王 未,張永勇
(1.中國(guó)科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
徑流情勢(shì)(即流量大小、頻率、歷時(shí)、時(shí)序與變化率)可完整描述徑流過(guò)程的變化[1],直接影響著水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程、水生生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能以及生物多樣性等[2-4]。徑流情勢(shì)自提出以來(lái),已廣泛應(yīng)用于水文-生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)機(jī)制探索[1]、環(huán)境流量評(píng)估[5]、閘壩調(diào)控的水文效應(yīng)[6]等方面。因此徑流情勢(shì)的演變特征及其區(qū)域差異研究對(duì)探索黃河流域水循環(huán)過(guò)程及其伴生的水沙平衡、河道斷流與水資源短缺等水問(wèn)題的成因以及水資源優(yōu)化調(diào)度等具有重要的意義。
目前,關(guān)于黃河流域徑流過(guò)程演變規(guī)律的研究主要關(guān)注徑流量的變化[7-8],而對(duì)徑流情勢(shì)其他指標(biāo)的研究還有待加強(qiáng)。從方法上來(lái)看,大多采用水文模型模擬[8-9]和數(shù)理統(tǒng)計(jì)[10-11]等。水文模型能定量地模擬流域產(chǎn)匯流過(guò)程,但對(duì)資料要求很高,而且對(duì)人類(lèi)活動(dòng)影響的刻畫(huà)還有待進(jìn)一步改進(jìn)[9]。在數(shù)理統(tǒng)計(jì)方面,趨勢(shì)檢驗(yàn)(如Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法)、跳躍分析(如Pettitt檢驗(yàn))以及變化范圍法(RVA)等所需數(shù)據(jù)資料較少,使用簡(jiǎn)單,已被廣泛應(yīng)用于探索徑流情勢(shì)的演變特征和改變程度[10-14]。如王嬌等[10]利用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)方法分析了黃河支流涇河張家山站年徑流量的變化趨勢(shì)。武瑋等[12]采用RVA法評(píng)估了渭河流域的5個(gè)重點(diǎn)控制水文站的徑流情勢(shì)的改變程度。Tian等[14]基于無(wú)定河流域6個(gè)重點(diǎn)控制水文站的徑流觀測(cè)資料,利用RVA法檢測(cè)了33個(gè)徑流情勢(shì)指標(biāo)的改變度。
因此,本文除徑流量外,引入頻率、歷時(shí)和時(shí)序等方面24個(gè)徑流情勢(shì)指標(biāo),對(duì)黃河流域源區(qū)和上、中、下游重點(diǎn)控制站1960-2015年徑流過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致刻畫(huà);采用Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)和RVA法,分析不同區(qū)域典型站點(diǎn)各徑流情勢(shì)指標(biāo)的演變特征,評(píng)估徑流情勢(shì)的改變程度,揭示其區(qū)域差異性。研究將進(jìn)一步豐富和發(fā)展已有黃河流域徑流特征分析成果,也為我國(guó)其他流域徑流情勢(shì)演變特征分析提供參考借鑒。
黃河流域(32° 42°N,96° 119°E)發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山,流域面積79.5×104km2,干流全長(zhǎng)5 464 km,水系發(fā)達(dá)。該流域年降水量的均值約為450 mm,全年的70%的降水量來(lái)自6-10月(汛期),年際波動(dòng)很大。黃河流域也是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)區(qū),農(nóng)業(yè)灌區(qū)主要包括寧夏灌區(qū)(上游)、河套灌區(qū)(中游)和引黃灌區(qū)(下游),枯水年的灌溉需水與供水矛盾尖銳。此外,黃河流域建設(shè)了大量的水利水電工程,對(duì)黃河流域防洪、灌溉和發(fā)電發(fā)揮著重要的作用。近年來(lái),黃河流域下游斷流現(xiàn)象頻繁發(fā)生,中下游徑流量減少,工農(nóng)業(yè)需水量較大,水資源合理調(diào)度的形勢(shì)嚴(yán)峻。黃河流域水系及重點(diǎn)控制水文站、灌區(qū)與水庫(kù)示意圖見(jiàn)圖1。
圖1中所示8個(gè)重點(diǎn)控制水文站包括2個(gè)源區(qū)的站點(diǎn)(黃河沿和唐乃亥站)、2個(gè)上游的站點(diǎn)(蘭州和青銅峽站)、2個(gè)中游的站點(diǎn)(頭道拐和龍門(mén)站)和2個(gè)下游的站點(diǎn)(花園口和利津站)。
圖1 黃河流域的重點(diǎn)控制水文站、灌區(qū)與水庫(kù)示意圖
收集了8個(gè)重點(diǎn)控制水文站1960-2015年共計(jì)56 a的日徑流觀測(cè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河水利委員會(huì)水文局。此外,收集了流域土地利用、大中小型水庫(kù)和灌區(qū)數(shù)據(jù)。土地利用數(shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供,主要分為建設(shè)用地、耕地、荒漠、冰川雪地、沼澤地、草地、水域和林地;水庫(kù)和灌區(qū)數(shù)據(jù)來(lái)源于黃河流域水資源公報(bào)。
唐乃亥-蘭州區(qū)間和龍門(mén)-花園口區(qū)間水庫(kù)總庫(kù)容分別占黃河流域水庫(kù)總庫(kù)容的34.22%和62.11%,水庫(kù)調(diào)控作用較強(qiáng)。而頭道拐-龍門(mén)區(qū)間、龍門(mén)-花園口區(qū)間和花園口-利津區(qū)間的灌區(qū)面積均較大,農(nóng)業(yè)需水量較大。黃河流域灌區(qū)面積與水庫(kù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 黃河流域灌區(qū)面積與水庫(kù)統(tǒng)計(jì)
2.3.1 徑流情勢(shì)指標(biāo) 本文選取了大小、頻率、歷時(shí)和時(shí)序4個(gè)方面共24個(gè)徑流情勢(shì)指標(biāo)用于趨勢(shì)分析和評(píng)估,包括18個(gè)徑流大小指標(biāo)(平均流量14個(gè)、低流量2個(gè)和高流量2個(gè))、2個(gè)徑流事件出現(xiàn)頻次指標(biāo)(低流量1個(gè)和高流量1個(gè))、2個(gè)徑流事件歷時(shí)指標(biāo)(低流量1個(gè)和高流量1個(gè))和2個(gè)徑流事件時(shí)序指標(biāo)(低流量1個(gè)和高流量1個(gè))。24個(gè)徑流情勢(shì)指標(biāo)詳見(jiàn)表2。
表2 黃河流域用于趨勢(shì)分析和評(píng)估的24個(gè)徑流情勢(shì)指標(biāo)
2.3.2 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)方法 本文基于Mann-Kendall檢驗(yàn)法檢測(cè)水文站點(diǎn)徑流情勢(shì)指標(biāo)的變化趨勢(shì)。該方法原理簡(jiǎn)單,計(jì)算方便,且不需要樣本遵從一定的分布[7-9],已廣泛應(yīng)用于水文序列的時(shí)間變化檢驗(yàn)中[10-11]。當(dāng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)Z值滿足|Z|>Z1-α/2時(shí),認(rèn)為序列的變化趨勢(shì)是顯著的。其中α為顯著性水平,一般取5%,Z1-α/2等于1.96。對(duì)于時(shí)間序列X(t)(t=1,2,…,n),其趨勢(shì)估計(jì)量β為:
(1)
(2)
式中:k為徑流情勢(shì)的4個(gè)類(lèi)別(大小、頻率、歷時(shí)和出現(xiàn)時(shí)間),i為某一類(lèi)別第i個(gè)指標(biāo),b和c分別表示基準(zhǔn)期和改變期。
根據(jù)Tan-sigmoid公式[13],將改變率歸一化處理,可得到各指標(biāo)的綜合改變度Dk,i(0≤Dk,i≤1):
(3)
因此徑流情勢(shì)4個(gè)類(lèi)別的改變度Dk的計(jì)算公式如下:
(4)
式中:m為徑流情勢(shì)各類(lèi)別的指標(biāo)總數(shù)。Dk可被劃分為4個(gè)區(qū)間,即[0,0.25)為輕度改變、[0.25,0.50)為中度改變、[0.50,0.75)為重度改變、[0.75,1]為嚴(yán)重改變。取4個(gè)類(lèi)別指標(biāo)改變度的均值,即可得到徑流情勢(shì)的整體改變度D。
3.1.1 黃河源區(qū) 圖2為1960-2015年黃河源區(qū)黃河沿和唐乃亥水文站徑流情勢(shì)指標(biāo)變化趨勢(shì)分析結(jié)果。
注:顯著性水平為5%的臨界值Z=1.96,若|Z|>1.96,以黑色柱體表示,表明有顯著的變化趨勢(shì)。下同。
由圖2可知,黃河源區(qū)黃河沿和唐乃亥站非汛期大部分月份徑流、低流量及其頻率、歷時(shí)和時(shí)序等指標(biāo)無(wú)顯著變化,但其他指標(biāo)的變化趨勢(shì)存在較大差異。從黃河沿站來(lái)看,除6和9月徑流量、年最大徑流量呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)外,徑流量其他指標(biāo)、徑流事件出現(xiàn)頻次、歷時(shí)和時(shí)序等指標(biāo)均無(wú)明顯變化。唐乃亥站大多數(shù)徑流量指標(biāo)呈現(xiàn)減少趨勢(shì),其中統(tǒng)計(jì)顯著的指標(biāo)有5月和8-11月徑流量及高流量,最大減幅為8.38 m3/(s·a)(9月);高流量頻率和歷時(shí)均顯著減少,而低流量頻率及歷時(shí)變化并不顯著;時(shí)序指標(biāo)無(wú)顯著變化。
3.1.2 黃河上游 圖3為1960-2015年黃河上游蘭州和青銅峽水文站徑流情勢(shì)指標(biāo)趨勢(shì)分析結(jié)果。由圖3可知,黃河上游蘭州和青銅峽站汛期的7-9月徑流量顯著減少,徑流過(guò)程趨于平緩;年最大徑流、高流量及其歷時(shí)、年徑流變差系數(shù)也顯著減少。具體表現(xiàn)為:蘭州站汛期月徑流最大減幅發(fā)生在7月,為14.73 m3/(s·a);在非汛期顯著增多的月份為3-5月和11月;此外,低流量顯著增長(zhǎng),增幅為2.57 m3/(s·a),但年最小徑流變化并不顯著;低流量出現(xiàn)頻次和高流量歷時(shí)顯著減少;時(shí)序指標(biāo)無(wú)顯著變化。青銅峽站汛期月徑流最大減幅也出現(xiàn)在7月,為16.07 m3/(s·a),非汛期1、2和12月徑流量顯著增加;低流量和高流量頻率均無(wú)顯著變化;高流量歷時(shí)顯著減少;年最小流量出現(xiàn)時(shí)間顯著推遲。
圖3 1960-2015年黃河上游蘭州和青銅峽水文站徑流情勢(shì)指標(biāo)趨勢(shì)分析結(jié)果
3.1.3 黃河中游 圖4為1960-2015年黃河中游頭道拐和龍門(mén)水文站徑流情勢(shì)指標(biāo)趨勢(shì)分析結(jié)果。由圖4可知,黃河中游頭道拐和龍門(mén)站徑流總量呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì),其中汛期大部分月份徑流量顯著減少,非汛期大部分月份徑流量無(wú)明顯變化,徑流過(guò)程趨于平緩,而年最大徑流量、高流量及其頻率與歷時(shí)、徑流變差系數(shù)顯著減小,年最大徑流量出現(xiàn)時(shí)間顯著移前。具體表現(xiàn)為:頭道拐站7、8、10和11月徑流量銳減,其中變幅最大出現(xiàn)在10月份,減小趨勢(shì)值為19.19 m3/(s·a),3月徑流量顯著增加,其他月份無(wú)顯著變化;最大徑流量和高流量顯著減少;高流量出現(xiàn)頻次、歷時(shí)也均呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì);年最大徑流量出現(xiàn)時(shí)間顯著提前。龍門(mén)站與頭道拐站明顯不同的是9月徑流量顯著減少;年最小徑流量和低流量也顯著減少,減少趨勢(shì)值分別為1.08 和2.4 m3/(s·a);低流量出現(xiàn)頻次與歷時(shí)顯著增加。
圖4 1960-2015年黃河中游頭道拐和龍門(mén)水文站徑流情勢(shì)指標(biāo)趨勢(shì)分析結(jié)果
3.1.4 黃河下游 圖5為1960-2015年黃河下游花園口和利津水文站徑流情勢(shì)指標(biāo)趨勢(shì)分析結(jié)果。
圖5 1960-2015年黃河下游花園口和利津水文站徑流情勢(shì)指標(biāo)趨勢(shì)分析結(jié)果
由圖5可知,黃河下游花園口和利津站大部分徑流情勢(shì)指標(biāo)均呈現(xiàn)顯著減少趨勢(shì),特別是年徑流量、大部分月徑流量、最大徑流量、高流量及其出現(xiàn)頻次和歷時(shí)以及最大徑流出現(xiàn)時(shí)間等。具體表現(xiàn)為:花園口站月徑流量減少最顯著的月份為9月,減小趨勢(shì)值為42.31 m3/(s·a);高流量也顯著減少,減小趨勢(shì)值為35.28 m3/(s·a);但最小徑流量顯著增加,增幅趨勢(shì)為3.15 m3/(s·a);最大徑流量出現(xiàn)時(shí)間提前而最小徑流量出現(xiàn)時(shí)間推遲,且統(tǒng)計(jì)值均為顯著。利津站月徑流量減少幅度最大也出現(xiàn)在9月,減小趨勢(shì)值為50.72 m3/(s·a);高流量減少更加顯著,減幅趨勢(shì)為55.24 m3/(s·a);低流量也顯著減少;最大流量出現(xiàn)時(shí)間顯著提前。
1960-2015年黃河流域各重點(diǎn)控制水文站徑流情勢(shì)突變分析結(jié)果如圖6所示,各重點(diǎn)控制水文站的徑流情勢(shì)指標(biāo)改變度如圖7和表3所示。根據(jù)圖6、7和表3分別對(duì)1960-2015年黃河流域源區(qū)和上、中、下游各重點(diǎn)控制水文站的徑流情勢(shì)突變年份及指標(biāo)改變度進(jìn)行分析。
注:箱形圖的上、中、下3個(gè)邊分別為第25%、均值和第75%;灰色點(diǎn)為每個(gè)指標(biāo)的突變年份,共計(jì)24個(gè)指標(biāo)。
注:每個(gè)柵格的顏色對(duì)應(yīng)所在站點(diǎn)的對(duì)應(yīng)指標(biāo)的改變度(Dk,i)
表3 黃河流域各水文站點(diǎn)徑流情勢(shì)的改變程度
3.2.1 黃河源區(qū) 源區(qū)黃河沿和唐乃亥站徑流情勢(shì)突變年份分別為1991和 1990年。徑流情勢(shì)的整體改變度均為中度改變,其中大小和時(shí)序指標(biāo)主要發(fā)生輕度或中度改變,頻率和歷時(shí)指標(biāo)發(fā)生中度或重度改變。
黃河沿站的整體改變度為0.405;徑流事件出現(xiàn)頻次的改變度最大(0.579),為重度改變,特別是高流量頻率和低流量頻率的改變度分別為0.571和0.587;而徑流量大小、歷時(shí)和時(shí)序?yàn)橹卸雀淖?,其?-6月徑流量為重度改變。通過(guò)對(duì)比1980和2015年兩期土地利用數(shù)據(jù),黃河沿站以上區(qū)域草地退化了700 km2,占該區(qū)域面積的3.32%,荒漠面積增加了684 km2,占該區(qū)域面積的3.25%。該區(qū)域草場(chǎng)退化等可能是徑流情勢(shì)改變的重要原因之一。
唐乃亥站的整體改變度為0.309。徑流事件歷時(shí)的改變度最大(0.556),為重度改變,其中高流量歷時(shí)和低流量歷時(shí)的改變度分別為0.581和0.532;出現(xiàn)頻率為中度改變(0.347),其中高流量頻率為重度改變(0.507);而徑流量大小和時(shí)序只發(fā)生輕度改變。黃河沿-唐乃亥區(qū)域土地利用變化沒(méi)有黃河沿以上區(qū)域顯著,徑流情勢(shì)的改變度略小于黃河沿站,但區(qū)域內(nèi)凍土退化嚴(yán)重,土壤深層滲漏量和蒸發(fā)量逐漸增加[15],高流量歷時(shí)顯著減少(圖2),徑流情勢(shì)的歷時(shí)發(fā)生重度改變。
3.2.2 黃河上游 上游蘭州站和青銅峽站徑流情勢(shì)的突變年份分別為1983和1985年。徑流情勢(shì)整體改變度雖然仍為中度,但其數(shù)值比源頭地區(qū)有明顯增大,其中徑流量大小、頻率、歷時(shí)和時(shí)序均發(fā)生了中度或重度改變,可能與黃河上游地區(qū)人類(lèi)活動(dòng)影響有關(guān)。
蘭州站徑流情勢(shì)整體改變度為0.475;徑流事件出現(xiàn)頻次和歷時(shí)的改變度為0.517和0.623,屬于重度改變,特別是高流量歷時(shí)發(fā)生嚴(yán)重改變(0.896);而徑流量大小和出現(xiàn)時(shí)間發(fā)生中度改變,其中最大流量的出現(xiàn)時(shí)間改變度最大,為0.535。蘭州站徑流事件出現(xiàn)頻次和歷時(shí)的明顯改變可能與這一區(qū)域內(nèi)水庫(kù)防洪調(diào)度有關(guān)。該區(qū)域水庫(kù)總庫(kù)容為304.27×108m3,占多年徑流量的99%,水庫(kù)對(duì)徑流情勢(shì)的調(diào)控極為顯著(表1)。
青銅峽站的徑流情勢(shì)整體改變度為0.429;徑流事件歷時(shí)的改變度最大(0.565),為重度改變,其中高流量歷時(shí)發(fā)生嚴(yán)重改變(0.921);徑流量大小、頻率和出現(xiàn)時(shí)間發(fā)生中度改變,其中年最大流量的改變度最大(0.772)。青銅峽站控制區(qū)域水庫(kù)庫(kù)容為8.14×108m3(表1),水庫(kù)調(diào)控作用小于蘭州站,所以徑流情勢(shì)總體的改變度小于蘭州站。但區(qū)域內(nèi)的寧夏引黃灌區(qū)年引黃水量大約為30×108m3[16],也會(huì)影響徑流情勢(shì)的大小、出現(xiàn)頻次和歷時(shí)。
3.2.3 黃河中游 中游頭道拐站和龍門(mén)站徑流情勢(shì)的突變年份分別為1988和1989年。徑流情勢(shì)整體改變度為中度改變及以上,其中徑流量大小、頻率、歷時(shí)和時(shí)序受到中度或重度改變,受人類(lèi)活動(dòng)影響較大。
頭道拐站整體改變度為中度改變(0.360),其中1月份徑流量和年徑量流分別發(fā)生重度改變(0.741)和嚴(yán)重改變(0.763)。青銅峽-頭道拐站區(qū)域沒(méi)有修建水庫(kù),徑流情勢(shì)的改變度小于黃河上游,但該區(qū)域的河套灌區(qū)引黃灌溉在一定程度上改變了徑流情勢(shì)[17]。
龍門(mén)站徑流情勢(shì)的整體改變度為重度改變(0.529);徑流事件歷時(shí)的改變度最大(0.724),為重度改變,其中高流量歷時(shí)發(fā)生嚴(yán)重改變(0.814);徑流量大小、頻率和出現(xiàn)時(shí)間受到中度改變,其中10月徑流、低流量頻率、高流量頻率和年最大流量出現(xiàn)時(shí)間的改變度較大。龍門(mén)站控制區(qū)域內(nèi)灌區(qū)面積是河套灌區(qū)的2倍(表1),灌溉引水量更大。此外,水土保持措施[7]和區(qū)域內(nèi)大量采礦[18]等因素使龍門(mén)站徑流情勢(shì)的改變度高于黃河源區(qū)和上游。
3.2.4 黃河下游 下游花園口站和利津站徑流情勢(shì)的突變年份分別為1987和1986年。徑流情勢(shì)的整體改變度為中度改變及以上,其中徑流量大小、頻率、歷時(shí)和時(shí)序主要受到中度或重度改變,也受人類(lèi)活動(dòng)影響極大。
花園口站徑流情勢(shì)的整體改變度為中度改變(0.446);徑流事件的出現(xiàn)頻次和歷時(shí)的改變度較大,為重度改變,其中高流量頻率發(fā)生嚴(yán)重改變(0.785);其大小和出現(xiàn)時(shí)間發(fā)生中等改變,其中8月徑流量改變度最大,為0.614?;▓@口站控制區(qū)域水庫(kù)庫(kù)容為552.33×108m3(表1),水庫(kù)調(diào)控作用顯著,徑流情勢(shì)的改變度與蘭州站相仿。
利津站徑流情勢(shì)發(fā)生全面改變,整體改變度為重度改變(0.729),其歷時(shí)的改變度最大(0.772),為嚴(yán)重改變,其中高流量頻率的改變度為0.859;其大小、頻率和出現(xiàn)時(shí)間受到重度改變,大部分指標(biāo)的改變度大于0.7。利津站徑流情勢(shì)的改變度遠(yuǎn)大于其他站點(diǎn),部分年份完全斷流,主要是由于花園口下游的引黃灌區(qū)需水量較大[19],過(guò)度用水加劇了徑流情勢(shì)的惡化。
本文系統(tǒng)分析了1960-2015年黃河流域重點(diǎn)站點(diǎn)徑流量和徑流事件出現(xiàn)頻次、歷時(shí)及出現(xiàn)時(shí)間等徑流情勢(shì)指標(biāo)的時(shí)間變化趨勢(shì),并評(píng)估了各站點(diǎn)徑流情勢(shì)指標(biāo)的改變度,主要結(jié)論如下:
(1)除源區(qū)黃河沿站外,其他站點(diǎn)的大部分徑流情勢(shì)指標(biāo)的變化趨勢(shì)為下降。唐乃亥站徑流量在汛期大部分月份均呈現(xiàn)減小的趨勢(shì),高流量及其頻率與歷時(shí)顯著減少;上、中、下游站點(diǎn)汛期大部分月份的徑流量、年最大徑流量、高流量及其歷時(shí)均顯著減少。另外,上游年最小徑流量出現(xiàn)時(shí)間有所推遲;中游高流量頻率顯著減小,最大流量的出現(xiàn)時(shí)間顯著移前;下游幾乎所有月份的徑流量均顯著減小,高流量頻率顯著減小,最大徑流量出現(xiàn)時(shí)間顯著提前。
(2)黃河流域各水文站點(diǎn)的徑流情勢(shì)發(fā)生全面改變,整體改變度在中度及以上,其中徑流事件出現(xiàn)頻次和歷時(shí)的改變度最大。源區(qū)的徑流情勢(shì)總體上發(fā)生中度改變,上、中、下游站點(diǎn)徑流情勢(shì)4個(gè)類(lèi)別指標(biāo)均發(fā)生中度及以上改變,上游和下游控制區(qū)域的整體改變度大于中游,其中利津站發(fā)生重度改變,龍門(mén)站次之。
本文利用多維度徑流情勢(shì)指標(biāo),深入分析了黃河流域各區(qū)域的徑流過(guò)程整體變化特征,并評(píng)估了其改變度。今后還需要加強(qiáng)氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)等因素對(duì)各區(qū)域徑流情勢(shì)變化的影響分析和貢獻(xiàn)量化方面的研究。