劉昌明，王愷文，王 冠，田 巍，于靜潔

(中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

1 引言

黃河是我國(guó)的第二大河,也是華北和西北地區(qū)的重要水源,在國(guó)家發(fā)展大局和社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)全局中具有十分重要的戰(zhàn)略地位[1］。黨的十八大以來(lái),習(xí)近平總書(shū)記多次實(shí)地考察黃河流域生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況,就黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重大意義、巨大成就、突出問(wèn)題、目標(biāo)方向等作出了重要指示批示。2021年10月8日,中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)了《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》,為當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供了綱領(lǐng)性文件,為制定實(shí)施相關(guān)規(guī)劃方案、政策措施和建設(shè)相關(guān)工程項(xiàng)目提供了重要依據(jù)。

《黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》明確指出,黃河流域最大的矛盾是水資源短缺。黃河流域位于我國(guó)北中部,屬大陸性氣候區(qū),多年平均降水量為446 mm,僅為長(zhǎng)江流域的40%；多年平均天然徑流量約為580億m3,不到長(zhǎng)江的7%；地表水資源開(kāi)發(fā)利用率和消耗率高達(dá)86%和71%,遠(yuǎn)超流域水資源承載能力[1］。20世紀(jì)70—90年代,在人類(lèi)無(wú)序用水和氣候變化的疊加影響下,黃河干流出現(xiàn)斷流現(xiàn)象,流域水資源的可再生性和可更新性面臨嚴(yán)峻危機(jī)[2］。自1999年黃河水利委員會(huì)實(shí)施黃河水量統(tǒng)一調(diào)度以來(lái),黃河干流連續(xù)20多a未再出現(xiàn)斷流,流域水資源可再生性和可更新性逐漸恢復(fù)[3］。近年來(lái),隨著生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施、水土保持工作的推進(jìn)、水利基礎(chǔ)設(shè)施的完善等,黃河流域生態(tài)環(huán)境明顯改善,水沙治理成效顯著,水旱災(zāi)害防御能力穩(wěn)步提升,水資源保障能力持續(xù)增強(qiáng)[4-5］。在黃河治理取得顯著成績(jī)的同時(shí),氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的加劇給流域水循環(huán)過(guò)程和水資源帶來(lái)了新的影響和挑戰(zhàn)[6-7］。不斷升高的氣溫,一方面會(huì)加速黃河上游冰川融化和凍土退化,有利于徑流形成,另一方面會(huì)導(dǎo)致蒸散發(fā)量增大,不利于徑流集聚[8-9］。不斷增加的林草植被,一方面可以改善區(qū)域氣候條件,通過(guò)增大降水量促進(jìn)徑流形成,另一方面可以改變區(qū)域水循環(huán)過(guò)程,通過(guò)增大蒸散發(fā)量和土壤水消耗量導(dǎo)致徑流量下降[10-12］。

筆者長(zhǎng)期關(guān)注氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)黃河流域徑流的影響,近年來(lái)圍繞影響黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的缺水問(wèn)題,使用長(zhǎng)期觀測(cè)的干流水文測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)分析和探討[13-15］。為進(jìn)一步分析黃河不同子流域徑流的變化,本文收集1956—2016年黃河流域84個(gè)子流域的氣象和水文資料,回顧黃河流域徑流及其影響因素的變化特征,分析徑流變化的可能原因,探討徑流變化的區(qū)域分異規(guī)律,旨在為研究氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)黃河徑流的影響提供參考。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

河川徑流數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河水利委員會(huì)提供的84個(gè)子流域1956—2016年的逐月還原徑流資料；氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的黃河流域及周邊的125個(gè)國(guó)家氣象站1956—2016年的逐月氣象數(shù)據(jù),包括降水量、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)等。

2.2 趨勢(shì)和突變點(diǎn)分析

本文采用Theil-Sen Median趨勢(shì)分析方法和Mann-Kendall檢驗(yàn)方法進(jìn)行氣象和水文要素的趨勢(shì)分析,通過(guò)Theil-Sen Median趨勢(shì)分析方法計(jì)算序列增加或減少的趨勢(shì),通過(guò)Mann-Kendall檢驗(yàn)計(jì)算Z統(tǒng)計(jì)量,把顯著性水平設(shè)定為0.05,判斷序列變化趨勢(shì)的顯著性；利用非參數(shù)Pettitt檢驗(yàn)方法,識(shí)別徑流序列的突變年份。

2.3 基于Choudhury-Yang流域水熱耦合平衡方程的徑流變化歸因分析

清華大學(xué)楊大文等[16］提出了徑流變化歸因方法,Choudhury-Yang流域水熱耦合平衡方程為

式中:E為多年平均的年實(shí)際蒸散發(fā)量；P為多年平均的年降水量；E0為多年平均的年潛在蒸散發(fā)量,本文采用考慮CO2濃度影響的參考作物蒸散發(fā)公式進(jìn)行計(jì)算[17］；n為反映流域下墊面特征的參數(shù)。

根據(jù)流域多年平均水量平衡方程和Choudhury-Yang方程,得到:

式中:εP、εE0、εn分別為徑流的降水、潛在蒸散發(fā)、下墊面彈性系數(shù),即,三者的表達(dá)式可由式(1)推求。

根據(jù)突變點(diǎn)識(shí)別的結(jié)果,研究時(shí)段可以劃分為兩個(gè)子時(shí)段,兩個(gè)子時(shí)段徑流深之差記為徑流變化量ΔQ。根據(jù)式(2),ΔQ能夠分解為由降水變化(ΔP)、潛在蒸散發(fā)變化(ΔE0)、下墊面變化(Δn)引起的徑流變化3個(gè)部分,即

由降水變化和潛在蒸散發(fā)變化引起的徑流變化之和被近似作為氣候變化引起的徑流變化,由下墊面變化引起的徑流變化被近似作為人類(lèi)活動(dòng)引起的徑流變化；由于流域下墊面的地形和土壤條件相對(duì)穩(wěn)定,因此下墊面變化主要是流域植被條件的變化[16］。

3 主要研究結(jié)果

3.1 徑流及其影響因素的變化趨勢(shì)

1956—2016年黃河流域徑流及其影響因素變化趨勢(shì)的空間分布見(jiàn)圖1。

圖1 1956—2016年黃河流域徑流及其影響因素變化趨勢(shì)的空間分布

由圖1可知,除黃河上游的湟水、黑河等子流域外,其他子流域年徑流普遍下降,其中洮河、渭河、沁河、大汶河等子流域下降明顯。在研究的84個(gè)子流域中,24%的子流域年徑流下降小于-1.5 mm/a,69%的子流域年徑流變化介于-1.5～0 mm/a,7%的子流域年徑流變化介于0～0.5 mm/a(見(jiàn)圖1(a))。約19%的子流域年降水呈增加趨勢(shì),主要分布在黃河源區(qū)和湟水、洮河、黑河、白河等子流域,其余81%的子流域年降水呈下降趨勢(shì),其中汾河、沁河等子流域下降較為明顯(見(jiàn)圖1(b))。除湟水、洮河上游部分子流域氣溫下降外,黃河流域氣溫普遍顯著上升(約90%的子流域),黃河中游氣溫上升最為明顯(見(jiàn)圖1(c))。潛在蒸散發(fā)在黃河上游和中游窟野河等32%的子流域下降,在潼關(guān)以下17%的子流域顯著上升(見(jiàn)圖1(d))。

3.2 徑流突變前后氣象水文要素的統(tǒng)計(jì)特征

黃河流域徑流突變年份和突變前后氣象水文要素的統(tǒng)計(jì)特征見(jiàn)圖2。

圖2 黃河流域徑流突變年份和突變前后氣象水文要素的統(tǒng)計(jì)特征

由圖2(a)可知,黃河大部分子流域徑流突變發(fā)生在1980—2000年。該結(jié)果與已有研究結(jié)果一致,突變年份與20世紀(jì)80—90年代三北防護(hù)林建設(shè)、黃土高原水土流失治理以及改革開(kāi)放后為保證工農(nóng)業(yè)發(fā)展的水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等有重要關(guān)系[16,18］。在突變年份識(shí)別的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步繪制了突變前后徑流及其影響因素的概率密度曲線,計(jì)算了表征數(shù)據(jù)離散程度的變差系數(shù)(CV)和表征數(shù)據(jù)分布對(duì)稱(chēng)性的偏態(tài)系數(shù)(CS),用以分析徑流突變前后氣象水文要素統(tǒng)計(jì)特征的變化。在徑流突變后,年徑流的概率分布變化較大,低徑流年份集中且增多,高徑流年份減少,數(shù)據(jù)離散程度和偏斜程度減弱(見(jiàn)圖2(b))；年降水的概率分布變化較小,平均降水的年份略增,高降水的年份略減,數(shù)據(jù)偏斜程度減弱(見(jiàn)圖2(c))；年均氣溫和潛在蒸散發(fā)的概率分布變化較大,低溫和低潛在蒸散發(fā)年份減少,高溫和高潛在蒸散發(fā)年份增加,數(shù)據(jù)離散程度變化不大,但偏斜程度變化明顯(圖2(d)、(e))?？傊?黃河流域徑流突變后,年徑流概率分布向低徑流方向集中,年降水無(wú)顯著變化,年均氣溫和潛在蒸散發(fā)向高值方向傾斜。

3.3 徑流變化的歸因分析

在本文采用的歸因分析方法中,徑流彈性系數(shù)是衡量徑流對(duì)相關(guān)影響因素變化響應(yīng)敏感性的重要參數(shù)。黃河流域徑流彈性系數(shù)的空間分布見(jiàn)圖3。

圖3表征了1%的降水、潛在蒸散發(fā)、下墊面彈性系數(shù)變化引起的徑流變化百分比。由圖3(a)可知,降水彈性系數(shù)為正數(shù),高值主要分布在黃河中游渭河和汾河流域,這些流域1%的降水增加能夠引起2.8%～4.1%的徑流增加。由圖3(b)、(c)可知,潛在蒸散發(fā)和下墊面彈性系數(shù)均為負(fù)數(shù),且后者小于前者,表明單位下墊面參數(shù)變化能夠引起更多的徑流變化；兩者的低值主要分布在黃河中游的不同子流域,約32%和50%的研究流域1%的潛在蒸散發(fā)、下墊面彈性系數(shù)增加能夠引起大于1.8%的徑流下降。

需要進(jìn)一步說(shuō)明的是,圖3降水彈性系數(shù)大于0,潛在蒸散發(fā)和下墊面彈性系數(shù)小于0的主要原因是Choudhury-Yang方程結(jié)構(gòu)對(duì)彈性系數(shù)進(jìn)行了限定,這種限定能夠保證徑流彈性系數(shù)滿(mǎn)足一般條件下的水文學(xué)規(guī)律,可靠性和適用性強(qiáng),但難免簡(jiǎn)化某些水文現(xiàn)象,如潛在蒸散發(fā)增加引起的冰川凍土融水增加,下墊面改善對(duì)區(qū)域降水的促進(jìn)作用,以及年儲(chǔ)水量持續(xù)消耗導(dǎo)致的多年平均水量平衡方程儲(chǔ)水項(xiàng)不宜忽略等。目前的研究認(rèn)為,上述水文現(xiàn)象的簡(jiǎn)化不會(huì)對(duì)大尺度、多流域比較分析產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,若對(duì)特殊流域進(jìn)行精細(xì)化分析,則提倡進(jìn)一步采用水文模型、陸面模型、區(qū)域氣候模型等技術(shù)手段深入刻畫(huà)流域水文過(guò)程。

圖3 黃河流域徑流彈性系數(shù)的空間分布

不同影響因素對(duì)黃河流域徑流變化貢獻(xiàn)率的空間分布見(jiàn)圖4。由圖4可知,降水和下墊面變化是徑流變化的主導(dǎo)因素,潛在蒸散發(fā)變化的貢獻(xiàn)率相對(duì)較小,歸因分析方法的誤差相對(duì)可控。在湟水、北洛河、汾河等子流域,降水主導(dǎo)了徑流變化(貢獻(xiàn)率大于50%,圖4(a)),在黃河源區(qū)、洮河、黑河、白河和中游的大部分子流域,下墊面主導(dǎo)了徑流變化(貢獻(xiàn)率大于75%,圖4(c)),黃河下游子流域的徑流變化是下墊面、降水和潛在蒸散發(fā)共同作用的結(jié)果。

以河口鎮(zhèn)和桃花峪為界將所有研究子流域劃分為上中下游流域,分別統(tǒng)計(jì)不同影響因素對(duì)流域徑流變化的貢獻(xiàn)率(圖4(e))。對(duì)于黃河上游流域,下墊面平均貢獻(xiàn)率及相應(yīng)95%置信區(qū)間為70%±39%、降水為40%±31%、潛在蒸散發(fā)為-3%±5%；對(duì)于黃河中游流域,下墊面平均貢獻(xiàn)率及相應(yīng)95%置信區(qū)間為70%±13%、降水為35%±9%、潛在蒸散發(fā)為6%±12%；對(duì)于黃河下游流域,下墊面平均貢獻(xiàn)率及相應(yīng)95%置信區(qū)間為45%±19%,降水為36%±18%,潛在蒸散發(fā)為17%±6%?？梢?jiàn),下墊面變化是黃河流域徑流變化的主要原因,降水變化次之,潛在蒸散發(fā)的貢獻(xiàn)較小；下墊面和降水的作用在上游流域較為分散、不確定性大,在中游流域比較突出和集中。

圖4 不同影響因素對(duì)黃河流域徑流變化貢獻(xiàn)率的空間分布

4 結(jié)論

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展是重大國(guó)家戰(zhàn)略,在氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)加劇的背景下,河川徑流發(fā)生了顯著變化,黃河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展面臨重要挑戰(zhàn)。筆者收集了黃河84個(gè)子流域1956—2016年的氣象和水文資料,回顧了黃河流域徑流及其影響因素的變化特征,分析了徑流變化的可能原因,探討了徑流變化的區(qū)域分異規(guī)律,得到了以下主要結(jié)論。

(1)除黃河上游湟水、黑河等部分流域的徑流和降水增加、氣溫下降、潛在蒸散發(fā)減小外,黃河中下游流域徑流和降水普遍減小,氣溫普遍上升、潛在蒸散發(fā)普遍增大。

(2)黃河流域徑流突變主要發(fā)生在1980—2000年,突變后徑流、氣溫、潛在蒸散發(fā)的概率統(tǒng)計(jì)特征變化明顯,年徑流的概率分布向低值方向集中,年均氣溫和潛在蒸散發(fā)向高值方向傾斜,年降水的概率分布無(wú)顯著變化。

(3)黃河中游流域徑流彈性系數(shù)較高,徑流對(duì)各影響因素變化的響應(yīng)相對(duì)敏感。下墊面變化是黃河流域徑流變化的主要原因,降水變化次之,兩者對(duì)上游流域的作用較為分散、不確定性大,對(duì)中游黃土高原流域的作用明顯且突出。潛在蒸散發(fā)對(duì)下游流域徑流變化的貢獻(xiàn)大于對(duì)上游的,但總體貢獻(xiàn)較小。

為推動(dòng)黃河流域成為我國(guó)大江大河流域治理的重要標(biāo)桿、國(guó)家生態(tài)安全的重要屏障和高質(zhì)量發(fā)展的重要區(qū)域,明確黃河流域徑流及其影響因素的演變趨勢(shì),把握氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河川徑流的影響強(qiáng)度,對(duì)保障黃河水資源安全、推動(dòng)流域可持續(xù)發(fā)展有重大意義,應(yīng)作為水文水資源研究和流域管理實(shí)踐長(zhǎng)期關(guān)注和深入探索的重要課題。