楊 旭， 姬廣興， 楊元達(dá)， 王 超

（1.河南省科學(xué)院地理科學(xué)研究所，鄭州 450052 2.智慧中原地理信息技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，鄭州 450052；3.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002； 4.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450046）

近年來，變化環(huán)境下水資源演變機(jī)制分析日益成為研究熱點(diǎn)［1］. 氣候變化和人類活動是致使環(huán)境發(fā)生改變的重要驅(qū)動因素，氣候變化會直接影響流域的降水和氣溫狀況，對水資源演變產(chǎn)生直接影響［2-3］，而人類活動會改變流域的下墊面狀況，影響水資源的演變過程［4］.

黃河中游流域是指黃河頭道拐至花園口水文站這一區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)有號稱“八百里秦川”的陜西關(guān)中平原和“塞上谷倉”的內(nèi)蒙古河套平原，是我國重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地和能源生產(chǎn)基地，對保障國家糧食安全具有重要作用. 近幾十年來，黃河中游徑流量呈現(xiàn)日益減少的趨勢，這對該區(qū)域的生態(tài)安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了嚴(yán)重危害. 因此，全面地分析黃河中游徑流的趨向變化，定量分析氣候因素和人為因素對黃河中游徑流變化的影響程度，對黃河整體的水資源利用和開發(fā)、人類的生活生存環(huán)境保護(hù)以及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展都有重要的意義.

近年來，一些學(xué)者開始定量區(qū)分氣候因素和人類活動對黃河中游徑流變化的影響程度. Chang等［5］分析發(fā)現(xiàn)，人類活動是影響黃河流域徑流變化的主要因素，蘭州站、頭道溝站、花園口站和利津站因人類活動引起的徑流量變化的貢獻(xiàn)比例分別為74.87%、82.2%、80.63%和88.71%. 王國慶等［6］分析得知人類活動導(dǎo)致黃河中游上龍門、華州區(qū)、河津等站點(diǎn)的徑流量變化的貢獻(xiàn)比例都高達(dá)70%以上. Wang等［7］分析發(fā)現(xiàn)，從1950—1980年間人類耗水對黃河流域徑流減少的貢獻(xiàn)率占90%以上，從1970年開始，土地覆被變化成為導(dǎo)致黃河流域徑流減少的主要因素. 馮嘉豪等［8］定量分析了人類活動和降雨變化對黃河中游區(qū)域干流4個(gè)水文站及11條支流徑流變化貢獻(xiàn)率. 寧怡楠等［9］定量分析了人類活動和降雨變化對黃河中游4條支流徑流變化貢獻(xiàn)率. 然而，已有研究多是針對黃河的大尺度研究，較少研究定量計(jì)算氣候因素和人類活動對黃河中游區(qū)間徑流量變化的影響程度，這里所說的黃河中游區(qū)間徑流量是黃河中游段的第一個(gè)水文站和最后一個(gè)水文站之間的徑流量.

本研究首先分析了1961—2016年黃河中游區(qū)間徑流量、降水量和參考蒸發(fā)量的變化趨勢，然后使用累計(jì)距平值方法來識別1961—2016年黃河中游區(qū)間徑流量的突變年份，最后使用累積量斜率變化率方法分別計(jì)算得到氣候因素（降水、參考蒸發(fā)量）及人類活動對黃河中游區(qū)間徑流量變化的貢獻(xiàn)率. 這項(xiàng)工作將有助于更好地理解人與自然對黃河中游水資源演變的相互作用，同時(shí)也為黃河流域的水資源管理提供重要的見解.

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)

黃河中游流域是指黃河頭道拐至花園口水文站這一區(qū)域，位于32°～42°N 和104°～113°E（圖1），該河段總長約1 234.6 km，該區(qū)域總面積約占黃河流域的45.7%. 約有30 條較大支流匯入，徑流量約占全河徑流量的44.3%. 該區(qū)域內(nèi)有號稱“八百里秦川”的陜西關(guān)中平原和“塞上谷倉”的內(nèi)蒙古河套平原，是我國重要的農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)基地和能源生產(chǎn)基地. 小麥產(chǎn)量占全國首位，大豆產(chǎn)量居全國第二位，棉花產(chǎn)量居全國第四位. 農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)需要耗費(fèi)大量的水，而近年來該區(qū)域徑流量日益減小對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和糧食安全帶來了巨大危害［10-11］.

圖1 研究區(qū)位置及水文氣象站點(diǎn)分布Fig.1 The location of the study area and the distribution of hydrometeorological stations

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究所使用的數(shù)據(jù)包括兩部分：

1）1961—2016 年的頭道拐和花園口水文站的年徑流觀測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都來源于黃河水利委員會（http：//www.yrcc.gov.cn/）. 在本研究中，黃河中游徑流量數(shù)據(jù)是通過花園口水文站的年實(shí)測徑流量減去頭道拐水文站的年實(shí)測徑流量數(shù)據(jù)得到.

2）黃河流域的氣候站點(diǎn)數(shù)據(jù)是從中國氣象局（http：//www.cma.gov.cn）獲得的，數(shù)據(jù)集包含了1961—2016年研究區(qū)所有站點(diǎn)每天的氣象數(shù)據(jù). 利用研究區(qū)內(nèi)及周邊82個(gè)氣象站在1961—2016年的年降水量，采用克里格（Kriging）插值，得到黃河中游區(qū)域的年均降水量. 采用公式（1）的Penman-Monteith公式計(jì)算每個(gè)站點(diǎn)在1961—2016年的參考蒸發(fā)量，再利用克里格（Kriging）插值，得到黃河中游區(qū)域的年均參考蒸發(fā)量.

式中：ET0表示參考蒸發(fā)量；Δ 表示飽和水汽壓曲線斜率，kPa·℃-1；Rn表示計(jì)算地點(diǎn)處的凈輻射，MJ/（m2·d）；G表示土壤熱通量，MJ/（m2·d）；γ表示濕度計(jì)常數(shù)，kPa·℃-1；U2表示2 m 高處的風(fēng)速，m/s；T表示平均氣溫，℃；ea和ed分別表示飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓，kPa.

1.3 研究方法

1.3.1 突變檢驗(yàn)方法 累計(jì)距平值方法是應(yīng)用比較廣泛的突變檢驗(yàn)方法［12-15］，本研究采用該方法對黃河中游區(qū)間徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，進(jìn)而判斷其突變年份.

累積距平方法：對于包含了n個(gè)樣本的時(shí)間序列X，其在t時(shí)刻的累計(jì)距平值的運(yùn)算公式為

式中Xˉ為平均值，計(jì)算公式為：

然后通過觀察累計(jì)距平值St與時(shí)刻t的曲線關(guān)系，曲線上的極值點(diǎn)有很大的可能就是突變點(diǎn).

1.3.2 累積量斜率變化率方法 Wang 等［16］在2012年提出了累積量斜率變化率比較法這一新的方法，已經(jīng)被廣泛地用于定量計(jì)算氣候因素和人類活動對徑流變化的影響比例［17-20］.

設(shè)定基準(zhǔn)期a與突變期b的累計(jì)降雨量和年份的擬合方程的斜率分別是SPa和SPb，mm/a. 基準(zhǔn)期a與突變期b的累計(jì)蒸發(fā)量和年份的擬合方程的斜率分別是SEa和SEb，mm/a. 基準(zhǔn)期a與突變期b的累計(jì)徑流和年份的擬合方程的斜率分別是SRa和SRb，108m3/a. 那么降水量對黃河中游區(qū)間徑流量變化的貢獻(xiàn)率CP通過以下方程運(yùn)算能夠得出：

參考蒸發(fā)量對區(qū)間徑流量變化的貢獻(xiàn)率可以通過以下公式計(jì)算得到：

人類活動對區(qū)間徑流量變化的貢獻(xiàn)率CH可以通過以下公式計(jì)算得到：

2 結(jié)果和分析

2.1 區(qū)間徑流量、降水與參考蒸發(fā)量趨勢分析

黃河中游1961—2016年區(qū)間徑流量、降水與參考蒸發(fā)量的變化情況見圖2～4. 通過圖2可以發(fā)現(xiàn)，黃河中游的區(qū)間年徑流量從1961—2016年整體上表現(xiàn)為顯著減少的變化趨勢，斜率大小為-3.341 8×108m3/a.

圖2 黃河中游區(qū)間徑流量變化Fig.2 The interval runoff changes in the middle reaches of the Yellow Rive

從圖3 可以發(fā)現(xiàn)，黃河中游年均降水量從1961—2016 年整體上都表現(xiàn)為波動減少的變化趨勢，斜率大小為-0.930 2 mm/a.

圖3 黃河中游年均降水量變化Fig.3 The annual average precipitation changes in the middle reaches of the Yellow River

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，黃河中游的年均參考蒸發(fā)量從1961—2016 年整體上均呈現(xiàn)出波動增長的變化趨勢，其增加的速率大小是0.038 5 mm/a.

圖4 黃河中游年均參考蒸發(fā)量變化Fig.4 The annual average reference evaporation changes in the middle reaches of the Yellow River

2.2 區(qū)間徑流量突變分析

為了識別黃河中游徑流量在時(shí)間序列中的突變時(shí)間點(diǎn)，本研究采用累計(jì)距平值方法對黃河中游區(qū)間徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖5 所示. 從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，黃河中游區(qū)間徑流量的累積距平值從1961—1985 年呈現(xiàn)出一種增加趨勢，而黃河中游區(qū)間徑流量的累積距平值從1986—2016年呈現(xiàn)出下降的趨勢，表明1985年是黃河中游區(qū)間徑流發(fā)生突變的年份.

圖5 黃河中游區(qū)間徑流量累積距平值Fig.5 The cumulative anomalies of interval runoff in the middle reaches of the Yellow River

2.3 氣候因素和人類活動對區(qū)間徑流變化的貢獻(xiàn)率

根據(jù)黃河中游區(qū)間徑流數(shù)據(jù)的突變分析結(jié)果，將1961—2016年劃分為兩個(gè)時(shí)期：基準(zhǔn)期（1961—1985年）和突變期（1986—2016年），然后分別對年份與不同時(shí)段黃河中游累積區(qū)間徑流量，年份與不同時(shí)段黃河中游累積降水量以及年份與不同時(shí)段黃河中游累積參考蒸發(fā)量進(jìn)行擬合.

年份與不同時(shí)段黃河中游累積區(qū)間徑流量的擬合關(guān)系見圖6，基準(zhǔn)期的擬合方程y=180.59x-353 484，擬合系數(shù)為0.981 9，突變期的擬合方程y=92.697x-178 797，擬合系數(shù)為0.991 7，所有擬合方程的決定系數(shù)都在0.98以上，表明二者之間具有很好的線性函數(shù)關(guān)系.

圖6 黃河中游累積區(qū)間徑流量與年份的關(guān)系Fig.6 The relationship between accumulation interval runoff and year in the middle reaches of the Yellow River

年份與不同時(shí)段黃河中游累積降水量的擬合關(guān)系見圖7，基準(zhǔn)期的擬合方程y=536.57x-106，擬合系數(shù)為0.999 6，突變期的擬合方程y=503.39x-985 608，擬合系數(shù)為0.999 5，所有擬合方程的決定系數(shù)都在0.99以上，表明二者之間具有非常好的線性函數(shù)關(guān)系.

圖7 黃河中游累積降水量與年份的關(guān)系Fig.7 The relationship between accumulation precipitation and year in the middle reaches of the Yellow River

年份與不同時(shí)段黃河中游累積參考蒸發(fā)量的擬合關(guān)系見圖8，基準(zhǔn)期的擬合方程y=990.96x-2×106，擬合系數(shù)為0.999 9，突變期的擬合方程y=982.42x-2×106，擬合系數(shù)為0.991 7，所有擬合公式的決定系數(shù)都在0.99以上，表明二者之間具有極好的線性函數(shù)關(guān)系.

圖8 黃河中游累積參考蒸發(fā)量與年份的關(guān)系Fig.8 The relationship between accumulation reference evaporation and year in the middle reaches of the Yellow River

根據(jù)年份與不同時(shí)段黃河中游累積量的線性函數(shù)，可以求得黃河中游徑流量、降水量和參考蒸發(fā)量的累積值在不同時(shí)期的斜率（表1）. 1961—1985年作為黃河中游河段的基準(zhǔn)期，與基準(zhǔn)期相比，突變期1986—2016年的黃河中游累積區(qū)間徑流量的斜率減少了87.89×108m3，累積降水量的斜率大小減少了33.18 mm，累積蒸發(fā)量的斜率大小減少了8.54 mm.

表1 黃河中游區(qū)間徑流量、降水量和參考蒸發(fā)量的累積值在不同時(shí)期的斜率Tab.1 The slope rate of the cumulative value of interval runoff，precipitation and reference evaporation in the middle reaches of the Yellow River in different periods

為了定量區(qū)分降水量、參考蒸發(fā)量和人類活動對區(qū)間徑流量變化的影響程度，利用公式4、5、6計(jì)算得出降水量、參考蒸發(fā)量和人類活動對基準(zhǔn)期和突變期之間徑流變化量的貢獻(xiàn)率. 通過計(jì)算可知，降水量、蒸發(fā)量和人類活動對兩個(gè)時(shí)期之間黃河中游區(qū)間徑流變化量的貢獻(xiàn)率分別為12.70%、-1.73%和89.07%（表2）.

表2 降水量、參考蒸發(fā)量和人類活動對黃河中游基準(zhǔn)期與突變期之間徑流量變化的貢獻(xiàn)率Tab.2 The contribution rate of precipitation，reference evaporation and human activities to runoff changes between the base period and mutation period in the middle reaches of the Yellow River

3 結(jié)論

本研究首先分析了1961—2016年黃河中游區(qū)間徑流量、降水量和參考蒸發(fā)量的變化情況，然后采取了Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法和累計(jì)距平值方法識別了黃河中游區(qū)間徑流的突變年份，最后利用累積量斜率變化率方法定量計(jì)算得出了氣候因素（降水和參考蒸發(fā)）和人類行為對黃河中游區(qū)間徑流量變化的影響程度，得到的結(jié)果如下：

1）黃河中游流域的年徑流量在1961—2016年間表現(xiàn)為明顯減少.

2）黃河中游的區(qū)間徑流量在1961—2016年間存在1個(gè)突變年份，為1985年.

3）黃河中游區(qū)間徑流量變化主要受到人類活動的影響，其貢獻(xiàn)率接近90%，降水量和參考蒸發(fā)量對黃河中游區(qū)間徑流變化的貢獻(xiàn)率分別為12.70%和-1.73%.