)。

(2) 為了驗證時間尺度的主因分析方法的可行性和適用性，本文基于渭河岐山測站1966～2010年的徑流量資料，應用本文創(chuàng)新性提出的水資源水文變異診斷分析研究了渭河岐山站實際觀測得到的徑流序列變異數(shù)據(jù)，針對上述數(shù)據(jù)的時間尺度劃分依據(jù)包括月尺度、季度尺度、汛期尺度、非汛期尺度以及年尺度等)，并且重點研究了造成徑流序列出現(xiàn)變異現(xiàn)象的各個重點時段，計算獲得的相關系數(shù)與時間尺度主因分析的數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)密切一致相關性。

表1 汛/非汛期尺度下水資源序列相關系數(shù)表

(3) 對于按照月尺度劃分的徑流序列，排出個別月份(諸如一、二、九以及十二等月份)徑流序列，在全年其他月(包括三、四、五、六、七、八、十以及十一等月份)都產(chǎn)生了河流徑流序列跳躍變異現(xiàn)象，且出現(xiàn)變異的年份均在20世紀80年代中后期，規(guī)律性較為明顯。

(4) 致使岐山站年徑流出現(xiàn)巨大變異現(xiàn)象的時間尺度主因是第三季度(依據(jù)季度尺度劃分的徑流序列)，這是由于受到了7、8月份徑流變異的共同影響。