河南省主要流域径流量变化及其对降水变化的响应

栗士棋，刘 颖，杜付然，李柯星，程芳芳，王国庆

(1.郑州大学水利科学与工程学院，郑州 450001；2.水利部应对气候变化研究中心，南京 210029；3.南京水利科学研究院，南京 210029; 4.河南省水文水资源局，郑州 450003；5.郑州市气象局，郑州 450048)

IPCC第五次报告表明[1]，近130年全球平均气温升高0.85 ℃，20世纪90年代为工业革命以来最热的10年，气候变暖已经成为全球最重要的环境问题之一。全球升温背景下，河川径流作为区域生态环境和支撑社会经济的重要因素，其时空分布发生改变，直接影响水资源管理实践，进而威胁区域和国家水安全[2]。相关研究表明[3-4]，近60年(1956—2018年)除长江流域之外，中国其余的6条主要江河实测径流量均呈下降趋势。其中，海河流域减少幅度最大[5]，与1980年前相比减少约为85%；黄河支流径流深自1970年后显著减少，头道拐—龙门区间径流占比由2000年以前的31.0%下降为23.5%[6]。全国河川径流不同程度的下降，对区域工农业发展、流域生态保护与高质量发展乃至社会经济稳定发展提出严峻挑战[7-8]。在此基础上，王国庆[9]、张利茹[10]、卢明龙[11]、涂钢[12]、梁钰[13]等分别选取我国六大流域中的单个典型流域，具体分析了降水—径流的响应变化关系。区域内主要流域径流演变规律及其与环境要素关系的研究对我国水资源开发利用具有重要意义[14-16]。

河南省是中国重要的粮食基地，地处暖温带—亚热带过渡区，水资源严重匮乏，人均水资源量376 m3，约占全国水平的5.8%。省内海河、黄河、长江、淮河四大流域交汇，分别占据省内面积的9.3%、21.8%、16.8%、52.1%。分析环境变化下河南省主要流域径流量变化及其对环境要素的响应，对河南省水资源管理者科学应对全球升温，深入认识人类活动对区域水文影响等方面具有积极意义[17]。本文以河南省四大主要流域为研究对象，系统分析了40年来气温、降水及实测径流量的变化趋势，以此为基础，进一步研究了气候变化背景下河南省河川径流变化与降水变化的响应关系。

1 资料与方法

1.1 基本资料

考虑水文站控制面积及数据序列长度等因素，在河南省海河区、黄河区、长江区、淮河区选取6个水文站(图1)，在全省范围内及其周边选取179个气象站点，收集整理了1973-2016年实测气温、降水及径流量资料。

图1 河南省主要流域河流水系及重点水文站地理位置分布

1.2 研究方法

采用线性回归法与Mann-Kendall非参数趋势检验法，对区域水文趋势变化进行判别并检验其显著性。线性回归法可以较为直观地看出时间序列是否具有递增或递减的趋势，其方程斜率可以表征时间序列的平均趋势变化情况[18]。Mann-Kendall(简称M-K)方法中变量可以不遵从正态分布，对于某一时间序列，能够区分其是自然波动还是存在确定变化趋势。通过数据序列本身及其次序构造统计量M-K秩次相关系数。首先假定序列无趋势，当统计量M-K值介于给定显著水平α(一般取0.05)的临界值±1.96之间时，接受原假设，表明趋势不显著；反之，拒绝原假设，则趋势显著。目前，该方法被广泛应用于水文、气象序列的变化趋势检测中[19-22]。

当水文序列出现持续性变异后，可将变异前后的序列视为不同类群[23]，这种变异一般是由人为或自然原因引起的。目前，有序聚类法推求变异点较为常用，其基本原理是同类之间的离差平方和较小，不同类之间的离差平方和较大，其实质是寻找最优分割点。首先假定系列变异点，计算变异点前后不同系列离差平方和，以离差平方和最小为目标函数，推求最优变异点[24-25]。

2 结果与讨论

2.1 河南省1973-2016年气温、降水演变

降水是径流的主要来源。全球气温的普遍升高，直接影响降水的时空分布及数量，进而影响区域水文循环，因而气温变化分析对正确把握降水径流关系至关重要。本文采用Mann-Kendall法和线性回归法，对河南省年平均气温、年降水量演变趋势进行分析。图2为河南省1973-2016年年平均气温和年降水量线性变化趋势空间分布。图3为1973-2016年河南省海河区、黄河区、长江区、淮河区年平均年降水量演变。

图2 河南省1973-2016年年均气温(a)、降水(b)线性变化率

图3 河南省1973-2016年四大流域区降水量年际变化

河南省1973-2016年气温平均线性变化率为0.31 ℃/a，四大主要流域气温变化趋势一致，呈升高态势，多数站点每年升温幅度为0.2～0.7 ℃，只有少数站点升温低于0.2 ℃。线性回归和M-K分析结果表明：①从年际变化来看，河南省年均气温呈波动升高态势，20世纪80年代中期气温偏低，进入90年代气温以偏高为主；M-K检测值为5.1，超过5%显著性水平。②海河区升温幅度较大，多数站点升温幅度介于0.2～0.7 ℃/a，且不存在升温低于0.2 ℃/a的站点；M-K检测值为5.2，超过5%显著性水平。③黄河区站点升温幅度主要介于0.2～0.4 ℃/a，上游升温幅度较高；M-K检测值为5.03，超过0.05的显著性水平检验。④长江区站点升温幅度适中，每年升温幅度介于0.2～0.4 ℃/a，仅有一个站点升温幅度大于0.4 ℃/a；M-K检测值为4.62，超过0.05的显著性水平检验。⑤淮河区各站升温差异较大，西部站点升温幅度较小，北部站点升温幅度较大；M-K检测值为5.12，超过0.05的显著性水平检验。

河南省1973-2016年降水平均线性变化率为0.35 mm/a。四大流域中，海河区、黄河区、长江区年降水量呈下降趋势，其年降水线性变化率分别为-0.11 mm/a、-0.2 mm/a、-0.61 mm/a；淮河区年降水量有增加趋势，线性变化率为0.862 mm/a。线性回归和M-K分析结果表明：①河南省年平均降水量呈自然波动—增加—减少态势，20世纪末21世纪初降水量较大，近5年略有回升；M-K检测值为0.132，上升趋势不显著。②海河区年降水量呈自然波动—增加—减少态势，20世纪80年代中期到21世纪初偏多偏少年交替出现，近5年降水量略有回升；降水集中在东南部；M-K检测值为-0.11，年降水量呈不显著下降趋势。③黄河区降水量以自然波动为主，80年代后呈缓慢减少态势，在90年代末降水丰枯年交替出现；下游降水量大于上游的；M-K检测值为-0.33，下降趋势不显著。④长江区年降水量总体表现为偏多偏少年交替出现；除东北部降水略有增加，流域内大部站点降水呈下降趋势；M-K检测值为-0.56，下降趋势不显著。⑤淮河区年降水量呈五阶段波动(减少—增加—减少—增加—减少)态势，两次增加分别发生在20世纪80年代中期和21世纪初；流域内自北向南站点年降水呈减少—增加—减少趋势；M-K检测值为0.314，上升趋势不显著。

2.2 四大流域重点水文站1973-2016年实测径流量演变

河川径流是水资源的重要形式。近几十年，我国社会经济高速发展，随着水利工程的兴建、农业灌溉及土地利用等人类活动导致的区域水资源开发利用及下垫面条件的改变，对河川径流产生了影响。表1给出了河南省四大流域重点水文站1973-2016年实测径流量变化趋势分析结果。

由表1可知：①海河区安阳水文站年径流量呈减少趋势，年径流量线性递减率为-6.59 m3/(s·a)；M-K检测值为-3.99，通过95%显著性检验，下降趋势显著。②黄河区黑石关水文站年径流量呈减少趋势，年径流线性递减率为-0.74 m3/(s·a)；M-K检测值为-1.85，下降趋势不显著。③长江区唐河水文站年径流量呈减少趋势，年径流量线性递减率为-17.62 m3/(s·a)；M-K检测值为-2.66，超过0.05的显著性水平检验，下降趋势显著。④淮河区周口、班台、息县3代表站年径流量均呈减少趋势，周口、班台、息县3站年径流量线性递减率分别为-17.26 m3/(s·a)、-12.21 m3/(s·a)、-22.21 m3/(s·a)；M-K检测值分别为-0.79、-0.86、-0.9，下降趋势不显著。⑤总体来看，近40年河南省河川径流呈下降趋势，海河区、长江区实测径流量下降较为明显。

表1 河南省四大流域重点水文站年实测径流量变化趋势

图4给出6水文站1973-2016年径流序列变化。由图4可以看出：①海河区在20世纪60-70年代属径流丰水期，年平均径流流量最高达到697.4 m3/s，80-90年代径流呈现持续递减态势，2000年后流域径流有小幅度回升。②黄河区径流在研究期内呈持续性缓慢递减态势，有较大的径流年代际波动，最大径流量为3614 m3/s(1964年)，约为最小径流量210.23 m3/s(1995年)的17.2倍。③长江区径流在2010年前呈现自然波动状态，2010年后径流量呈现快速递减趋势，径流年代际波动幅度较大，最大径流量为2667.9 m3/s出现在1975年，最小径流量为92.6 m3/s出现在2016年。④综合息县、周口、班台3站径流序列演变可知，淮河区在20世纪60-70年代属流域丰水期，径流呈自然波动态势，总体来看，流域径流量呈小幅度变化。

图4 河南省各代表站1973-2016年年平均径流年际变化

2.3 径流变化的阶段性及其与降水的响应关系

采用有序聚类分析的方法，对各水文站年径流序列变化的阶段性进行分析(表2)。图5给出了安阳站和黑石关站1973-2016年实测径流量离差平方和的时序变化过程。由图5可知，安阳站实测离差平方和为单谷底变化过程，在1978年进入谷底；黑石关站实测离差平方和总体呈现宽谷底变化过程，在1986年前后进入谷底，在1990年实测径流离差平方和达到最低点。

表2 径流序列突变点诊断结果

图5 安阳站(a)黑石关站(b)1973-2016年实测径流量离差平方和变化

由表2可以看出：①海河区安阳站以1978年为界，可将整个径流量序列划分为2个明显的时段，分别为第一阶段1973-1977年，第二阶段1978-2016年。②黄河区黑石关站实测径流量变化以1986年和1990年为分界年份可划分为3个阶段，第一阶段1973-1985年，第二阶段1986-1989年，第三阶段1990-2016年。③长江区唐河站实测径流量以2011年为界，可以划分为2个阶段，第一阶段为1973-2010年，第二阶段为2011-2016年。④淮河区周口站以1986年和2013年为界，可将整个径流量序列划分为1973-1985年、1986-2012年、2013-2016年三个阶段。班台站以2009年为界，可将实测径流量变化划分为1973-2008年、2009-2016年两个阶段。息县站实测径流量变化以2009年为分界年份，可划分为2个阶段，第一阶段1973-2008年，第二阶段2009-2016年。

在上述径流量变化三个阶段中，选取第一阶段为前期，后两个阶段为后期，点绘6个流域代表站不同阶段实测年径流量与年降水量之间的散点图(图6)。由图6可看出：①各流域降水径流呈正相关关系，然而位于河南淮河区的典型流域降水径流相关性明显高于其他流域的相关性，降水对径流具有较为明显的影响。②对不同阶段来说，降水径流关系存在差异，第一阶段降雨径流关系点群大多位于其他阶段之上，说明在降水相同的条件下，第一阶段的流域产流量大于后面的其他阶段的产流量。③从6个典型流域代表站来看，黄河流域黑石关站、海河流域安阳站、长江流域唐河站不同阶段降水径流关系差异较大，而淮河流域的3个站点在不同阶段的降水径流关系点群相对集中，降水径流关系变化相对较小。

图6 河南省主要流域不同阶段降水径流关系

在流域自然环境较为稳定的情况下，降水径流关系不会发生较大变化；随着经济社会的快速增加，大规模的水利工程修建及工农业用水量的增加，均对河川径流产生直接的影响[5,7]。因此，降水径流关系的改变，在一定程度上反映了流域内人类活动的影响[18,19]。结合上述分析，可以初步判断，人类活动对黄河黑石关站、海河安阳站、长江唐河站径流影响较大，而对淮河的3个站点径流影响相对较小；此外，由多数流域降水径流关系点群发现，在降水较大的情况下，前期与后期点群距离较大，说明随着降水量的增多，人类活动对河川径流量的影响可能更大。

3 结 论

(1)河南省1973-2016年气温呈显著升高态势，气温平均线性变化率为0.31 ℃/a，四大流域中，升温幅度由高到低依次为海河区、淮河区、黄河区、长江区。全省降水呈非显著性变化趋势，四大流域中，海河区、黄河区、长江区降水减少，淮河区降水呈增加趋势。

(2)河南省6个代表性水文站实测径流量均呈减少态势，其中海河区安阳站、长江区唐河站实测径流量减少趋势显著，其余4个水文站实测径流量为非显著性减少趋势。

(3)6个水文代表站中，黑石关站、安阳站、唐河站不同阶段降水径流关系差异较大，淮河流域3个水文站降水径流关系变化相对较小；随着降水量的增多，人类活动对河川径流量的影响可能更大。