1998-2020年黃河流域徑流與降水演變規(guī)律研究

李 鋒

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018）

1 研究背景

工業(yè)革命以來，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)導(dǎo)致對于自然資源的索取以及大量廢棄物的排放，使得人類正常的生活環(huán)境遭到了前所未有的破壞。隨著全球氣候變暖以及人類生產(chǎn)建設(shè)對于自然環(huán)境影響的加劇，全球范圍內(nèi)主要河流的水文情勢發(fā)生了顯著改變。河川徑流量是一種重要的自然資源，徑流量的變化將直接影響到人類對于水資源的利用，進(jìn)而影響到農(nóng)業(yè)、工業(yè)的發(fā)展。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）在第四次評估報(bào)告中指出，21 世紀(jì)中期，高緯度地區(qū)河流徑流量將得到顯著增加，中低緯度的一些干旱地區(qū)徑流量將有所降低。河流的水文情勢具有多重屬性，對于維持河流流域內(nèi)的生態(tài)平衡，地貌特征以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。隨著氣候變化以及人類活動(dòng)影響的日益增強(qiáng)，全球范圍內(nèi)主要河流的水文情勢發(fā)生了顯著的變化，對流域內(nèi)水資源的時(shí)空分布，生態(tài)系統(tǒng)的建設(shè)等產(chǎn)生了深刻的影響。徑流變化是氣候因素與人類活動(dòng)等多因素綜合作用的結(jié)果，一方面有些河流的徑流量變化源于氣候變化，主要以降水量的影響最為重要，但是也有研究指出，對于流量較大，流域廣泛的河流，蒸發(fā)的散失也是造成徑流量變化的重要因素；另一方面，人類活動(dòng)對于徑流量的影響也十分顯著，水利工程的修建，流域內(nèi)人類生產(chǎn)生活用水等，都影響著河流徑流量的變化。由于河川徑流量的變化與人類的經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)，因此成為近年來研究的熱點(diǎn)問題。

本文擬對黃河流域1998-2020年的徑流量以及降水量進(jìn)行分析，通過數(shù)據(jù)擬合分析徑流量與降水量之間的相關(guān)關(guān)系，找出徑流量與降水量的大致變化趨勢，利用M-K 檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯で笸蛔兡攴?，通過距平累積法尋找突變原因并計(jì)算出各因素對于徑流量的影響程度。以期為黃河流域的可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)平衡的恢復(fù)和環(huán)境的建設(shè)提供依據(jù)，為黃河地區(qū)的水資源規(guī)劃與分配以及黃河治理提供支撐。

2 流域概況

黃河是我國第二大河，自西向東流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、山西、陜西、河南、山東等九省區(qū)（自治區(qū)），全長5 464 km，流域橫貫中國東西，主要位于中國西北部地區(qū)，地勢上西高東低，西部河源地區(qū)以高原，山地為主，常年積雪；中游流經(jīng)黃土高原，水流迅急，坡降大，水土流失嚴(yán)重；下游地區(qū)主要由黃河沖擊平原組成，流速緩慢。

黃河流域跨越了南溫帶、中溫帶和高原氣候區(qū)三個(gè)氣候帶，常年平均氣溫在9.4℃左右，水汽輸入主要來源于西太平洋和南海北部灣，雨雪稀少且盛行西北風(fēng)。流域大部分地區(qū)受西太平洋暖濕副高壓影響，降雨量從東南向西北逐漸遞減。

3 數(shù)據(jù)來源和研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用的徑流量與降水量等水文數(shù)據(jù)均來自1998-2020年黃河水利委員會(huì)發(fā)布的《黃河水資源公報(bào)》。

3.2 研究方法

3.2.1 M-K 檢驗(yàn)法

M-K 檢驗(yàn)法是由H.B.Mann 和M.G.Kendall 兩位科學(xué)家提出并發(fā)展的用于提取序列變化趨勢的一種方法，由于其不受個(gè)別異常值的干擾以及準(zhǔn)確度高，反映客觀等優(yōu)點(diǎn)，在氣候參數(shù)以及水文序列的分析中得到了廣泛的應(yīng)用。水文數(shù)據(jù)運(yùn)用M-K 法檢驗(yàn)后可以尋找出分析時(shí)段的突變時(shí)間點(diǎn)，以此為基準(zhǔn)將時(shí)間序列分為基準(zhǔn)期和變化期，為后期定量分析引起突變的不同因素提供依據(jù)。

利用M-K 統(tǒng)計(jì)值UFk和UBk，繪出UFk和UBk曲線圖，若UFk曲線大于零且位于置信區(qū)間之內(nèi)則表明序列呈上升趨勢，但趨勢相對較弱，小于零則表明呈相對較弱的下降趨勢。當(dāng)超過信度線時(shí)，表明序列呈明顯的上升或下降趨勢且表現(xiàn)顯著，超過信度線的區(qū)域確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域，如果UFk和UBk兩條曲線在信度線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)便是突變開始的時(shí)間。本文采用置信度α=0.05，對應(yīng)的臨界值為±1.96。

3.2.2 距平累積法

距平累積法是一種通過曲線反映序列變化趨勢的方法，通過距平累積曲線的走勢可以判斷出樣本的演變趨勢，而且根據(jù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)可以判斷出突變點(diǎn)。

式中：X為年徑流量或年平均降水量序列的距平累積值；xˉ為年徑流量或年平均降水序列的平均值。

距平累積曲線呈上升趨勢，表示距平值增加，呈下降趨勢則表示距平值減小。從曲線明顯的上下起伏，可以判斷其長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化，甚至還可以診斷出發(fā)生突變的大致時(shí)間，從曲線小的波動(dòng)變化可以考察其短期的距平值變化。

目前，設(shè)施園藝景觀大多以休閑農(nóng)業(yè)為主要載體，在景觀內(nèi)容初具規(guī)模后，再不斷發(fā)掘設(shè)施園藝景觀所具有的深層次功能，以科學(xué)合理的設(shè)計(jì)理念將設(shè)施園藝景觀的設(shè)計(jì)內(nèi)容展示出來。在目前農(nóng)業(yè)旅游的大背景下，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)理念會(huì)涉及到觀光游玩、娛樂放松、健康休閑、體驗(yàn)樂趣、感悟生活等方面，設(shè)計(jì)師可以圍繞這5個(gè)大主題進(jìn)行一些設(shè)施園藝景觀的設(shè)計(jì)，將景觀的價(jià)值和功能體現(xiàn)出來[2]。

3.3.3 累積量斜率變化率比較法

累積量斜率變化率比較法（SCRCQ）是由王隨繼、白樺等人提出的一種用于定量分析降水量和其他因素對于徑流量貢獻(xiàn)率的方法。該方法分別計(jì)算出累積降水量以及累積徑流量與年份的擬合曲線在突變前后的斜率變化率，若累積降雨量變化率Ra＞0，累積徑流量變化率Rb＜0，則降水量變化對徑流量的變化貢獻(xiàn)率為：

4 結(jié)果和討論

4.1 降水量、徑流量變化的基本特征

以4 a 為一個(gè)時(shí)間范圍對時(shí)間序列進(jìn)行分段，計(jì)算各時(shí)間段平均值、極值比、變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)量，可以發(fā)現(xiàn)各時(shí)間段內(nèi)2018-2020年降水量均值最大，為518.47 mm，對應(yīng)時(shí)間段的徑流量平均值為335.20×108m3，是分析時(shí)段的第二位，表現(xiàn)出一定的同期性。黃河流域降水量變化在2002-2005年時(shí)間段變化較大，極值比為0.37，變異系數(shù)為0.15。徑流量在2002-2005年時(shí)間段變化較其他時(shí)間段變化極為顯著，極值比達(dá)到了3.94，變異系數(shù)為0.49，均為分析時(shí)段內(nèi)最大。整體來看，各時(shí)段徑流量的極值比以及變異系數(shù)均大于降水量的極值比，說明徑流量與降水量變化并不存在嚴(yán)格的一致性（表1）。由于降水是徑流的主要來源之一，因此徑流量與降水量之間的變化差異可以表征為人為因素導(dǎo)致的變化。

表1 黃河流域不同時(shí)段年均降水量、年均徑流變化量變化特征

利用最小二乘法對徑流量和降水量進(jìn)行擬合繪制圖像（圖1），徑流量擬合曲線為：y=8.9642x-1.7817×104（R2=0.2593）；降水?dāng)M合曲線為：y=4.1040x-7.7859×103（R2=0.3346），可以發(fā)現(xiàn)在1998-2020年時(shí)間內(nèi)，徑流量與降水量總體趨勢均呈上升趨勢，但是兩者之間的斜率并不相同，徑流量增長速度要大于降水量的增長速度，說明除降水因素外人類活動(dòng)也是影響徑流變化的主要因素。

圖1 黃河流域年徑流量、年降水量擬合曲線

4.2 徑流量、降水量變化的階段性特征

為分析黃河流域1998-2020年徑流量與降水量變化的階段性特征，運(yùn)用距平累積法繪制徑流量與降水量時(shí)間序列的距平累積曲線（圖2）。分析表明：年降水量距平累積曲線在2010年有一個(gè)明顯的突變，因此，可以將1998-2020年黃河流域降水演變過程以2010年為界限分為兩個(gè)階段，少水期1998-2009年平均降水量為435.34 mm，多水期2010-2020年平均降水量為484.81 mm。同樣的方法，以2009年為界限將年徑流量分為豐-枯兩個(gè)階段，1998-2008年為枯水期，2009-2020年為豐水期，多年平均徑流量分別為131.92×108m3，247.58×108m3?？梢园l(fā)現(xiàn)，降水量與徑流量之間存在一定的同期性，說明降水量對于徑流量有一定的影響。同時(shí)觀察曲線可知，降水量的波動(dòng)性要明顯強(qiáng)于年徑流量的波動(dòng)性，說明降水量與徑流量之間整體存在一定的差異性，存在人為原因?qū)е聝烧哒w變化不同步。

圖2 黃河流域年徑流量、年降水量距平累積曲線

4.3 徑流量、降水量變化M-K 突變檢驗(yàn)

運(yùn)用M-K 模型對黃河流域徑流量與降水量發(fā)生突變的年份進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算出UFk和UBk值，繪制出M-K 統(tǒng)計(jì)量UFk和UBk曲線（圖3）。年徑流量兩條曲線在2004年相交后UFk曲線大多在0 以上信度線內(nèi)，說明年徑流量在2004年發(fā)生突變后整體呈現(xiàn)不顯著上升趨勢。年降水量曲線在2010年相交后UFk曲線位于0 以上信度線以外，說明年降水量在2010年發(fā)生突變后呈顯著上升趨勢。徑流量與降水量突變發(fā)生時(shí)間不一致而且突變后變化幅度也不相同，說明除降水影響徑流外，人類活動(dòng)也是非常重要的原因。

圖3 黃河流域年徑流量、年徑流量M-K 突變分析

4.4 降水量和人類活動(dòng)對徑流量影響的定量分析

經(jīng)過以上分析，可以得出1998-2020年整體上徑流量與降水量均呈現(xiàn)上升趨勢，但是突變時(shí)間以及上升幅度均不相同，說明除降水以外也存在人類活動(dòng)對徑流量產(chǎn)生影響。根據(jù)M-K 突變檢驗(yàn)得出的以2010年為突變年份，利用累積斜率變化率比較法定量分析降水與人類活動(dòng)對于徑流量的影響程度。

分別將突變點(diǎn)前后徑流量與時(shí)間以及降水量與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行擬合，并繪制出相應(yīng)的擬合曲線（圖4）突變前累積徑流量與時(shí)間的擬合曲線為：

圖4 突變前后累積降水量——年份和累積徑流量——年份的擬合曲線

突變后的擬合曲線為：

因此可以計(jì)算出累積徑流量的斜率變化率為RSR=46.88%（表4）。

表4 黃河流域突變前后累積徑流量斜率及其變化率

同期對比，突變前累積降水量與時(shí)間的擬合曲線為：

突變后的擬合曲線為

累積降水量的斜率變化率為：RSP=10.70%（表5）。

表5 黃河流域突變前后累積降水量斜率及其變化率

根據(jù)公式，降水量變化對于徑流的貢獻(xiàn)率為4.38%，人類活動(dòng)對于徑流量的影響為95.62%。

5 結(jié)束語

對黃河流域1998-2020年徑流量與降水量等數(shù)據(jù)，在采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析徑流和降水變化特征的基礎(chǔ)上，運(yùn)用距平累積曲線以及M-K 模型進(jìn)行突變檢驗(yàn)以及變化趨勢分析，尋找出突變點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間以及突變前后的變化趨勢，利用累計(jì)斜率變化率比較法定量分析降水與人類活動(dòng)對于徑流量的影響程度，得到結(jié)果為：

（1）黃河流域徑流量與降水量變化呈現(xiàn)出明顯的階段性特征，流域降水演變過程以2010年為界限可以分為兩個(gè)階段，少水期1998-2009年多年平均降水量為435.34 mm，多水期2010-2020年多年平均降水量為484.81 mm。年徑流量分為豐-枯兩個(gè)階段，1998-2008年為枯水期，2009-2020年為豐水期。整體上徑流量與降水量均呈現(xiàn)上升趨勢，且降水量的變化幅度要大于徑流量的變化幅度。

（2）經(jīng)過距平累積曲線以及M-K 趨勢檢驗(yàn)，可以得出1998-2020年間黃河流域徑流量在2004年發(fā)生突變，降水量在2010年發(fā)生突變，且突變后均呈現(xiàn)上升趨勢，其中降水上升趨勢明顯快于徑流量的上升趨勢。

（3）在突變檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用累計(jì)斜率變化率比較法定量分析人類活動(dòng)與降水量對于徑流的影響程度。結(jié)果表明，1998-2020年間，人類活動(dòng)對徑流量影響貢獻(xiàn)率為95.62%，降水對徑流量的影響貢獻(xiàn)率為4.38%。說明黃河流域徑流量在增加的過程中人類活動(dòng)的影響越來越大。

本文分析了1998-2020年黃河流域徑流的演變規(guī)律以及影響徑流量變化的主要因素，探究了降水與人類活動(dòng)對徑流的影響程度，但是并未考慮環(huán)境氣溫、下滲、蒸發(fā)等因素，接下來將采用分布式模型進(jìn)一步量化徑流變化及開展原因分析。