李 勃, 穆興民,2, 高 鵬,2, 趙廣舉,2, 孫文義,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

缺水問題將嚴(yán)重制約21世紀(jì)經(jīng)濟和社會發(fā)展，并可能導(dǎo)致國家間的沖突。受氣候變化和人類活動的共同影響，全球許多河流的徑流量發(fā)生了明顯地改變，嚴(yán)重威脅著區(qū)域的水資源狀況[1]。Mcmahon等[2]分析了全球1 221條河流的至少10 a的年及月徑流量，指出全球平均徑流及儲存層水量變化顯著，尤其是南非洲及澳大利亞變化最為劇烈。Milly等[3]、Pachauri[4]運用12個氣候模型模擬顯示，截至2050年，全球年平均徑流量在高緯度地區(qū)預(yù)計將增加10%～40%，中緯度地區(qū)的一些干旱地區(qū)將降低10%～30%。Milliman等[5]研究指出20世紀(jì)后期，由于人類活動的影響，全球大部分中緯度河流徑流量減少了60%。

黃河是世界上著名的含沙量高的大型河流，是我國第二條大河，世界第五大長河，作為中國西北和華北的重要水源，被喻為沿黃地區(qū)的生命線[6-7]。在流域內(nèi)人類活動頻繁和全球氣候變暖的背景影響下，特別是近20多年內(nèi)退耕還林及河道整治工程效果顯著，各大江大河徑流泥沙發(fā)生顯著變化。Mu等[8]研究指出黃河也是受人類活動影響劇烈導(dǎo)致徑流急劇改變的河流之一。1972—1998年的27 a中，黃河有21 a下游出現(xiàn)斷流，累計斷流1 050 d[9]。在20世紀(jì)90年代，黃河下游頻繁斷流，且斷流歷時在延長，斷流河段也在不斷向河源區(qū)延伸[10-12]。關(guān)于黃河徑流變化特征已有大量研究[13-17]，主要涉及到土地利用變化對徑流的影響、人類活動對徑流的影響、下游斷流的徑流序列分析等方面，且諸多研究集中在某一河段或區(qū)域[18-20]。然而，對于整個黃河流域徑流量的綜合性分析不夠，難以系統(tǒng)深入認(rèn)識全河徑流時空變化的新特征。鑒于此，本文收集黃河干流9個主要控制站點60余年的實測徑流序列資料，從整個流域尺度集成分析黃河徑流量演變規(guī)律，以期全面認(rèn)識黃河徑流新變化，為區(qū)域水資源規(guī)劃、水土保持措施優(yōu)化配置等方面提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

黃河發(fā)源地有3處，北源發(fā)源于青海省青藏高原的巴顏喀拉山脈支脈查哈西拉山南麓的扎曲，南源發(fā)源于巴顏喀拉山支脈各姿各雅山北麓的卡日曲，西源發(fā)源于星宿海西的約古宗列曲。自西向東流經(jīng)9省(區(qū))，橫跨中國青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原、華北平原，以及干旱、半干旱、半濕潤區(qū)，于山東省東營市墾利區(qū)黃河口鎮(zhèn)流入渤海，全長5 500 km，流域面積75萬多km2[21]。黃河上游年徑流量占全河的54%，但其年來沙量只占全河年來沙量的8%。中游地區(qū)主要包括河龍區(qū)間的支流和涇洛渭汾等河流，其入黃泥沙量、輸沙量占全河的90%以上，特別是河龍區(qū)間產(chǎn)流量不足全流域的14%，但輸沙量占60%以上[22-23]。

圖1 研究區(qū)地理位置及水文站點分布

根據(jù)黃河流域不同區(qū)域的特點、干流水文站的分布情況以及數(shù)據(jù)的完整性，本文選擇黃河流域干流的唐乃亥、蘭州、河口鎮(zhèn)、龍門、潼關(guān)、花園口、高村、艾山和利津9個代表水文站1956—2017年觀測數(shù)據(jù)(圖1)，研究黃河上游、中游和下游3個區(qū)間徑流量變化特征。本文將河口鎮(zhèn)水文站實測徑流量作為黃河干流上游的來水量，將河口鎮(zhèn)至花園口站區(qū)間徑流量作為中游來水量，將花園口以下徑流量作為下游來水量，即上游徑流量用河口鎮(zhèn)的徑流量表示，中游徑流量由花園口站與河口鎮(zhèn)站徑流量之差表示，而下游徑流量則用利津站與花園口站徑流量之差表示[18]。數(shù)據(jù)下載自中國科學(xué)院水利部水土保持研究所“地球科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(www.geodata.cn)—黃土高原數(shù)據(jù)共享運行服務(wù)中心”。所選代表水文站的基本情況見表1。

表1 黃河干流主要代表水文控制站基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 徑流年際變化趨勢檢驗方法 采用Mann-Kendall檢驗法(M-K法)分析徑流量的年際變化趨勢。M-K法是當(dāng)前在氣象水文中廣泛使用的一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗的方法[14]。該方法不要求數(shù)據(jù)樣本遵從一定的分布，用數(shù)據(jù)序列的秩序來對兩個變量的相關(guān)程度進行判斷，少量的異常值對其結(jié)果不會造成干擾，是十分有效的一種趨勢檢測方法。M-K方法檢驗的統(tǒng)計量Z值如果為正，表示序列呈增加趨勢，為負(fù)則呈減小趨勢。檢驗臨界值分別為顯著性水平0.05時為±1.96，顯著性水平0.01時為±2.58[24-25]。

1.2.2 徑流年際突變臨界點分析 Pettitt突變檢驗是1979年建立的一種非參數(shù)檢驗方法，主要是依據(jù)長時間序列趨勢性的變化，通過檢驗時間序列要素均值變化的確切時間來確定躍變變化的確切時間[26]。

1.2.3 徑流量年際階段性分析 采用“距平累積法”判別徑流量年際變化的階段性特征，該法先計算每年的徑流量距平，然后按年序累加，得到距平累積序列[27]。即

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 黃河上中下游不同區(qū)間入黃徑流量時間變化特征

2.1.1 黃河上中下游年際徑流量變化的趨勢性及突變性 黃河各區(qū)間年匯入黃河的徑流量整體呈逐年減少趨勢。黃河干流上、中、下游年徑流量隨時間變化過程及其滑動平均如圖2A，C，E所示。分析表明：年徑流量的5年滑動平均曲線均呈下降趨勢。上、中、下游年徑流量M-K檢驗統(tǒng)計量為負(fù)且均達到0.01極顯著水平，尤以中游最為顯著(表2)。線性擬合顯示上、中、下游區(qū)間年徑流量減少率分別為-20.16億m3/10 a，-30.23億m3/10 a，-16.98億m3/10 a。

黃河各區(qū)間年匯入黃河的徑流量年際過程也具有突變特點。不同區(qū)間年徑流量發(fā)生趨勢性躍變的臨界年份如圖2B，D，F(xiàn)所示。分析表明：在99%信度水平下，上、中、下游徑流量的統(tǒng)計檢驗指標(biāo)分別為1986年、1990年、1976年出現(xiàn)最低點并超出臨界水平線，為突變年份。再以突變點為界，將序列劃分為前后兩個序列，分別對其進行檢驗，結(jié)果顯示中游在1968年發(fā)生二次突變，下游在2002年、2010年分別發(fā)生二次突變，而上游區(qū)間僅存在上述一個突變點。

2.1.2 黃河上中下游徑流量代際間變化特征 黃河干流上、中及下游徑流量年代差異明顯，且自20世紀(jì)80年代以來呈下降趨勢。黃河干流上、中、下游不同年代水文要素特征值見表3。上中下游多年平均徑流量分別為205.29億m3，147.28億m3，-80.51億m3，上中游不同年代最大平均徑流量均出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，21世紀(jì)初最小，僅分別占20世紀(jì)60年代的54%，36%，而下游區(qū)間徑流量均為負(fù)值。20世紀(jì)60年代以來，黃河上中下游代際徑流量出現(xiàn)波動下降趨勢，且下游區(qū)間流量始終處于負(fù)值水平，表示經(jīng)由中游流經(jīng)下游的徑流量顯著減少，僅在20世紀(jì)50—60年代出現(xiàn)部分正值。

表2 黃河上中下游徑流量變化趨勢檢驗

注：**表示達到0.01顯著性水平。

分析各年代徑流量變差系數(shù)，上中下游區(qū)間變動范圍分別為0.18～0.36，0.28～0.50，-0.11～-12.74，變差系數(shù)(Cv)最大值均發(fā)生在20世紀(jì)60年代，其中，下游區(qū)間年際徑流量變化波動最更劇烈，Cv最大值達到-12.74。進入21世紀(jì)以來，黃河中游徑流量年際變化較上下游更為劇烈。

2.1.3 黃河上中下游徑流量年際變化的階段性分析 黃河上中下游徑流量變化具有顯著的豐平枯等階段性特征。不同區(qū)間徑流量距平累積曲線見圖3，分析可將黃河上中下游徑流量變化過程可劃分為豐水期、平水期和枯水期3個階段。上游徑流量累積距平值在1985年前后表現(xiàn)出先增后減的趨勢，年徑流量枯水期較豐水期減少35%。中游徑流量距平值在1970年、1985年前后表現(xiàn)為明顯的豐水期—平水期—枯水期階段，1956—1970年豐水期年段(累積斜率變化為92.59億m3/a)，1971—1985年為平水期年段(累積斜率變化為12.38億m3/a)，1986—2017年為枯水期年段(累積斜率變化為-54.45億m3/a)。下游年徑流量距平累積表現(xiàn)豐水期—平水期—枯水期，1956—1970年豐水期年段(累積斜率變化為73.45億m3/a)，1971—1979年平水期年段(累積斜率變化為-0.03億m3/a)，1980—2002年強枯水期年段(累積斜率變化為-41.79億m3/a)，2003—2017年弱枯水期(累積斜率變化為-11.91億m3/a)。

上、中、下游各階段徑流量統(tǒng)計特征見表4。分析得出不同階段黃河上中下游徑流量差異較大，豐水年極值比枯水年大，說明在豐水年期間流域年徑流量變化幅度更大。中游徑流量最后一個枯水期的變差系數(shù)為0.40，明顯高于上下游徑流量的變差系數(shù)0.28，-0.25，表明最后一個枯水期黃河中游徑流量變化相對上下游變化劇烈。20世紀(jì)70年代中下游枯水期的開始時間與流域內(nèi)大規(guī)模水保措施的實施相對應(yīng)，特別是21世紀(jì)以來大規(guī)模植被恢復(fù)，入黃徑流泥沙顯著減少。

圖2 黃河上中下游多年平均徑流量年際過程線

表3 黃河干流上中下游不同年代區(qū)間來水量特征分析

注：—代表未發(fā)現(xiàn)，下表同。

圖3 黃河上中下游年徑流量距平累積變化

2.2 黃河干流徑流量時空分布基本特點

2.2.1 黃河干流各站年徑流量趨勢性特征及突變年份 黃河干流各站(唐乃亥站除外)年徑流量整體表現(xiàn)為趨勢性減少并出現(xiàn)突變年份。黃河干流9個斷面水文站的多年實測徑流量變化趨勢和突變性檢驗見表5。唐乃亥站年徑流量沒有顯著的增加或減小的趨勢，而其余8個站徑流量的秩次相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，表現(xiàn)出顯著減小趨勢。黃河干流除唐乃亥站外各站徑流量的秩次相關(guān)系數(shù)均為負(fù)值，而且自河口鎮(zhèn)及其以下各站都通過了0.01的極顯著性檢驗，說明蘭州及以下各站的年徑流量均呈現(xiàn)下降趨勢。上游3站及龍門站年徑流量降低速度小于3.0億m3/a，中游潼關(guān)站、花園口站及下游3站年徑流量降低速度均介于(4.0～7.0)億m3/a，整體而言，自上游至下游各站徑流量降低速度逐漸增大。除唐乃亥站沒有出現(xiàn)明顯的突變年，其余各站發(fā)生突變的年份主要集中在1985年、1990年。

表4 黃河上中下游徑流量階段性特征

表5 黃河干流主要控制水文站徑流量變化趨勢

注：顯著性水平為0.1時，統(tǒng)計檢驗臨界值為±1.96；顯著性水平為0.05時，統(tǒng)計檢驗臨界值為±1.96；顯著性水平為0.01時，統(tǒng)計檢驗臨界值為±2.58。

2.2.2 黃河干流各站不同年代徑流量時空分布特征 黃河干流各站不同年代同多年徑流量沿程分布特征大致相似，且整體呈現(xiàn)出逐年代波動遞減趨勢。黃河干流徑流量主要來自于上游區(qū)域，表現(xiàn)在唐乃亥、蘭州和河口鎮(zhèn)站多年平均徑流量占利津站的比例較高。從各站多年平均徑流量來看(圖4)，黃河上游3站和龍門站的數(shù)值較小，多年平均值處于(200～300)億m3的水平；中游潼關(guān)站、花園口站和下游各站數(shù)值較高，多年平均值達到(300～400)億m3。近10 a平均值(Q10)較多年平均值(Q)降低，除了唐乃亥站和蘭州站近10 a平均值降低不大外(為多年平均值的96%)，河口鎮(zhèn)站及其以下各站的降低幅度均較大，為多年平均值的54%～81%，下降幅度最大的為利津站，較多年平均減少46%。黃河干流自上而下9個主要控制站不同年代徑流量沿程分布近似相同(圖5)，表現(xiàn)為先增加至花園口站達到最大值隨后下降趨勢，在7個時間段上呈現(xiàn)出逐階段波動下降趨勢。其中上游3站徑流量代際間差異穩(wěn)定，而中下游各站徑流量代際差異逐漸明顯，尤其是下游3站下降趨勢更為突出，各站于20世紀(jì)80年代下降幅度達到最大為22%～51%，這主要是流域引水量的增加和水土保持措施發(fā)揮效益引起的。

圖4 各站多年平均和近10年平均徑流量

河口鎮(zhèn)、花園口和利津站3站歷年實測徑流量差值逐年代呈不同程度的下降趨勢(圖6)。自20世紀(jì)60年代開始，河口鎮(zhèn)和花園口來水量的實測差值越來越小，尤其是1995年以后，兩站差由60年代的246.2億m3減為86.8億m3，減少約65%?；▓@口站和利津站來水量的實測差值越來越大，尤其是20世紀(jì)90年代達到差值最大為-126.5億m3，之后兩站差逐漸減少至-96.6億m3，減少約24%。年徑流量的這種時空變化，一方面反映出黃河水量主要來源于上游，另一方面反映出黃河愈向下游水量下降幅度愈大。

圖5 不同年代各站多年平均徑流量沿程變化

3 討 論

氣候變化是影響河流水沙變化的自然因素，其中降水量、降水強度和降水時間以及氣溫的變化將直接影響天然徑流量；引起黃河來水量變化的人類活動主要包括水利工程建設(shè)、水土保持措施建設(shè)以及河道兩岸引水引沙等。上游人類活動影響較少的地區(qū)出現(xiàn)了徑流量減少的趨勢，主要是氣候變化的影響，其比重約占75%，人類活動影響作用僅占25%[10,12]。研究表明氣溫升高沒有直接導(dǎo)致黃河流域來水量減少，或者影響很小[28]。黃河流域各年代降水量見表6[7]，與20世紀(jì)60年代相比，上游70—90年代降水量分別偏多0.3%，4.1%，16.0%，中游分別偏少10.0%，5.9%，14.85，下游分別偏多5.5%，14.2%，8.8%，90年代降水量偏枯較多，加劇農(nóng)田引水量。20世紀(jì)90年代以來黃河徑流的長期演變剛好處于近300年來一個135年長周期持續(xù)偏枯時段的低谷階段，因此目前還不能過分夸大氣候回暖對徑流減少的影響[29]。位于中游的黃土高原經(jīng)過大量水土流失治理(1999年國家實施“退耕還林草”)，河流徑流量顯著減少?；▓@口站以上取水量增大是形成1968年跳躍點的重要原因，同時降水量減少和兩岸引水量增大(主要是灌溉用水量)已經(jīng)成為影響黃河中下游徑流量急劇減少的主要因素[28]。

圖6 河口鎮(zhèn)、花園口和利津3站歷年實測徑流差值變化情況

截至2002年，黃河干支流已建成大中小型水庫136座(大型水庫18座，中型水庫118座)。其中位于上游上段龍羊峽(1986年建成)、劉家峽水庫(1968年建成)對上游下段的河段具有較好的“蓄余補虧”的調(diào)節(jié)作用，中游的三門峽、小浪底水庫對水沙的調(diào)節(jié)作用也尤為顯著。截至2000年，黃河中上游共有集雨工程250萬余處。至于黃河中游過去50年來，氣候因素影響作用約占來水量減少的43%；人類活動影響作用約占來水量減少的57%，與上游情況相反，人類活動的影響明顯加大[12,30]。黃河流域不同年代引黃耗水量見表6[7]，與60年代相比，70—90年代上中游區(qū)引黃耗水量增加(7.7～36.5)億m3，下游區(qū)間增加顯著達到(50.4～74.4)億m3，全流域引黃耗水量90年代是60年代的1.7倍。水利工程建設(shè)和工農(nóng)業(yè)耗水量的不斷增加致使人類活動對黃河流域徑流的影響越來越強烈，導(dǎo)致徑流量不斷減少。全面而確切地收集影響來水量的各種因子的資料在客觀上尚十分困難[12]，仍需要進一步深入研究。

表6 20世紀(jì)黃河流域各年代降水量和引黃耗水量

注：90年代指1990—1995年。

4 結(jié) 論

(1) 黃河上、中、下游年徑流量整體呈逐年減少趨勢，區(qū)間年徑流量減少的傾向率分別為-20.16億m3/10 a，-30.23億m3/10 a，-16.98億m3/10 a，發(fā)生突變的臨界年份分別為1986年、1990年(1968年)，1976年(2002年、2010年)。受氣候及人類活動的共同作用下，不同年代徑流量差異明顯。近60年內(nèi)，20世紀(jì)60年代徑流量最大，20世紀(jì)80年代最小。

(2) 黃河干流多年實測徑流量變化具有明顯的豐平枯等階段性特征。其中，上游徑流量變化經(jīng)歷了1956—1986年的豐水期和1987—2017年的枯水期；中游徑流量變化經(jīng)歷了1956—1970年的豐水期、1971—1985年的平水期和1986—2017年的枯水期；下游徑流量變化經(jīng)歷了1956—1970年的豐水期、1971—1979年的平水期和1980—2017年的枯水期。

(3) 黃河干流自蘭州站以下各站的徑流量均超出檢驗標(biāo)準(zhǔn)，呈顯著下降趨勢，下降幅度基本沿程增加。年際徑流量臨界年份除了唐乃亥站，其余站點主要集中在1985年、1990年。黃河干流自上而下9個主要控制站不同年代徑流量沿程分布近似相同，表現(xiàn)為先增至花園口站達到最大值隨后下降趨勢，在7個時間段上呈現(xiàn)出逐階段波動下降趨勢，于20世紀(jì)80年代下降幅度達到最大為22%～51%。