基于M-K检验的黄旗海湖面面积退化成因分析

付意成，赵进勇，朱国平，全占军，李春辉

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100038；2.北京林淼生态环境技术有限公司，北京 100083；3.中国环境科学研究院，北京 100012；4.内蒙古自治区黄旗海湿地保护办公室，内蒙古 察右前旗 012200)

1 研究背景

湖泊作为人类一种宝贵的自然资源，在国家经济社会可持续发展、生态环境可持续维持中起重要作用。在人类活动和气候变化的双重作用下，我国多数湖泊出现水位持续下降、湖面面积和蓄水量不断减小的现象，有些湖泊甚至干涸[1]。黄旗海位于内蒙古自治区中部乌兰察布市察右前旗境内，为内蒙古八大湖泊之一，同时也是我国西北地区著名的湿地之一。

黄旗海具有农牧交错带闭塞湖泊的一般演变规律，湖泊面积不断波动，总体上呈现收缩下降趋势。20世纪70年代以来，黄旗海水域面积逐渐萎缩。2015年监测数据表明：5-9月黄旗海均有一定水域面积，6月面积最小，为0.43 km2，8月面积最大，为13.2 km2。黄旗海在过去几十年的演变与其他许多湖泊具有相似的过程。近几十年来湖泊退化是一个全球性事件，黄旗海只是其中的个案，然而其在21世纪后的退化速度及程度却相对惊人。黄旗海湖面面积及水环境在退化过程中人为和自然因素所起的作用孰轻孰重，这一结果的探讨成为衡量湖面面积恢复可能性的重要依据。

黄旗海湖面面积的维持与扩大可能性除受气候变化影响外，还受一系列人为活动控制。气候变化能改变河川径流大小及其空间分布，对于合理开发利用水资源、促进区域经济社会可持续发展和生态环境保护具有重要影响[2]。伴随着以全球变暖为主要特征的气候变化，降水、气温、日照等气象要素也发生了不同程度的变化，这些气象要素的改变势必会影响水文循环的降水、水汽输送及蒸散发等环节，从而影响流域水资源状况[3]。国内学者对气候与径流变化的影响展开了大量研究工作。学者针对西北地区不同区域、不同季节降水量做了详细的时空变化特征分析，从海温异常、大气环流、季风影响等角度进行研究，西北地区秋季大部分地区降水异常偏少主要受季风影响[4-6]。此外，赖欣等[7]利用1961-2007年夏季逐日降水资料对我国夏季日降水变化进行研究，夏季降水频率呈减小趋势；殷方圆等[8]利用1960-2012年我国夏季降水资料进行分析，东北和华北地区夏季降水量减少最显著，东北地区夏季降水量在2000-2010年减少最多，华北地区在1980年代减少最多。人类通过对地表下垫面的改造，如砍伐森林、兴修水利工程、灌溉农田以及建设城镇，引起水文要素的时空变化，特别是对河川径流直接或间接的影响受到诸多学者的关注[9-11]。为探求人类活动对河川径流量变化的影响，李野等[12]利用近50年的径流和降雨资料，研究白龙江上游径流变化特征，并揭示人类活动与径流变化间的关系；胡珊珊等[13]采用气候弹性系数和水文模拟方法定量分析了白洋淀上游水源区唐河流域气候变化和人类活动对径流的影响，表明人类活动对径流的影响起主导作用，占60%～62%。

气候变化和人类活动是影响水文情势的主要因素，因此，合理地分析气候变化和人类活动对区域水资源的影响显得尤为重要。张建云和王国庆等[14,15]对黄河、汾河等北方流域的气候变化和人类活动对河川径流的影响进行了定量分析研究；林凯荣等[16]基于东江流域两期土地利用现状图和主要水文气象站1956-2009年气象和径流时间序列，建立气候变化及人类活动对流域径流影响的贡献分解方法，运用改进的SCS月模型进行径流模拟，揭示气候变化及人类活动对流域径流量的影响。当前，学者多采用统计分析方法和水文模型模拟法研究气候变化和人类活动对水文水资源的影响[17]。Mann-Kendall法(M-K)检测是一种非参数统计检验方法，样本不需要遵从一定的分布，适用于类型变量和顺序变量，被广泛地应用于检验数据序列的突变点。杨柳嫦等[18]利用M-K检验法对近50年平远县年降水量进行突变检验，平远降水存在3次突变时期，但变化不显著；买苗等[19]采用M-K非参数统计检验法进行异常年份的气候突变检测，检验结果证实了年蒸发量、年日照百分率和年平均风速均呈明显减少趋势；隋佳硕等[20]利用1980-2010年降水资料，采用线性拟合方法和M-K检验法分析辽源市年降水量、年降水日数的变化特征；王富强等[21]选取东江流域近60年的气象数据，运用M-K非参数检验分析降水的变化特征，研究日照、风速和气温对降水变化的影响；郭林祥等[22]为揭示全球气候变暖背景下甘肃省定西市安定区的气候变化趋势，运用M-K检验法对气温和降水量年际变化趋势进行突变检验；胡丽莉等[23]采用M-K突变检验研究河西走廊东部汛期降水的PCD和PCP分布及变化特征；李斌[24]采用非参数M-K检验对洮儿河流域中上游径流、降水及潜在蒸散发的趋势及突变点进行研究，表明气候因素变化对流域水文过程的影响约占45%；蒋艳等[25]运用M-K检验研究塔里木河流域源流区历史水文过程及区域气候时空变化，气温、降水量和蒸发量呈现增加趋势，径流随气温和蒸发量变化较为敏感。气候变化以及人类活动对黄旗海湖面面积变化影响的研究较少。本文选取黄旗海流域集宁水文站1975-2011年逐月径流资料，结合同期气象站的气温、地下水逐月变化数据，结合区域经济社会数据，采用M-K检验对影响黄旗海水面面积数据系列趋势进行分析，寻求突变点或突变时段，为深度分析水面面积变化原因提供依据，以期为黄旗海流域水资源规划利用及生态环境保护提供参考。

2 研究区概况和数据资料

2.1 研究区概况

黄旗海(E113°10ˊ～113°26ˊ、N40°45ˊ～41°07ˊ)位于内蒙古自治区乌兰察布市察右前旗中部，流域涉及察右中旗东南部，察右后旗西南角，卓资县东部，整个察右前旗、集宁区以及丰镇市北部(图1)。区域降水量分布不均，自东南向西北呈现逐渐递减趋势，多年平均降水量为363 mm。黄旗海流域干旱指数均低于0.9，属于半干旱气候区。黄旗海流域内共有中、小河流11条，在海子周围还有很短的毛沟注入其中。流域内较大的河流有霸王河、泉玉林河，次大的有磨子山河、乌拉哈河及清水河等。除霸王河、泉玉林河常年有水外，其余均为季节性河流，仅在汛期有洪水汇入黄旗海，仅霸王河和泉玉林河设有水文站。黄旗海主要补水量除源于流域内各河流汛期注入的洪水外，还有湖区部分渗水的地下水和直接降入湖内的雨水等。黄旗海流域地表水水资源可利用量为0.91 亿m3，地下水可开采量为2.09 亿m3，水资源可利用总量为3.00 亿m3。黄旗海流域水资源可利用量主要来自察右前旗、集宁区。随着流域内地下水资源开采量的增加，地下水位逐渐降低，地下水在枯水期难以补给湖水。

2.2 数据资料

乌兰察布市水利局提供的黄旗海流域集宁气象站1954-2011年的气温观测数据；集宁水文站1954-2011年霸王河日径流量监测资料；黄旗海周边集宁区、察右前旗1987-2011年地下水位观测井数据；美国Landsat 1987、2000、2010、2014年1∶100 000的TM/ETM影像资料。流域内缺少降雨监测资料，利用泰森多边形方法根据湖区周边雨量站的年降雨量计算1975-2011年流域总降雨量。

图1 黄旗海流域示意图Fig.1 The Huangqihai watershed

3 研究方法

黄旗海湖面面积变化受制于流域入湖水量、周边经济社会用水与排水、地下水位变化、水量损失等因素的制约。本文对黄旗海流域37年时间分布特征的突变特征分析，采用M-K检验。M-K检验是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算过程简单[26]。M-K检验通过统计变量Z确定序列的趋势性；通过分析统计序列UF、BF进一步分析序列某时段的趋势变化，从而判别序列是否产生突变，以及突变的时间和区域[27]。一般取显著性水平α= 0. 05，临界值U0.05= ± 1. 96。

M-K检验计算公式为[28]：

(1)

式中：S为M-K检验中的统计变量，S遵从正态分布，平均值均值为0。

(2)

式中：xj，xk分别为j、k年的相应要素值，j>k。

统计变量UFk的计算公式为：

(3)

式中：E(Sk)、Var(Sk)是Sk的均值和方差。

Sk均值和方差的计算公式：

(4)

UFk为标准正态分布，在显著性水平α(一般取α=0.05，Uα=±1.96)，如果|UFk|>Uα，表示存在显著的趋势变化。如果UFk>0，说明呈上升趋势，反之则说明存在下降趋势。

根据相同的算法，按时间序列x逆序xn，xn-1，…，x1再重复上述过程，同时使BFk=UFk(k=n，n-1，…，1)，BF1=0，由此获得BFk曲线。如果UFk和BFk曲线相交，并且相交点在临界线之间，说明交点对应的时刻就是突变发生的时刻。

4 结果与分析

4.1 黄旗海流域近40 a水文气象变化趋势

(1)流域降雨量。根据黄旗海流域内19个雨量站日观测数据[29]，本文利用泰森多边形方法根据各雨量站的年降雨量计算1975-2011年流域总降雨量。流域降水量年际间变化大，存在丰水年与枯水年交替现象，且降雨量有明显下降趋势。降水量变化情势见图2。

图2 黄旗海流域降水量变化情势Fig.2 Precipitation change of Huangqihai watershed

(2)温度和干旱指数。本文通过对集宁气象站1954-2011年的气温观测数据进行分析，黄旗海流域近50年来年平均气温有上升趋势，约升高了2℃。本文利用集宁气象站的日观测数据分析，黄旗海流域干旱指数年际间波动大，总体略有上升趋势。黄旗海流域1954-2011年平均气温和干旱指数变化情势见图3、图4。

图3 黄旗海流域年平均气温变化情势Fig.3 Annual temperature change of Huangqihai watershed

图4 黄旗海流域年平均干旱指数变化情势Fig.4 Annual average drought index of Huangqihai watershed

(3)霸王河径流量和入湖水量。本文依据集宁水文站1954-2011年霸王河日径流量监测资料，给出霸王河年径流量变化情势(图5)。鉴于当地水文部门缺乏黄旗海实测的入湖流量监测值，本文借助APEX模型(Agricultural Policy/Environmental eXtender Model)对黄旗海的入湖地表径流值进行模拟[30]。1982-2011年黄旗海入湖径流量变化趋势见图6。结果表明黄旗海入湖径流量变化趋势与霸王河径流量变化趋势一致。

图5 霸王河年径流量变化情势图Fig.5 Annual runoff change of Bawanghe river

图6 黄旗海年入湖水量变化情势图Fig.6 Water input lake of Huangqihai watershed

本文通过对集宁水文站1959-2011年53年实测年径流资料进行分析，黄旗海流域径流的连丰连枯现象比较明显。20世纪50年代后期60年代中期属丰水期，60年代后期至70年代后期属枯水期，80年代初期为丰水期，80年代后期至90年代初期属枯水期，90年代后期至今处于枯水期。因此，从气候层面考虑，黄旗海入湖径流量减少符合长系列发展趋势。

(4)地下水埋深。黄旗海流域内地下水埋深南北差异大。本文选取黄旗海周边集宁区、察右前旗的5个地下水位观测井的数据取均值作为黄旗海湖区的地下水埋深数据，流域近期(1987-2011年)水位变化情势见图7。结果表明1997年以来黄旗海湖区地下水位下降趋势明显。

图7 黄旗海地下水位变化情势图Fig.7 Groundwater level change of Huangqihai watershed

黄旗海流域的地下水主要以宽带状分布于河谷洼地第四纪含水层以及山前倾斜平原中。地下水的主要补给来源为流域内的降水入渗补给。而流域北高南低的地形特点，决定了地下水运动趋势由北向南。除部分地区地下水埋深小于3 m有蒸发排泄外，其余均以较短距离的地下径流由四周低山丘陵排向黄旗海中。因此，2000年以后，受地下水位埋深的影响，黄旗海湖区地下水补给湖区的情况不易发生[31]。

4.2 黄旗海湖面面积退化成因分析

(1)黄旗海湖面面积变化趋势。黄旗海湖面水面缩小乃至干涸作为影响湿地生态质量健康的重要指标，是研究湖面面积变化趋势的关键。本文借助M-K检验方法对黄旗海水面面积数据系列趋势进行分析，寻求突变点或突变时段，为深度分析水面面积变化原因提供依据。黄旗海湖面面积趋势变化见图8、图9。

注：①M-K检验显著。②在a = 0.001水平上显著。图8 黄旗海湖水面积变化图Fig.8 Lake area change of Huangqihai watershed

图9 黄旗海湖水面积趋势变化分析Fig.9 The change analysis of Lake area of Huangqihai watershed

借助M-K检验，黄旗海水面面积在a=0.001显著水平下减少趋势明显。M-K检验中的UF曲线走势表明：20世纪80年代中期以来，黄旗海水面面积减少趋势均超过0.05的临界线；20世纪70年代中期至80年代初期水面面积呈缓慢下降趋势，80年代中期至90年代初期下降趋势增快；20世纪90年代末水面面积有所增加，此后水面面积逐年减少，致使2008年后水面面积严重萎缩。M-K检验表明黄旗海湖水面积出现突变的时间范围较广，1986、1997和1999年均可能为突变开始点。

(2)黄旗海湖面面积萎缩驱动因子。内陆闭塞湖泊面积变化与补给水源水量密切相关。历史上的黄旗海水量补给来源主要有天然降水、河流径流和地下泉水3种类型。借鉴相关文献研究成果，本文在对黄旗海各个影响因素对面积变化的作用机制进行分析的基础上，得出湖面面积：①与流域总降水量呈正相关关系(r=0.6，P<0.01)；②与地下水埋深呈负相关关系(r=-0.7，P<0.01)；③与入湖径流量呈正相关关系(r=0.5，P<0.05)。因此，与湖水面积最相关的是地下水埋深，其次是降水量。湖泊地下水埋深的变化除由气候和下垫面条件变化引起外，主要与经济社会发展大量抽取地下水，过度拦截下渗的地表径流相关。

结合以上分析，与现代黄旗海湖水面积最密切相关的是地下水埋深。降水、地下水埋深以及入湖径流量三者紧密联系。本文综合考虑流域其他环境因子与湖水面积和地下水埋深的关系，探明黄旗海湿地退化的关键驱动力。1999年前后湖水面积变化趋势存在较大差异。对因子间相关性分析从1975-1999年和1999-2011年两个时段进行，结果见表1。

表1 黄旗海湖面面积-驱动因子相关性分析Tab.1 Correlation Analysis of Lake Area - Driving Factors of Huangqihai watershed

注：地下水水位监测数据系列为1975-2011年。

在1975-1999年时段，与黄旗海水面面积显著相关的因子有地下水位、人口密度和温度，其中前两个指标显著性水平达0.01，末者为0.05。黄旗海湿地位于半干旱区的农牧交错带蒸散量大，温度的升高会进一步加大地表蒸散发，尤其是水面蒸发，从而造成黄旗海水面面积萎缩。人口激增会给当地带来一系列压力，居民建设用地扩增，粮食需求变大，生产生活用水量增加。温度和人口密度一般不受其他因子控制，而地下水位受其他诸多因子影响。鉴于湖区地下水的补给特点，虽然1987-1999年期间人类活动可能已影响到地下水水位变化(农业深井取水)，但此时流域地表水资源量较充足，加上黄旗海湖水与地下水的互相补给渗漏作用，使得地下水位波动中有上涨。总体上1976-1999年时段气候较湿润以及人类活动不剧烈，湖水面积主要受降雨、温度等气候因素变化的控制。

在1999-2011年时段，与黄旗海水面面积显著相关的因子有地下水位、人口密度、GDP和载畜量，显著性水平为0.01。因此，与湖水面积显著相关的均为人为因子，且相关系数较1975-1999年时段更大。进入21世纪后，黄旗海流域的气候条件(降水和温度)变化不显著，其他人口、经济指标均在一定显著性水平上增长[29]。2004年农牧业生产由种植业主导型向畜牧业主导型转变，粮食产量减少，畜牧业激增，占第一产业的比重达到43%。依据乌兰察布市地下水资源勘探队的勘测结果，流域内集宁区及察哈尔经济技术开发区地下水资源现状开采量已占可开采量的69%～78%，且在2020年需水量超过可开采量，不能满足各行业发展的需求，区域地下水超采现象严重，黄旗海地下水水源补给大大减少甚至枯竭。因此，在此阶段黄旗海流域退化过程受经济社会发展、土地利用格局变化等一系列人类用水活动控制。

5 结 语

20世纪70年代以来黄旗海湖面面积总体上呈萎缩趋势。为寻求黄旗海湖面面积变化与降雨、入湖水量、区域经济社会用水、地下水位变化等因素的关系，本文采用M-K检验方法对黄旗海湖面面积1975-2012年数据系列趋势进行分析，深度探究湖面面积变化原因。

(1)1975-1999年时段，气候较湿润以及人类活动不剧烈，湖水面积主要受降雨、温度等气候因素变化的控制。

(2)1999-2012年时段，气候条件(降水和温度)变化不显著，湖水面积缩小主要受经济社会发展、地下水位变化等一系列人类用水活动控制。

M-K检验证实了黄旗海湖面面积退化是天灾(气候变化)及人祸(人类活动)综合作用的结果。

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