吉林省西部水資源變化特征分析

王傳平，王鑫鵬

（松遼委水文局嫩江水文水資源中心，黑龍江齊齊哈爾161000）

1 研究區概況

吉林省位于中國東北區的中部，絕大部分地區屬溫帶濕潤、亞濕潤大陸性季風氣候。東部山地森林茂密，西部平原草原遼闊，耕地連片，自然景觀具有明顯的地帶性。

吉林省是我國緯度偏高，經度偏東的省區，具有明顯的溫帶大陸性季風氣候特征。冬季太陽高度角較小，晝短夜長，地面獲得的光熱較少，寒冷而干燥。夏季太陽高度角明顯增大，晝長夜短，地面獲得的光熱較多，溫暖而濕潤。吉林省雨熱同季，降水量自東向西遞減，東部地區年降水量為600～800 mm，局部山區高達1 000 mm以上，西部地區在400 mm左右。蒸發量西部大于東部。中西部平原少雨易旱且多大風，大部分地區屬中溫帶亞濕潤氣候，大興安嶺山前地帶則為中溫帶亞干旱氣候。東部山區溫度偏低，濕度較大，屬中溫帶濕潤氣候。

吉林省有松花江、遼河、鴨綠江、圖們江和綏芬河五大水系，流域面積在20 km2以上的河流有1 600余條。其中松花江水系的流域面積最大，遼河水系次之。這些水系的河流大多集中在東部山區，并蘊藏著豐富的水資源和水能資源，為發展灌溉、發電、航運和水產養殖事業提供了有利條件。山谷平原中常有大片沼澤，西部平原地區湖泊泡沼密布，河網密度較小，許多河流由省外流入，局部地方出現內流流域。全省多數河流每年有兩個汛期和兩個枯水期，冬季河面結冰，封凍時間較長。由于氣候和地形等因素的區域差異，吉林省東、中、西部的河流水情有很大不同。全省地下水的分布自東向西遞增，平原西部具有多層地下含水層，地下水豐富[1]。

2 水資源變化特征分析

2.1 特征分析的目的及意義

吉林省是我國水資源短缺的省份之一，通過分析吉林省自然概況和水資源分布特點，可以看出吉林省水資源的時空分布不均勻，東部山區水資源豐富，而中西部平原地區水資源相對缺乏，水資源的可利用量不多，供需矛盾十分突出。通過對吉林省西部的雨季、旱季降水量的分析計算，對地表水和地下水的利用研究，水體污染問題、水資源變化特征的分析計算和研究，將有效地緩解吉林省西部地區用水問題，進而可以推廣到全國。

2.2 國內外研究現狀

自然水文要素變化過程表現為復雜的線性、非線性特征，隱含著突變、趨勢性和周期性特征，其變化過程與大氣降雨、溫度和蒸發等影響水文循環的氣象因素密切相關，而且降雨和徑流是水文循環重要的兩個方面。這些水文要素的變化會引起區域水資源的時空再分布，因此，探索降雨和徑流的變化規律是認識水文過程演變的關鍵。而就目前來看，國內外對于降雨和徑流的變化規律的研究已經比較純熟。

在國內有許多學者都對該方面進行了研究，如金晶悅[2]從吉林省水資源的自然條件入手，針對吉林省水資源所面臨的問題，提出了相關的解決方案。如曾麗紅[3]從吉林省及其附近區域38個氣象站點的年降水資料,通過離差系數、氣候傾向率等方法分析了吉林省省降水量的時空演變特征。

國外在降雨變化規律分析方面也做了很多研究，國外學者如Hulme等[4]人對全球及北半球的平均降水進行研究發現：1950—1980年間，北半球比全球平均降水減少的幅度大，其中在0°～30°N間平均降水幅度最大，中緯度的降水增加并不明顯?？偟膩碚f，這些研究方法都是適合于特殊流域特殊條件下，所以表現出明顯的多樣性。

3 計算方法

自相關系數是描述水文序列自身內部線性相依程度的指標。以平穩隨機過程（序列）為例進行說明，自相關系數rk：

式中：x——流量或降雨量；-X——平均數；n——項數，當n＜50時，m=n/4或m=n-10，t=1。原則上參加計算的項數（n-k）至少10項以上。另外，自相關系數rk的方差隨k的增大而增加，自相關系數rm的估計精度隨著m的增加而降低。因此m應取較小的值。

用樣本自相關圖與一些隨機模型的總體自相關圖比較，根據其相似程度，找出樣本的最佳估計模型。用自相關系數判斷時間序列前后相依程度，判斷時間序列是否獨立。rk的絕對值越大，說明研究序列內部線性相依程度越強，反之越弱。從理論上講，rk=0時，時間序列是獨立的，計算得rk在0值上下波動。采用假設檢驗的方法進行推斷。檢驗時間序列是否相依的一般步驟：

1）計算樣本的相關系數rk，并繪制樣本自相關圖。

2）計算rk的容許限（選擇顯著性水平α=5%），即

式中：取“+”時為容許上限，取“-”時為容許下限。

3）推斷若rk處在上、下容許限之間，則統計推斷該序列獨立；反之相依。

當自相關系數隨時間快速衰減到0，可能表明研究序列具有比較短的持續性，或稱短記憶；當自相關系數隨時間衰減較慢，很久都不會趨于0，可能表明研究序列具有比較長的持續性，或稱長記憶。

4 自相關分析

4.1 徑流量的自相關分析

徑流量的自相關分析分別選用了嫩江大賚（二）站、洮兒河鎮西（三）站、洮兒河洮南（四）站、洮兒河黑帝廟（三）站、蛟流河務本（六）站共5個站10年的資料。以嫩江大賚（二）站為例進行計算，首先提取嫩江大賚（二）站的流量資料，求其平均值和其他相關資料，見表1。

表1 嫩江大賚（二）站流量資料表m3/s

因為n=10＜50，且n只有10項，m=n/4=2.5，所以m=3。帶入公式（1）求其自相關系數rk，計算顯著性水平α=5%時，帶入公式（3）求其rk的容許上下限，見圖1。

圖1 容許上下限圖

由圖1可看出，計算顯著性水平α=5%時，rk的值都在容許上下限之間，所以該流量序列不相依。

4.2 降雨量的自相關分析

降雨量的自相關分析與徑流量自相關分析所選用的資料相同。下面以嫩江大賚（二）站為例進行計算。首先提取嫩江大賚（二）站的降雨量資料，求其平均值和其他相關資料，見表2。

表2 嫩江大賚（二）站降雨量資料表mm

因為n=10＜50，且n只有10項，m=n/4=2.5,所以m=3，帶入公式（1）求其自相關系數rk，計算顯著性水平α=5%時，帶入公式（3）求其rk的容許上下限，見圖2。

由圖2可看出，計算顯著性水平α=5%時，rk的值都在容許上下限之間，所以該降雨量序列不相依。其他站資料也用上述方法進行計算，求出相關結果。

圖2 容許上下限圖

5 結語

通過系統地收集吉林省西部的水文要素數據資料，并對數據資料進行整理分析計算，得出：

1）自2006—2015年間，嫩江大賚（二）站、洮兒河黑帝廟（三）站、洮兒河洮南（四）站徑流量，在顯著性水平α=5%時，rk的值不都在容許上下限之間，所以該流量序列相依；洮兒河鎮西(三)站，蛟流河務本(六)站徑流量在顯著性水平α=5%時，rk的值都在容許上下限之間，所以該流量序列不相依。

2）自2006—2015年間，嫩江大賚站、洮兒河黑帝廟站、洮兒河洮南站、洮兒河鎮西站、蛟流河務本站降雨量，在顯著性水平α=5%時，rk的值都在容許上下限之間，所以該降雨量序列不相依。

吉林省西部水文特征的分析研究在吉林省水文研究中具有非常重要的意義，不僅可以為水資源的合理開發利用和管理提供科學依據和理論基礎，還可以為水文特征分析工作奠定一定的基礎。