河南省主要流域徑流量變化及其對(duì)降水變化的響應(yīng)

栗士棋，劉 穎，杜付然，李柯星，程芳芳，王國(guó)慶

(1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；2.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，南京 210029；3.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029; 4.河南省水文水資源局，鄭州 450003；5.鄭州市氣象局，鄭州 450048)

IPCC第五次報(bào)告表明[1]，近130年全球平均氣溫升高0.85 ℃，20世紀(jì)90年代為工業(yè)革命以來(lái)最熱的10年，氣候變暖已經(jīng)成為全球最重要的環(huán)境問(wèn)題之一。全球升溫背景下，河川徑流作為區(qū)域生態(tài)環(huán)境和支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要因素，其時(shí)空分布發(fā)生改變，直接影響水資源管理實(shí)踐，進(jìn)而威脅區(qū)域和國(guó)家水安全[2]。相關(guān)研究表明[3-4]，近60年(1956—2018年)除長(zhǎng)江流域之外，中國(guó)其余的6條主要江河實(shí)測(cè)徑流量均呈下降趨勢(shì)。其中，海河流域減少幅度最大[5]，與1980年前相比減少約為85%；黃河支流徑流深自1970年后顯著減少，頭道拐—龍門區(qū)間徑流占比由2000年以前的31.0%下降為23.5%[6]。全國(guó)河川徑流不同程度的下降，對(duì)區(qū)域工農(nóng)業(yè)發(fā)展、流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展乃至社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[7-8]。在此基礎(chǔ)上，王國(guó)慶[9]、張利茹[10]、盧明龍[11]、涂鋼[12]、梁鈺[13]等分別選取我國(guó)六大流域中的單個(gè)典型流域，具體分析了降水—徑流的響應(yīng)變化關(guān)系。區(qū)域內(nèi)主要流域徑流演變規(guī)律及其與環(huán)境要素關(guān)系的研究對(duì)我國(guó)水資源開發(fā)利用具有重要意義[14-16]。

河南省是中國(guó)重要的糧食基地，地處暖溫帶—亞熱帶過(guò)渡區(qū)，水資源嚴(yán)重匱乏，人均水資源量376 m3，約占全國(guó)水平的5.8%。省內(nèi)海河、黃河、長(zhǎng)江、淮河四大流域交匯，分別占據(jù)省內(nèi)面積的9.3%、21.8%、16.8%、52.1%。分析環(huán)境變化下河南省主要流域徑流量變化及其對(duì)環(huán)境要素的響應(yīng)，對(duì)河南省水資源管理者科學(xué)應(yīng)對(duì)全球升溫，深入認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)對(duì)區(qū)域水文影響等方面具有積極意義[17]。本文以河南省四大主要流域?yàn)檠芯繉?duì)象，系統(tǒng)分析了40年來(lái)氣溫、降水及實(shí)測(cè)徑流量的變化趨勢(shì)，以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究了氣候變化背景下河南省河川徑流變化與降水變化的響應(yīng)關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 基本資料

考慮水文站控制面積及數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度等因素，在河南省海河區(qū)、黃河區(qū)、長(zhǎng)江區(qū)、淮河區(qū)選取6個(gè)水文站(圖1)，在全省范圍內(nèi)及其周邊選取179個(gè)氣象站點(diǎn)，收集整理了1973-2016年實(shí)測(cè)氣溫、降水及徑流量資料。

圖1 河南省主要流域河流水系及重點(diǎn)水文站地理位置分布

1.2 研究方法

采用線性回歸法與Mann-Kendall非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)法，對(duì)區(qū)域水文趨勢(shì)變化進(jìn)行判別并檢驗(yàn)其顯著性。線性回歸法可以較為直觀地看出時(shí)間序列是否具有遞增或遞減的趨勢(shì)，其方程斜率可以表征時(shí)間序列的平均趨勢(shì)變化情況[18]。Mann-Kendall(簡(jiǎn)稱M-K)方法中變量可以不遵從正態(tài)分布，對(duì)于某一時(shí)間序列，能夠區(qū)分其是自然波動(dòng)還是存在確定變化趨勢(shì)。通過(guò)數(shù)據(jù)序列本身及其次序構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量M-K秩次相關(guān)系數(shù)。首先假定序列無(wú)趨勢(shì)，當(dāng)統(tǒng)計(jì)量M-K值介于給定顯著水平α(一般取0.05)的臨界值±1.96之間時(shí)，接受原假設(shè)，表明趨勢(shì)不顯著；反之，拒絕原假設(shè)，則趨勢(shì)顯著。目前，該方法被廣泛應(yīng)用于水文、氣象序列的變化趨勢(shì)檢測(cè)中[19-22]。

當(dāng)水文序列出現(xiàn)持續(xù)性變異后，可將變異前后的序列視為不同類群[23]，這種變異一般是由人為或自然原因引起的。目前，有序聚類法推求變異點(diǎn)較為常用，其基本原理是同類之間的離差平方和較小，不同類之間的離差平方和較大，其實(shí)質(zhì)是尋找最優(yōu)分割點(diǎn)。首先假定系列變異點(diǎn)，計(jì)算變異點(diǎn)前后不同系列離差平方和，以離差平方和最小為目標(biāo)函數(shù)，推求最優(yōu)變異點(diǎn)[24-25]。

2 結(jié)果與討論

2.1 河南省1973-2016年氣溫、降水演變

降水是徑流的主要來(lái)源。全球氣溫的普遍升高，直接影響降水的時(shí)空分布及數(shù)量，進(jìn)而影響區(qū)域水文循環(huán)，因而氣溫變化分析對(duì)正確把握降水徑流關(guān)系至關(guān)重要。本文采用Mann-Kendall法和線性回歸法，對(duì)河南省年平均氣溫、年降水量演變趨勢(shì)進(jìn)行分析。圖2為河南省1973-2016年年平均氣溫和年降水量線性變化趨勢(shì)空間分布。圖3為1973-2016年河南省海河區(qū)、黃河區(qū)、長(zhǎng)江區(qū)、淮河區(qū)年平均年降水量演變。

圖2 河南省1973-2016年年均氣溫(a)、降水(b)線性變化率

圖3 河南省1973-2016年四大流域區(qū)降水量年際變化

河南省1973-2016年氣溫平均線性變化率為0.31 ℃/a，四大主要流域氣溫變化趨勢(shì)一致，呈升高態(tài)勢(shì)，多數(shù)站點(diǎn)每年升溫幅度為0.2～0.7 ℃，只有少數(shù)站點(diǎn)升溫低于0.2 ℃。線性回歸和M-K分析結(jié)果表明：①?gòu)哪觌H變化來(lái)看，河南省年均氣溫呈波動(dòng)升高態(tài)勢(shì)，20世紀(jì)80年代中期氣溫偏低，進(jìn)入90年代氣溫以偏高為主；M-K檢測(cè)值為5.1，超過(guò)5%顯著性水平。②海河區(qū)升溫幅度較大，多數(shù)站點(diǎn)升溫幅度介于0.2～0.7 ℃/a，且不存在升溫低于0.2 ℃/a的站點(diǎn)；M-K檢測(cè)值為5.2，超過(guò)5%顯著性水平。③黃河區(qū)站點(diǎn)升溫幅度主要介于0.2～0.4 ℃/a，上游升溫幅度較高；M-K檢測(cè)值為5.03，超過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。④長(zhǎng)江區(qū)站點(diǎn)升溫幅度適中，每年升溫幅度介于0.2～0.4 ℃/a，僅有一個(gè)站點(diǎn)升溫幅度大于0.4 ℃/a；M-K檢測(cè)值為4.62，超過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。⑤淮河區(qū)各站升溫差異較大，西部站點(diǎn)升溫幅度較小，北部站點(diǎn)升溫幅度較大；M-K檢測(cè)值為5.12，超過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。

河南省1973-2016年降水平均線性變化率為0.35 mm/a。四大流域中，海河區(qū)、黃河區(qū)、長(zhǎng)江區(qū)年降水量呈下降趨勢(shì)，其年降水線性變化率分別為-0.11 mm/a、-0.2 mm/a、-0.61 mm/a；淮河區(qū)年降水量有增加趨勢(shì)，線性變化率為0.862 mm/a。線性回歸和M-K分析結(jié)果表明：①河南省年平均降水量呈自然波動(dòng)—增加—減少態(tài)勢(shì)，20世紀(jì)末21世紀(jì)初降水量較大，近5年略有回升；M-K檢測(cè)值為0.132，上升趨勢(shì)不顯著。②海河區(qū)年降水量呈自然波動(dòng)—增加—減少態(tài)勢(shì)，20世紀(jì)80年代中期到21世紀(jì)初偏多偏少年交替出現(xiàn)，近5年降水量略有回升；降水集中在東南部；M-K檢測(cè)值為-0.11，年降水量呈不顯著下降趨勢(shì)。③黃河區(qū)降水量以自然波動(dòng)為主，80年代后呈緩慢減少態(tài)勢(shì)，在90年代末降水豐枯年交替出現(xiàn)；下游降水量大于上游的；M-K檢測(cè)值為-0.33，下降趨勢(shì)不顯著。④長(zhǎng)江區(qū)年降水量總體表現(xiàn)為偏多偏少年交替出現(xiàn)；除東北部降水略有增加，流域內(nèi)大部站點(diǎn)降水呈下降趨勢(shì)；M-K檢測(cè)值為-0.56，下降趨勢(shì)不顯著。⑤淮河區(qū)年降水量呈五階段波動(dòng)(減少—增加—減少—增加—減少)態(tài)勢(shì)，兩次增加分別發(fā)生在20世紀(jì)80年代中期和21世紀(jì)初；流域內(nèi)自北向南站點(diǎn)年降水呈減少—增加—減少趨勢(shì)；M-K檢測(cè)值為0.314，上升趨勢(shì)不顯著。

2.2 四大流域重點(diǎn)水文站1973-2016年實(shí)測(cè)徑流量演變

河川徑流是水資源的重要形式。近幾十年，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，隨著水利工程的興建、農(nóng)業(yè)灌溉及土地利用等人類活動(dòng)導(dǎo)致的區(qū)域水資源開發(fā)利用及下墊面條件的改變，對(duì)河川徑流產(chǎn)生了影響。表1給出了河南省四大流域重點(diǎn)水文站1973-2016年實(shí)測(cè)徑流量變化趨勢(shì)分析結(jié)果。

由表1可知：①海河區(qū)安陽(yáng)水文站年徑流量呈減少趨勢(shì)，年徑流量線性遞減率為-6.59 m3/(s·a)；M-K檢測(cè)值為-3.99，通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)顯著。②黃河區(qū)黑石關(guān)水文站年徑流量呈減少趨勢(shì)，年徑流線性遞減率為-0.74 m3/(s·a)；M-K檢測(cè)值為-1.85，下降趨勢(shì)不顯著。③長(zhǎng)江區(qū)唐河水文站年徑流量呈減少趨勢(shì)，年徑流量線性遞減率為-17.62 m3/(s·a)；M-K檢測(cè)值為-2.66，超過(guò)0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)顯著。④淮河區(qū)周口、班臺(tái)、息縣3代表站年徑流量均呈減少趨勢(shì)，周口、班臺(tái)、息縣3站年徑流量線性遞減率分別為-17.26 m3/(s·a)、-12.21 m3/(s·a)、-22.21 m3/(s·a)；M-K檢測(cè)值分別為-0.79、-0.86、-0.9，下降趨勢(shì)不顯著。⑤總體來(lái)看，近40年河南省河川徑流呈下降趨勢(shì)，海河區(qū)、長(zhǎng)江區(qū)實(shí)測(cè)徑流量下降較為明顯。

表1 河南省四大流域重點(diǎn)水文站年實(shí)測(cè)徑流量變化趨勢(shì)

圖4給出6水文站1973-2016年徑流序列變化。由圖4可以看出：①海河區(qū)在20世紀(jì)60-70年代屬?gòu)搅髫S水期，年平均徑流流量最高達(dá)到697.4 m3/s，80-90年代徑流呈現(xiàn)持續(xù)遞減態(tài)勢(shì)，2000年后流域徑流有小幅度回升。②黃河區(qū)徑流在研究期內(nèi)呈持續(xù)性緩慢遞減態(tài)勢(shì)，有較大的徑流年代際波動(dòng)，最大徑流量為3614 m3/s(1964年)，約為最小徑流量210.23 m3/s(1995年)的17.2倍。③長(zhǎng)江區(qū)徑流在2010年前呈現(xiàn)自然波動(dòng)狀態(tài)，2010年后徑流量呈現(xiàn)快速遞減趨勢(shì)，徑流年代際波動(dòng)幅度較大，最大徑流量為2667.9 m3/s出現(xiàn)在1975年，最小徑流量為92.6 m3/s出現(xiàn)在2016年。④綜合息縣、周口、班臺(tái)3站徑流序列演變可知，淮河區(qū)在20世紀(jì)60-70年代屬流域豐水期，徑流呈自然波動(dòng)態(tài)勢(shì)，總體來(lái)看，流域徑流量呈小幅度變化。

圖4 河南省各代表站1973-2016年年平均徑流年際變化

2.3 徑流變化的階段性及其與降水的響應(yīng)關(guān)系

采用有序聚類分析的方法，對(duì)各水文站年徑流序列變化的階段性進(jìn)行分析(表2)。圖5給出了安陽(yáng)站和黑石關(guān)站1973-2016年實(shí)測(cè)徑流量離差平方和的時(shí)序變化過(guò)程。由圖5可知，安陽(yáng)站實(shí)測(cè)離差平方和為單谷底變化過(guò)程，在1978年進(jìn)入谷底；黑石關(guān)站實(shí)測(cè)離差平方和總體呈現(xiàn)寬谷底變化過(guò)程，在1986年前后進(jìn)入谷底，在1990年實(shí)測(cè)徑流離差平方和達(dá)到最低點(diǎn)。

表2 徑流序列突變點(diǎn)診斷結(jié)果

圖5 安陽(yáng)站(a)黑石關(guān)站(b)1973-2016年實(shí)測(cè)徑流量離差平方和變化

由表2可以看出：①海河區(qū)安陽(yáng)站以1978年為界，可將整個(gè)徑流量序列劃分為2個(gè)明顯的時(shí)段，分別為第一階段1973-1977年，第二階段1978-2016年。②黃河區(qū)黑石關(guān)站實(shí)測(cè)徑流量變化以1986年和1990年為分界年份可劃分為3個(gè)階段，第一階段1973-1985年，第二階段1986-1989年，第三階段1990-2016年。③長(zhǎng)江區(qū)唐河站實(shí)測(cè)徑流量以2011年為界，可以劃分為2個(gè)階段，第一階段為1973-2010年，第二階段為2011-2016年。④淮河區(qū)周口站以1986年和2013年為界，可將整個(gè)徑流量序列劃分為1973-1985年、1986-2012年、2013-2016年三個(gè)階段。班臺(tái)站以2009年為界，可將實(shí)測(cè)徑流量變化劃分為1973-2008年、2009-2016年兩個(gè)階段。息縣站實(shí)測(cè)徑流量變化以2009年為分界年份，可劃分為2個(gè)階段，第一階段1973-2008年，第二階段2009-2016年。

在上述徑流量變化三個(gè)階段中，選取第一階段為前期，后兩個(gè)階段為后期，點(diǎn)繪6個(gè)流域代表站不同階段實(shí)測(cè)年徑流量與年降水量之間的散點(diǎn)圖(圖6)。由圖6可看出：①各流域降水徑流呈正相關(guān)關(guān)系，然而位于河南淮河區(qū)的典型流域降水徑流相關(guān)性明顯高于其他流域的相關(guān)性，降水對(duì)徑流具有較為明顯的影響。②對(duì)不同階段來(lái)說(shuō)，降水徑流關(guān)系存在差異，第一階段降雨徑流關(guān)系點(diǎn)群大多位于其他階段之上，說(shuō)明在降水相同的條件下，第一階段的流域產(chǎn)流量大于后面的其他階段的產(chǎn)流量。③從6個(gè)典型流域代表站來(lái)看，黃河流域黑石關(guān)站、海河流域安陽(yáng)站、長(zhǎng)江流域唐河站不同階段降水徑流關(guān)系差異較大，而淮河流域的3個(gè)站點(diǎn)在不同階段的降水徑流關(guān)系點(diǎn)群相對(duì)集中，降水徑流關(guān)系變化相對(duì)較小。

圖6 河南省主要流域不同階段降水徑流關(guān)系

在流域自然環(huán)境較為穩(wěn)定的情況下，降水徑流關(guān)系不會(huì)發(fā)生較大變化；隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速增加，大規(guī)模的水利工程修建及工農(nóng)業(yè)用水量的增加，均對(duì)河川徑流產(chǎn)生直接的影響[5,7]。因此，降水徑流關(guān)系的改變，在一定程度上反映了流域內(nèi)人類活動(dòng)的影響[18,19]。結(jié)合上述分析，可以初步判斷，人類活動(dòng)對(duì)黃河黑石關(guān)站、海河安陽(yáng)站、長(zhǎng)江唐河站徑流影響較大，而對(duì)淮河的3個(gè)站點(diǎn)徑流影響相對(duì)較??；此外，由多數(shù)流域降水徑流關(guān)系點(diǎn)群發(fā)現(xiàn)，在降水較大的情況下，前期與后期點(diǎn)群距離較大，說(shuō)明隨著降水量的增多，人類活動(dòng)對(duì)河川徑流量的影響可能更大。

3 結(jié) 論

(1)河南省1973-2016年氣溫呈顯著升高態(tài)勢(shì)，氣溫平均線性變化率為0.31 ℃/a，四大流域中，升溫幅度由高到低依次為海河區(qū)、淮河區(qū)、黃河區(qū)、長(zhǎng)江區(qū)。全省降水呈非顯著性變化趨勢(shì)，四大流域中，海河區(qū)、黃河區(qū)、長(zhǎng)江區(qū)降水減少，淮河區(qū)降水呈增加趨勢(shì)。

(2)河南省6個(gè)代表性水文站實(shí)測(cè)徑流量均呈減少態(tài)勢(shì)，其中海河區(qū)安陽(yáng)站、長(zhǎng)江區(qū)唐河站實(shí)測(cè)徑流量減少趨勢(shì)顯著，其余4個(gè)水文站實(shí)測(cè)徑流量為非顯著性減少趨勢(shì)。

(3)6個(gè)水文代表站中，黑石關(guān)站、安陽(yáng)站、唐河站不同階段降水徑流關(guān)系差異較大，淮河流域3個(gè)水文站降水徑流關(guān)系變化相對(duì)較??；隨著降水量的增多，人類活動(dòng)對(duì)河川徑流量的影響可能更大。