黃河上中游區徑流量格局長期變化過程

孫洋洋, 穆興民, 高 鵬, 趙廣舉, 孫文義

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃河上中游區徑流量格局長期變化過程

孫洋洋1, 穆興民2,3, 高 鵬2,3, 趙廣舉2,3, 孫文義2,3

(1.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

河川徑流不僅是水資源重要的構成部分，也是自然界中水分循環的重要環節，徑流量的變化直接影響區域特別是干旱區水資源的開發利用?；邳S河中游上中下三個站點(河口鎮站、吳堡站以及三門峽站)1919—2013年月徑流量資料，采用Spearman相關法、有序聚類法等方法分析黃河不同區間年、月徑流量演變規律，揭示年徑流量突變前后徑流量年內集中度和不均勻性差異。結果表明：黃河上游和中游徑流量因人類活動作用具有明顯趨勢性減小，而因氣候作用表現出顯著的階段性。在徑流量突變年份后，黃河上游徑流量上游集中度降低，不均勻度減小，徑流量年內分配趨于均勻，但黃河中游地區徑流量年季不均勻性反而增大。

徑流; 變化趨勢; 集中性; 不均勻性; 黃河上中游

徑流量受氣候、地形、土壤、土地利用覆被以及水利工程等多重影響，是流域對全球氣候變化和人類活動影響的綜合反映[1]。隨著人口的增長和社會經濟的發展，水資源短缺已經成為全球經濟和社會發展的主要制約因素，并日益引起各國政府科學家和公眾的廣泛關注[2]。黃河是一條高含沙河流，同時具有水沙異源即徑流主要來自上游而泥沙主要來自中游地區的特點。作為我國西北和華北地區最大的供水水源，黃河以其占全國2%的河川徑流量承擔著占全國15%耕地面積的灌溉任務與12%人口的供水任務[3]。受人類活動和氣候變化等諸多因素的影響，21世紀以來，黃河的徑流和輸沙特征發生的突兀性變化已引起人們的廣泛關注[4]。穆興民等[5]分析黃河陜縣站1919—1997年天然徑流量變化，指出黃河天然徑流量年際變化存在明顯的階段性以及周期性特征，并預測在2010年天然徑流量開始恢復到多年平均水平。李二輝等[6]應用Mann-Kendall秩次相關檢驗、雙累積曲線法等方法分析黃河干流陜縣站和河口鎮站1919—2010年徑流量演變過程，指出黃河上游和中游年徑流量自1985年以來呈顯著減少趨勢，且變化具有明顯的階段性，并定量分析人類活動對上游和中游徑流量減少的影響程度分別占88.1%和84.9%。畢彩霞等[7]分析渭河華縣水文站1950—2011年日流量，指出徑流量1994年以來呈顯著性減少趨勢，并據此將徑流序列劃分為基準期1958—1994年和變化期1995—2011年，同時指出降雨變化和人類活動對徑流變化的貢獻率分別占到49.0%和51.0%。這些研究詳細地闡述了黃河干流和支流的徑流量變化特征并分析了其變化的主導因素，但大多數研究集中在年徑流的年際變化，較少涉及徑流量年內分配近期變異，在較小時間尺度(月、季)上，流域徑流演變趨勢及其影響因素方面還有待更為細致的研究[2]。因此，本文采用現代統計方法分析黃河上中游徑流量年際和月份的協同變化特征，探討影響其變化的驅動因素。

1 研究流域概況

黃河流域西界巴顏喀拉山，東抵渤海，北起陰山，南至秦嶺。流域內地勢東西高差懸殊，形成自西而東、由高及低我國三大階梯(圖1)。黃河干流內蒙古托克托縣河口鎮以上的黃河河段為黃河上游。上游河段全長3 472 km，流域面積386 000 km2，流域面積占全黃河總量的51.3%。上游河段落差達3 496 m，平均比降為1‰，河段內匯入的較大支流(流域面積1 000 km2以上)有43條。黃河上游年徑流量占全河的54%，但其年來沙量只占全河年來沙量的8%。黃河中游從內蒙古托克托縣河口鎮至河南鄭州桃花峪間的黃河河段[7]。中游地區黃土廣泛分布，嚴重水土流失形成黃土墚、峁、塬等獨特的黃土地貌發育，是黃河泥沙的主要來源區[8-9]。中游地區主要包括河龍區間的支流和涇河、北洛河、渭河與汾河(簡稱涇洛渭汾)等河流，其年入黃泥沙量、輸沙量占全河的90%以上，特別是河口鎮到龍門區間流域面積占黃河流域面積的15.1%，產流量不足全流域的14%，但輸沙量占60%以上[10]。

2 研究資料與方法

2.1 研究資料

黃河輸沙量自20世紀80年代特別是2000年以來突兀性減少[4]，為了與輸沙變化相比較，本文對中游徑流量進行對應的時空段研究。采用內蒙古自治區境內黃河河口鎮站、陜西省境內黃河吳堡站、河南省境內黃河三門峽站(以下簡稱三站)1919年1月—2013年12月的逐月徑流量觀測數據。將河口鎮水文站實測徑流量作為黃河干流上游的來水量，將河口鎮至吳堡區間徑流量、吳堡至三門峽區間徑流量作為中游上段來水量和中游下段來水量，即上游徑流量用河口鎮站的徑流量表示，中游上段和中游下段徑流量分別用用吳堡站與河口鎮站之差、及三門峽與吳堡站徑流量之差表示[6]，整個中游徑流量則由三門峽站與河口鎮站徑流量之差表示。

圖1 黃河流域示意圖

2.2 研究方法

本文采用距平累積法[11]、非參數的Mann-Kendall秩相關檢驗法[12]和有序聚類法[13]等對黃河上中游三區間的年徑流量時間序列進行階段性、趨勢性以及突變性分析。在徑流量年內變化特征分析中采用集中度[14]和集中期[4,14-17]對突變年份前后進行徑流量年內分配變化的比較研究，同時采用不均勻系數[15]、完全調節系數[16]、變化幅度[15-17]等對其進行不均勻性變化的比較研究。

3 結果與分析

3.1 黃河實測徑流量年際變化特征

3.1.1 徑流量年際、代際變化基本特征 黃河上游和中游地區年徑流量年代際差異明顯、年際變化波動大。不同年代實測年徑流量均值、變差系數(Cv)、極值比(R)等徑流量特征詳見表1。1919—2013年黃河上游、中游上段和中游下段多年平均徑流量分別為229.3億m3，29.2億m3，109.54億m3。上中游不同年代最大平均徑流量均出現在20世紀40年代，21世紀初最小，僅分別占20世紀40年代的52%，18%，26%，表明此區間代際干濕差異比較明顯。20世紀70年代以來，黃河中游代際徑流量呈現顯著減少現象，此時間段內黃河中游處于持續干旱狀態。

黃河上中游徑流量變差系數Cv值變化較大，上游代際間Cv值在0.17～0.39間波動，最大值出現在20世紀60年代。中游上段2010—2013年徑流量年際變化波動最為劇烈，Cv值達到0.7。中游下段年徑流量變差系數Cv最大值出現在21世紀初，為0.62。進入21世紀以來，黃河中游徑流量年際變化更為劇烈。

表1 黃河干流上中游不同年代區間來水量基本特征 108m3

注：—表示出現負值，下表同。

3.1.2 徑流量年際變化的階段性 黃河實測徑流量年際變化具有明顯的階段性。黃河上游及中游各區段徑流量距平累積曲線見圖2。以曲線至少連續出現5 a的變化趨勢為準[5]，黃河上游徑流量階段變化可分為枯、豐、枯三個階段：1919—1932年為枯水期、1933—1985年為豐水期、1986—2013年為枯水期。黃河中游上段徑流量變化分為平、豐、枯三個階段：1921—1928年為平水年段、1929—1971年為豐水年段、1972—2013年為枯水期，中游下段徑流量變化經歷枯、豐、平、枯四個階段：1919—1932年為枯水期、1933—1970年為豐水期、1971—1988年為平水期、1989—2013年為枯水期。不同階段來水量特征見表2。分析得不同階段黃河上中游徑流量差異極大，豐水年極值比枯水年大，說明在豐水年段區間年徑流量變化波動更大。

中游上段20世紀70年代以來，區間來水量大幅度減少，并至今呈持續狀態。中游下段從20世紀80年代以來區間來水量減少約50%。黃河上中游年徑流量最小值出現在2000年以后，進入21世紀以來，黃河上中游地區極度干旱。1960年以前人類活動對黃河徑流及土壤侵蝕影響相對較小，黃河水沙處于自然變化狀態[18]。20世紀70年代末，大規模的水利及水保持工程，有效攔蓄徑流和侵蝕產沙，使入黃泥沙顯著減少[19]，特別是21世紀以來大規模植被恢復，很大程度上改變了地表產匯流及土壤侵蝕過程，入黃水沙突兀性減少，引起各界的廣泛關注[4]。

3.1.3 徑流量年際變化的趨勢性及突變性 利用Mann-Kendall非參數相關檢驗對黃河上中游年徑流量序列進行趨勢分析，檢驗統計量為負且均達到0.01極顯著水平。同時對變化做時間性一階回歸分析，分析徑流量年變化傾向率，結果見表3。分析表明：黃河上游、中游實測年徑流序列下呈現出顯著下降趨勢，尤以中游上段最為顯著。

采用有序聚類法對黃河中游三個站點突變檢驗見圖3。分析表明：黃河上中游徑流量總離差平方和Sn(τ)分別在1985年、1971年、1990年(相對應τ=67，53，72，)達到最小值，說明黃河上游、中游上段、中游下段的年徑流量分別于1985年、1971年、1990年發生突變。利用秩和檢驗法對其進行檢驗，檢驗統計量分別為5.54，7.36，4.97，均達到0.05的置信水平。

表2 黃河干流上中游階段性來水量基本特征 108 m3

表3 黃河上中游徑流量變化趨勢檢驗

注：***表示達到0.001顯著性水平。

圖2 黃河上中游年徑流量距平累積曲線

3.2 黃河實測徑流量年內分配及變化

3.2.1 徑流量年內變化基本特征 流域徑流量年內分配因受降雨、下墊面和植被等影響差異較大[20]。黃河上游和中游實測年內徑流量均值、極值比等特征值見表4。分析可知，黃河上游和中游地區徑流量年內分配極度不均，流域年內徑流量主要集中在7—9月，徑流量之和均占全年的45%左右。黃河上中游徑流量年內變化波動明顯。

圖3黃河上中游徑流量突變分析

分析發現黃河中游區間有些月份徑流量呈現負值，即黃河河口鎮站大于吳堡站月徑流量或者吳堡站大于三門峽站，這表明此時間段黃河河吳區間以及吳三區間在氣候或人為條件影響下并沒有產流，反而會損耗上游來水量。此現象主要發生在春夏兩季，春季為年枯水期，且正值農業用水高峰期，夏季氣溫較高，黃河上中游地區潛在蒸發量較大。在徑流突變年份后此現象更加明顯。

表4 黃河干流上中游不同月份區間徑流量統計特征 108 m3

注：—表示出現負值。

3.2.2 徑流量年內趨勢性變化分析 利用Mann-Kendall秩次相關檢驗對黃河上中游各月平均徑流量序列進行趨勢分析，檢驗統計量見圖4，徑流量年內變化具有明顯趨勢性。上游徑流量在5—11月徑流量呈顯著下降趨勢，12月至次年4月徑流量則呈顯著上升趨勢，表明區域徑流量年內分配區域均勻化。中游徑流量整體呈下降趨勢，但中游上段6月份和中游下段9月份的徑流量變化趨勢不顯著。

圖4黃河上中游徑流量逐月變化

Mann-Kendall非秩次相關檢驗值

通過圖5可以看出黃河上中游總體徑流量顯著減少。黃河上中游三區間突變后年平均徑流量較突變前分別減少34.6%，62.5%，58.9%。突變前連續最大3個月徑流量占年徑流量的47.3%，41.4%，45.6%，突變后占33.7%，40.4%，52.7%。黃河上游區間在徑流量發生突變后5—11月徑流量較突變前減少，12月至次4月徑流量上升，而中游徑流量整體呈下降趨勢。

馬柱國[21]研究指出引起當前黃河流域徑流如此變化的原因大致有三個方面，一是沿黃工農業用水量的增加；二是流域降水的變化；第三是由于區域增暖導致地表溫度的上升，從而加強流域的地表蒸發，最終引起流域的徑流減少。

圖5黃河上中游不同階段年徑流量月平均值統計圖

3.2.3 徑流量集中性年內變化分析 采用集中度與集中期定量分析突變前后徑流量年內分配變化過程，結果見表5。黃河上游徑流量集中性降低，中游集中性上升。突變后黃河上游和中游上段區間徑流量集中期均有所提前，其中中游上段提前45 d左右，中游下段幾乎沒有變化。

表5 黃河上中游徑流量集中性變化分析

3.2.4 徑流量年內不均勻性變化分析 河川徑流的年內分配主要受徑流補給條件的影響[16]。由于氣候的季節性波動，氣象要素如降水和氣溫都有明顯的季節性變化，從而在相當大程度上決定了徑流年內分配的不均勻性[19]。為進一步分析1919—2013年黃河上中游徑流量年內分配變化特征，本文對不均勻系數(Cr)、完全調節系數(Ct)、相對變化幅度(Cm)、絕對變化幅度(ΔQ)等指標進行統計，結果見表6。

黃河上游不均勻性降低，徑流分配變得均勻，但中游不均勻性上升。突變發生后黃河上游徑流量相對變化幅度均減小，中游徑流量相對變化幅度有所增大。同時黃河上中游絕對變化幅度均減小，由此也可以驗證黃河干流上中游徑流量在突變后大幅度減少。

表6 黃河上中游徑流量不均勻性變化分析

注：—表示出現負值。

分析黃河上游區間和中游區間年徑流量變化趨勢，發現變化趨勢并不完全一致，尤其是徑流量突變后，徑流量分配變化呈明顯差別。相關研究[18,21]表明，黃河中游地區水沙變化與流域內強烈的人類活動密切相關。人類活動對流域徑流的影響主要表現為20世紀70年代以后流域內大規模的水利工程水土保持措施和工農業用水的增加[22]。不僅是黃河干流，支流上也建設了一大批水利工程，它們對徑流量的減少都是以數億m3計量，這對黃河干流的徑流過程產生極大的影響。工程措施和工農業耗水量不斷上升，人類活動對渭河徑流的影響越來越劇烈，導致徑流量不斷減少[7]，黃河干流不同區間徑流量變化趨勢趨于多樣性。

4 結 論

(1) 1919—2013年期間，受水利及水土保持工程的作用，黃河上中游徑流量具有趨勢性減小趨勢，但受氣候特別是降雨的影響，徑流量的變化也表現出顯著的豐枯階段性變化，不同階段徑流量及其隨機性特征差異顯著。

(2) 受氣候及人類活動的共同作用，不同年代徑流量差異顯著。在近百年里，徑流量出現20世紀40年代徑流量最大，21世紀10年代徑流量最小。

(3) 黃河上中游區間在徑流量發生突變年之后，其徑流量分配規律也發生很大變化。上中游徑流量在突變后明顯減少。上游集中度降低、集中期推遲，徑流量年內分配趨于均勻，中游集中性和不均勻性增強。黃河上游和中游區間徑流量變化趨勢并不完全一致。

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TemporalChangesinRunoffintheUpperandMiddleReachesofYellowRiver

SUN Yangyang1, MU Xingmin2,3, GAO Peng2,3, ZHAO Guangju2,3, SUN Wenyi2,3

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China)

Runoff is the important water resource and element of hydrologic cycle. The change of runoff directly affects the exploitation and utilization of water resources. Based on the data of monthly runoff from 1919 to 2013 of the three sites (Heleouzhen station, Wubu station and Sanmenxia station) in the middle reaches of the Yellow River, we used modern statistical analysis methods such as Spearman correlation, Mann-Kendall rank test, sequential clustering method, to reveal the change of concentration and inhomogeneity about runoff.The results showed that the runoff of upstream and middle reaches of the Yellow River has reduced because of human activity. Meanwhile the climate impact on the runoff showed the significant stage. After runoff mutation, the concentration and inhomogeneity of runoff in the upper reaches of the Yellow River have reduced, and distribution of runoff tends to be more uniform, but inhomogeneity of runoff in the middle reaches of the Yellow River increases instead.

runoff; variation trend; concentration; inhomogeneity; the upper and middle reaches of the Yellow River

2016-09-04

：2016-10-08

國家重點研發計劃“黃河流域水沙多時空演變及其分異規律”(2016YFC0402240701)

孫洋洋(1990—),女,山東棗莊人,碩士研究生,主要從事生態水文及水土保持研究。E-mail:yysun@nwsuaf.edu.cn

穆興民(1961—),男,陜西華陰人,研究員,博士生導師,主要從事水土保持、生態水文方面的研究工作 E-mail:xmmu@ms.iswc.ac.cn

TV121.4

：A

：1005-3409(2017)03-0059-06