河南省降水量、地表水资源量变化趋势及演变关系

吴奕 宋瑞鹏 张红卫 陈莉 李洋 肖航

摘 要：以河南省1956—2016年降水量、地表水资源量数据为基础，采用距平累积法、Mann-Kendall检验法、双累积曲线法、累积量斜率变化率比较法判定河南省及其各流域降水量、地表水资源量变化趋势，分析降水量、地表水资源量演变关系。结果表明：河南省1956—2016年降水量、地表水资源量均呈减小趋势，地表水资源量减小趋势更显著，北部海河、黄河流域地表水资源量减小趋势比南部淮河、长江流域顯著;20世纪90年代，该省海河、黄河流域一些站降水—径流关系发生改变。以海河流域新村站为例，量化降水和人类活动对径流量的影响程度，发现降水对径流量变化的影响较小、人类活动对径流量变化的影响较大。

关键词：降水量;地表水资源量;Mann-Kendall检验法;累积量斜率变化率比较法;河南省

中图分类号：TV213.4

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.017

引用格式：吴奕，宋瑞鹏，张红卫，等.河南省降水量、地表水资源量变化趋势及演变关系[J].人民黄河，2021，43（11）：92-96.

Variation Trend and Relationship of Annual Precipitation and Surface Water Resources in Henan Province

WU Yi1， SONG Ruipeng2， ZHANG Hongwei1， CHEN Li1， LI Yang1， XIAO Hang1

（1.Henan Hydrology and Water Resources Bureau， Zhengzhou 45000  China;

2.Hydrological Bureau， Yellow River Conservancy Commission， Zhengzhou 450004， China）

Abstract： According to the data of precipitation and surface water resources in Henan Province from 1956 to 2016， the accumulated deviation， Mann-Kendall test， rainfall-runoff double mass curve， comparative method of cumulative slope change ratio were used to indicate the variation trend of precipitation and surface water resources and the evolution relations between them. Both precipitation and surface water resources had a decreasing trend， while the decreasing trend was more significant in surface water resources. Surface water resources in the Haihe River and the Yellow River Basin decreased more significant than that in the Huaihe River and the Yangtze River Basin. Since the 1990s， rainfall-runoff relationship had changed in some hydrological stations of the Haihe River and the Yellow River Basin . Taking Xincun hydrological station as an example， quantified the influence of precipitation and human activities on runoff. The results show that precipitation has little influence on runoff while human activities is the main factor of runoff variation.

Key words： precipitation; surface water resources; Mann-Kendall test; comparative method of cumulative slope change ratio; Henan Province

河南省地处中原，总面积16.7万km2。地势西高东低，北、西、南三面环山，间有断陷盆地，东部为宽阔平原。河南省地跨海河、黄河、淮河、长江四大流域，其中：海河流域1.53万km2，占全省总面积的9.2%;黄河流域3.62万km2，占全省总面积的21.7%;淮河流域8.83万km2，占全省总面积的52.8%;长江流域2.72万km2，占全省总面积的16.3%。豫南、豫西南水资源相对丰沛，占全省水资源总量的一半以上;豫东、豫北水资源匮乏，与耕地及人口分布不相匹配。

近年来，河南省许多河流的径流衰减现象明显。河川径流源于降水，气候变化、人类活动对区域水资源状况有直接影响[1-3]。一些学者对径流变化趋势、径流变化成因进行了研究[4-8]。目前，尚未有关于河南省境内各流域降水量、地表水资源量演变趋势及其关系的分析。本文基于1956—2016年河南省各流域年降水量、地表水资源量，分析降水量、地表水资源量变化趋势，厘清两者之间的演变关系，以期为全省水资源调度、防汛抗旱提供参考。

1 研究方法与数据来源

1.1 Mann-Kendall检验

Mann-Kendall（M-K）检验法是由Mann和Kendall提出的，用于检测序列的变化趋势，被广泛应用于水文和气象序列的趋势检验中[9-11]。对于时间序列X，M-K趋势检验统计量的表达式[12-13]为

S=∑n-1i=1∑nj=i+1sgn（xj-xi）（1）

式中：S为M-K检验法统计量;xi、xj分别为时间序列的第i个、第j个数据值;n为数据样本数量。

当n>10时，统计量S大致服从正态分布，方差为

Var（S）=n（n-1）（2n-5）/18（2）

其正态分布的检验统计量为Z：

Z=S-1Var（S） （S>0）

0（S=0）

S+1Var（S）（S<0）（3）

双边趋势检验中，Z为正表示序列具有增大趋势，Z为负表示序列具有减小趋势。在给定的α置信水平上，若Z的绝对值大于或等于1.28、1.64和2.32，则分别表示通过了置信度90%、95%和99%的显著性趋势检验，分别达到显著、十分显著、极显著水平。

1.2 距平累积法

距平累积法是一种根据曲线直观判断变化趋势的方法[14]。对于序列X，某一时刻t的距平累积值为

x∧t=∑ti=1（xi-x-） （t= …，n）（4）

式中：x-=1n∑ni=1xi。

将序列的距平累积值全部算出，即可绘出距平累积曲线[15]。距平值随年份累加，曲线上升阶段表示距平值为正，序列呈上升趋势;曲线下降阶段表示距平值为负，序列呈下降趋势[16]。

1.3 降水量—径流量双累积曲线

假定降水量与径流量有同步成因关系，在直角坐标系中绘制同期降水量累积值与径流量累积值关系曲线，曲线斜率发生明显变化处对应的年份就是降水量、径流量关系变化的年份[17]。

1.4 累积量斜率变化率比较法

累积量斜率变化率比较法是近年提出的定量分析降水及人类活动对径流变化贡献率的一种方法[18]。在直角坐标系中分别拟合累积降水量—年份、累积径流量—年份的线性关系，假设累积径流量—年份线性关系的斜率突变前后两个时期分别为SRb和SRa，累积降水量—年份线性关系的斜率突变前后两个时期分别为SPb和SPa，则累积径流量斜率变化率为

RSR=（SRa-SRb）/SRb（5）

累积降水量斜率变化率为

RSP=（SPa-SPb）/SPb（6）

降水量变化对径流量变化的贡献率为

CP=RSP/RSR （7）

人类活动对径流量变化的贡献率为

Cm=1-CP （8）

自变量为年份，因变量为累积量，累积量的引入在一定程度上消除了实测数据年际波动的影响;自变量的客观性提高了累积量—年份之间的相关性，克服了降水—径流回归曲线相关系数不高的缺陷[19]。

1.5 数据来源

1956—2016年序列降水量、地表水资源量数据来源于河南省水文部门相关成果。本文以1956—2016年序列为研究对象，并与1956—2000年序列对比，分析河南省降水量和地表水资源量变化趋势及两者之间的演变关系。

2 降水量、地表水资源量变化趋势

2.1 降水量变化趋势

1956—2016年河南省多年平均降水量768.5 mm，与1956—2000年的多年平均降水量774.7 mm相比减小0.80%。河南省各流域都有减小，减小幅度最大的为长江流域（1.44%），其次为海河流域（1.04%），淮河流域减小0.75%，黄河流域减小0.24%。降水量多年均值变化情况见表1。

绘制河南省及其各流域降水量、地表水资源量1956—2016年序列距平累积曲线（见图1～图5），并结合全省及各流域降水量数据可知，河南省及其各流域1956—1964年降水量偏丰，全省降水量较多年（1956—2016年）均值768.5 mm增大10.30%，各流域较多年均值增大6.33%～25.32%（海河流域增幅最大，长江流域增幅最小）;海河流域1978—2002年以及黄河流域1986—2002年是河南省各流域1956—2016年序列中降水量减小最明显且持续时间最长的时段，分别比流域多年均值偏小9.27%、9.07%;20世纪80年代中期至90年代中期是淮河、长江流域降水量波动减小相对较长的时期，分别比多年均值偏小7.54%、6.42%;2011—2016年淮河、长江流域降水量持续低于或接近多年均值，分别比多年均值偏小11.73%、13.33%。

利用M-K趋势检验法对河南省及其各流域1956—2000年、1956—2016年序列降水量变化趋势进行显著性检验，结果见表2。两序列统计量Z均为负值，表明两序列总体呈减小趋势。1956—2000年序列河南省及其各流域检验统计量Z均没有达到90%的置信度，表明减小趋势不显著;1956—2016年序列海河流域检验统计量Z达到90%的置信度，表明减小趋势显著，但全省及其他流域降水量减小趋势未达到显著性水平。1956—2016年序列比1956—2000年序列降水量减小趋势更明显，但也未达到显著性减小的水平。

2.2 地表水资源量变化趋势

1956—2016年河南省多年平均地表水资源量289.30亿m 与1956—2000年多年平均地表水资源量299.65亿m3相比减小3.45%（见表1）。河南省各流域中，海河流域地表水资源量减小幅度最大（7.24%），黄河流域减小2.57%，淮河流域減小3.19%，长江流域减小3.92%。

由图1～图5可以看出，河南省及其各流域地表水资源量变化趋势与降水量相似，但变幅大于降水量。结合河南省及其各流域地表水资源量数据可知，1956—1964年为持续偏丰较长的时段，较多年（1956—2016年）均值289.30亿m3偏大31.49%，各流域较多年均值偏大24.05%～99.94%（海河流域增幅最大，淮河流域增幅最小）。海河流域1978—2016年以及黄河流域1986—2002年是地表水资源量减小最明显、持续时间最长的时段，分别比流域多年均值偏小24.57%、23.25%。20世纪80年代中期至90年代中期是淮河、长江流域地表水资源量波动减小相对较长的时期，分别比多年均值偏小18.90%、21.29%。2011—2016年是全省地表水资源量最枯的时段，较多年均值偏小37.25%，各流域较多年均值偏小17.48%～47.58%（长江流域减幅最大，黄河流域减幅最小）。

利用M-K趋势检验法对河南省及其各流域1956—2016年、1956—2000年序列地表水资源量变化趋势进行显著性检验，结果见表2。两序列统计量Z均为负值，表明两序列总体呈减小趋势。全省1956—2000年序列检验统计量Z没有达到90%的置信度，表明地表水资源量减小趋势不显著;海河、黄河流域检验统计量Z达到95%的置信度，表明减小趋势十分显著。1956—2016年序列河南省及其海河、黄河、长江流域检验统计量Z均达到95%的置信度，表明减小趋势十分显著，其中海河流域减小趋势最为明显;淮河流域检验统计量达到90%的置信度，较其他流域减小趋势平缓。1956—2016年序列比1956—2000年序列地表水资源量减小趋势总体更明显，减小趋势由不显著演变为十分显著。

3 降水量和地表水资源量演变关系

从1956—2016年降水量、地表水资源量变化趋势可看出，降水量较大的年份地表水资源量也较大。降水量和地表水资源量变化趋势总体上同步，但地表水资源量的年际变幅大于降水量的，减小趋势也较降水量更显著，且具有明显的区域特征。河南省海河、黄河流域比其他流域地表水资源量减小趋势更显著、持续时间更长，这两个流域1956—2016年与1956—2000年相比，地表水资源量减小幅度分别为降水量减小幅度的7倍和11倍，而全省及其他两个流域在3～4倍之间。20世纪90年代海河、黄河流域一些水文站降水—径流双累积曲线发生明显拐点，即降水—径流关系发生改变，主要原因是经济快速发展、城市化进程加快引起区域水循环特征改变，以及人类活动对水资源的开发利用引起产汇流条件改变。

以海河流域新村水文站为例[20]，根据其多年天然河川径流量和降水量，绘制降水—径流双累积曲线（见图6），双累积曲线突变年份为1998年，表明1998年以后降水—径流关系发生了改变。分别绘制累积径流量曲线、累积降水量曲线，对1998年前后曲线进行分段线性拟合（见图7、图8），可以看出，拟合关系式的判定系数较大，拟合效果较好。利用累积量斜率变化率比较法，量化降水和人类活动对径流量变化的影响程度，降水对径流量变化的贡献率为13%，人类活动对径流量变化的贡献率为87%，表明降水对径流量变化影响较小，径流量的变化主要受人类活动影响，流域下垫面条件发生了明显变化。

4 结 论

基于河南省1956—2016年序列降水量与地表水资源量相关资料，采用距平累积法、M-K趋势检验法，分析了河南省及其各流域降水量、地表水资源量变化趋势及演变关系。以新村站为例，利用双累积曲线法、累积量斜率变化率比较法对地表水资源量减小幅度大于降水量减小幅度进行了成因量化分析，结论如下。

（1）河南省多年降水量、地表水资源量均呈减小趋势，1956—2016年与1956—2000年序列相比，降水量、地表水资源量的减小趋势进一步加剧，但降水量减小趋势没有达到显著性水平，地表水资源量减小趋势显著。

（2）1956—2016年河南省海河、黄河流域地表水资源量减小趋势较淮河、长江流域更显著。

（3）河南省海河、黄河流域一些水文站20世纪90年代降水—径流关系发生改变，降水对径流量变化的影响较小，人类活动对径流量和地表水资源量减小的影响较大。

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【责任编辑 张华兴】