孫洋洋, 穆興民, 高 鵬, 趙廣舉, 孫文義

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃河上中游區(qū)徑流量格局長(zhǎng)期變化過(guò)程

孫洋洋1, 穆興民2,3, 高 鵬2,3, 趙廣舉2,3, 孫文義2,3

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

河川徑流不僅是水資源重要的構(gòu)成部分，也是自然界中水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，徑流量的變化直接影響區(qū)域特別是干旱區(qū)水資源的開發(fā)利用?；邳S河中游上中下三個(gè)站點(diǎn)(河口鎮(zhèn)站、吳堡站以及三門峽站)1919—2013年月徑流量資料，采用Spearman相關(guān)法、有序聚類法等方法分析黃河不同區(qū)間年、月徑流量演變規(guī)律，揭示年徑流量突變前后徑流量年內(nèi)集中度和不均勻性差異。結(jié)果表明：黃河上游和中游徑流量因人類活動(dòng)作用具有明顯趨勢(shì)性減小，而因氣候作用表現(xiàn)出顯著的階段性。在徑流量突變年份后，黃河上游徑流量上游集中度降低，不均勻度減小，徑流量年內(nèi)分配趨于均勻，但黃河中游地區(qū)徑流量年季不均勻性反而增大。

徑流; 變化趨勢(shì); 集中性; 不均勻性; 黃河上中游

徑流量受氣候、地形、土壤、土地利用覆被以及水利工程等多重影響，是流域?qū)θ驓夂蜃兓腿祟惢顒?dòng)影響的綜合反映[1]。隨著人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源短缺已經(jīng)成為全球經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主要制約因素，并日益引起各國(guó)政府科學(xué)家和公眾的廣泛關(guān)注[2]。黃河是一條高含沙河流，同時(shí)具有水沙異源即徑流主要來(lái)自上游而泥沙主要來(lái)自中游地區(qū)的特點(diǎn)。作為我國(guó)西北和華北地區(qū)最大的供水水源，黃河以其占全國(guó)2%的河川徑流量承擔(dān)著占全國(guó)15%耕地面積的灌溉任務(wù)與12%人口的供水任務(wù)[3]。受人類活動(dòng)和氣候變化等諸多因素的影響，21世紀(jì)以來(lái)，黃河的徑流和輸沙特征發(fā)生的突兀性變化已引起人們的廣泛關(guān)注[4]。穆興民等[5]分析黃河陜縣站1919—1997年天然徑流量變化，指出黃河天然徑流量年際變化存在明顯的階段性以及周期性特征，并預(yù)測(cè)在2010年天然徑流量開始恢復(fù)到多年平均水平。李二輝等[6]應(yīng)用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)、雙累積曲線法等方法分析黃河干流陜縣站和河口鎮(zhèn)站1919—2010年徑流量演變過(guò)程，指出黃河上游和中游年徑流量自1985年以來(lái)呈顯著減少趨勢(shì)，且變化具有明顯的階段性，并定量分析人類活動(dòng)對(duì)上游和中游徑流量減少的影響程度分別占88.1%和84.9%。畢彩霞等[7]分析渭河華縣水文站1950—2011年日流量，指出徑流量1994年以來(lái)呈顯著性減少趨勢(shì)，并據(jù)此將徑流序列劃分為基準(zhǔn)期1958—1994年和變化期1995—2011年，同時(shí)指出降雨變化和人類活動(dòng)對(duì)徑流變化的貢獻(xiàn)率分別占到49.0%和51.0%。這些研究詳細(xì)地闡述了黃河干流和支流的徑流量變化特征并分析了其變化的主導(dǎo)因素，但大多數(shù)研究集中在年徑流的年際變化，較少涉及徑流量年內(nèi)分配近期變異，在較小時(shí)間尺度(月、季)上，流域徑流演變趨勢(shì)及其影響因素方面還有待更為細(xì)致的研究[2]。因此，本文采用現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)方法分析黃河上中游徑流量年際和月份的協(xié)同變化特征，探討影響其變化的驅(qū)動(dòng)因素。

1 研究流域概況

黃河流域西界巴顏喀拉山，東抵渤海，北起陰山，南至秦嶺。流域內(nèi)地勢(shì)東西高差懸殊，形成自西而東、由高及低我國(guó)三大階梯(圖1)。黃河干流內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)以上的黃河河段為黃河上游。上游河段全長(zhǎng)3 472 km，流域面積386 000 km2，流域面積占全黃河總量的51.3%。上游河段落差達(dá)3 496 m，平均比降為1‰，河段內(nèi)匯入的較大支流(流域面積1 000 km2以上)有43條。黃河上游年徑流量占全河的54%，但其年來(lái)沙量只占全河年來(lái)沙量的8%。黃河中游從內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)至河南鄭州桃花峪間的黃河河段[7]。中游地區(qū)黃土廣泛分布，嚴(yán)重水土流失形成黃土墚、峁、塬等獨(dú)特的黃土地貌發(fā)育，是黃河泥沙的主要來(lái)源區(qū)[8-9]。中游地區(qū)主要包括河龍區(qū)間的支流和涇河、北洛河、渭河與汾河(簡(jiǎn)稱涇洛渭汾)等河流，其年入黃泥沙量、輸沙量占全河的90%以上，特別是河口鎮(zhèn)到龍門區(qū)間流域面積占黃河流域面積的15.1%，產(chǎn)流量不足全流域的14%，但輸沙量占60%以上[10]。

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

黃河輸沙量自20世紀(jì)80年代特別是2000年以來(lái)突兀性減少[4]，為了與輸沙變化相比較，本文對(duì)中游徑流量進(jìn)行對(duì)應(yīng)的時(shí)空段研究。采用內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)黃河河口鎮(zhèn)站、陜西省境內(nèi)黃河吳堡站、河南省境內(nèi)黃河三門峽站(以下簡(jiǎn)稱三站)1919年1月—2013年12月的逐月徑流量觀測(cè)數(shù)據(jù)。將河口鎮(zhèn)水文站實(shí)測(cè)徑流量作為黃河干流上游的來(lái)水量，將河口鎮(zhèn)至吳堡區(qū)間徑流量、吳堡至三門峽區(qū)間徑流量作為中游上段來(lái)水量和中游下段來(lái)水量，即上游徑流量用河口鎮(zhèn)站的徑流量表示，中游上段和中游下段徑流量分別用用吳堡站與河口鎮(zhèn)站之差、及三門峽與吳堡站徑流量之差表示[6]，整個(gè)中游徑流量則由三門峽站與河口鎮(zhèn)站徑流量之差表示。

圖1 黃河流域示意圖

2.2 研究方法

本文采用距平累積法[11]、非參數(shù)的Mann-Kendall秩相關(guān)檢驗(yàn)法[12]和有序聚類法[13]等對(duì)黃河上中游三區(qū)間的年徑流量時(shí)間序列進(jìn)行階段性、趨勢(shì)性以及突變性分析。在徑流量年內(nèi)變化特征分析中采用集中度[14]和集中期[4,14-17]對(duì)突變年份前后進(jìn)行徑流量年內(nèi)分配變化的比較研究，同時(shí)采用不均勻系數(shù)[15]、完全調(diào)節(jié)系數(shù)[16]、變化幅度[15-17]等對(duì)其進(jìn)行不均勻性變化的比較研究。

3 結(jié)果與分析

3.1 黃河實(shí)測(cè)徑流量年際變化特征

3.1.1 徑流量年際、代際變化基本特征 黃河上游和中游地區(qū)年徑流量年代際差異明顯、年際變化波動(dòng)大。不同年代實(shí)測(cè)年徑流量均值、變差系數(shù)(Cv)、極值比(R)等徑流量特征詳見表1。1919—2013年黃河上游、中游上段和中游下段多年平均徑流量分別為229.3億m3，29.2億m3，109.54億m3。上中游不同年代最大平均徑流量均出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代，21世紀(jì)初最小，僅分別占20世紀(jì)40年代的52%，18%，26%，表明此區(qū)間代際干濕差異比較明顯。20世紀(jì)70年代以來(lái)，黃河中游代際徑流量呈現(xiàn)顯著減少現(xiàn)象，此時(shí)間段內(nèi)黃河中游處于持續(xù)干旱狀態(tài)。

黃河上中游徑流量變差系數(shù)Cv值變化較大，上游代際間Cv值在0.17～0.39間波動(dòng)，最大值出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代。中游上段2010—2013年徑流量年際變化波動(dòng)最為劇烈，Cv值達(dá)到0.7。中游下段年徑流量變差系數(shù)Cv最大值出現(xiàn)在21世紀(jì)初，為0.62。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，黃河中游徑流量年際變化更為劇烈。

表1 黃河干流上中游不同年代區(qū)間來(lái)水量基本特征 108m3

注：—表示出現(xiàn)負(fù)值，下表同。

3.1.2 徑流量年際變化的階段性 黃河實(shí)測(cè)徑流量年際變化具有明顯的階段性。黃河上游及中游各區(qū)段徑流量距平累積曲線見圖2。以曲線至少連續(xù)出現(xiàn)5 a的變化趨勢(shì)為準(zhǔn)[5]，黃河上游徑流量階段變化可分為枯、豐、枯三個(gè)階段：1919—1932年為枯水期、1933—1985年為豐水期、1986—2013年為枯水期。黃河中游上段徑流量變化分為平、豐、枯三個(gè)階段：1921—1928年為平水年段、1929—1971年為豐水年段、1972—2013年為枯水期，中游下段徑流量變化經(jīng)歷枯、豐、平、枯四個(gè)階段：1919—1932年為枯水期、1933—1970年為豐水期、1971—1988年為平水期、1989—2013年為枯水期。不同階段來(lái)水量特征見表2。分析得不同階段黃河上中游徑流量差異極大，豐水年極值比枯水年大，說(shuō)明在豐水年段區(qū)間年徑流量變化波動(dòng)更大。

中游上段20世紀(jì)70年代以來(lái)，區(qū)間來(lái)水量大幅度減少，并至今呈持續(xù)狀態(tài)。中游下段從20世紀(jì)80年代以來(lái)區(qū)間來(lái)水量減少約50%。黃河上中游年徑流量最小值出現(xiàn)在2000年以后，進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，黃河上中游地區(qū)極度干旱。1960年以前人類活動(dòng)對(duì)黃河徑流及土壤侵蝕影響相對(duì)較小，黃河水沙處于自然變化狀態(tài)[18]。20世紀(jì)70年代末，大規(guī)模的水利及水保持工程，有效攔蓄徑流和侵蝕產(chǎn)沙，使入黃泥沙顯著減少[19]，特別是21世紀(jì)以來(lái)大規(guī)模植被恢復(fù)，很大程度上改變了地表產(chǎn)匯流及土壤侵蝕過(guò)程，入黃水沙突兀性減少，引起各界的廣泛關(guān)注[4]。

3.1.3 徑流量年際變化的趨勢(shì)性及突變性 利用Mann-Kendall非參數(shù)相關(guān)檢驗(yàn)對(duì)黃河上中游年徑流量序列進(jìn)行趨勢(shì)分析，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為負(fù)且均達(dá)到0.01極顯著水平。同時(shí)對(duì)變化做時(shí)間性一階回歸分析，分析徑流量年變化傾向率，結(jié)果見表3。分析表明：黃河上游、中游實(shí)測(cè)年徑流序列下呈現(xiàn)出顯著下降趨勢(shì)，尤以中游上段最為顯著。

采用有序聚類法對(duì)黃河中游三個(gè)站點(diǎn)突變檢驗(yàn)見圖3。分析表明：黃河上中游徑流量總離差平方和Sn(τ)分別在1985年、1971年、1990年(相對(duì)應(yīng)τ=67，53，72，)達(dá)到最小值，說(shuō)明黃河上游、中游上段、中游下段的年徑流量分別于1985年、1971年、1990年發(fā)生突變。利用秩和檢驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量分別為5.54，7.36，4.97，均達(dá)到0.05的置信水平。

表2 黃河干流上中游階段性來(lái)水量基本特征 108 m3

表3 黃河上中游徑流量變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

注：***表示達(dá)到0.001顯著性水平。

圖2 黃河上中游年徑流量距平累積曲線

3.2 黃河實(shí)測(cè)徑流量年內(nèi)分配及變化

3.2.1 徑流量年內(nèi)變化基本特征 流域徑流量年內(nèi)分配因受降雨、下墊面和植被等影響差異較大[20]。黃河上游和中游實(shí)測(cè)年內(nèi)徑流量均值、極值比等特征值見表4。分析可知，黃河上游和中游地區(qū)徑流量年內(nèi)分配極度不均，流域年內(nèi)徑流量主要集中在7—9月，徑流量之和均占全年的45%左右。黃河上中游徑流量年內(nèi)變化波動(dòng)明顯。

圖3黃河上中游徑流量突變分析

分析發(fā)現(xiàn)黃河中游區(qū)間有些月份徑流量呈現(xiàn)負(fù)值，即黃河河口鎮(zhèn)站大于吳堡站月徑流量或者吳堡站大于三門峽站，這表明此時(shí)間段黃河河吳區(qū)間以及吳三區(qū)間在氣候或人為條件影響下并沒(méi)有產(chǎn)流，反而會(huì)損耗上游來(lái)水量。此現(xiàn)象主要發(fā)生在春夏兩季，春季為年枯水期，且正值農(nóng)業(yè)用水高峰期，夏季氣溫較高，黃河上中游地區(qū)潛在蒸發(fā)量較大。在徑流突變年份后此現(xiàn)象更加明顯。

表4 黃河干流上中游不同月份區(qū)間徑流量統(tǒng)計(jì)特征 108 m3

注：—表示出現(xiàn)負(fù)值。

3.2.2 徑流量年內(nèi)趨勢(shì)性變化分析 利用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)對(duì)黃河上中游各月平均徑流量序列進(jìn)行趨勢(shì)分析，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量見圖4，徑流量年內(nèi)變化具有明顯趨勢(shì)性。上游徑流量在5—11月徑流量呈顯著下降趨勢(shì)，12月至次年4月徑流量則呈顯著上升趨勢(shì)，表明區(qū)域徑流量年內(nèi)分配區(qū)域均勻化。中游徑流量整體呈下降趨勢(shì)，但中游上段6月份和中游下段9月份的徑流量變化趨勢(shì)不顯著。

圖4黃河上中游徑流量逐月變化

Mann-Kendall非秩次相關(guān)檢驗(yàn)值

通過(guò)圖5可以看出黃河上中游總體徑流量顯著減少。黃河上中游三區(qū)間突變后年平均徑流量較突變前分別減少34.6%，62.5%，58.9%。突變前連續(xù)最大3個(gè)月徑流量占年徑流量的47.3%，41.4%，45.6%，突變后占33.7%，40.4%，52.7%。黃河上游區(qū)間在徑流量發(fā)生突變后5—11月徑流量較突變前減少，12月至次4月徑流量上升，而中游徑流量整體呈下降趨勢(shì)。

馬柱國(guó)[21]研究指出引起當(dāng)前黃河流域徑流如此變化的原因大致有三個(gè)方面，一是沿黃工農(nóng)業(yè)用水量的增加；二是流域降水的變化；第三是由于區(qū)域增暖導(dǎo)致地表溫度的上升，從而加強(qiáng)流域的地表蒸發(fā)，最終引起流域的徑流減少。

圖5黃河上中游不同階段年徑流量月平均值統(tǒng)計(jì)圖

3.2.3 徑流量集中性年內(nèi)變化分析 采用集中度與集中期定量分析突變前后徑流量年內(nèi)分配變化過(guò)程，結(jié)果見表5。黃河上游徑流量集中性降低，中游集中性上升。突變后黃河上游和中游上段區(qū)間徑流量集中期均有所提前，其中中游上段提前45 d左右，中游下段幾乎沒(méi)有變化。

表5 黃河上中游徑流量集中性變化分析

3.2.4 徑流量年內(nèi)不均勻性變化分析 河川徑流的年內(nèi)分配主要受徑流補(bǔ)給條件的影響[16]。由于氣候的季節(jié)性波動(dòng)，氣象要素如降水和氣溫都有明顯的季節(jié)性變化，從而在相當(dāng)大程度上決定了徑流年內(nèi)分配的不均勻性[19]。為進(jìn)一步分析1919—2013年黃河上中游徑流量年內(nèi)分配變化特征，本文對(duì)不均勻系數(shù)(Cr)、完全調(diào)節(jié)系數(shù)(Ct)、相對(duì)變化幅度(Cm)、絕對(duì)變化幅度(ΔQ)等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表6。

黃河上游不均勻性降低，徑流分配變得均勻，但中游不均勻性上升。突變發(fā)生后黃河上游徑流量相對(duì)變化幅度均減小，中游徑流量相對(duì)變化幅度有所增大。同時(shí)黃河上中游絕對(duì)變化幅度均減小，由此也可以驗(yàn)證黃河干流上中游徑流量在突變后大幅度減少。

表6 黃河上中游徑流量不均勻性變化分析

注：—表示出現(xiàn)負(fù)值。

分析黃河上游區(qū)間和中游區(qū)間年徑流量變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)變化趨勢(shì)并不完全一致，尤其是徑流量突變后，徑流量分配變化呈明顯差別。相關(guān)研究[18,21]表明，黃河中游地區(qū)水沙變化與流域內(nèi)強(qiáng)烈的人類活動(dòng)密切相關(guān)。人類活動(dòng)對(duì)流域徑流的影響主要表現(xiàn)為20世紀(jì)70年代以后流域內(nèi)大規(guī)模的水利工程水土保持措施和工農(nóng)業(yè)用水的增加[22]。不僅是黃河干流，支流上也建設(shè)了一大批水利工程，它們對(duì)徑流量的減少都是以數(shù)億m3計(jì)量，這對(duì)黃河干流的徑流過(guò)程產(chǎn)生極大的影響。工程措施和工農(nóng)業(yè)耗水量不斷上升，人類活動(dòng)對(duì)渭河徑流的影響越來(lái)越劇烈，導(dǎo)致徑流量不斷減少[7]，黃河干流不同區(qū)間徑流量變化趨勢(shì)趨于多樣性。

4 結(jié) 論

(1) 1919—2013年期間，受水利及水土保持工程的作用，黃河上中游徑流量具有趨勢(shì)性減小趨勢(shì)，但受氣候特別是降雨的影響，徑流量的變化也表現(xiàn)出顯著的豐枯階段性變化，不同階段徑流量及其隨機(jī)性特征差異顯著。

(2) 受氣候及人類活動(dòng)的共同作用，不同年代徑流量差異顯著。在近百年里，徑流量出現(xiàn)20世紀(jì)40年代徑流量最大，21世紀(jì)10年代徑流量最小。

(3) 黃河上中游區(qū)間在徑流量發(fā)生突變年之后，其徑流量分配規(guī)律也發(fā)生很大變化。上中游徑流量在突變后明顯減少。上游集中度降低、集中期推遲，徑流量年內(nèi)分配趨于均勻，中游集中性和不均勻性增強(qiáng)。黃河上游和中游區(qū)間徑流量變化趨勢(shì)并不完全一致。

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TemporalChangesinRunoffintheUpperandMiddleReachesofYellowRiver

SUN Yangyang1, MU Xingmin2,3, GAO Peng2,3, ZHAO Guangju2,3, SUN Wenyi2,3

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

Runoff is the important water resource and element of hydrologic cycle. The change of runoff directly affects the exploitation and utilization of water resources. Based on the data of monthly runoff from 1919 to 2013 of the three sites (Heleouzhen station, Wubu station and Sanmenxia station) in the middle reaches of the Yellow River, we used modern statistical analysis methods such as Spearman correlation, Mann-Kendall rank test, sequential clustering method, to reveal the change of concentration and inhomogeneity about runoff.The results showed that the runoff of upstream and middle reaches of the Yellow River has reduced because of human activity. Meanwhile the climate impact on the runoff showed the significant stage. After runoff mutation, the concentration and inhomogeneity of runoff in the upper reaches of the Yellow River have reduced, and distribution of runoff tends to be more uniform, but inhomogeneity of runoff in the middle reaches of the Yellow River increases instead.

runoff; variation trend; concentration; inhomogeneity; the upper and middle reaches of the Yellow River

2016-09-04

：2016-10-08

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“黃河流域水沙多時(shí)空演變及其分異規(guī)律”(2016YFC0402240701)

孫洋洋(1990—),女,山東棗莊人,碩士研究生,主要從事生態(tài)水文及水土保持研究。E-mail:yysun@nwsuaf.edu.cn

穆興民(1961—),男,陜西華陰人,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事水土保持、生態(tài)水文方面的研究工作 E-mail:xmmu@ms.iswc.ac.cn

TV121.4

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：1005-3409(2017)03-0059-06