鮑振鑫， 嚴(yán)小林， 王國慶， 關(guān)鐵生， 金君良， 李 淼

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029； 2.水利部應(yīng)對氣候變化研究中心，江蘇 南京，210029； 3.水利部黃土高原水土流失過程與 控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003； 4.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

河川徑流是陸地水循環(huán)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是地表水資源最重要的來源。近幾十年來，以氣溫升高和降水變化為主要特征的氣候變化對流域水循環(huán)過程產(chǎn)生了顯著的影響，進(jìn)而改變了河川徑流的時(shí)空分布特征[1-2]。與此同時(shí)，在強(qiáng)烈的人類活動干擾下，一方面流域的下墊面特征劇烈變化，在一定程度上改變了流域的產(chǎn)匯流過程；另一方面水庫調(diào)蓄、取用水等涉水行為直接擾動了河川徑流的原有規(guī)律[3]。過去幾十年中受自然變化和人類活動的雙重影響，在中國[4-6]、美國[7-8]、歐洲[9]和澳大利亞西南部[10]等地方，很多河流的徑流量發(fā)生了顯著的變化，影響了區(qū)域水資源量。因此科學(xué)識別河川徑流的演變規(guī)律，對于支撐經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展和人類生存具有重要意義。

黃河是中華民族的“母親河”，全長5 464 km，流域面積79.5×104km2。流域內(nèi)人口占全國總?cè)丝诘?.6%，土地和能源資源豐富，是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)。然而黃河流域水資源短缺，河川徑流量僅占全國總量的2.6%，人均和耕地畝均水資源量為全國平均水平的30%和17%。因此研究黃河流域河川徑流的演變規(guī)律尤為重要，并引起了水文學(xué)者的廣泛關(guān)注。例如Fu等[11]分析了1952-1997年黃河干流的蘭州、花園口和利津3個水文站實(shí)測徑流的演變規(guī)律，結(jié)果表明3個站的河川徑流量都呈現(xiàn)出下降趨勢，其中代表上游蘭州站的變化趨勢不顯著，代表中游花園口站和代表下游利津站的變化趨勢顯著。Li等[12]研究了1961-1997年黃河中游無定河徑流量的變化，結(jié)果表明其呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢，1972-1997年的徑流量比1961-1971年的徑流量減少了42%。Zhang等[13]分析了1956-2000年黃土高原10條河流徑流量的變化，結(jié)果顯示其都呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢。Cuo等[14]分析了1956-2009年黃河上游5個代表性水文站徑流變化特征，結(jié)果表明徑流呈現(xiàn)下降趨勢。Gao等[15]分析了1957-2010年黃河中游徑流的變化特征，結(jié)果表明1979-2010年徑流比1957-1978年減少了65%。

以往對黃河上游和中游等典型地區(qū)徑流變化的研究較多，大多數(shù)采用的是2010年以前的水文資料，對整個黃河流域關(guān)注的較少。近十幾年來黃河流域的河川徑流是否有新的變化特征，在空間分布上從上游到下游有何異同，在年內(nèi)分配上從春季到冬季有何差別，這些問題需作進(jìn)一步深入的研究，是本文擬解決的主要問題。

2 研究區(qū)概況與資料來源

黃河是中國第二長河，發(fā)源于巴顏喀拉山脈，流經(jīng)青海、四川等9省區(qū)，于山東省東營市注入渤海，流域概況見圖1。黃河流域位于東經(jīng)96°～119°、北緯32°～42°之間，流域面積79.5×104km2(包括內(nèi)流區(qū)面積4.2×104km2)。河口鎮(zhèn)以上為黃河上游，河口鎮(zhèn)至桃花峪為中游，桃花峪以下為下游。黃河流域地域廣闊，氣候空間差異顯著，年、季變化大。流域大部分地區(qū)年降水量在200～650 mm之間，冬干春旱夏秋多雨，其中6-9月降水量占全年的70%左右。流域蒸發(fā)能力強(qiáng)，年水面蒸發(fā)量達(dá)1 100 mm。黃河流域水資源短缺，多年年平均天然徑流量580×108m3，人均水資源量和耕地畝均水資源量分別僅占全國平均水平的30%和17%。

在黃河干流上選擇唐乃亥、頭道拐、潼關(guān)、花園口和利津5個控制性水文站來反映流域不同區(qū)域的徑流變化特征。唐乃亥位于流域上游，主要反映天然狀態(tài)下源頭區(qū)的徑流特征；頭道拐位于上中游的分界線，主要反映上游的徑流特征；潼關(guān)位于流域中游，主要反映黃土高原區(qū)的徑流特征；花園口位于中下游的分界線，主要反映中游的徑流特征；利津是黃河入海前的最后一個水文站，主要反映下游的徑流特征。5個水文站的年和月尺度的徑流數(shù)據(jù)來自于水利部發(fā)布的《中國水文年鑒》，資料年限為1956-2016。

圖1 黃河流域概況及選取的5個控制性水文站位置

3 研究方法

利用廣泛應(yīng)用于時(shí)間序列趨勢檢驗(yàn)的Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)方法來分析黃河流域徑流變化的顯著性水平。具體的計(jì)算步驟如下：

(1)首先，假設(shè)待分析的徑流序列變化趨勢不顯著(H0)。

(2)其次，建立Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量UFi(見式(1))來檢驗(yàn)H0是否成立。

(1)

使用命令make modules M=./drivers/usb/gadget編譯生成s3c2410_udc.ko和file_storage.ko；然后將其下載到目標(biāo)機(jī)中Linux2.6.30.4/lib/modules/2.6.30.4目錄下，使用insmod s3c2410_udc.ko和insmod g_file_storage.ko file = floppy.img removable分別加載；等待模塊加載完后，重新插拔USB device接口，PC端出現(xiàn)可移動存儲設(shè)備，至此NandFlash模擬U盤成功；然后進(jìn)行格式化，格式為FAT文件系統(tǒng)。

(2)

(3)

式中：xi為樣本容量為n的徑流系列。如果它是服從同一分布的獨(dú)立隨機(jī)變量，則Si的期望值和方差計(jì)算公式為：

(4)

(5)

(3)在某一個顯著性水平α下，查得正態(tài)分布的臨界值Uα/2。如果|UFi|Uα/2，則拒絕原假設(shè)，即徑流變化趨勢顯著。UFi>0表明徑流呈現(xiàn)上升趨勢；UFi<0表明徑流呈現(xiàn)下降趨勢。

Mann-Kendall方法還能夠用來檢驗(yàn)系列的突變點(diǎn)。其計(jì)算方法為，首先逆序排列原始樣本系列，然后按照上述計(jì)算方法計(jì)算新序列的Mann-Kendall檢驗(yàn)值，并對其倒序得到UBi=-UFi,(i=n,n-1，…，2，1)，最后查看UFi和UBi兩條曲線的交點(diǎn)。如果原始系列的變化趨勢顯著，則判定兩條曲線的交點(diǎn)為原始系列的突變點(diǎn)。

4 結(jié)果與分析

4.1 年徑流演變規(guī)律

1956-2016年黃河流域5個控制性水文站實(shí)測年徑流演變特征和M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果見圖2～4，變化趨勢見表1?？傮w上，1956-2016年黃河流域河川徑流呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢?？臻g上，從上游到下游，河川徑流下降幅度越來越大，下降趨勢越來越顯著。時(shí)間上，黃河流域河川徑流的突變點(diǎn)位于20世紀(jì)80年代；20世紀(jì)50、60年代屬于豐水期，河川徑流較多年平均值偏高；隨后在70-90年代受氣候變化和人類活動等因素的影響，徑流持續(xù)下降；在2000年以后徑流減少趨勢變緩并有所回升。這主要受近十幾年來黃河流域降水開始回升，以及國家實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理制度，嚴(yán)格控制用水總量等因素的影響[16]。

黃河流域源頭區(qū)年徑流變化趨勢不顯著，代表水文站唐乃亥站年徑流下降速率僅為1.07 m3/(s·a)，M-K檢驗(yàn)值為-0.95，下降趨勢不顯著；年徑流先增大后減少，1980-2000年多年平均徑流量比1956-1979年增加1.79%，2001-2016年多年平均徑流量比1956-1979年減少8.23%。整個上游區(qū)年徑流量顯著下降，代表水文站頭道拐站年徑流量下降速率為7.09 m3/s/年，M-K檢驗(yàn)值為-3.70，下降趨勢超過1%的顯著性水平；1980-2000和2001-2016年多年平均徑流量分別比1956-1979年減少21.49%和33.50%。唐乃亥水文站以上是黃河流域的源頭區(qū)，人煙稀少，徑流量的年際和年代際變化主要受降水和冰川融雪的影響，人類活動的影響較小，徑流量變化趨勢不顯著。從唐乃亥到頭道拐水文站區(qū)間，分布著寧蒙河套平原等重要的糧食產(chǎn)區(qū)，徑流量受河道取用水影響程度大，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，徑流量呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢。

黃河中游區(qū)年徑流量顯著下降，代表水文站潼關(guān)站和花園口站年徑流量下降速率分別為15.06 m3/(s·a)和15.39 m3/(s·a)，M-K檢驗(yàn)值分別為-5.19和-5.13，下降趨勢超過1%的顯著性水平；潼關(guān)站1980-2000和2001-2016年多年平均徑流分別比1956-1979年減少24.31%和41.83%；花園口站1980-2000和2001-2016年多年平均徑流分別比1956-1979年減少26.68%和41.57%。黃河中游徑流量變化影響因素較多，成因十分復(fù)雜；一是受上游來水減少的影響；二是受近幾十年中游降水減少的影響；三是中游修建了大量的梯田、淤地壩等水土保持設(shè)施，攔蓄了部分水量；四是中游植被覆蓋增加，導(dǎo)致蒸散發(fā)和蓄水能力增強(qiáng)，徑流量減少；五是隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的河道取水增加，導(dǎo)致徑流量減少。

黃河下游區(qū)年徑流量顯著下降，代表水文站利津站年徑流下降速率高達(dá)21.04 m3/(s·a)，M-K檢驗(yàn)值為-5.61，下降趨勢超過1%的顯著性水平；1980-2000和2001-2016年多年平均徑流分別比1956-1979年減少50.07%和59.67%。黃河下游匯水區(qū)極小，來水主要受小浪底出庫徑流調(diào)節(jié)，同時(shí)為了滿足沿岸河南與山東經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，河道取水量較大，徑流量下降程度最大。

根據(jù)年徑流量的突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果，分析突變點(diǎn)前后年徑流量的變化。結(jié)果表明唐乃亥、頭道拐、潼關(guān)、花園口和利津5個控制性水文站突變點(diǎn)之后的年平均徑流量分別比突變點(diǎn)之前減少了14.3%、33.2%、37.6%、40.8%、54.4%。從上游到下游，黃河徑流量減少幅度越來越大，徑流量變化的突變點(diǎn)越來越提前。

圖2 黃河流域主要控制站實(shí)測年徑流量演變規(guī)律

4.2 月徑流演變規(guī)律

圖3 黃河流域主要控制站實(shí)測年徑流量多年平均變化特征

唐乃亥頭道拐潼關(guān)花園口利津-1.07-7.09-15.06-15.39-21.04

圖4 黃河流域主要控制站實(shí)測年徑流量M-K趨勢和突變檢驗(yàn)結(jié)果

在黃河源頭區(qū)的唐乃亥水文站，由于人類活動影響較小，突變點(diǎn)前后月徑流量占年徑流量的比例變化較小。例如在枯水期的3月份，月徑流量比例從2.82%增加為3.11%；在豐水期的7月份，月徑流量比例從17.09%增加為17.81%。但是反映整個上游水文特征的頭道拐水文站的月徑流量占年徑流量的比例變化較大，總體呈現(xiàn)出枯增豐減的特征。例如在枯水期的3月份，月徑流量比例從6.72%增加為12.76%；在豐水期的8月份，月徑流量比例從15.02%減少為12.36%。這主要是受上游龍羊峽、劉家峽等水庫削峰增枯調(diào)蓄作用的影響。

在反映黃河中游的潼關(guān)和花園口水文站，突變點(diǎn)前后的月徑流量占年徑流量的比例變化較大，總體呈枯增豐減的特征。例如在花園口水文站枯水期的3月份，月徑流量比例從5.96%增加為9.02%；在豐水期的9月份，月徑流量比例從16.25%減少為10.43%。這主要是受中游萬家寨、小浪底等水庫削峰增枯調(diào)蓄作用的影響，以及流域內(nèi)植被覆蓋度增加導(dǎo)致調(diào)蓄作用增強(qiáng)的影響。

在反映黃河下游的利津水文站，突變點(diǎn)前后的月徑流量占年徑流量的比例變化大，總體呈冬季(12 -次年1月)和夏季(6 -8月)增加，春季(3 -5月)和秋季(9 -11月)減少的特征。例如在利津水文站1月徑流量比例從3.11%增加為4.89%；4月徑流量比例從5.54%減少為2.94%；7月徑流量比例從11.58%增加為13.39%；10月徑流量比例從14.78%減少為13.42%。下游月徑流量的變化主要受中游水庫汛前放水、汛末蓄水等年內(nèi)調(diào)蓄，以及下游河道春季取用水灌溉等多種因素的影響。

5個水文站的實(shí)測月徑流量趨勢M-K檢驗(yàn)結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，在源頭區(qū)的唐乃亥水文站，12個月中有4個月的徑流量增加，8個月的徑流量減少，但是變化趨勢都不顯著，其主要受自然因素波動影響，人類活動干擾較少。在上游區(qū)的頭道拐水文站，除了2月和3月的徑流量增加，其余10個月的徑流量減少，其中有6個月的徑流量呈顯著的下降趨勢，達(dá)到了5%的顯著性水平，這主要受上游水庫年內(nèi)調(diào)蓄和人為取水影響。中游潼關(guān)水文站的12個月徑流量都呈現(xiàn)出下降趨勢，其中有8個月達(dá)到了5%的顯著性水平。在花園口水文站，除了2月和6月的徑流量增加，其余10個月的徑流量減少，其中有7個月達(dá)到了5%的顯著性水平。下游利津水文站的12個月徑流量都呈現(xiàn)出下降趨勢，除了6月份其余11個月的下降趨勢達(dá)到了5%的顯著性水平，主要受小浪底水庫出庫徑流量控制和下游取用水影響。

圖5 黃河流域主要控制站實(shí)測月徑流量占年徑流量比例變化特征

圖6 黃河流域主要控制站實(shí)測月徑流量M-K趨勢檢驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

基于黃河干流上、中、下游不同位置的代表性水文站實(shí)測徑流量，利用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)方法分析了1956-2016年期間黃河流域年、月徑流量的歷史演變規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)1956-2016年除了源頭區(qū)年徑流量在均值附近波動變化趨勢不顯著以外，黃河流域河川徑流量呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢，從上游到下游，河川徑流量下降幅度越來越大，下降趨勢越來越顯著，達(dá)到了1%的顯著性水平。1980-2000和2001-2016年的多年平均入海徑流量分別比1956-1979年減少了50.07%和59.67%。

(2)黃河流域的河川徑流量演變呈現(xiàn)出較為明顯的3階段特征，20世紀(jì)50、60年代屬于豐水期，河川徑流量較多年平均值偏高；隨后在70-90年代受氣候變化和人類活動等因素的影響，徑流量持續(xù)下降；在2000年以后徑流量減少趨勢變緩并有所回升。

(3)黃河流域源頭區(qū)的徑流量年內(nèi)分配變化不大；上游和中游地區(qū)的枯水期月徑流量占年徑流量的比例增大，豐水期月徑流量占年徑流量的比例減少；下游地區(qū)冬季和夏季徑流量占年徑流量的比例增加，春季和秋季徑流量占年徑流量的比例減少。除了源頭區(qū)以外，黃河流域的月徑流量總體呈現(xiàn)減少趨勢，大部分月份達(dá)到了1%的顯著性水平。

黃河源頭區(qū)人煙稀少，徑流量的年際和年代際變化主要受降水和冰川融雪的影響，人類活動的影響較小，徑流量變化趨勢不顯著。上游區(qū)下段徑流量受河道取用水影響程度大，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，徑流量呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢。黃河中游徑流量變化影響因素較多，成因十分復(fù)雜，一是受上游來水減少的影響；二是受近幾十年中游降水減少的影響；三是中游修建了大量的梯田、淤地壩等水土保持設(shè)施，攔蓄了部分水量；四是中游植被覆蓋增加，導(dǎo)致蒸散發(fā)和蓄水能力增強(qiáng)，徑流量減少；五是隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的河道取水增加，導(dǎo)致徑流量減少。黃河下游匯水區(qū)極小，來水主要受小浪底出庫徑流量調(diào)節(jié)，同時(shí)河道取水量較大，徑流量下降程度最大。

河川徑流量變化受到氣候變化、下墊面變化、水庫調(diào)蓄、取用水等多種因素的影響和制約，每個因子的變化如何引起河川徑流量的變化，其在徑流量演變中起了多大的作用，將在后續(xù)的研究工作中進(jìn)一步深入分析。