1998-2020年黄河流域径流与降水演变规律研究

李 锋

（山东农业大学，山东 泰安 271018）

1 研究背景

工业革命以来，由于经济的快速发展，城镇化快速推进导致对于自然资源的索取以及大量废弃物的排放，使得人类正常的生活环境遭到了前所未有的破坏。随着全球气候变暖以及人类生产建设对于自然环境影响的加剧，全球范围内主要河流的水文情势发生了显著改变。河川径流量是一种重要的自然资源，径流量的变化将直接影响到人类对于水资源的利用，进而影响到农业、工业的发展。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）在第四次评估报告中指出，21 世纪中期，高纬度地区河流径流量将得到显著增加，中低纬度的一些干旱地区径流量将有所降低。河流的水文情势具有多重属性，对于维持河流流域内的生态平衡，地貌特征以及当地的经济发展起到了至关重要的作用。随着气候变化以及人类活动影响的日益增强，全球范围内主要河流的水文情势发生了显著的变化，对流域内水资源的时空分布，生态系统的建设等产生了深刻的影响。径流变化是气候因素与人类活动等多因素综合作用的结果，一方面有些河流的径流量变化源于气候变化，主要以降水量的影响最为重要，但是也有研究指出，对于流量较大，流域广泛的河流，蒸发的散失也是造成径流量变化的重要因素；另一方面，人类活动对于径流量的影响也十分显著，水利工程的修建，流域内人类生产生活用水等，都影响着河流径流量的变化。由于河川径流量的变化与人类的经济发展息息相关，因此成为近年来研究的热点问题。

本文拟对黄河流域1998-2020年的径流量以及降水量进行分析，通过数据拟合分析径流量与降水量之间的相关关系，找出径流量与降水量的大致变化趋势，利用M-K 检验模型寻求突变年份，通过距平累积法寻找突变原因并计算出各因素对于径流量的影响程度。以期为黄河流域的可持续发展、生态平衡的恢复和环境的建设提供依据，为黄河地区的水资源规划与分配以及黄河治理提供支撑。

2 流域概况

黄河是我国第二大河，自西向东流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东等九省区（自治区），全长5 464 km，流域横贯中国东西，主要位于中国西北部地区，地势上西高东低，西部河源地区以高原，山地为主，常年积雪；中游流经黄土高原，水流迅急，坡降大，水土流失严重；下游地区主要由黄河冲击平原组成，流速缓慢。

黄河流域跨越了南温带、中温带和高原气候区三个气候带，常年平均气温在9.4℃左右，水汽输入主要来源于西太平洋和南海北部湾，雨雪稀少且盛行西北风。流域大部分地区受西太平洋暖湿副高压影响，降雨量从东南向西北逐渐递减。

3 数据来源和研究方法

3.1 数据来源

本文所用的径流量与降水量等水文数据均来自1998-2020年黄河水利委员会发布的《黄河水资源公报》。

3.2 研究方法

3.2.1 M-K 检验法

M-K 检验法是由H.B.Mann 和M.G.Kendall 两位科学家提出并发展的用于提取序列变化趋势的一种方法，由于其不受个别异常值的干扰以及准确度高，反映客观等优点，在气候参数以及水文序列的分析中得到了广泛的应用。水文数据运用M-K 法检验后可以寻找出分析时段的突变时间点，以此为基准将时间序列分为基准期和变化期，为后期定量分析引起突变的不同因素提供依据。

利用M-K 统计值UFk和UBk，绘出UFk和UBk曲线图，若UFk曲线大于零且位于置信区间之内则表明序列呈上升趋势，但趋势相对较弱，小于零则表明呈相对较弱的下降趋势。当超过信度线时，表明序列呈明显的上升或下降趋势且表现显著，超过信度线的区域确定为出现突变的时间区域，如果UFk和UBk两条曲线在信度线之间出现交点，则交点对应的时间点便是突变开始的时间。本文采用置信度α=0.05，对应的临界值为±1.96。

3.2.2 距平累积法

距平累积法是一种通过曲线反映序列变化趋势的方法，通过距平累积曲线的走势可以判断出样本的演变趋势，而且根据转折点可以判断出突变点。

式中：X为年径流量或年平均降水量序列的距平累积值；xˉ为年径流量或年平均降水序列的平均值。

距平累积曲线呈上升趋势，表示距平值增加，呈下降趋势则表示距平值减小。从曲线明显的上下起伏，可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至还可以诊断出发生突变的大致时间，从曲线小的波动变化可以考察其短期的距平值变化。

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3.3.3 累积量斜率变化率比较法

累积量斜率变化率比较法（SCRCQ）是由王随继、白桦等人提出的一种用于定量分析降水量和其他因素对于径流量贡献率的方法。该方法分别计算出累积降水量以及累积径流量与年份的拟合曲线在突变前后的斜率变化率，若累积降雨量变化率Ra＞0，累积径流量变化率Rb＜0，则降水量变化对径流量的变化贡献率为：

4 结果和讨论

4.1 降水量、径流量变化的基本特征

以4 a 为一个时间范围对时间序列进行分段，计算各时间段平均值、极值比、变异系数等统计量，可以发现各时间段内2018-2020年降水量均值最大，为518.47 mm，对应时间段的径流量平均值为335.20×108m3，是分析时段的第二位，表现出一定的同期性。黄河流域降水量变化在2002-2005年时间段变化较大，极值比为0.37，变异系数为0.15。径流量在2002-2005年时间段变化较其他时间段变化极为显著，极值比达到了3.94，变异系数为0.49，均为分析时段内最大。整体来看，各时段径流量的极值比以及变异系数均大于降水量的极值比，说明径流量与降水量变化并不存在严格的一致性（表1）。由于降水是径流的主要来源之一，因此径流量与降水量之间的变化差异可以表征为人为因素导致的变化。

表1 黄河流域不同时段年均降水量、年均径流变化量变化特征

利用最小二乘法对径流量和降水量进行拟合绘制图像（图1），径流量拟合曲线为：y=8.9642x-1.7817×104（R2=0.2593）；降水拟合曲线为：y=4.1040x-7.7859×103（R2=0.3346），可以发现在1998-2020年时间内，径流量与降水量总体趋势均呈上升趋势，但是两者之间的斜率并不相同，径流量增长速度要大于降水量的增长速度，说明除降水因素外人类活动也是影响径流变化的主要因素。

图1 黄河流域年径流量、年降水量拟合曲线

4.2 径流量、降水量变化的阶段性特征

为分析黄河流域1998-2020年径流量与降水量变化的阶段性特征，运用距平累积法绘制径流量与降水量时间序列的距平累积曲线（图2）。分析表明：年降水量距平累积曲线在2010年有一个明显的突变，因此，可以将1998-2020年黄河流域降水演变过程以2010年为界限分为两个阶段，少水期1998-2009年平均降水量为435.34 mm，多水期2010-2020年平均降水量为484.81 mm。同样的方法，以2009年为界限将年径流量分为丰-枯两个阶段，1998-2008年为枯水期，2009-2020年为丰水期，多年平均径流量分别为131.92×108m3，247.58×108m3。可以发现，降水量与径流量之间存在一定的同期性，说明降水量对于径流量有一定的影响。同时观察曲线可知，降水量的波动性要明显强于年径流量的波动性，说明降水量与径流量之间整体存在一定的差异性，存在人为原因导致两者整体变化不同步。

图2 黄河流域年径流量、年降水量距平累积曲线

4.3 径流量、降水量变化M-K 突变检验

运用M-K 模型对黄河流域径流量与降水量发生突变的年份进行检验，计算出UFk和UBk值，绘制出M-K 统计量UFk和UBk曲线（图3）。年径流量两条曲线在2004年相交后UFk曲线大多在0 以上信度线内，说明年径流量在2004年发生突变后整体呈现不显著上升趋势。年降水量曲线在2010年相交后UFk曲线位于0 以上信度线以外，说明年降水量在2010年发生突变后呈显著上升趋势。径流量与降水量突变发生时间不一致而且突变后变化幅度也不相同，说明除降水影响径流外，人类活动也是非常重要的原因。

图3 黄河流域年径流量、年径流量M-K 突变分析

4.4 降水量和人类活动对径流量影响的定量分析

经过以上分析，可以得出1998-2020年整体上径流量与降水量均呈现上升趋势，但是突变时间以及上升幅度均不相同，说明除降水以外也存在人类活动对径流量产生影响。根据M-K 突变检验得出的以2010年为突变年份，利用累积斜率变化率比较法定量分析降水与人类活动对于径流量的影响程度。

分别将突变点前后径流量与时间以及降水量与时间的关系进行拟合，并绘制出相应的拟合曲线（图4）突变前累积径流量与时间的拟合曲线为：

图4 突变前后累积降水量——年份和累积径流量——年份的拟合曲线

突变后的拟合曲线为：

因此可以计算出累积径流量的斜率变化率为RSR=46.88%（表4）。

表4 黄河流域突变前后累积径流量斜率及其变化率

同期对比，突变前累积降水量与时间的拟合曲线为：

突变后的拟合曲线为

累积降水量的斜率变化率为：RSP=10.70%（表5）。

表5 黄河流域突变前后累积降水量斜率及其变化率

根据公式，降水量变化对于径流的贡献率为4.38%，人类活动对于径流量的影响为95.62%。

5 结束语

对黄河流域1998-2020年径流量与降水量等数据，在采用统计学方法分析径流和降水变化特征的基础上，运用距平累积曲线以及M-K 模型进行突变检验以及变化趋势分析，寻找出突变点发生的时间以及突变前后的变化趋势，利用累计斜率变化率比较法定量分析降水与人类活动对于径流量的影响程度，得到结果为：

（1）黄河流域径流量与降水量变化呈现出明显的阶段性特征，流域降水演变过程以2010年为界限可以分为两个阶段，少水期1998-2009年多年平均降水量为435.34 mm，多水期2010-2020年多年平均降水量为484.81 mm。年径流量分为丰-枯两个阶段，1998-2008年为枯水期，2009-2020年为丰水期。整体上径流量与降水量均呈现上升趋势，且降水量的变化幅度要大于径流量的变化幅度。

（2）经过距平累积曲线以及M-K 趋势检验，可以得出1998-2020年间黄河流域径流量在2004年发生突变，降水量在2010年发生突变，且突变后均呈现上升趋势，其中降水上升趋势明显快于径流量的上升趋势。

（3）在突变检验的基础上，运用累计斜率变化率比较法定量分析人类活动与降水量对于径流的影响程度。结果表明，1998-2020年间，人类活动对径流量影响贡献率为95.62%，降水对径流量的影响贡献率为4.38%。说明黄河流域径流量在增加的过程中人类活动的影响越来越大。

本文分析了1998-2020年黄河流域径流的演变规律以及影响径流量变化的主要因素，探究了降水与人类活动对径流的影响程度，但是并未考虑环境气温、下渗、蒸发等因素，接下来将采用分布式模型进一步量化径流变化及开展原因分析。