近60年黃河蘭州以上水文情勢變化及生態徑流分析

張怡雯

（水利部信息中心（水利部水文水資源監測預報中心）,北京 100053）

0 引言

黃河是我國第二大河,發源于青藏高原巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地,流經青、川、甘、寧、蒙、晉、陜、豫、魯9 ?。▍^）,在山東省墾利縣注入渤海,干流分為上、中、下游三段,全長5464 km,落差4480 m,流域面積75.24 萬km2。黃河上游地處青藏高原、黃土高原、內蒙古高原交匯區該地區地貌特殊,地形起伏大,氣候復雜多樣,降水量分布極不均勻、生態環境脆弱。近幾十年來,隨著我國各大流域水庫群建設,在社會經濟效益增長的同時,水庫通過對地表水文過程的影響進而影響到流域生態系統,嚴重改變了上游河道的水文情勢,直接或間接影響了流域的生態與環境[1]。黃河上游作為黃河流域主要的水源涵養地和產流區,對黃河流域生態系統的安全與健康具有十分重要的作用。

1 研究區概況

黃河上游包括從河源至內蒙古托克托縣河口鎮,河道長3472 km,落差3500 m,流域面積38.6 萬km2,其年徑流量占全河的54%,來沙量占全河的8%[2]。黃河上游流域位于我國一、二級階梯的交替地帶,氣候類型復雜多樣,從高寒濕潤區逐步向荒漠干旱區過渡,降雨量、蒸發量年內分配不均,約75%降雨集中在6 月~9 月,主要蒸發集中在4 月~8 月。本文選取的唐乃亥和蘭州水文站位于上游的中部地區,海拔落差達較大、地形陡峭,主要包括湟水流域、甘肅中部及寧夏南部等地區,年平均降水量300 mm,年平均溫度1.5℃,實際蒸散量317 mm。據統計,唐乃亥斷面受人類活動影響較小,其多年平均月流量為632 m3/s。其中7月多年平均流量1310 m3/s,1月多年平均流量171 m3/s。蘭州斷面為黃河上游為生態流量保障主要控制斷面,其多年平均月流量為998 m3/s。其中,9 月多年平均流量1670 m3/s,2 月多年平均流量426 m3/s。

2 研究方法

為探求近60 年黃河上游水文變化特征,本文采用在水文氣象時間序列趨勢分析中廣泛應用的線性趨勢、分段線性趨勢、Mann-Kendall趨勢檢驗和Mann-Kendall突變檢驗方法,基于黃河上游唐乃亥水文站1956 年~2020 年和蘭州水文站1967 年~2020 年的的實測逐日徑流數據,分析不同時段的徑流變化趨勢過程。同時采用Richter等[3]提出的水文變異指標（IHA）和變化范圍法（RVA）,包含有流量、頻率、發生時間、歷時和改變率等5個方面33個指標分析突變年前后的黃河上游水文情勢變化特征,以河流突變前后各指標發生頻率的25%和75%作為變化范圍,單一IHA指標的改變度,指變化后實際落于RVA閾值內的觀測年數與預期年數的差值與變化后預期落于RVA閾值內的年數的比值,整體改變度為單一改變度的平均值。當變化度介于0~33%時,為無改變或低度改變；介于33%~67%時,為中度改變；介于67%~100%時,則為高度改變。

3 黃河上游水文情勢分析

通過點繪唐乃亥水文站1956 年~2020 年,蘭州水文站1967 年~2020 年的實測逐日徑流數據及線性回歸擬合線。可知,唐乃亥和蘭州水文站年際間變化較大,但整體變化趨勢均未達到顯著水平。從不同流量事件變化分布情況上看,可以看出干擾之后極大流量和極小流量事件發生次數明顯減少,環境流組成趨于單一,范圍逐漸變窄。

運用Mann-Kendall突變檢驗法,對唐乃亥和蘭州日徑流量序列進行突變檢驗,突變點結果見圖1、圖2。兩站徑流量年際過程存在突變點,其中唐乃亥站的突變年在1989 年左右及蘭州站的突變年在1997 年左右。

圖1 唐乃亥站MK突變檢驗結果

圖2 蘭州站MK突變檢驗結果

為進一步定量分析黃河上游水文變異情況,將唐乃亥逐日徑流數據根據突變結果劃分為1956 年~1989 和1990 年~2020 兩個時段;將蘭州站的逐日徑流數據劃分為1967 年~1997 年和1998 年~2020 年兩個時段。運用水文指標法IHA和變化范圍法RVA,分別對兩站的水文指標中值的變化情況進行了評估。當改變率低于33%時,視為無改變或低度改變；大于33%小于67%時,為中度改變；大于67%時,則為高度改變。當改變率為正數時表示突變后變大,為負時表示變小。唐乃亥站在1989 年突變后,流量月中值整體呈減少趨勢,5 月、7 月、9 月和10 月流量中值減少趨勢較大,表1 中RVA中流量（34 th~67 th）改變度顯示5 月和7 月為高度改變。由圖7 可見,蘭州站在1997 年突變之后6 月、9 月和11 月流量中值有增加趨勢而3 月、7 月和8 月流量則呈現減少趨勢。唐乃亥站受人類活動影響較小,而蘭州站受到龍羊峽、劉家峽影響較大6 月、9 月和11 月的流量加大可能是受到,水庫預泄,主汛期防洪,以及防凌預泄等水庫調度的影響。圖3、圖4 分別為唐乃亥站7 日最小、最大流量,以自然態水位序列的25%~75%區間作為變化的上下閥值。由圖可見,7 日最小、最大流量均有減小趨勢,但7 日最大流量減小更為明顯。圖5、圖6 分別為蘭州站7 日最小、最大流量。由圖可見,與唐乃亥站相似,蘭州站7 日最大流量減小更為顯著,且蘭州站7 日最小、最大流量的波動范圍明顯縮減。

圖3 唐乃亥站7日最小流量比較

圖4 唐乃亥站7日最大流量比較

圖5 蘭州站7日最小流量比較

圖6 蘭州站7日最大流量比較

圖7、圖8分別為唐乃亥站、蘭州站突變前后32個水文指標（鑒于研究期內未出現日流量為零的情況,故本文未考慮零流量天數這一水文指標）,3 個RVA流量分類的改度的對比圖。依據5 種基本特征,將水文情勢劃分為各月流量、年極端流量、年極端流量發生、高低流量頻率及延時和流量變化改變率5 組。雖然每個水文指標改變度具有較強的波動性,但其中大多數指標屬于中低度改變。中等改變度以上的有：唐乃亥站第一組指標（月流量）RVA低流量改變度為33%,屬于中等改變,第二組（年極值流量）RVA低流量改變度為38%,屬于中等改變,第四組（高低流量頻率及歷時）RVA低流量改變度52%為中等變化,第五組（流量變化率及頻率）RVA中流量-49%為中度改變、RVA高流量75%為高度變化。蘭州站第二組RVA中、低流量為中等以上變化,第五組RVA中流量為中度變化、高流量為高度變化。

圖7 唐乃亥站水文指標改變度

圖8 蘭州站水文指標改變度

4 研究結論

本文用非參數Mann-Kendall趨勢檢驗黃河上游唐乃亥及和蘭州兩個水文站近60 年的日徑流趨勢,應用Mann-Kendall突變檢驗的突變點,進而將日流量數據分成突變前,突變后兩個時間段,根據IHA-RVA法的指標體系和綜合評價方法對黃河上游水文情勢進行了評估。結果表明：1）唐乃亥、蘭州兩站的日徑流量的年際分布不均勻,但總體趨勢變化不顯著；采用M-K突變檢驗,唐乃亥站的水文情勢突變年份發生在1989 年,蘭州站的突變年份在1997 年。2）通過對黃河上游兩站突變前后的水文指標中值分析,受到龍羊峽水庫調度影響,蘭州站變化較唐乃亥站更為明顯。受氣候變化影響唐乃亥站5 月、7 月流量及下降率減少明顯。而蘭州站1 月、2 月、10 月、12 月流量增加,3 月流量減小,且低脈沖次數和天數明顯減小,而高脈沖次數減少,天數增加。3）從整體水文改變度來看,雖然32 個水文變化指標均發生了不同程度的變化,但大多數指標屬于中低度改變,整體來看變化趨勢并不顯著,但波動范圍有減小趨勢,唐乃亥站整體改變度為25%屬于低度改變,蘭州站整體改變度為26%屬于低度改變。