1969-2018年黃河實(shí)測(cè)徑流與天然徑流的變化

于海超, 張 揚(yáng), 馬金珠, 郭嘉兵, 陳沛源

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000)

黃河是中國(guó)北方地區(qū)的重要水源，以其占全國(guó)2%的徑流量承擔(dān)了全國(guó)15%耕地和12%人口的用水需求[1]，被喻為沿黃地區(qū)的生命線[2-3]，然而近年來，隨著黃河流域工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅速發(fā)展，人口急劇增長(zhǎng)，加之氣候變化的影響，黃河流域徑流量發(fā)生了顯著改變[4-7]，甚至斷流現(xiàn)象增加[8]，這也引起了許多學(xué)者對(duì)于黃河流域徑流量變化的關(guān)注。其中，鮑振鑫等[9]指出黃河自1956年以來，其徑流量除源區(qū)外，整體呈顯著下降趨勢(shì)；馬柱國(guó)[10]指出黃河徑流量從20世紀(jì)80年代開始呈減少趨勢(shì)，且下游比上游減少更顯著；張國(guó)宏等[11]通過對(duì)黃河流域環(huán)境因子的分析，發(fā)現(xiàn)黃河徑流量變化與氣溫和降水均有較好的相關(guān)性。但是，目前對(duì)黃河徑流量的分析大部分集中在實(shí)測(cè)徑流，而對(duì)其天然徑流研究還相對(duì)較少，天然徑流量是指在沒有人類活動(dòng)影響的情況下河流出口斷面的徑流量，即天然徑流量主要包括實(shí)測(cè)徑流量和人類活動(dòng)影響的徑流量?jī)刹糠諿12-13]，其變化同樣是沿黃地區(qū)合理利用黃河水資源的基礎(chǔ)，另外，其與實(shí)測(cè)徑流量的差值變化可以反映人類活動(dòng)為主的幾個(gè)因子對(duì)黃河水資源的調(diào)配情況。因此，本文選取1969—2018年黃河干流8個(gè)水文站的天然徑流與實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，對(duì)比分析二者的多年變化規(guī)律，并結(jié)合近15 a黃河各分區(qū)耗水?dāng)?shù)據(jù)，分析其近年來各段受人為活動(dòng)影響的程度，以期探討影響黃河徑流量變化的人類活動(dòng)要素，研究結(jié)果可為黃河流域合理開發(fā)利用水資源，制定水資源規(guī)劃和決策提供科學(xué)的指導(dǎo)價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

黃河是中國(guó)第二大河，自西向東經(jīng)過9省(區(qū))，流經(jīng)中國(guó)青藏高原、黃土高原和內(nèi)蒙古高原以及華北平原，最終于山東省墾利縣流入渤海[14-15]，干流全長(zhǎng)5 464 km，流域面積7.95×105km2(包括內(nèi)流區(qū)面積4.20×104km2)，氣候區(qū)由上游到下游依次為干旱區(qū)、半干旱區(qū)和半濕潤(rùn)區(qū)，流域大部分地區(qū)年降水量在200～650 mm之間，流域蒸發(fā)能力強(qiáng)，年水面蒸發(fā)量達(dá)1 100 mm[9,16]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會(huì)的1969—2018年黃河干流8個(gè)水文站(依次為上游的唐乃亥、蘭州、頭道拐水文站，中游的龍門、三門峽、花園口水文站以及下游的高村、利津水文站)實(shí)測(cè)徑流和還原的天然徑流數(shù)據(jù)以及2003—2017年流域各分區(qū)耗水量。其中，蘭州、花園口、利津分別為上、中、下游的代表站，各水文站控制面積見表1。

表1 黃河各水文站控制面積

2.2 方 法

(1) Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法。使用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析徑流的多年變化趨勢(shì)。該法是當(dāng)前廣泛使用的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法。若統(tǒng)計(jì)量Z為正值，表明呈增加趨勢(shì)，若為負(fù)值，則呈減少趨勢(shì)，同時(shí)根據(jù)Z值大小確定顯著性水平[17]。

(2) Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法。采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法進(jìn)行徑流的趨勢(shì)突變檢驗(yàn)。該方法是在Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種方法，可以確定變化趨勢(shì)突變的時(shí)間，計(jì)算方法如下[18]：

構(gòu)造一秩序列(n個(gè)樣本)：

(1)

式中：

(2)

假定時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立，定義統(tǒng)計(jì)量UFk

(3)

利用公式(3)計(jì)算出逆序時(shí)間的UBk，UF和UB 2條曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變時(shí)間。

(3) 天然徑流量還原計(jì)算方法。天然徑流量主要由實(shí)測(cè)徑流量、地表水耗水量和蓄變量等還原計(jì)算得到，其中地表水耗水量是指地表水取水量扣除其回歸到黃河干、支流河道后的水量，在2003年前分為4類(農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村人畜)，2003年后則劃分為6類(農(nóng)田灌溉、林牧漁畜、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、居民生活、生態(tài)環(huán)境)，本研究結(jié)合2003年后的各分區(qū)耗水情況，分析近15 a人類活動(dòng)對(duì)天然徑流和實(shí)測(cè)徑流的影響。天然徑流量還原見下式(4)—(5)[19]：

W天然=W實(shí)測(cè)+W耗水+W蓄變

(4)

W耗水=W農(nóng)+W林+W工+W城+W居+W生

(5)

式中：W天然為天然徑流量，W實(shí)測(cè)為實(shí)測(cè)徑流量，W耗水為地表水耗水量，W蓄變?yōu)榈乇硭钭兞?W農(nóng)，W林，W工，W城，W居，W生分別為農(nóng)田灌溉、林牧漁畜、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、居民生活和生態(tài)環(huán)境耗水量;所有耗水量單位均為108m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 多年實(shí)測(cè)徑流和天然徑流趨勢(shì)變化

3.1.1 多年實(shí)測(cè)徑流量趨勢(shì)分析 黃河1969—2018年上中下游多年實(shí)測(cè)徑流變化均呈降低趨勢(shì)(見圖1)，對(duì)8個(gè)水文站多年實(shí)測(cè)徑流變化趨勢(shì)進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)(見表2)，除上游唐乃亥和蘭州站減少速率較緩?fù)猓溆喔髡揪黠@減少，且通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。其中，以蘭州、花園口、利津3個(gè)代表水文站為例，多年平均降低速率分別為5.10×107,3.55×108,4.13×108m3/a。同時(shí)，利津站變差系數(shù)Cv值為0.53，較蘭州和花園口站大，表明下游實(shí)測(cè)徑流年際變化幅度較大。

圖1 1969-2018年黃河上中下游各站實(shí)測(cè)徑流變化

表2 1969-2018年黃河各站實(shí)測(cè)徑流變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

通過分析發(fā)現(xiàn)，各站在1997年前后兩段量值發(fā)生明顯變化，進(jìn)一步分段來看，3個(gè)代表水文站實(shí)測(cè)徑流變化見圖2。在1997年以前，黃河實(shí)測(cè)徑流整體偏豐，其多年(1969—1997年)平均徑流量分別為3.19×1010，3.91×1010，2.97×1010m3；就變化趨勢(shì)來看，均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，減少速率分別為-1.15×108，-4.45×108，-7.61×108m3/a，僅利津站通過了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。

圖2 1969-2018年黃河上中下游代表站實(shí)測(cè)徑流變化

而自1997年以后，3個(gè)代表水文站的多年平均實(shí)測(cè)徑流較1997年前明顯減少，分別減少了9.2%，30.6%和42.8%，其中利津站減少最多，利津站實(shí)測(cè)徑流量甚至低于上游蘭州站和中游花園口；從變化趨勢(shì)來看，3站均有增加的趨勢(shì)，增速依次增大，分別為3.85×108，5.79×108，6.35×108m3/a，并且均通過了0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

3.1.2 多年天然徑流量趨勢(shì)分析 1969—2018年黃河干流沿程8個(gè)水文站的天然徑流變化見圖3。河流的天然徑流自上游的唐乃亥站至下游的利津站依次增大，且除唐乃亥外，各站天然徑流年際變化幅度較實(shí)測(cè)徑流小，同時(shí)除唐乃亥和蘭州站外各站變化均通過了檢驗(yàn)(見表3)。其中蘭州、花園口、利津站多年平均天然徑流分別為2.98×1010，5.07×1010，5.10×1010m3，變差系數(shù)Cv值分別為0.210，0.213，0.216。其中蘭州站多年平均天然徑流為花園口的58.78%，是利津站的58.34%，表明黃河徑流量主要來自蘭州站以上地區(qū)。

3.2 多年實(shí)測(cè)徑流和天然徑流的突變分析

1969—2018年黃河干流各水文站實(shí)測(cè)徑流和天然徑流突變分析結(jié)果見表4，黃河實(shí)測(cè)徑流僅在蘭州和利津站于1986年發(fā)生突變，其余各站均在1990年發(fā)生突變。而對(duì)于天然徑流而言，蘭州站在1986年發(fā)生突變，其余各站均在1990年發(fā)生突變。本研究表明黃河徑流突變主要發(fā)生在1986,1990年，這與李勃等[16]研究結(jié)果相似，其研究表明1956—2017年除唐乃亥站沒有出現(xiàn)明顯的突變年，其余各站發(fā)生突變的年份主要集中在1985,1990年。

徑流的形成過程是多種因素相互作用和聯(lián)系的復(fù)雜自然現(xiàn)象，可以分為自然因素和人為因素[20]。劉昌明等[21]通過對(duì)1950—2017年黃河干流4個(gè)水文站實(shí)測(cè)徑流序列進(jìn)行Pettitt突變檢驗(yàn)，指出蘭州站在1986年出現(xiàn)顯著突變，利津站在1985年出現(xiàn)顯著突變，主要原因可能是1984年以來一系列水土保持措施的實(shí)施，尤其是1985年黃河中游治理局編制的《黃河中游水土保持治溝骨干工程建設(shè)規(guī)劃》得到實(shí)施。同時(shí)結(jié)合黃河干流水庫(kù)的修建時(shí)間，發(fā)現(xiàn)龍羊峽水庫(kù)是1986年10月開始蓄水使用，因此蘭州水文站斷面處的徑流突變也與龍羊峽水庫(kù)修建有一定的相關(guān)性。另外，胡慧杰等[22]則指出造成1989,1990年徑流突變的主要原因是人為因素導(dǎo)致的用水量增加(80—90年代黃河流域用水量激增)和流域下墊面改變。

圖3 1969-2018年黃河各水文站的天然徑流變化

表3 1969-2018年黃河各站天然徑流變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

表4 1969-2018年各水文站實(shí)測(cè)徑流和天然徑流趨勢(shì)突變年份

3.3 多年實(shí)測(cè)徑流與天然徑流對(duì)比及其與人類活動(dòng)的關(guān)系

1969—2018年黃河干流各水文站多年平均天然徑流量與實(shí)測(cè)徑流量對(duì)比結(jié)果見圖4。黃河干流天然徑流量沿程逐漸增加，然而實(shí)測(cè)徑流量沿程基本穩(wěn)定，無明顯增加的趨勢(shì)。同時(shí)，天然徑流量與實(shí)測(cè)徑流量的差值自頭道拐開始沿程逐漸增大，至利津水文站，多年實(shí)測(cè)平均徑流量?jī)H為天然徑流量的42%，另外在頭道拐水文站斷面處實(shí)測(cè)徑流量較低。天然徑流量與實(shí)測(cè)徑流量的差值為耗水量和蓄變量之和，結(jié)合近十五年來各站斷面以上耗水量和蓄水量平均值看(見表5)，主要是由于各站斷面以上耗水量在逐漸增加。

表5 2003-2017年各站斷面以上平均耗水量和蓄變量

圖4 1969-2018年各站平均天然徑流與實(shí)測(cè)徑流對(duì)比

為了探討人類活動(dòng)如何影響徑流量，結(jié)合各分區(qū)平均耗水情況(見圖5)來看，2003—2017年平均耗水量最大的兩個(gè)分區(qū)為花園口以下和蘭州—頭道拐段，分別達(dá)到了1.06×1010,1.04×1010m3。各分區(qū)中耗水最大項(xiàng)均為農(nóng)田灌溉，蘭州—頭道拐段多年平均農(nóng)田灌溉耗水量達(dá)到了8.41×109m3，其寧夏和內(nèi)蒙古灌區(qū)屬于中國(guó)農(nóng)業(yè)耗水大區(qū)；花園口以下區(qū)域則達(dá)到了8.04×109m3，這與河南、山東農(nóng)業(yè)發(fā)展密切相關(guān)。而工業(yè)耗水量則主要是花園口以下段最多，為9.76×108m3；林牧漁畜耗水量以蘭州—頭道拐段最大，約為8.79×108m3；城鎮(zhèn)公共、居民生活和生態(tài)環(huán)境耗水量均以花園口以下段最大，分別為1.88×108,5.00×108,6.12×108m3?？梢?，區(qū)域天然徑流量和實(shí)測(cè)徑流量會(huì)受到強(qiáng)烈的人類活動(dòng)的影響，主要包括農(nóng)田灌溉、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、居民生活等方面，且不同區(qū)域的耗水結(jié)構(gòu)具有較大差異。

圖5 2003-2017年黃河流域各分區(qū)平均耗水情況

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

河流的天然徑流和實(shí)測(cè)徑流變化受人類活動(dòng)加劇和氣候變化的共同影響，降水量和氣溫直接影響河流天然徑流量，而人類活動(dòng)主要是通過水利工程建設(shè)、水土保持措施建設(shè)等影響實(shí)測(cè)徑流量[16]。本文對(duì)比黃河上中下游8個(gè)水文站的天然徑流與實(shí)測(cè)徑流發(fā)現(xiàn)，蘭州站以上二者大致相同，主要是由于該段耗水量較小，僅2.45×109m3；而蘭州站以下，二者差值逐漸增大，這與其耗水量沿程逐漸增大相一致。同時(shí)，結(jié)合近15 a來黃河流域各分區(qū)耗水情況(見圖5)，各分區(qū)中耗水最大項(xiàng)均為農(nóng)田灌溉，蘭州—頭道拐段多年平均農(nóng)田灌溉量達(dá)8.41×109m3，占該區(qū)總耗水量的80.92%，主要是該區(qū)寧夏和內(nèi)蒙古灌區(qū)屬于中國(guó)農(nóng)業(yè)耗水大區(qū)；花園口以下區(qū)域則達(dá)到8.04×109m3，占該區(qū)總耗水量的75.86%，這與河南、山東等省份農(nóng)業(yè)發(fā)展密切相關(guān)。另外，工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、居民生活和生態(tài)環(huán)境多年平均耗水量均為花園口以下分區(qū)最大，分別為9.76×108,1.88×108,5.00×108,6.12×108m3。因此，黃河流域人類活動(dòng)中各項(xiàng)耗水(尤其是農(nóng)田灌溉)是造成蘭州站以下地區(qū)天然徑流與實(shí)測(cè)徑流差值大的主要原因。同時(shí)，區(qū)域天然徑流和實(shí)測(cè)徑流會(huì)受到強(qiáng)烈的人類活動(dòng)的影響，且不同區(qū)域的耗水情況具有較大差異，需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)等方面綜合分析。

除人類活動(dòng)明顯改變黃河流域徑流量的變化以外，黃河徑流量也受到氣候變化的影響。Wu等[23]通過SWAT模型對(duì)黃河源區(qū)(唐乃亥水文站以上)徑流的影響因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該區(qū)降水在徑流變化中起主要作用，占64.2%，溫度對(duì)徑流變化的影響占25.93%。Shi等[24]通過對(duì)黃河下游徑流分析，發(fā)現(xiàn)1950—2014年降水減少和耗水量增加是下游徑流下降的主要原因。本研究由于缺乏相應(yīng)站點(diǎn)的降水和溫度數(shù)據(jù)，未能結(jié)合降水和氣溫變化分析徑流的多年變化，僅著重探討了人類活動(dòng)為主的各項(xiàng)耗水分量對(duì)于徑流的影響。

本文發(fā)現(xiàn)各站在1997年前后兩段量值發(fā)生明顯變化，1997年以前河流實(shí)測(cè)徑流量整體偏豐，于1997年達(dá)到歷史最低，1997年后徑流量較穩(wěn)定。楊春華等[25]對(duì)黃河上游區(qū)域降水量分析發(fā)現(xiàn)，黃河上游地區(qū)降水量在80年代后期至90年代末呈下降趨勢(shì)，從90年代末至今較穩(wěn)定；萬欣[8]對(duì)黃河中下游地區(qū)降水量分析發(fā)現(xiàn)，1995,1996,1997年降水量達(dá)到低值，自1997年后降水量穩(wěn)定。研究中結(jié)合已有研究降水量情況，以1997年為界進(jìn)一步細(xì)化實(shí)測(cè)徑流量的變化分析。然而降水對(duì)于流域產(chǎn)流是一個(gè)復(fù)雜的過程，我們僅結(jié)合了有關(guān)文獻(xiàn)資料來分析降水量對(duì)徑流影響，在后續(xù)研究中仍需進(jìn)一步探究各站降水量對(duì)實(shí)際徑流和天然徑流量的影響，以便全面解讀黃河徑流量的變化機(jī)制。

4.2 結(jié) 論

(1) 1969—2018年黃河上中下游實(shí)測(cè)徑流整體呈降低趨勢(shì)，蘭州、花園口、利津3個(gè)代表站多年平均降低速率分別為5.10×107,3.55×108,4.13×108m3/a。1997年以前，黃河3個(gè)代表水文站實(shí)測(cè)徑流整體偏豐；而1997年以后，3個(gè)代表水文站多年平均實(shí)測(cè)徑流量較1997年之前明顯減少，分別減少了9.2%，30.6%和42.8%。

(2) 黃河徑流突變主要集中在1986，1 990兩個(gè)年份，結(jié)合前人研究和重要水事分析，1986年突變可能與1984年以來一系列水土保持措施實(shí)施以及1986年龍羊峽水庫(kù)修建有關(guān)；而造成1990年徑流突變的原因可能是人為因素導(dǎo)致的用水量增加(20世紀(jì)80—90年代黃河流域用水量激增)和流域下墊面改變。

(3) 黃河天然徑流沿程逐漸增加，而實(shí)測(cè)徑流沿程基本穩(wěn)定，二者差值從上游至下游水文站斷面逐漸增大，這與其耗水量沿程逐漸增大相一致。因此，人類活動(dòng)中的各項(xiàng)耗水(尤其是農(nóng)田灌溉)是造成蘭州站以下地區(qū)天然徑流與實(shí)測(cè)徑流差值大的主要原因。