變化環(huán)境下近60年來(lái)中國(guó)北方江河實(shí)測(cè)徑流量及其年內(nèi)分配變化特征

王樂(lè)揚(yáng)， 李清洲， 王金星， 姜彤， 劉翠善， 王艷君

(1.南京信息工程大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044； 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利工程學(xué)院，山東 泰安 271018；3.水利部信息中心，北京 100142； 4.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

以全球氣候變化和經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展為特征的環(huán)境變化對(duì)區(qū)域水文循環(huán)具有重要的影響[1-2]。20世紀(jì)以來(lái)，全球氣候持續(xù)性顯著變暖，世界前200條大的河流中有三分之一河流的徑流量表現(xiàn)出顯著增加或減小的趨勢(shì)[3]，對(duì)區(qū)域水資源產(chǎn)生一定的影響[4]。人口增加和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展對(duì)水資源量的需求日益增多，進(jìn)而導(dǎo)致水資源供需矛盾不斷加劇[5-6]。河川徑流是重要的地表水資源，也是維持河流生態(tài)和區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵性因素，河川徑流量減少會(huì)嚴(yán)重制約經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展[7]。

河川徑流變化直接關(guān)系到流域水資源狀況，因此，其變化特征一直是流域管理者和水文學(xué)者關(guān)注和研究的核心內(nèi)容[8-12]。海河流域是中國(guó)的政治文化中心，受大規(guī)模人類(lèi)活動(dòng)影響，近50年來(lái)實(shí)測(cè)徑流量減少60%以上[8]。馮禹昊對(duì)遼河流域的分析結(jié)果表明，遼河實(shí)測(cè)徑流量自20世紀(jì)70年代以來(lái)減少明顯[9]。汪雪格等采用Mann-Kendall方法檢測(cè)了松花江流域?qū)崪y(cè)徑流量的演變趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)徑流量整體呈現(xiàn)非顯著性減少趨勢(shì)[10]。張建云等對(duì)中國(guó)六大流域1950—2006年實(shí)測(cè)徑流量的變化趨勢(shì)研究發(fā)現(xiàn)南方河流徑流量變化不大，北方河流徑流量減少明顯[12]。田蕾等對(duì)遼河近60年徑流變化成因分析認(rèn)為，實(shí)測(cè)徑流量的變化與人類(lèi)活動(dòng)關(guān)系密切[13]。觀測(cè)資料和目前已有研究表明，在過(guò)去的幾十年，河川徑流已經(jīng)發(fā)生了不同程度的變化，并對(duì)水資源開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[14-16]。在上述徑流演變特征分析中，所采用的方法包括Spearman方法、雙累積曲線法、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法、滑動(dòng)平均方法等多種[17-19]，其中，Man-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法具有檢驗(yàn)范圍寬、受人為影響小的特點(diǎn), 是目前趨勢(shì)檢驗(yàn)方法中應(yīng)用較多且具有理論基礎(chǔ)的一種方法[18]。

中國(guó)水資源南多北少，北方黃淮海流域以全國(guó)7%的水資源量支撐了超過(guò)30%的耕地、人口、和GDP。然而，已有研究多以單一流域?yàn)閷?duì)象分析徑流變化及其原因，對(duì)近10年來(lái)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展期間我國(guó)水資源短缺與北方江河徑流變化的脆弱性的整體認(rèn)識(shí)相對(duì)欠缺，科學(xué)認(rèn)識(shí)我國(guó)北方江河徑流量的演變態(tài)勢(shì)對(duì)我國(guó)水資源節(jié)約與保護(hù)尤為重要[7]。本文根據(jù)我國(guó)北方黃河、海河、遼河和松花江代表性水文站的實(shí)測(cè)徑流量資料，采用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法，初步分析了近60年來(lái)實(shí)測(cè)徑流量的演變趨勢(shì)，以期為今后河流的開(kāi)發(fā)治理提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

以中國(guó)北方松花江、遼河、海河和黃河為研究對(duì)象，系統(tǒng)收集了6個(gè)重點(diǎn)水文站(唐乃亥、花園口、石匣里、觀臺(tái)、鐵嶺、哈爾濱)1955—2018年實(shí)測(cè)徑流量資料，表1給出了各水文站的基本信息。

由表1可以看出：①大多數(shù)水文站總體控制了研究流域的面積，例如，花園口水文站控制面積730 036 km2，占黃河流域面積的95%以上。②各個(gè)水文站實(shí)測(cè)徑流量年際變化程度不同，哈爾濱站實(shí)測(cè)徑流量年際變化相對(duì)較小，Cv值為0.372 8；海河流域?qū)崪y(cè)徑流量年際變化懸殊，石匣里和觀臺(tái)兩個(gè)水文站測(cè)得的年徑流量的Cv值超過(guò)了1。③徑流量差異大，松花江平均年徑流量超過(guò)100 mm；而海河石匣里站年徑流量只有15.37 mm，不到松花江流域的1/6，特別是在1980年之后，徑流量常常趨近于0 mm，長(zhǎng)時(shí)間處于枯水狀態(tài)。

表1 中國(guó)北方主要江河及重點(diǎn)水文站基本信息

1.2 研究方法

2 結(jié)果與討論

2.1 中國(guó)北方主要江河實(shí)測(cè)徑流量演變趨勢(shì)

圖1給出了中國(guó)北方主要江河6個(gè)重點(diǎn)水文站1955—2018年實(shí)測(cè)年徑流量過(guò)程，且采用Mann-Kendall方法診斷了年和季節(jié)徑流量變化趨勢(shì)的顯著性，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 中國(guó)北方主要江河重點(diǎn)水文站1955—2018年實(shí)測(cè)年徑流量過(guò)程

由圖1可以看出：①所有水文站年徑流量均呈現(xiàn)出不同程度的減少趨勢(shì)；②相比而言，黃河唐乃亥站年徑流量變化趨勢(shì)不明顯，其年代際特別表現(xiàn)為先增加、然后減少、最后再增加的態(tài)勢(shì)，其中20世紀(jì)90年代是一個(gè)相對(duì)較枯的時(shí)期；③海河石匣里和觀臺(tái)站年徑流量下降趨勢(shì)劇烈，特別是在1980年之后多數(shù)年份的徑流量接近于0 mm。

表2 中國(guó)北方主要江河重點(diǎn)水文站實(shí)測(cè)徑流量演變趨勢(shì)診斷

注：表中黃色部分代表顯著性減少趨勢(shì)，綠色部分代表增加趨勢(shì)。

由表2可以看出：①所有水文站年徑流量系列的M-K值均小于0，年徑流量系列的傾向率均為負(fù)，說(shuō)明在過(guò)去60年間中國(guó)北方河流的年徑流量均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；其中，除黃河唐乃亥站之外的其他水文站年徑流量系列的M-K值均小于置信水平為0.05時(shí)的閾值-1.96，年徑流量呈顯著性減少趨勢(shì)。②黃河花園口站、海河石匣里站和觀臺(tái)站以及松花江哈爾濱站季節(jié)徑流量系列的M-K值均為負(fù)，說(shuō)明季節(jié)徑流量均呈現(xiàn)一致性減少趨勢(shì)；其中，海河流域所有季節(jié)徑流量變化趨勢(shì)均超過(guò)置信水平0.05的顯著性檢驗(yàn)；黃河花園口站只有春季徑流量呈非顯著性減少趨勢(shì)，其余季節(jié)徑流量減少趨勢(shì)顯著；松花江哈爾濱站春、秋徑流量呈顯著性減少趨勢(shì)，夏、冬徑流量呈非顯著性減少趨勢(shì)。③黃河唐乃亥站和遼河鐵嶺站季節(jié)徑流量有增有減；其中，唐乃亥站冬季徑流量呈非顯著增加趨勢(shì)，其余3個(gè)季節(jié)徑流量呈非顯著性減少趨勢(shì)；遼河鐵嶺站夏、秋季節(jié)徑流量呈顯著性減少趨勢(shì)，而冬、春季節(jié)徑流量呈非顯著性增加趨勢(shì)。

2.2 1980年以來(lái)不同時(shí)段實(shí)測(cè)徑流量的變化及其年內(nèi)分配

為探究1980年以來(lái)實(shí)測(cè)徑流量的變化情況，將1955—1979年作為基準(zhǔn)期，將1980—1999年和2000—2018年作為對(duì)比期，分析各個(gè)水文站實(shí)測(cè)年徑流量較基準(zhǔn)期的變化和實(shí)測(cè)徑流量年內(nèi)分配較基準(zhǔn)期的變化，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出：①1980—1999年，黃河唐乃亥站和松花江哈爾濱站實(shí)測(cè)徑流量較基準(zhǔn)期的分別偏多2.0%和8.7%，其余各站實(shí)測(cè)徑流量均較基準(zhǔn)期的偏少；其中海河流域的兩個(gè)水文站的偏少較多，均超過(guò)65%；其次為黃河花園口站，約偏少25.8%。②21世紀(jì)以來(lái)的近20年，所有各站實(shí)測(cè)徑流量較基準(zhǔn)期均偏低；其中黃河上游唐乃亥站的實(shí)測(cè)徑流量偏低約7.9%，松花江哈爾濱站的偏少26.6%，其余各站實(shí)測(cè)徑流量減少幅度均超過(guò)40%；海河流域的減少幅度最大，超過(guò)80%。③就1980年以來(lái)的徑流量變化而言，松花江和遼河變化最大；哈爾濱站實(shí)測(cè)徑流量由1980—1999年的偏多8.7%變化為2000—2018年的偏少26.6%，變化幅度為35.3%；而鐵嶺站的變化幅度由偏少6.9%變?yōu)槠?4.4%，變幅(37.5%)也超過(guò)了35%。

圖2 1980—1999年和2000—2018年各水文站實(shí)測(cè)年徑流量較基準(zhǔn)期的變化

圖3給出了1980—1999年和2000—2018年各水文站不同時(shí)期徑流量較基準(zhǔn)期變化的年內(nèi)分配情況，由圖3可以得到如下結(jié)論。

1)黃河上游唐乃亥站：在1980—1999年，唐乃亥站有5個(gè)月份徑流量較基準(zhǔn)期的偏多，其中，5—7月份偏多較大，特別是6月份偏多超過(guò)20%；另外3個(gè)偏多的月份分別為2、5和12月，偏多均不到4%；該期間，唐乃亥站減少的月份主要集中在8—11月份，均偏少5%左右，1、3、4月份偏少均不到3.5%。21世紀(jì)以來(lái)，唐乃亥站大多數(shù)月份的徑流量持續(xù)減少，與基準(zhǔn)期的相比，4、5月份和8—11月份徑流量偏少均超過(guò)5%，其中，4—5月份和8—9月份徑流量減少均超過(guò)10%；在該時(shí)期內(nèi)，只有2、6、7、12月份徑流量較基準(zhǔn)期的略微偏多；但值得注意的是，12月份徑流量持續(xù)偏多，這可能與全球氣溫升高、黃河上游冰雪融化有一定的關(guān)系。

2)黃河花園口站：在1980—1999年和2000—2018年徑流量都有較大幅度的減少，平均減少幅度分別達(dá)到25.8%和42.9%。1980—1999年僅在2月份有所增加，在4—11月份減少幅度均超過(guò)30%，其中11月份減少幅度最大，為46%。在2000—2018年期間，只有6月份徑流量有較大增加，達(dá)到了60.6%，其余月份均明顯減少，其中8—11月減少幅度均超過(guò)50%。21世紀(jì)初期以來(lái)，黃河水利委員會(huì)每年均利用小浪底等水庫(kù)開(kāi)展調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)，通過(guò)加大泄流量以期達(dá)到?jīng)_刷河床、增大河道過(guò)流能力的目的，這是2000年之后6月份徑流量增多的主要原因。

3)海河石匣里站和觀臺(tái)站：兩站所有月份實(shí)測(cè)徑流量在1980年之后的兩個(gè)對(duì)比時(shí)期均較基準(zhǔn)期的大幅度減少。相比而言，石匣里站各月徑流量減少幅度相對(duì)較為一致，在1980—1999年期間，降幅在70%左右；2000年之后的前9個(gè)月，徑流量減少幅度在90%左右，后3個(gè)月徑流量減幅在80%左右。觀臺(tái)站非汛期徑流量減少幅度更大；在汛期月份減少幅度相對(duì)較小，但也超過(guò)60%。

4)遼河鐵嶺站：1980—1999年徑流量相較之前略有減少，在1、2、5月份徑流量有較大增加，增幅均超過(guò)30%，其余月份徑流量均減少。在2000—2018年期間，1、2月份徑流量有很大的增加，增加率達(dá)到了130.7%和143.0%；4月和6—11月有較大幅度的減少，減少幅度都在50%左右。

5)松花江哈爾濱站：在1980—1999年徑流量相較之前的有所增加，主要體現(xiàn)在8、9月份徑流量有較大的增加，增幅分別為40.2%和25.0%；但在4—6月都有所減少，其中6月份徑流量減少最多，達(dá)到了26.4%。2000—2018年期間，徑流量?jī)H在2、3月份有5%左右的增加量，其余月份徑流量均減少；其中10月份徑流量減少最多，達(dá)到了46.5%。

圖3 1980—1999年和2000—2018年各水文站實(shí)測(cè)徑流量較基準(zhǔn)期變化的年內(nèi)分配

2.3 結(jié)果討論

流域下墊面環(huán)境和強(qiáng)人類(lèi)活動(dòng)是流域水文過(guò)程發(fā)生變化的重要原因，人類(lèi)活動(dòng)通過(guò)改變降水-徑流關(guān)系進(jìn)而對(duì)河川徑流量產(chǎn)生一定的影響。以黃河花園口站為例，圖4給出了不同時(shí)間段黃河流域降水與徑流之間的關(guān)系。

圖4 變化環(huán)境下不同時(shí)期黃河流域年降水量與花園口站徑流量之間的關(guān)系

由圖4可以看出，黃河流域3個(gè)時(shí)期的點(diǎn)群較為分散，特別是2000—2018年的點(diǎn)群明顯偏低，表明在同樣降水條件下流域的產(chǎn)流量明顯偏小，說(shuō)明由于流域內(nèi)人類(lèi)活動(dòng)的作用，流域水文情勢(shì)發(fā)生明顯變化，這與前述黃河花園口站徑流量銳減的診斷結(jié)果和目前已有的研究結(jié)論總體一致[11,15]。

張建云等[12]研究了中國(guó)主要江河1951—2006年徑流量的變化，其研究結(jié)果表明：1980年以來(lái)，黃河花園口站年徑流量較前期減少33%，海河觀臺(tái)站和石匣里站徑流量減少77%左右，遼河鐵嶺站減少約31%，松花江哈爾濱站減少2.5%。而本文分析發(fā)現(xiàn)：21世紀(jì)以來(lái)，松花江哈爾濱站的徑流量較1980年之前基準(zhǔn)期的減少26.6%，遼河鐵嶺站和黃河花園口站徑流量減少超過(guò)40%，海河觀臺(tái)站和石匣里站分別減少82.5%和90.2%，均高于文獻(xiàn)[12]的分析結(jié)果。這充分說(shuō)明，在近十幾年內(nèi)，由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)和工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的需求進(jìn)一步增大，其對(duì)河川徑流的影響也進(jìn)一步加劇[6]。 然而，水資源南多北少是中國(guó)水資源的自然稟賦，如何以水資源為剛性約束保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展是水資源管理必須考慮的重要問(wèn)題[20]。

3 結(jié)論

1)在1955—2018年，中國(guó)北方主要江河實(shí)測(cè)徑流量都呈現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)。其中，黃河上游唐乃亥站實(shí)測(cè)徑流量為非顯著性減少；其余各站的為顯著性減少，特別是海河流域，實(shí)測(cè)徑流量減少趨勢(shì)最為明顯。

2)與基準(zhǔn)期1956—1979年相比，2000—2018年期間海河流域?qū)崪y(cè)徑流量減少幅度最大，約80%～90%。其次為遼河鐵嶺站和黃河花園口站的，分別減少44%和42%。松花江哈爾濱站的減少幅度為26.6%。

3)在兩個(gè)對(duì)比時(shí)期1980—1999年和2000—2018年，海河流域每個(gè)月份的平均實(shí)測(cè)徑流量均小于基準(zhǔn)期的，其余站點(diǎn)主汛期月徑流量大多小于基準(zhǔn)期相應(yīng)月份的徑流量，而非汛期徑流量有增有減，但是以減少為主。

4)環(huán)境變化對(duì)中國(guó)北方主要河流降水-徑流關(guān)系產(chǎn)生一定的影響；同樣降水條件下，21世紀(jì)以來(lái)的河川徑流量明顯偏少，人類(lèi)活動(dòng)是中國(guó)北方主要江河徑流變化的重要原因之一。