1956-2017年黄河干流径流量时空变化新特征

李 勃, 穆兴民,2, 高 鹏,2, 赵广举,2, 孙文义,2

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所 黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院 水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100)

缺水问题将严重制约21世纪经济和社会发展，并可能导致国家间的冲突。受气候变化和人类活动的共同影响，全球许多河流的径流量发生了明显地改变，严重威胁着区域的水资源状况[1]。Mcmahon等[2]分析了全球1 221条河流的至少10 a的年及月径流量，指出全球平均径流及储存层水量变化显著，尤其是南非洲及澳大利亚变化最为剧烈。Milly等[3]、Pachauri[4]运用12个气候模型模拟显示，截至2050年，全球年平均径流量在高纬度地区预计将增加10%～40%，中纬度地区的一些干旱地区将降低10%～30%。Milliman等[5]研究指出20世纪后期，由于人类活动的影响，全球大部分中纬度河流径流量减少了60%。

黄河是世界上著名的含沙量高的大型河流，是我国第二条大河，世界第五大长河，作为中国西北和华北的重要水源，被喻为沿黄地区的生命线[6-7]。在流域内人类活动频繁和全球气候变暖的背景影响下，特别是近20多年内退耕还林及河道整治工程效果显著，各大江大河径流泥沙发生显著变化。Mu等[8]研究指出黄河也是受人类活动影响剧烈导致径流急剧改变的河流之一。1972—1998年的27 a中，黄河有21 a下游出现断流，累计断流1 050 d[9]。在20世纪90年代，黄河下游频繁断流，且断流历时在延长，断流河段也在不断向河源区延伸[10-12]。关于黄河径流变化特征已有大量研究[13-17]，主要涉及到土地利用变化对径流的影响、人类活动对径流的影响、下游断流的径流序列分析等方面，且诸多研究集中在某一河段或区域[18-20]。然而，对于整个黄河流域径流量的综合性分析不够，难以系统深入认识全河径流时空变化的新特征。鉴于此，本文收集黄河干流9个主要控制站点60余年的实测径流序列资料，从整个流域尺度集成分析黄河径流量演变规律，以期全面认识黄河径流新变化，为区域水资源规划、水土保持措施优化配置等方面提供科学参考。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

黄河发源地有3处，北源发源于青海省青藏高原的巴颜喀拉山脉支脉查哈西拉山南麓的扎曲，南源发源于巴颜喀拉山支脉各姿各雅山北麓的卡日曲，西源发源于星宿海西的约古宗列曲。自西向东流经9省(区)，横跨中国青藏高原、内蒙古高原、黄土高原、华北平原，以及干旱、半干旱、半湿润区，于山东省东营市垦利区黄河口镇流入渤海，全长5 500 km，流域面积75万多km2[21]。黄河上游年径流量占全河的54%，但其年来沙量只占全河年来沙量的8%。中游地区主要包括河龙区间的支流和泾洛渭汾等河流，其入黄泥沙量、输沙量占全河的90%以上，特别是河龙区间产流量不足全流域的14%，但输沙量占60%以上[22-23]。

图1 研究区地理位置及水文站点分布

根据黄河流域不同区域的特点、干流水文站的分布情况以及数据的完整性，本文选择黄河流域干流的唐乃亥、兰州、河口镇、龙门、潼关、花园口、高村、艾山和利津9个代表水文站1956—2017年观测数据(图1)，研究黄河上游、中游和下游3个区间径流量变化特征。本文将河口镇水文站实测径流量作为黄河干流上游的来水量，将河口镇至花园口站区间径流量作为中游来水量，将花园口以下径流量作为下游来水量，即上游径流量用河口镇的径流量表示，中游径流量由花园口站与河口镇站径流量之差表示，而下游径流量则用利津站与花园口站径流量之差表示[18]。数据下载自中国科学院水利部水土保持研究所“地球科学数据共享平台(www.geodata.cn)—黄土高原数据共享运行服务中心”。所选代表水文站的基本情况见表1。

表1 黄河干流主要代表水文控制站基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 径流年际变化趋势检验方法 采用Mann-Kendall检验法(M-K法)分析径流量的年际变化趋势。M-K法是当前在气象水文中广泛使用的一种非参数统计检验的方法[14]。该方法不要求数据样本遵从一定的分布，用数据序列的秩序来对两个变量的相关程度进行判断，少量的异常值对其结果不会造成干扰，是十分有效的一种趋势检测方法。M-K方法检验的统计量Z值如果为正，表示序列呈增加趋势，为负则呈减小趋势。检验临界值分别为显著性水平0.05时为±1.96，显著性水平0.01时为±2.58[24-25]。

1.2.2 径流年际突变临界点分析 Pettitt突变检验是1979年建立的一种非参数检验方法，主要是依据长时间序列趋势性的变化，通过检验时间序列要素均值变化的确切时间来确定跃变变化的确切时间[26]。

1.2.3 径流量年际阶段性分析 采用“距平累积法”判别径流量年际变化的阶段性特征，该法先计算每年的径流量距平，然后按年序累加，得到距平累积序列[27]。即

(1)

2 结果与分析

2.1 黄河上中下游不同区间入黄径流量时间变化特征

2.1.1 黄河上中下游年际径流量变化的趋势性及突变性 黄河各区间年汇入黄河的径流量整体呈逐年减少趋势。黄河干流上、中、下游年径流量随时间变化过程及其滑动平均如图2A，C，E所示。分析表明：年径流量的5年滑动平均曲线均呈下降趋势。上、中、下游年径流量M-K检验统计量为负且均达到0.01极显著水平，尤以中游最为显著(表2)。线性拟合显示上、中、下游区间年径流量减少率分别为-20.16亿m3/10 a，-30.23亿m3/10 a，-16.98亿m3/10 a。

黄河各区间年汇入黄河的径流量年际过程也具有突变特点。不同区间年径流量发生趋势性跃变的临界年份如图2B，D，F所示。分析表明：在99%信度水平下，上、中、下游径流量的统计检验指标分别为1986年、1990年、1976年出现最低点并超出临界水平线，为突变年份。再以突变点为界，将序列划分为前后两个序列，分别对其进行检验，结果显示中游在1968年发生二次突变，下游在2002年、2010年分别发生二次突变，而上游区间仅存在上述一个突变点。

2.1.2 黄河上中下游径流量代际间变化特征 黄河干流上、中及下游径流量年代差异明显，且自20世纪80年代以来呈下降趋势。黄河干流上、中、下游不同年代水文要素特征值见表3。上中下游多年平均径流量分别为205.29亿m3，147.28亿m3，-80.51亿m3，上中游不同年代最大平均径流量均出现在20世纪60年代，21世纪初最小，仅分别占20世纪60年代的54%，36%，而下游区间径流量均为负值。20世纪60年代以来，黄河上中下游代际径流量出现波动下降趋势，且下游区间流量始终处于负值水平，表示经由中游流经下游的径流量显著减少，仅在20世纪50—60年代出现部分正值。

表2 黄河上中下游径流量变化趋势检验

注：**表示达到0.01显著性水平。

分析各年代径流量变差系数，上中下游区间变动范围分别为0.18～0.36，0.28～0.50，-0.11～-12.74，变差系数(Cv)最大值均发生在20世纪60年代，其中，下游区间年际径流量变化波动最更剧烈，Cv最大值达到-12.74。进入21世纪以来，黄河中游径流量年际变化较上下游更为剧烈。

2.1.3 黄河上中下游径流量年际变化的阶段性分析 黄河上中下游径流量变化具有显著的丰平枯等阶段性特征。不同区间径流量距平累积曲线见图3，分析可将黄河上中下游径流量变化过程可划分为丰水期、平水期和枯水期3个阶段。上游径流量累积距平值在1985年前后表现出先增后减的趋势，年径流量枯水期较丰水期减少35%。中游径流量距平值在1970年、1985年前后表现为明显的丰水期—平水期—枯水期阶段，1956—1970年丰水期年段(累积斜率变化为92.59亿m3/a)，1971—1985年为平水期年段(累积斜率变化为12.38亿m3/a)，1986—2017年为枯水期年段(累积斜率变化为-54.45亿m3/a)。下游年径流量距平累积表现丰水期—平水期—枯水期，1956—1970年丰水期年段(累积斜率变化为73.45亿m3/a)，1971—1979年平水期年段(累积斜率变化为-0.03亿m3/a)，1980—2002年强枯水期年段(累积斜率变化为-41.79亿m3/a)，2003—2017年弱枯水期(累积斜率变化为-11.91亿m3/a)。

上、中、下游各阶段径流量统计特征见表4。分析得出不同阶段黄河上中下游径流量差异较大，丰水年极值比枯水年大，说明在丰水年期间流域年径流量变化幅度更大。中游径流量最后一个枯水期的变差系数为0.40，明显高于上下游径流量的变差系数0.28，-0.25，表明最后一个枯水期黄河中游径流量变化相对上下游变化剧烈。20世纪70年代中下游枯水期的开始时间与流域内大规模水保措施的实施相对应，特别是21世纪以来大规模植被恢复，入黄径流泥沙显著减少。

图2 黄河上中下游多年平均径流量年际过程线

表3 黄河干流上中下游不同年代区间来水量特征分析

注：—代表未发现，下表同。

图3 黄河上中下游年径流量距平累积变化

2.2 黄河干流径流量时空分布基本特点

2.2.1 黄河干流各站年径流量趋势性特征及突变年份 黄河干流各站(唐乃亥站除外)年径流量整体表现为趋势性减少并出现突变年份。黄河干流9个断面水文站的多年实测径流量变化趋势和突变性检验见表5。唐乃亥站年径流量没有显著的增加或减小的趋势，而其余8个站径流量的秩次相关系数均为负值，表现出显著减小趋势。黄河干流除唐乃亥站外各站径流量的秩次相关系数均为负值，而且自河口镇及其以下各站都通过了0.01的极显著性检验，说明兰州及以下各站的年径流量均呈现下降趋势。上游3站及龙门站年径流量降低速度小于3.0亿m3/a，中游潼关站、花园口站及下游3站年径流量降低速度均介于(4.0～7.0)亿m3/a，整体而言，自上游至下游各站径流量降低速度逐渐增大。除唐乃亥站没有出现明显的突变年，其余各站发生突变的年份主要集中在1985年、1990年。

表4 黄河上中下游径流量阶段性特征

表5 黄河干流主要控制水文站径流量变化趋势

注：显著性水平为0.1时，统计检验临界值为±1.96；显著性水平为0.05时，统计检验临界值为±1.96；显著性水平为0.01时，统计检验临界值为±2.58。

2.2.2 黄河干流各站不同年代径流量时空分布特征 黄河干流各站不同年代同多年径流量沿程分布特征大致相似，且整体呈现出逐年代波动递减趋势。黄河干流径流量主要来自于上游区域，表现在唐乃亥、兰州和河口镇站多年平均径流量占利津站的比例较高。从各站多年平均径流量来看(图4)，黄河上游3站和龙门站的数值较小，多年平均值处于(200～300)亿m3的水平；中游潼关站、花园口站和下游各站数值较高，多年平均值达到(300～400)亿m3。近10 a平均值(Q10)较多年平均值(Q)降低，除了唐乃亥站和兰州站近10 a平均值降低不大外(为多年平均值的96%)，河口镇站及其以下各站的降低幅度均较大，为多年平均值的54%～81%，下降幅度最大的为利津站，较多年平均减少46%。黄河干流自上而下9个主要控制站不同年代径流量沿程分布近似相同(图5)，表现为先增加至花园口站达到最大值随后下降趋势，在7个时间段上呈现出逐阶段波动下降趋势。其中上游3站径流量代际间差异稳定，而中下游各站径流量代际差异逐渐明显，尤其是下游3站下降趋势更为突出，各站于20世纪80年代下降幅度达到最大为22%～51%，这主要是流域引水量的增加和水土保持措施发挥效益引起的。

图4 各站多年平均和近10年平均径流量

河口镇、花园口和利津站3站历年实测径流量差值逐年代呈不同程度的下降趋势(图6)。自20世纪60年代开始，河口镇和花园口来水量的实测差值越来越小，尤其是1995年以后，两站差由60年代的246.2亿m3减为86.8亿m3，减少约65%。花园口站和利津站来水量的实测差值越来越大，尤其是20世纪90年代达到差值最大为-126.5亿m3，之后两站差逐渐减少至-96.6亿m3，减少约24%。年径流量的这种时空变化，一方面反映出黄河水量主要来源于上游，另一方面反映出黄河愈向下游水量下降幅度愈大。

图5 不同年代各站多年平均径流量沿程变化

3 讨 论

气候变化是影响河流水沙变化的自然因素，其中降水量、降水强度和降水时间以及气温的变化将直接影响天然径流量；引起黄河来水量变化的人类活动主要包括水利工程建设、水土保持措施建设以及河道两岸引水引沙等。上游人类活动影响较少的地区出现了径流量减少的趋势，主要是气候变化的影响，其比重约占75%，人类活动影响作用仅占25%[10,12]。研究表明气温升高没有直接导致黄河流域来水量减少，或者影响很小[28]。黄河流域各年代降水量见表6[7]，与20世纪60年代相比，上游70—90年代降水量分别偏多0.3%，4.1%，16.0%，中游分别偏少10.0%，5.9%，14.85，下游分别偏多5.5%，14.2%，8.8%，90年代降水量偏枯较多，加剧农田引水量。20世纪90年代以来黄河径流的长期演变刚好处于近300年来一个135年长周期持续偏枯时段的低谷阶段，因此目前还不能过分夸大气候回暖对径流减少的影响[29]。位于中游的黄土高原经过大量水土流失治理(1999年国家实施“退耕还林草”)，河流径流量显著减少。花园口站以上取水量增大是形成1968年跳跃点的重要原因，同时降水量减少和两岸引水量增大(主要是灌溉用水量)已经成为影响黄河中下游径流量急剧减少的主要因素[28]。

图6 河口镇、花园口和利津3站历年实测径流差值变化情况

截至2002年，黄河干支流已建成大中小型水库136座(大型水库18座，中型水库118座)。其中位于上游上段龙羊峡(1986年建成)、刘家峡水库(1968年建成)对上游下段的河段具有较好的“蓄余补亏”的调节作用，中游的三门峡、小浪底水库对水沙的调节作用也尤为显著。截至2000年，黄河中上游共有集雨工程250万余处。至于黄河中游过去50年来，气候因素影响作用约占来水量减少的43%；人类活动影响作用约占来水量减少的57%，与上游情况相反，人类活动的影响明显加大[12,30]。黄河流域不同年代引黄耗水量见表6[7]，与60年代相比，70—90年代上中游区引黄耗水量增加(7.7～36.5)亿m3，下游区间增加显著达到(50.4～74.4)亿m3，全流域引黄耗水量90年代是60年代的1.7倍。水利工程建设和工农业耗水量的不断增加致使人类活动对黄河流域径流的影响越来越强烈，导致径流量不断减少。全面而确切地收集影响来水量的各种因子的资料在客观上尚十分困难[12]，仍需要进一步深入研究。

表6 20世纪黄河流域各年代降水量和引黄耗水量

注：90年代指1990—1995年。

4 结 论

(1) 黄河上、中、下游年径流量整体呈逐年减少趋势，区间年径流量减少的倾向率分别为-20.16亿m3/10 a，-30.23亿m3/10 a，-16.98亿m3/10 a，发生突变的临界年份分别为1986年、1990年(1968年)，1976年(2002年、2010年)。受气候及人类活动的共同作用下，不同年代径流量差异明显。近60年内，20世纪60年代径流量最大，20世纪80年代最小。

(2) 黄河干流多年实测径流量变化具有明显的丰平枯等阶段性特征。其中，上游径流量变化经历了1956—1986年的丰水期和1987—2017年的枯水期；中游径流量变化经历了1956—1970年的丰水期、1971—1985年的平水期和1986—2017年的枯水期；下游径流量变化经历了1956—1970年的丰水期、1971—1979年的平水期和1980—2017年的枯水期。

(3) 黄河干流自兰州站以下各站的径流量均超出检验标准，呈显著下降趋势，下降幅度基本沿程增加。年际径流量临界年份除了唐乃亥站，其余站点主要集中在1985年、1990年。黄河干流自上而下9个主要控制站不同年代径流量沿程分布近似相同，表现为先增至花园口站达到最大值随后下降趋势，在7个时间段上呈现出逐阶段波动下降趋势，于20世纪80年代下降幅度达到最大为22%～51%。