1、基于 SPSS 软件的黑河正义峡下泄水量预报分析胡广录 张济世 樊立娟摘要:基于1951-2000 年黑河莺落峡、正义峡断面径流量观测数据和中游地区气象观测资料，采用 SPSS 多元线性逐步回归分析模型分析了影响正义峡断面下泄水量的莺落峡断面年径流量、黑河中游年平均气温等因素，并对2001-2011年正义峡断面自然状态下的下泄水量进行了模拟预报。结果表明: 黑河调水及中游工农业生产的快速发展对正义峡断面自然状态下下泄水量的影响显著，2001-2011 年预报的多年平均值较1951-2000 年预报的多年平均值偏小0792 亿 m3，从而影响了黑河分水方案的正常实施，建议对现行的黑河分水方案进行
2、修订和完善。关键词: SPSS 软件; 线性逐步回归; 水量预报; 下泄水量; 正义峡断面; 黑河中图分类号: P333 文献标志码:A doi:103969 /jissn1000-1379201304009Forecasting and Analysis of the Discharged Water Capacity of Zhengyi Gorge Section in Heihe River Based on SPSS ModelHU Guang-lu，ZHANG Ji-shi，FAN Li-juanAbstract: Based on the observed annual runo
3、ff series data in Yingluo Gorge and Zhengyi Gorge section of Heihe River，and the annual meteorological observation data in the middle area of Heihe River basin from 1951 to 2000，the influence factors such as the annual runoff of Yingluo Gorge section and the annual average temperature of the middle
4、Heihe River were analyzed with the SPSS multiple linear stepwise regression analysis model，and the model equation was used to simulate and forecast the discharged water capacity of Zhengyi Gorge section from 2001 to 2011 under the natural conditionsThe results show that the unified water allocation
5、of the main stream of Heihe River and the rapid development of industry and agriculture in the middle area of Heihe River have significant impact on the discharged water capacity of Zhengyi Gorge sectionUsing the model equation，we forecasted that the average value for the years from 2001 to 2011 was
6、 less 0792 108 m3 than the average value for the years from 1951 to 2000，the results affected the normal implementation of water diversion plan of Heihe RiverTherefore，the proposals to revise and improve the existing water diversion scheme of Heihe River are put forward in the paperKey words: SPSS s
7、oftware; stepwise regression analysis; water volume; discharged water volume forecasting; Zhengyi Gorge section; Heihe River黑河是发源于祁连山的河西走廊三大内陆河水系之一，也是仅次于塔里木河的中国第二大内陆河。黑河流域横跨青海、甘肃、内蒙古三省(区)，以莺落峡和正义峡为上、中、下游的分界点。进入20 世纪80 年代以后，黑河中游农田灌溉事业迅速发展，导致耗水量急剧增大，正义峡断面下泄水量显著减小，由水资源问题所引起的下游生态环境问题、社会问题、民族团结问题已十分突出1。因
8、此，在大量调研基础上，国务院决定于2000年7 月起在黑河中游实施水量统一调度和近期综合治理工程项目，即通过灌区节水改造、水资源合理调配、作物结构调整等措施来确保农业持续发展及下游生态建设用水。按照已制定的黑河水量分配方案，黑河流域管理局采取了“全线闭口、集中下泄”等调度措施，每年减少中游灌区渠口引水量536 亿 m3、增加正义峡下泄水量255 亿 m3。截至2009 年11 月底，黑河实施水量统一调度已近10 a，共21 次调水入东居延海，10 次调水入西居延海，使居延绿洲的生态环境发生了明显好转2。黑河水量统一调度以来，虽然正义峡断面下泄水量较调度前明显增大，但近几年正义峡断面年度少下泄水
9、量多次突破水量调度方案确定的控制指标，调度形势十分严峻3-4。因此，制定一个既可保证中游地区工农业正常生产用水，又不影响下游地区改善生态环境用水的切实灵活的水量分配方案，是非常必要的。笔者利用1951-2011 年莺落峡径流量数据和中游地区气象资料，通过 SPSS 软件对正义峡断面下泄水量进行了预报，以便为黑河流域管理部门修订和完善水量统一调度方案提供决策依据。1 数据和方法11 径流数据采用的径流量数据为黑河莺落峡、正义峡水文站的月平均径流量数据。径流数据来源于甘肃省水文局和数字黑河网站(http: /heihewestgisaccn /)。12 气象数据气象数据来源于甘肃省气象局和中国气象
10、科学数据共享服务网(http: / /cdccmagovcn /indexjsp )，包括张掖站(1951-2011 年)、临泽站(1967-2011 年)、高台站(1952-2011 年) 的逐日气象数据。按照全国地面气候资料统计方法的有关规定，对上述3 站的逐日气象数据进行整编统计，得到逐年的平均气温和降水量数据。13 分析方法SPSS 软件是目前世界上最流行的统计软件之一，基本功能包括数据管理、统计分析、图表分析和输出管理，可为中长期水文预报提供崭新的操作环境平台和丰富的技术方法5。根据分析要求，笔者利用 SPSS 软件对收集到的1951-2000 年莺落峡径流量、正义峡下泄水量、中游气
11、温和降水量数据进行逐步回归分析6-7，分析步骤如下。(1) 打开 SPSS 数据文件窗口，建立由预报对象(正义峡下泄水量) 和3 个预报因子观测变量序列组成的 SPSS 数据文件并保存。其中3 个预报因子是分类自变量: 莺落峡径流量(m3 )、中游地区的年均降水量(mm)和年平均气温()。(2) 在数据编辑窗口中进行包含分类自变量的多元线性逐步回归分析。按照“分析回归线性”操作步骤计算预报对象的估计值; 按照“转换计算变量”操作步骤生成正义峡下泄水量观测值与估计值之间的相对拟合误差。SPSS 软件会把这些计算数据和结果自动保存在数据编辑窗口中。然后按照“图形旧对话框线图”操作步骤生成正义峡历年
12、下泄水量与其估计值组成的历史拟合曲线，SPSS 软件会自动在数据编辑窗口中保存数据和计算结果，并在输出窗口中输出剔除因子和引入因子的统计结果、相关信息、图形等。(3) 对回归效果进行检验。SPSS 软件会自动进行回归效果的统计检验，包括回归方程的拟合度检验、回归方程的显著性检验和回归系数的显著性检验。拟合度检验通常用复相关系数 R2来判断，R2 越接近于1，表明回归直线的拟合程度越好; 回归方程的显著性检验(F 检验) 和回归系数的显著性检验(t 检验) 都是计算样本统计量的相伴概率 值，将其与给定的显著水平 (即信度) 值相比较。若 ，则表明在这一信度水平上，回归方程的回归系数有统计学意义;
13、 若 ，则表明在这一信度水平上，回归方程的回归系数无统计学意义。(4) 若通过统计检验，则可用包含分类自变量的多元线性回归方程对正义峡断面的下泄水量进行预报，也可进行概率区间预报。当预报对象 Y 服从正态分布时，对应预报因子i 的观测值 xi 的预报对象估计值yi 落在区间yi-Sy，yi + Sy内的可能性约为68%，落在区间yi-2Sy，yi + 2Sy内的可能性约为95%(Sy 为剩余标准差)。Sy 越小，用回归方程所估计的值yi 就越精确。2 结果分析21 预报值、相对拟合误差、历史拟合曲线1951-2000 年正义峡断面年下泄水量的预报值以及相对拟合误差，SPSS 软件会通过运算自动
14、显示在数据编辑窗口中，限于篇幅在此不列出显示结果。从显示结果可知，预报的正义峡断面下泄水量的平均值为10364亿 m3，实测下泄水量的平均值为10364 亿m3，二者差值为0，表明预测精度很高。从数据编辑窗口中显示的相对拟合误差数据还可以看出，相对拟合误差的平均值为118%，有7 a 的误差较大(表1)，绝对值超过20%，其余42 a 的误差都在 20%以内，合格率达857%。图1 为 SPSS 软件自动显示在结果输出窗口中的正义峡历年下泄水量与其预报值组成的历史拟合曲线。从曲线的拟合程度来看，1953-1966 年、1971-1983 年的预报值基本小于实测值，1967-1970 年、198
15、4-1999 年的预报值基本大于实测值，拟合结果较好。22 统计检验221 剔除变量的检验由多元线性逐步回归模型中没有进入模型的变量检验结果(表略) 可以看出，第一、二步回归分析中降水量因子的相伴概率均大于引入因子标准值0004，故可剔除降水量因子，不将其引入回归方程。这也说明正义峡断面年下泄水量与莺落峡断面年径流量及中游年平均气温存在显著的线性相关关系，而与中游年均降水量的关系不明显。222 回归方程的拟合度检验由回归模型汇总情况(表略) 可以看出，第二步多元线性逐步回归模型的相关系数 R = 0852，复相关系数 R2 = 0725，调整的 R2 = 0714，Sy = 1443 35，说
16、明第二步样本回归方程的代表性更好。223 回归方程的显著性检验由各步模型的方差(表略) 可以看出: 第二步逐步回归模型的回归平方和为258510，残差平方和为97913，离差平方和为356424。统计量 F = 62045 时，相伴概率值为 = 0000 0001(信度)，说明回归方程通过了显著性检验(F 检验)，预报因子与预报对象之间有线性回归关系。224 回归系数的显著性检验由各步模型回归系数(表略) 可以看出: 第二步逐步回归模型的常数项 b0 = 12026，回归系数 b1 = 0809，b 2 =-1936。经 t 检验，各影响因子回归系数的相伴概率 值都小于剔除因子的标准值0005
17、(信度)，通过了回归系数的显著性检验(t 检验)，说明回归系数都有统计学意义，故不能从回归方程中剔除。因此，包含分类自变量的多元线性逐步回归方程可表示为yi = 12026 + 0809x1-1936x2由图2、图3 可以看出: 由于残差具有正态分布的趋势8，因此可以认为得出的多元线性逐步回归方程是合理的。总之，通过多元线性逐步回归分析能够找出正义峡下泄水量与何种影响因子的整体相关程度高，并且剔除相关程度低的影响因子，从而降低样本数据量的冗余程度。3 预报结果分析利用线性回归模型可以对黑河统一调水后正义峡断面下泄水量进行预报，结果见表2。从表2 可以看出: 2001-2011 年正义峡下泄水量
18、与预报值相对误差绝对值均小于20%，预报合格率达100%，只有2006 年和2011 年的相对误差接近 20%的极限水平。同时可以看出，2001-2011 年正义峡断面实测下泄水量的平均值为10401亿 m3，而预报值的平均值为9572亿 m3，说明黑河统一水量调度后每年平均增加泄水量0829 亿 m3，累计增加泄水量9123 亿 m3。正义峡断面下泄水量预报是基于历史观测数据，在不考虑人为调水影响的情况下进行预报的。2001-2011年预报的多年平均值9572 亿 m3 较1951-2000 年预报的多年平均值10364亿 m3 偏小0792 亿 m3，说明黑河调水及中游工农业生产的快速发展
19、对正义峡断面自然状态下下泄水量的影响非常显著。据刘少玉等9研究，泉水是正义峡径流的主要成分，占径流总量的63 %，调水使得中游引用河水量减少，开采地下水的消耗量增大，造成地下水补给萎缩与泉水基流减少，从而导致正义峡断面自然状态下下泄水量减少。同时，根据笔者对收集到的1951-2011 年黑河径流数据和气象数据的分析，莺落峡径流量呈增大趋势，而正义峡下泄水量呈减少趋势，黑河中游地区年平均气温亦呈升高趋势。特别是近10 a 来，黑河莺落峡年均来水量为17777 亿 m3，中游地区年平均气温为8696，较历史多年平均气温7740 高0956 ，黑河流域进入暖期、偏丰水年份。在此期间，尽管黑河调水在中
20、游地区采取了“全线闭口、集中下泄”等调度措施，但正义峡下泄水量实测值(10401 亿 m3 ) 仍小于黑河“九七”分水方案中规定的数值，这就使得黑河正常调水受到影响。因此，根据10 余 a 来的调水情况，充分考虑地下水资源的补给变化和流域气候特点，以及中游地区工农业生产的可持续发展，对现行黑河分水方案进行修订完善，编制一个弹性的黑河调水方案就显得非常必要。4 结语(1) 多元线性逐步回归分析表明，正义峡下泄水量与莺落峡径流量、黑河中游平均气温存在显著线性相关关系，与中游降水量的关系不明显。统计检验结果显示，预报对象与所选的预报因子之间的相关系数为0852，回归方程通过了显著性检验，回归系数具有
21、统计学意义。(2) 利用多元线性逐步回归模型对2001-2011 年正义峡下泄水量进行了预报，结果表明: 黑河调水及中游工农业生产的快速发展对正义峡断面自然状态下下泄水量的影响显著，2001-2011 年预报的多年平均值较1951-2000 年预报的多年平均值偏小0792 亿 m3，使得正义峡断面实际下泄水量较黑河“九七”分水方案中规定的下泄水量小，明显影响了黑河分水方案的正常实施。因此，建议对现行的黑河分水方案进行修订和完善，这对保证中游地区工农业生产正常用水和下游地区改善生态环境用水都是非常必要的。参考文献:1任建华，李万寿，张婕黑河干流中游地区耗水量变化的历史分析J人民黄河，2002，2
22、4(1) : 27-292李大鹏，常桂强，鲁学纲近10 年黑河下游增泄水量分析J人民黄河，2011，33(9) : 44-453唐德善，蒋晓辉黑河调水及近期治理后评价M北京: 中国水利水电出版社，20094黄河水利科学研究院黑河干流应急水量调度预案R郑州: 黄河水利科学研究院，20105旦木仁加甫中长期水文预报与 SPSS 应用M郑州: 黄河水利出版社，20116徐东升，杨巍，魏哲，等基于 SPSS 的短期负荷特性分析及其预测研究J电力系统保护与控制，2009， 37(21) : 147-1517陈正虎，唐德善基于 SPSS 多重线性回归模型的黑河中游增泄下游水量分析J水资源研究，2005，26(3) : 25-268宇传华SPSS 与统计分析M北京: 电子工业出版社，20079刘少玉，卢耀如，程旭学正义峡径流变化与人类活动影响分析J地球学报，2005，26(1) : 61-66作者简介:胡广录(1966-)，男，甘肃靖远人，副教授，博士，研究方向为水文水资源管理。
