河南省降水量、地表水資源量變化趨勢及演變關(guān)系

吳奕 宋瑞鵬 張紅衛(wèi) 陳莉 李洋 肖航

摘 要：以河南省1956—2016年降水量、地表水資源量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用距平累積法、Mann-Kendall檢驗法、雙累積曲線法、累積量斜率變化率比較法判定河南省及其各流域降水量、地表水資源量變化趨勢，分析降水量、地表水資源量演變關(guān)系。結(jié)果表明：河南省1956—2016年降水量、地表水資源量均呈減小趨勢，地表水資源量減小趨勢更顯著，北部海河、黃河流域地表水資源量減小趨勢比南部淮河、長江流域顯著;20世紀(jì)90年代，該省海河、黃河流域一些站降水—徑流關(guān)系發(fā)生改變。以海河流域新村站為例，量化降水和人類活動對徑流量的影響程度，發(fā)現(xiàn)降水對徑流量變化的影響較小、人類活動對徑流量變化的影響較大。

關(guān)鍵詞：降水量;地表水資源量;Mann-Kendall檢驗法;累積量斜率變化率比較法;河南省

中圖分類號：TV213.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.017

引用格式：吳奕，宋瑞鵬，張紅衛(wèi)，等.河南省降水量、地表水資源量變化趨勢及演變關(guān)系[J].人民黃河，2021，43（11）：92-96.

Variation Trend and Relationship of Annual Precipitation and Surface Water Resources in Henan Province

WU Yi1， SONG Ruipeng2， ZHANG Hongwei1， CHEN Li1， LI Yang1， XIAO Hang1

（1.Henan Hydrology and Water Resources Bureau， Zhengzhou 45000 ?China;

2.Hydrological Bureau， Yellow River Conservancy Commission， Zhengzhou 450004， China）

Abstract： According to the data of precipitation and surface water resources in Henan Province from 1956 to 2016， the accumulated deviation， Mann-Kendall test， rainfall-runoff double mass curve， comparative method of cumulative slope change ratio were used to indicate the variation trend of precipitation and surface water resources and the evolution relations between them. Both precipitation and surface water resources had a decreasing trend， while the decreasing trend was more significant in surface water resources. Surface water resources in the Haihe River and the Yellow River Basin decreased more significant than that in the Huaihe River and the Yangtze River Basin. Since the 1990s， rainfall-runoff relationship had changed in some hydrological stations of the Haihe River and the Yellow River Basin . Taking Xincun hydrological station as an example， quantified the influence of precipitation and human activities on runoff. The results show that precipitation has little influence on runoff while human activities is the main factor of runoff variation.

Key words： precipitation; surface water resources; Mann-Kendall test; comparative method of cumulative slope change ratio; Henan Province

河南省地處中原，總面積16.7萬km2。地勢西高東低，北、西、南三面環(huán)山，間有斷陷盆地，東部為寬闊平原。河南省地跨海河、黃河、淮河、長江四大流域，其中：海河流域1.53萬km2，占全省總面積的9.2%;黃河流域3.62萬km2，占全省總面積的21.7%;淮河流域8.83萬km2，占全省總面積的52.8%;長江流域2.72萬km2，占全省總面積的16.3%。豫南、豫西南水資源相對豐沛，占全省水資源總量的一半以上;豫東、豫北水資源匱乏，與耕地及人口分布不相匹配。

近年來，河南省許多河流的徑流衰減現(xiàn)象明顯。河川徑流源于降水，氣候變化、人類活動對區(qū)域水資源狀況有直接影響[1-3]。一些學(xué)者對徑流變化趨勢、徑流變化成因進(jìn)行了研究[4-8]。目前，尚未有關(guān)于河南省境內(nèi)各流域降水量、地表水資源量演變趨勢及其關(guān)系的分析。本文基于1956—2016年河南省各流域年降水量、地表水資源量，分析降水量、地表水資源量變化趨勢，厘清兩者之間的演變關(guān)系，以期為全省水資源調(diào)度、防汛抗旱提供參考。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall（M-K）檢驗法是由Mann和Kendall提出的，用于檢測序列的變化趨勢，被廣泛應(yīng)用于水文和氣象序列的趨勢檢驗中[9-11]。對于時間序列X，M-K趨勢檢驗統(tǒng)計量的表達(dá)式[12-13]為

S=∑n-1i=1∑nj=i+1sgn（xj-xi）（1）

式中：S為M-K檢驗法統(tǒng)計量;xi、xj分別為時間序列的第i個、第j個數(shù)據(jù)值;n為數(shù)據(jù)樣本數(shù)量。

當(dāng)n>10時，統(tǒng)計量S大致服從正態(tài)分布，方差為

Var（S）=n（n-1）（2n-5）/18（2）

其正態(tài)分布的檢驗統(tǒng)計量為Z：

Z=S-1Var（S） （S>0）

0（S=0）

S+1Var（S）（S<0）（3）

雙邊趨勢檢驗中，Z為正表示序列具有增大趨勢，Z為負(fù)表示序列具有減小趨勢。在給定的α置信水平上，若Z的絕對值大于或等于1.28、1.64和2.32，則分別表示通過了置信度90%、95%和99%的顯著性趨勢檢驗，分別達(dá)到顯著、十分顯著、極顯著水平。

1.2 距平累積法

距平累積法是一種根據(jù)曲線直觀判斷變化趨勢的方法[14]。對于序列X，某一時刻t的距平累積值為

x∧t=∑ti=1（xi-x-） （t= …，n）（4）

式中：x-=1n∑ni=1xi。

將序列的距平累積值全部算出，即可繪出距平累積曲線[15]。距平值隨年份累加，曲線上升階段表示距平值為正，序列呈上升趨勢;曲線下降階段表示距平值為負(fù)，序列呈下降趨勢[16]。

1.3 降水量—徑流量雙累積曲線

假定降水量與徑流量有同步成因關(guān)系，在直角坐標(biāo)系中繪制同期降水量累積值與徑流量累積值關(guān)系曲線，曲線斜率發(fā)生明顯變化處對應(yīng)的年份就是降水量、徑流量關(guān)系變化的年份[17]。

1.4 累積量斜率變化率比較法

累積量斜率變化率比較法是近年提出的定量分析降水及人類活動對徑流變化貢獻(xiàn)率的一種方法[18]。在直角坐標(biāo)系中分別擬合累積降水量—年份、累積徑流量—年份的線性關(guān)系，假設(shè)累積徑流量—年份線性關(guān)系的斜率突變前后兩個時期分別為SRb和SRa，累積降水量—年份線性關(guān)系的斜率突變前后兩個時期分別為SPb和SPa，則累積徑流量斜率變化率為

RSR=（SRa-SRb）/SRb（5）

累積降水量斜率變化率為

RSP=（SPa-SPb）/SPb（6）

降水量變化對徑流量變化的貢獻(xiàn)率為

CP=RSP/RSR （7）

人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率為

Cm=1-CP （8）

自變量為年份，因變量為累積量，累積量的引入在一定程度上消除了實測數(shù)據(jù)年際波動的影響;自變量的客觀性提高了累積量—年份之間的相關(guān)性，克服了降水—徑流回歸曲線相關(guān)系數(shù)不高的缺陷[19]。

1.5 數(shù)據(jù)來源

1956—2016年序列降水量、地表水資源量數(shù)據(jù)來源于河南省水文部門相關(guān)成果。本文以1956—2016年序列為研究對象，并與1956—2000年序列對比，分析河南省降水量和地表水資源量變化趨勢及兩者之間的演變關(guān)系。

2 降水量、地表水資源量變化趨勢

2.1 降水量變化趨勢

1956—2016年河南省多年平均降水量768.5 mm，與1956—2000年的多年平均降水量774.7 mm相比減小0.80%。河南省各流域都有減小，減小幅度最大的為長江流域（1.44%），其次為海河流域（1.04%），淮河流域減小0.75%，黃河流域減小0.24%。降水量多年均值變化情況見表1。

繪制河南省及其各流域降水量、地表水資源量1956—2016年序列距平累積曲線（見圖1～圖5），并結(jié)合全省及各流域降水量數(shù)據(jù)可知，河南省及其各流域1956—1964年降水量偏豐，全省降水量較多年（1956—2016年）均值768.5 mm增大10.30%，各流域較多年均值增大6.33%～25.32%（海河流域增幅最大，長江流域增幅最?。?海河流域1978—2002年以及黃河流域1986—2002年是河南省各流域1956—2016年序列中降水量減小最明顯且持續(xù)時間最長的時段，分別比流域多年均值偏小9.27%、9.07%;20世紀(jì)80年代中期至90年代中期是淮河、長江流域降水量波動減小相對較長的時期，分別比多年均值偏小7.54%、6.42%;2011—2016年淮河、長江流域降水量持續(xù)低于或接近多年均值，分別比多年均值偏小11.73%、13.33%。

利用M-K趨勢檢驗法對河南省及其各流域1956—2000年、1956—2016年序列降水量變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果見表2。兩序列統(tǒng)計量Z均為負(fù)值，表明兩序列總體呈減小趨勢。1956—2000年序列河南省及其各流域檢驗統(tǒng)計量Z均沒有達(dá)到90%的置信度，表明減小趨勢不顯著;1956—2016年序列海河流域檢驗統(tǒng)計量Z達(dá)到90%的置信度，表明減小趨勢顯著，但全省及其他流域降水量減小趨勢未達(dá)到顯著性水平。1956—2016年序列比1956—2000年序列降水量減小趨勢更明顯，但也未達(dá)到顯著性減小的水平。

2.2 地表水資源量變化趨勢

1956—2016年河南省多年平均地表水資源量289.30億m 與1956—2000年多年平均地表水資源量299.65億m3相比減小3.45%（見表1）。河南省各流域中，海河流域地表水資源量減小幅度最大（7.24%），黃河流域減小2.57%，淮河流域減小3.19%，長江流域減小3.92%。

由圖1～圖5可以看出，河南省及其各流域地表水資源量變化趨勢與降水量相似，但變幅大于降水量。結(jié)合河南省及其各流域地表水資源量數(shù)據(jù)可知，1956—1964年為持續(xù)偏豐較長的時段，較多年（1956—2016年）均值289.30億m3偏大31.49%，各流域較多年均值偏大24.05%～99.94%（海河流域增幅最大，淮河流域增幅最小）。海河流域1978—2016年以及黃河流域1986—2002年是地表水資源量減小最明顯、持續(xù)時間最長的時段，分別比流域多年均值偏小24.57%、23.25%。20世紀(jì)80年代中期至90年代中期是淮河、長江流域地表水資源量波動減小相對較長的時期，分別比多年均值偏小18.90%、21.29%。2011—2016年是全省地表水資源量最枯的時段，較多年均值偏小37.25%，各流域較多年均值偏小17.48%～47.58%（長江流域減幅最大，黃河流域減幅最小）。

利用M-K趨勢檢驗法對河南省及其各流域1956—2016年、1956—2000年序列地表水資源量變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗，結(jié)果見表2。兩序列統(tǒng)計量Z均為負(fù)值，表明兩序列總體呈減小趨勢。全省1956—2000年序列檢驗統(tǒng)計量Z沒有達(dá)到90%的置信度，表明地表水資源量減小趨勢不顯著;海河、黃河流域檢驗統(tǒng)計量Z達(dá)到95%的置信度，表明減小趨勢十分顯著。1956—2016年序列河南省及其海河、黃河、長江流域檢驗統(tǒng)計量Z均達(dá)到95%的置信度，表明減小趨勢十分顯著，其中海河流域減小趨勢最為明顯;淮河流域檢驗統(tǒng)計量達(dá)到90%的置信度，較其他流域減小趨勢平緩。1956—2016年序列比1956—2000年序列地表水資源量減小趨勢總體更明顯，減小趨勢由不顯著演變?yōu)槭诛@著。

3 降水量和地表水資源量演變關(guān)系

從1956—2016年降水量、地表水資源量變化趨勢可看出，降水量較大的年份地表水資源量也較大。降水量和地表水資源量變化趨勢總體上同步，但地表水資源量的年際變幅大于降水量的，減小趨勢也較降水量更顯著，且具有明顯的區(qū)域特征。河南省海河、黃河流域比其他流域地表水資源量減小趨勢更顯著、持續(xù)時間更長，這兩個流域1956—2016年與1956—2000年相比，地表水資源量減小幅度分別為降水量減小幅度的7倍和11倍，而全省及其他兩個流域在3～4倍之間。20世紀(jì)90年代海河、黃河流域一些水文站降水—徑流雙累積曲線發(fā)生明顯拐點，即降水—徑流關(guān)系發(fā)生改變，主要原因是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市化進(jìn)程加快引起區(qū)域水循環(huán)特征改變，以及人類活動對水資源的開發(fā)利用引起產(chǎn)匯流條件改變。

以海河流域新村水文站為例[20]，根據(jù)其多年天然河川徑流量和降水量，繪制降水—徑流雙累積曲線（見圖6），雙累積曲線突變年份為1998年，表明1998年以后降水—徑流關(guān)系發(fā)生了改變。分別繪制累積徑流量曲線、累積降水量曲線，對1998年前后曲線進(jìn)行分段線性擬合（見圖7、圖8），可以看出，擬合關(guān)系式的判定系數(shù)較大，擬合效果較好。利用累積量斜率變化率比較法，量化降水和人類活動對徑流量變化的影響程度，降水對徑流量變化的貢獻(xiàn)率為13%，人類活動對徑流量變化的貢獻(xiàn)率為87%，表明降水對徑流量變化影響較小，徑流量的變化主要受人類活動影響，流域下墊面條件發(fā)生了明顯變化。

4 結(jié) 論

基于河南省1956—2016年序列降水量與地表水資源量相關(guān)資料，采用距平累積法、M-K趨勢檢驗法，分析了河南省及其各流域降水量、地表水資源量變化趨勢及演變關(guān)系。以新村站為例，利用雙累積曲線法、累積量斜率變化率比較法對地表水資源量減小幅度大于降水量減小幅度進(jìn)行了成因量化分析，結(jié)論如下。

（1）河南省多年降水量、地表水資源量均呈減小趨勢，1956—2016年與1956—2000年序列相比，降水量、地表水資源量的減小趨勢進(jìn)一步加劇，但降水量減小趨勢沒有達(dá)到顯著性水平，地表水資源量減小趨勢顯著。

（2）1956—2016年河南省海河、黃河流域地表水資源量減小趨勢較淮河、長江流域更顯著。

（3）河南省海河、黃河流域一些水文站20世紀(jì)90年代降水—徑流關(guān)系發(fā)生改變，降水對徑流量變化的影響較小，人類活動對徑流量和地表水資源量減小的影響較大。

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