近60 a 河南省河川徑流演變特征研究

栗士棋，杜付然，程芳芳，李柯星，王國慶，司舒陽

（1.河南黃河河務(wù)局 鄭州黃河河務(wù)局，河南 鄭州 450001； 2.水利部應(yīng)對(duì)氣候變化研究中心，江蘇 南京 210029；3.河南省水文水資源局，河南 鄭州 450003； 4.鄭州市氣象局，河南 鄭州 450048；5.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，河南 鄭州 450046）

河川徑流是陸地水循環(huán)過程中的重要一環(huán)，也是地表水資源的重要來源之一［1］。 IPCC 第五次報(bào)告指出［2］，氣候變化導(dǎo)致全球平均溫度上升0.85 ℃，全球變暖對(duì)流域水文循環(huán)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而導(dǎo)致河川徑流時(shí)空分布發(fā)生變化［3］。 與此同時(shí)，隨著社會(huì)高速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)下墊面的影響加劇，下墊面特征發(fā)生變化，影響流域產(chǎn)匯流過程。 水利工程的大量修建以及大規(guī)模的取用水活動(dòng)，對(duì)河川徑流的原有規(guī)律產(chǎn)生影響［4］。 國內(nèi)外許多研究表明［5-8］，受氣候變化與人類活動(dòng)雙重影響，全球范圍內(nèi)的河川徑流量發(fā)生了顯著的變化。 因此，開展區(qū)域河川徑流演變規(guī)律研究，對(duì)于我國水資源的保護(hù)、開發(fā)和利用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

河南省是我國重要的綜合交通樞紐和人流物流信息中心，然而省內(nèi)嚴(yán)重缺水，人均水資源量只有全國水平的20%左右。 因此，河南省河川徑流演變規(guī)律的特征十分重要，已經(jīng)引起了相關(guān)研究者的廣泛關(guān)注。 Fu等［9］對(duì)1952—1997 年黃河流域河南段花園口水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，認(rèn)為花園口站徑流量呈顯著下降趨勢(shì)。 趙文舉等［10］選取元村集水文站1956—2012 年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)海河流域河南段的衛(wèi)河流域徑流演變規(guī)律進(jìn)行研究，認(rèn)為徑流量呈明顯下降趨勢(shì)，流域徑流量于1978 年發(fā)生突變。 李四海等［11］選取淮河干流及淮河流域沙潁河、洪汝河、淮南支流，長(zhǎng)江流域唐白河，黃河流域黃河、伊洛河，海河流域衛(wèi)河1950—2011 年實(shí)測(cè)徑流資料，對(duì)河南省主要河道徑流年內(nèi)變化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明河南省徑流量主要集中在6—9 月，其中淮河流域、長(zhǎng)江流域徑流年內(nèi)集中度高于黃河流域與海河流域。

以往研究主要是對(duì)省內(nèi)某一流域徑流規(guī)律或者河南省主要河道年內(nèi)徑流演變規(guī)律進(jìn)行研究，對(duì)于全省河川主要流域徑流的年內(nèi)、年際變化關(guān)注較少。 近年來河南省主要流域河川徑流是否有新的變化，這些流域年內(nèi)、年際河川徑流有何特點(diǎn)，本文擬主要解決這些問題，以期為河南省科學(xué)應(yīng)對(duì)氣候變化、強(qiáng)化水資源適應(yīng)性管理提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

河南省地處暖溫帶與亞熱帶過渡區(qū)（東經(jīng)31°23′—36°22′，北緯110°21′—116°39′），主要受西風(fēng)帶大氣環(huán)流控制，屬濕潤-半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。 年平均氣溫12.4～16.1 ℃，年平均降水量432 ～1 632 mm，主汛期為6—8 月。 河南省是重要的糧食產(chǎn)出大省，氣候溫和，適宜作物生長(zhǎng)，糧食、芝麻產(chǎn)量長(zhǎng)年居全國首位，耕地面積8.14 萬km2，占全省總面積的48.7%。 省內(nèi)黃河、海河、長(zhǎng)江、淮河四大流域交匯，流域面積100 km2以上的河流有493 條，但水資源總量十分匱乏，僅為全國總量的1.5%左右，且水資源空間分布嚴(yán)重不均。

選取海河流域1 個(gè)水文站（安陽站1957—2017 年序列），黃河流域1 個(gè)水文站（黑石關(guān)站1951—2018 年序列），長(zhǎng)江流域1 個(gè)水文站（唐河站1952—2017 年序列），淮河流域3 個(gè)水文站（周口站1951—2017 年序列、班臺(tái)站1952—2017 年序列、息縣站1951—2017 年序列），共計(jì)6 個(gè)水文站實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)對(duì)河南省主要流域徑流演變規(guī)律進(jìn)行分析研究。 河南省水系及選取水文站分布如圖1 所示，選取水文站主要信息見表1。

圖1 河南省主要流域分布及選取水文站位置

表1 選取水文站主要信息

1.2 研究方法

Mann-Kendall 非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱M-K法）是一種廣泛應(yīng)用于時(shí)間序列檢驗(yàn)的趨勢(shì)診斷方法［12-13］。 本研究采用M-K 法對(duì)河南省典型流域徑流變化顯著性及突變年份進(jìn)行分析。 具體計(jì)算方法如下。

（1）假定分析的徑流序列變化趨勢(shì)不顯著（H0）。

（2）通過計(jì)算M-K 統(tǒng)計(jì)量UFi檢驗(yàn)H0是否成立。

式中：xi為樣本容量為n的徑流量序列。

如果xi為服從同一分布的獨(dú)立隨機(jī)變量，則Si的期望值和方差計(jì)算公式為

（3）本次研究取顯著性水平α＝0.05，如果序列存在顯著趨勢(shì)，此時(shí)統(tǒng)計(jì)量若Z ＞0則表示序列有上升（增加）趨勢(shì)，若Z ＜0 則表示序列有下降（減少）趨勢(shì)。

M-K 法檢驗(yàn)序列突變點(diǎn)，首先將原始樣本序列逆序排列，按上述方法重新計(jì)算M-K 檢驗(yàn)值，倒序得到UBi ＝-UFi，（i ＝n，n -1，…，2，1） ，繪制UBi、UFi曲線，找出兩曲線交點(diǎn)。 如果原始序列的變化趨勢(shì)顯著，則認(rèn)為兩曲線交點(diǎn)為序列突變點(diǎn)。

2 河川徑流演變特征

2.1 年徑流演變

河南省6 個(gè)代表水文站實(shí)測(cè)年平均流量序列演變特征及M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析結(jié)果如圖2 所示，變化趨勢(shì)見表2。 ①從全省來看，近60 a 河南省主要流域流量呈下降趨勢(shì)。 ②空間上，全省自西向東，流量下降速率變大。 ③時(shí)間上，河南省天然徑流在20 世紀(jì)60—70 年代屬豐水期，年平均流量較多年平均值高；進(jìn)入80 年代，受氣候變化及人類活動(dòng)影響［14］，流量有下降趨勢(shì)；進(jìn)入21 世紀(jì)，河南省徑流減少趨勢(shì)減緩伴有回升態(tài)勢(shì)。

圖2 河南省代表水文站實(shí)測(cè)年平均流量演變規(guī)律

表2 水文站序列資料M-K 趨勢(shì)及突變檢驗(yàn)結(jié)果（顯著性水平為0.05）

由圖2 可以看出：①海河流域安陽站年平均流量呈增加—減少—增加態(tài)勢(shì)，20 世紀(jì)60—70 年代屬流域豐水期，1980—2000 年流域流量呈持續(xù)性遞減趨勢(shì)，2000 年以后流量出現(xiàn)回升。 ②黃河流域黑石關(guān)站年平均流量呈持續(xù)減少態(tài)勢(shì)，且年代際變化幅度較大，最大年平均流量出現(xiàn)在1964 年，為3 614 m3／s，該站最小年平均流量（210.23 m3／s）出現(xiàn)在1995 年。 ③長(zhǎng)江流域唐河站1952—2017 年年平均流量呈現(xiàn)持續(xù)性快速遞減趨勢(shì)，年平均流量年代際波動(dòng)幅度較大，最大年平均流量2 667.94 m3／s（1975 年）約為最小年平均流量92.61 m3／s（2016 年）的28.8 倍。 ④淮河流域3個(gè)站在20 世紀(jì)60—70 年代年平均流量較大，屬流域豐水期，70 年代后流量呈緩慢下降趨勢(shì)。

由表2 可以看出：①海河流域河南段年平均流量顯著下降，代表水文站安陽站年平均流量下降速率為3.570 m3／（s·a），Z值為-3.99，下降趨勢(shì)超過5%顯著性水平。 ②黃河流域河南段年平均流量顯著下降，代表水文站黑石關(guān)站年平均流量下降速率為11.345 m3／（s·a），Z值為-3.96，下降趨勢(shì)超過5%顯著性水平。 ③長(zhǎng)江流域河南段年平均流量顯著下降，代表水文站唐河站年平均流量下降速率為9.984 m3／（s·a），Z值為-2.68，下降趨勢(shì)超過5%顯著水平。 ④淮河流域河南段年平均流量有下降趨勢(shì)，代表水文站息縣站年平均流量下降速率為13.864 m3／（s·a），Z值為-0.98，下降趨勢(shì)不顯著；周口站年平均流量下降速率為34.543 m3／（s·a），Z值為-2.60，下降趨勢(shì)超過5%顯著水平；班臺(tái)站年平均流量下降速率為12.888 m3／（s·a），Z值為-1.34，下降趨勢(shì)不顯著。

對(duì)河南省6 個(gè)代表水文站進(jìn)行年徑流突變點(diǎn)檢測(cè)，突變年份見表2，突變前后年平均流量見圖3。

圖3 河南省代表水文站徑流突變前后年平均流量

由圖3 和表2 可以看出：①海河流域安陽站突變前年平均流量為298 m3／s，突變之后年平均流量為159 m3／s，突變之后的年平均流量比突變之前減少46.6%。 ②黃河流域黑石關(guān)站突變前年平均流量為1 065 m3／s，突變之后年平均流量為716 m3／s，突變之后的年平均流量比突變之前減少32.8%。 ③長(zhǎng)江流域唐河站突變前年平均流量為1 145 m3／s，突變之后年平均流量為391 m3／s，突變之后的年平均流量比突變之前減少65.8%。 ④淮河流域周口站、班臺(tái)站、息縣站突變前年平均流量分別為4 108、2 564、3 664 m3／s，突變之后年平均流量分別為2 468、2 045、3 110 m3／s，突變之后的年平均流量分別比突變之前減少15.1%、39.9%、60.29%。 ⑤自南向北，流量變化突變點(diǎn)越來越提前；自北向南，流量減少幅度越來越大。

2.2 月徑流演變

河南省6 個(gè)代表站實(shí)測(cè)月平均流量M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示，由圖4 可以看出：①海河流域安陽站12 個(gè)月份月平均流量均呈減小趨勢(shì)，有11 個(gè)月下降趨勢(shì)顯著，達(dá)到5%顯著水平。 ②黃河流域黑石關(guān)站12 個(gè)月均呈下降趨勢(shì)，其中有10 個(gè)月呈顯著下降趨勢(shì)，達(dá)到5%顯著水平。 ③長(zhǎng)江流域唐河站12 個(gè)月份月平均流量呈下降趨勢(shì)，其中4 個(gè)月下降趨勢(shì)顯著。④淮河流域周口站12 個(gè)月份月平均流量均呈下降趨勢(shì)，其中3 個(gè)月下降趨勢(shì)顯著，達(dá)到5%顯著水平；班臺(tái)站一年中有4 個(gè)月平均流量增大，8 個(gè)月平均流量減小，變化趨勢(shì)都不顯著；息縣站一年中有5 個(gè)月平均流量增大，7 個(gè)月平均流量減小，變化趨勢(shì)都不顯著。⑤總的來看，河南省四大流域各月平均流量變化主要呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，自南向北下降趨勢(shì)越來越顯著。

圖4 河南省四大流域代表水文站實(shí)測(cè)月平均流量M-K 趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)月平均流量突變點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)突變點(diǎn)前后月徑流量年內(nèi)分配過程進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見圖5，由圖5可知：①海河流域安陽水文站突變點(diǎn)前后月徑流量占年徑流量比例差別較小，3 月份月徑流量占比由6.50%增加到6.57%；10 月份月徑流量占比由10.34%減少為9.58%。 ②黃河流域黑石關(guān)水文站突變點(diǎn)后月徑流量占年徑流量比例變化較小，枯水期3 月份月徑流量占比由4.03%增加到4.89%；豐水期8 月份月徑流量占比由13.91%減少到12.83%。 ③長(zhǎng)江流域唐河水文站突變點(diǎn)后月徑流量占年徑流量比例變化較大，枯水期12 月份月徑流量占比由2.30%增加到4.60%；豐水期8月份月徑流量占比由25.18%減少到13.33%。 ④淮河流域河南段突變點(diǎn)后月徑流量占年徑流量比例變化較小，周口水文站枯水期3 月份月徑流量占比由2.90%增加到3.38%；豐水期7 月份月徑流量占比由20.55%減少到19.47%。 班臺(tái)水文站枯水期2 月份月徑流量占比由2.41%增加到2.50%；豐水期6 月份月徑流量占比由11.00%減少到9.30%。 息縣水文站枯水期1 月份月徑流量占比由1.97%增加到2.70%；豐水期8 月份月徑流量占比由17.70%減少到13.60%。 ⑤除長(zhǎng)江流域河南段外，河南省枯水期月徑流量占年徑流量比重較小。 ⑥總的來看，河南省主要流域月徑流量占年徑流量比例呈枯增豐減態(tài)勢(shì)。

圖5 河南省四大流域代表站實(shí)測(cè)月徑流量占年徑流量比例變化特征

2.3 結(jié)果討論

河川徑流量的增減與氣候變化有著密切的聯(lián)系，人類活動(dòng)的劇烈程度也會(huì)對(duì)徑流量產(chǎn)生一定的影響［15］。 本研究表明，河南省實(shí)測(cè)流量呈現(xiàn)較為明顯的三階段特征，20 世紀(jì)60—70 年代是全省豐水期，80—90 年代流量有下降趨勢(shì)，2000 年后流量下降趨勢(shì)減緩，部分地區(qū)流量稍有回升。

海河流域河南段位于豫北平原，是河南省的糧食主產(chǎn)區(qū)和重要的工業(yè)基地，20 世紀(jì)80 年代我國進(jìn)入高速發(fā)展期，徑流受農(nóng)業(yè)、工業(yè)等取用水影響程度巨大，人類活動(dòng)對(duì)流域水循環(huán)影響劇烈［16］。 進(jìn)入21 世紀(jì)，受黨中央出臺(tái)的水資源三條紅線、嚴(yán)控總用水量等因素影響［17］，海河流域徑流減少趨勢(shì)減緩伴有回升態(tài)勢(shì)。 海河流域的已有研究表明，1970 年以來實(shí)測(cè)徑流量大幅度減?。ê：佑^臺(tái)站1970—2010 年實(shí)測(cè)年徑流深較前期減少79.6 mm［18］），其結(jié)論與本研究總體一致。 但本研究計(jì)算的流量變化幅度相對(duì)較小，其主要原因是采用的基準(zhǔn)期和對(duì)比期不同。

近年來黃河流域氣溫顯著升高，降水減少，對(duì)徑流量減小起到了一些作用。 此外，黃河中游修建了大量的梯田、淤地壩等水土保持工程，攔截了部分水量，引起徑流量大幅度減?。?9］，鮑振鑫等［1］研究發(fā)現(xiàn)黃河流域1980—2000 年和2001—2016 年多年平均入海徑流量比1956—1979 年分別減少50.07%和59.67%。 本文分析了黃河流域河南省境內(nèi)的伊洛河黑石關(guān)站流量的變化，其演變態(tài)勢(shì)與黃河流域的總體一致，但變化幅度相對(duì)較小，盡管基準(zhǔn)期和對(duì)比期不同是其差異的重要原因之一，但黃河總體干旱敏感，伊洛河較為濕潤和受環(huán)境變化影響較小是其徑流變化小的另一重要原因［20］。

長(zhǎng)江流域的唐河站徑流突變之后年平均流量減小幅度較大，突變之后的年平均流量比突變之前減少65.8%。 而大部分研究中，長(zhǎng)江干流實(shí)測(cè)徑流量趨勢(shì)和突變均不明顯［5］，主要原因是長(zhǎng)江流域面積較大，徑流自身調(diào)節(jié)能力和對(duì)外界影響的抗干擾能力較強(qiáng)，而唐河以上面積較小，唐河站實(shí)測(cè)徑流對(duì)上游水利工程修建及其運(yùn)行調(diào)度非常敏感。

河南省內(nèi)大部分地區(qū)處于淮河流域，區(qū)域內(nèi)以農(nóng)業(yè)、工業(yè)為主，巨大的取用水量使得流量減小。 隨著近幾十年來氣溫升高，淮河流域降水減少，蒸散發(fā)增加，導(dǎo)致徑流減少［21］。 相關(guān)研究表明，降水量減少和下墊面變化是造成淮河上游徑流減少的重要原因［22］，1975—2014 年淮河流域流量遞減速率為3.8 m3／（s·10 a），其中降水減少是導(dǎo)致上游徑流減少的主要原因［23-24］。

3 結(jié) 論

（1）近60 a 河南省主要流域河川年平均流量呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，2000 年后略有回升。 安陽站、黑石關(guān)站、唐河站、周口站為顯著減少。 空間上，自西向東年平均流量下降速率變大。

（2）M-K 突變檢驗(yàn)表明，近60 a 河南省6 個(gè)代表站徑流突變后年平均流量較突變前減小，減小幅度均超過15%，唐河站年平均流量減小幅度最大，為65.8%，自南向北流量突變點(diǎn)越來越提前，自北向南流量減小幅度越來越大。

（3）河南省主要流域月平均流量主要呈下降趨勢(shì)。 海河流域河南段、黃河流域河南段月平均流量下降趨勢(shì)顯著，長(zhǎng)江流域河南段月平均流量有4 個(gè)月下降趨勢(shì)顯著，淮河流域河南段月平均流量變化趨勢(shì)總體上不顯著。

（4）除長(zhǎng)江流域河南段外，河南省主要流域月平均流量年內(nèi)分配變化不大。 從全省范圍來看，月徑流量占年徑流量比例呈枯增豐減態(tài)勢(shì)。