近60 a 河南省河川径流演变特征研究

2022-06-10栗士棋杜付然程芳芳李柯星王国庆司舒阳

人民黄河 2022年6期

栗士棋，杜付然，程芳芳，李柯星，王国庆，司舒阳

（1.河南黄河河务局郑州黄河河务局，河南郑州 450001； 2.水利部应对气候变化研究中心，江苏南京 210029；3.河南省水文水资源局，河南郑州 450003； 4.郑州市气象局，河南郑州 450048；5.华北水利水电大学水利学院，河南郑州 450046）

河川径流是陆地水循环过程中的重要一环，也是地表水资源的重要来源之一［1］。 IPCC 第五次报告指出［2］，气候变化导致全球平均温度上升0.85 ℃，全球变暖对流域水文循环产生显著影响，进而导致河川径流时空分布发生变化［3］。与此同时，随着社会高速发展，人类活动对下垫面的影响加剧，下垫面特征发生变化，影响流域产汇流过程。水利工程的大量修建以及大规模的取用水活动，对河川径流的原有规律产生影响［4］。国内外许多研究表明［5-8］，受气候变化与人类活动双重影响，全球范围内的河川径流量发生了显著的变化。因此，开展区域河川径流演变规律研究，对于我国水资源的保护、开发和利用，具有重要的现实意义。

河南省是我国重要的综合交通枢纽和人流物流信息中心，然而省内严重缺水，人均水资源量只有全国水平的20%左右。因此，河南省河川径流演变规律的特征十分重要，已经引起了相关研究者的广泛关注。 Fu等［9］对1952—1997 年黄河流域河南段花园口水文站实测数据进行研究，认为花园口站径流量呈显著下降趋势。赵文举等［10］选取元村集水文站1956—2012 年实测数据，对海河流域河南段的卫河流域径流演变规律进行研究，认为径流量呈明显下降趋势，流域径流量于1978 年发生突变。李四海等［11］选取淮河干流及淮河流域沙颍河、洪汝河、淮南支流，长江流域唐白河，黄河流域黄河、伊洛河，海河流域卫河1950—2011 年实测径流资料，对河南省主要河道径流年内变化规律进行研究，结果表明河南省径流量主要集中在6—9 月，其中淮河流域、长江流域径流年内集中度高于黄河流域与海河流域。

以往研究主要是对省内某一流域径流规律或者河南省主要河道年内径流演变规律进行研究，对于全省河川主要流域径流的年内、年际变化关注较少。近年来河南省主要流域河川径流是否有新的变化，这些流域年内、年际河川径流有何特点，本文拟主要解决这些问题，以期为河南省科学应对气候变化、强化水资源适应性管理提供参考依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况与数据来源

河南省地处暖温带与亚热带过渡区（东经31°23′—36°22′，北纬110°21′—116°39′），主要受西风带大气环流控制，属湿润-半湿润季风气候区。年平均气温12.4～16.1 ℃，年平均降水量432 ～1 632 mm，主汛期为6—8 月。河南省是重要的粮食产出大省，气候温和，适宜作物生长，粮食、芝麻产量长年居全国首位，耕地面积8.14 万km2，占全省总面积的48.7%。省内黄河、海河、长江、淮河四大流域交汇，流域面积100 km2以上的河流有493 条，但水资源总量十分匮乏，仅为全国总量的1.5%左右，且水资源空间分布严重不均。

选取海河流域1 个水文站（安阳站1957—2017 年序列），黄河流域1 个水文站（黑石关站1951—2018 年序列），长江流域1 个水文站（唐河站1952—2017 年序列），淮河流域3 个水文站（周口站1951—2017 年序列、班台站1952—2017 年序列、息县站1951—2017 年序列），共计6 个水文站实测水文数据对河南省主要流域径流演变规律进行分析研究。河南省水系及选取水文站分布如图1 所示，选取水文站主要信息见表1。

图1 河南省主要流域分布及选取水文站位置

表1 选取水文站主要信息

1.2 研究方法

Mann-Kendall 非参数趋势检验（以下简称M-K法）是一种广泛应用于时间序列检验的趋势诊断方法［12-13］。本研究采用M-K 法对河南省典型流域径流变化显著性及突变年份进行分析。具体计算方法如下。

（1）假定分析的径流序列变化趋势不显著（H0）。

（2）通过计算M-K 统计量UFi检验H0是否成立。

式中：xi为样本容量为n的径流量序列。

如果xi为服从同一分布的独立随机变量，则Si的期望值和方差计算公式为

（3）本次研究取显著性水平α＝0.05，如果序列存在显著趋势，此时统计量若Z ＞0则表示序列有上升（增加）趋势，若Z ＜0 则表示序列有下降（减少）趋势。

M-K 法检验序列突变点，首先将原始样本序列逆序排列，按上述方法重新计算M-K 检验值，倒序得到UBi ＝-UFi，（i ＝n，n -1，…，2，1），绘制UBi、UFi曲线，找出两曲线交点。如果原始序列的变化趋势显著，则认为两曲线交点为序列突变点。

2 河川径流演变特征

2.1 年径流演变

河南省6 个代表水文站实测年平均流量序列演变特征及M-K 趋势检验法分析结果如图2 所示，变化趋势见表2。 ①从全省来看，近60 a 河南省主要流域流量呈下降趋势。 ②空间上，全省自西向东，流量下降速率变大。 ③时间上，河南省天然径流在20 世纪60—70 年代属丰水期，年平均流量较多年平均值高；进入80 年代，受气候变化及人类活动影响［14］，流量有下降趋势；进入21 世纪，河南省径流减少趋势减缓伴有回升态势。

图2 河南省代表水文站实测年平均流量演变规律

表2 水文站序列资料M-K 趋势及突变检验结果（显著性水平为0.05）

由图2 可以看出：①海河流域安阳站年平均流量呈增加—减少—增加态势，20 世纪60—70 年代属流域丰水期，1980—2000 年流域流量呈持续性递减趋势，2000 年以后流量出现回升。 ②黄河流域黑石关站年平均流量呈持续减少态势，且年代际变化幅度较大，最大年平均流量出现在1964 年，为3 614 m3／s，该站最小年平均流量（210.23 m3／s）出现在1995 年。 ③长江流域唐河站1952—2017 年年平均流量呈现持续性快速递减趋势，年平均流量年代际波动幅度较大，最大年平均流量2 667.94 m3／s（1975 年）约为最小年平均流量92.61 m3／s（2016 年）的28.8 倍。 ④淮河流域3个站在20 世纪60—70 年代年平均流量较大，属流域丰水期，70 年代后流量呈缓慢下降趋势。

由表2 可以看出：①海河流域河南段年平均流量显著下降，代表水文站安阳站年平均流量下降速率为3.570 m3／（s·a），Z值为-3.99，下降趋势超过5%显著性水平。 ②黄河流域河南段年平均流量显著下降，代表水文站黑石关站年平均流量下降速率为11.345 m3／（s·a），Z值为-3.96，下降趋势超过5%显著性水平。 ③长江流域河南段年平均流量显著下降，代表水文站唐河站年平均流量下降速率为9.984 m3／（s·a），Z值为-2.68，下降趋势超过5%显著水平。 ④淮河流域河南段年平均流量有下降趋势，代表水文站息县站年平均流量下降速率为13.864 m3／（s·a），Z值为-0.98，下降趋势不显著；周口站年平均流量下降速率为34.543 m3／（s·a），Z值为-2.60，下降趋势超过5%显著水平；班台站年平均流量下降速率为12.888 m3／（s·a），Z值为-1.34，下降趋势不显著。

对河南省6 个代表水文站进行年径流突变点检测，突变年份见表2，突变前后年平均流量见图3。

图3 河南省代表水文站径流突变前后年平均流量

由图3 和表2 可以看出：①海河流域安阳站突变前年平均流量为298 m3／s，突变之后年平均流量为159 m3／s，突变之后的年平均流量比突变之前减少46.6%。 ②黄河流域黑石关站突变前年平均流量为1 065 m3／s，突变之后年平均流量为716 m3／s，突变之后的年平均流量比突变之前减少32.8%。 ③长江流域唐河站突变前年平均流量为1 145 m3／s，突变之后年平均流量为391 m3／s，突变之后的年平均流量比突变之前减少65.8%。 ④淮河流域周口站、班台站、息县站突变前年平均流量分别为4 108、2 564、3 664 m3／s，突变之后年平均流量分别为2 468、2 045、3 110 m3／s，突变之后的年平均流量分别比突变之前减少15.1%、39.9%、60.29%。 ⑤自南向北，流量变化突变点越来越提前；自北向南，流量减少幅度越来越大。

2.2 月径流演变

河南省6 个代表站实测月平均流量M-K 趋势检验结果如图4 所示，由图4 可以看出：①海河流域安阳站12 个月份月平均流量均呈减小趋势，有11 个月下降趋势显著，达到5%显著水平。 ②黄河流域黑石关站12 个月均呈下降趋势，其中有10 个月呈显著下降趋势，达到5%显著水平。 ③长江流域唐河站12 个月份月平均流量呈下降趋势，其中4 个月下降趋势显著。④淮河流域周口站12 个月份月平均流量均呈下降趋势，其中3 个月下降趋势显著，达到5%显著水平；班台站一年中有4 个月平均流量增大，8 个月平均流量减小，变化趋势都不显著；息县站一年中有5 个月平均流量增大，7 个月平均流量减小，变化趋势都不显著。⑤总的来看，河南省四大流域各月平均流量变化主要呈现下降趋势，自南向北下降趋势越来越显著。

图4 河南省四大流域代表水文站实测月平均流量M-K 趋势检验结果

根据月平均流量突变点检测结果，对突变点前后月径流量年内分配过程进行对比，结果见图5，由图5可知：①海河流域安阳水文站突变点前后月径流量占年径流量比例差别较小，3 月份月径流量占比由6.50%增加到6.57%；10 月份月径流量占比由10.34%减少为9.58%。 ②黄河流域黑石关水文站突变点后月径流量占年径流量比例变化较小，枯水期3 月份月径流量占比由4.03%增加到4.89%；丰水期8 月份月径流量占比由13.91%减少到12.83%。 ③长江流域唐河水文站突变点后月径流量占年径流量比例变化较大，枯水期12 月份月径流量占比由2.30%增加到4.60%；丰水期8月份月径流量占比由25.18%减少到13.33%。 ④淮河流域河南段突变点后月径流量占年径流量比例变化较小，周口水文站枯水期3 月份月径流量占比由2.90%增加到3.38%；丰水期7 月份月径流量占比由20.55%减少到19.47%。班台水文站枯水期2 月份月径流量占比由2.41%增加到2.50%；丰水期6 月份月径流量占比由11.00%减少到9.30%。息县水文站枯水期1 月份月径流量占比由1.97%增加到2.70%；丰水期8 月份月径流量占比由17.70%减少到13.60%。 ⑤除长江流域河南段外，河南省枯水期月径流量占年径流量比重较小。 ⑥总的来看，河南省主要流域月径流量占年径流量比例呈枯增丰减态势。

图5 河南省四大流域代表站实测月径流量占年径流量比例变化特征

2.3 结果讨论

河川径流量的增减与气候变化有着密切的联系，人类活动的剧烈程度也会对径流量产生一定的影响［15］。本研究表明，河南省实测流量呈现较为明显的三阶段特征，20 世纪60—70 年代是全省丰水期，80—90 年代流量有下降趋势，2000 年后流量下降趋势减缓，部分地区流量稍有回升。

海河流域河南段位于豫北平原，是河南省的粮食主产区和重要的工业基地，20 世纪80 年代我国进入高速发展期，径流受农业、工业等取用水影响程度巨大，人类活动对流域水循环影响剧烈［16］。进入21 世纪，受党中央出台的水资源三条红线、严控总用水量等因素影响［17］，海河流域径流减少趋势减缓伴有回升态势。海河流域的已有研究表明，1970 年以来实测径流量大幅度减小（海河观台站1970—2010 年实测年径流深较前期减少79.6 mm［18］），其结论与本研究总体一致。但本研究计算的流量变化幅度相对较小，其主要原因是采用的基准期和对比期不同。

近年来黄河流域气温显著升高，降水减少，对径流量减小起到了一些作用。此外，黄河中游修建了大量的梯田、淤地坝等水土保持工程，拦截了部分水量，引起径流量大幅度减小［19］，鲍振鑫等［1］研究发现黄河流域1980—2000 年和2001—2016 年多年平均入海径流量比1956—1979 年分别减少50.07%和59.67%。本文分析了黄河流域河南省境内的伊洛河黑石关站流量的变化，其演变态势与黄河流域的总体一致，但变化幅度相对较小，尽管基准期和对比期不同是其差异的重要原因之一，但黄河总体干旱敏感，伊洛河较为湿润和受环境变化影响较小是其径流变化小的另一重要原因［20］。

长江流域的唐河站径流突变之后年平均流量减小幅度较大，突变之后的年平均流量比突变之前减少65.8%。而大部分研究中，长江干流实测径流量趋势和突变均不明显［5］，主要原因是长江流域面积较大，径流自身调节能力和对外界影响的抗干扰能力较强，而唐河以上面积较小，唐河站实测径流对上游水利工程修建及其运行调度非常敏感。

河南省内大部分地区处于淮河流域，区域内以农业、工业为主，巨大的取用水量使得流量减小。随着近几十年来气温升高，淮河流域降水减少，蒸散发增加，导致径流减少［21］。相关研究表明，降水量减少和下垫面变化是造成淮河上游径流减少的重要原因［22］，1975—2014 年淮河流域流量递减速率为3.8 m3／（s·10 a），其中降水减少是导致上游径流减少的主要原因［23-24］。