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.河南黃河河務局 鄭州黃河河務局，河南 鄭州 450001； 2.水利部應對氣候變化研究中心，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 水利學院，河南 鄭州 450046）

河川徑流是陸地水循環過程中的重要一環，也是地表水資源的重要來源之一［1］。 IPCC 第五次報告指出［2］，氣候變化導致全球平均溫度上升0.85 ℃，全球變暖對流域水文循環產生顯著影響，進而導致河川徑流時空分布發生變化［3］。 與此同時，隨著社會高速發展，人類活動對下墊面的影響加劇，下墊面特征發生變化，影響流域產匯流過程。 水利工程的大量修建以及大規模的取用水活動，對河川徑流的原有規律產生影響［4］。 國內外許多研究表明［5-8］，受氣候變化與人類活動雙重影響，全球范圍內的河川徑流量發生了顯著的變化。 因此，開展區域河川徑流演變規律研究，對于我國水資源的保護、開發和利用，具有重要的現實意義。

河南省是我國重要的綜合交通樞紐和人流物流信息中心，然而省內嚴重缺水，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律的特征十分重要，已經引起了相關研究者的廣泛關注。 Fu等［9］對1952—1997 年黃河流域河南段花園口水文站實測數據進行研究，認為花園口站徑流量呈顯著下降趨勢。 趙文舉等［10］選取元村集水文站1956—2012 年實測數據，對海河流域河南段的衛河流域徑流演變規律進行研究，認為徑流量呈明顯下降趨勢，流域徑流量于1978 年發生突變。 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，長江流域唐白河，黃河流域黃河、伊洛河，海河流域衛河1950—2011 年實測徑流資料，對河南省主要河道徑流年內變化規律進行研究，結果表明河南省徑流量主要集中在6—9 月，其中淮河流域、長江流域徑流年內集中度高于黃河流域與海河流域。

以往研究主要是對省內某一流域徑流規律或者河南省主要河道年內徑流演變規律進行研究，對于全省河川主要流域徑流的年內、年際變化關注較少。 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、年際河川徑流有何特點，本文擬主要解決這些問題，以期為河南省科學應對氣候變化、強化水資源適應性管理提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 研究區概況與數據來源

河南省地處暖溫帶與亞熱帶過渡區（東經31°23′—36°22′，北緯110°21′—116°39′），主要受西風帶大氣環流控制，屬濕潤-半濕潤季風氣候區。 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出大省，氣候溫和，適宜作物生長，糧食、芝麻產量長年居全國首位，耕地面積8.14 萬km2，占全省總面積的48.7%。 省內黃河、海河、長江、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重不均。

選取海河流域1 個水文站（安陽站1957—2017 年序列），黃河流域1 個水文站（黑石關站1951—2018 年序列），長江流域1 個水文站（唐河站1952—2017 年序列），淮河流域3 個水文站（周口站1951—2017 年序列、班臺站1952—2017 年序列、息縣站1951—2017 年序列），共計6 個水文站實測水文數據對河南省主要流域徑流演變規律進行分析研究。 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 非參數趨勢檢驗（以下簡稱M-K法）是一種廣泛應用于時間序列檢驗的趨勢診斷方法［12-13］。 本研究采用M-K 法對河南省典型流域徑流變化顯著性及突變年份進行分析。 具體計算方法如下。

（1）假定分析的徑流序列變化趨勢不顯著（H0）。

（2）通過計算M-K 統計量UFi檢驗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立隨機變量，則Si的期望值和方差計算公式為

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

M-K 法檢驗序列突變點，首先將原始樣本序列逆序排列，按上述方法重新計算M-K 檢驗值，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。 如果原始序列的變化趨勢顯著，則認為兩曲線交點為序列突變點。

2 河川徑流演變特征

2.1 年徑流演變

河南省6 個代表水文站實測年平均流量序列演變特征及M-K 趨勢檢驗法分析結果如圖2 所示，變化趨勢見表2。 ①從全省來看，近60 a 河南省主要流域流量呈下降趨勢。 ②空間上，全省自西向東，流量下降速率變大。 ③時間上，河南省天然徑流在20 世紀60—70 年代屬豐水期，年平均流量較多年平均值高；進入80 年代，受氣候變化及人類活動影響［14］，流量有下降趨勢；進入21 世紀，河南省徑流減少趨勢減緩伴有回升態勢。

圖2 河南省代表水文站實測年平均流量演變規律

表2 水文站序列資料M-K 趨勢及突變檢驗結果（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—增加態勢，20 世紀60—70 年代屬流域豐水期，1980—2000 年流域流量呈持續性遞減趨勢，2000 年以后流量出現回升。 ②黃河流域黑石關站年平均流量呈持續減少態勢，且年代際變化幅度較大，最大年平均流量出現在1964 年，為3 614 m3／s，該站最小年平均流量（210.23 m3／s）出現在1995 年。 ③長江流域唐河站1952—2017 年年平均流量呈現持續性快速遞減趨勢，年平均流量年代際波動幅度較大，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個站在20 世紀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。

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，下降趨勢超過5%顯著性水平。 ③長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，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，下降趨勢超過5%顯著水平；班臺站年平均流量下降速率為12.888 m3／（s·a），Z值為-1.34，下降趨勢不顯著。

對河南省6 個代表水文站進行年徑流突變點檢測，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 個代表站實測月平均流量M-K 趨勢檢驗結果如圖4 所示，由圖4 可以看出：①海河流域安陽站12 個月份月平均流量均呈減小趨勢，有11 個月下降趨勢顯著，達到5%顯著水平。 ②黃河流域黑石關站12 個月均呈下降趨勢，其中有10 個月呈顯著下降趨勢，達到5%顯著水平。 ③長江流域唐河站12 個月份月平均流量呈下降趨勢，其中4 個月下降趨勢顯著。④淮河流域周口站12 個月份月平均流量均呈下降趨勢，其中3 個月下降趨勢顯著，達到5%顯著水平；班臺站一年中有4 個月平均流量增大，8 個月平均流量減小，變化趨勢都不顯著；息縣站一年中有5 個月平均流量增大，7 個月平均流量減小，變化趨勢都不顯著。⑤總的來看，河南省四大流域各月平均流量變化主要呈現下降趨勢，自南向北下降趨勢越來越顯著。

圖4 河南省四大流域代表水文站實測月平均流量M-K 趨勢檢驗結果

根據月平均流量突變點檢測結果，對突變點前后月徑流量年內分配過程進行對比，結果見圖5，由圖5可知：①海河流域安陽水文站突變點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黃河流域黑石關水文站突變點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長江流域唐河水文站突變點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勢。

圖5 河南省四大流域代表站實測月徑流量占年徑流量比例變化特征

2.3 結果討論

河川徑流量的增減與氣候變化有著密切的聯系，人類活動的劇烈程度也會對徑流量產生一定的影響［15］。 本研究表明，河南省實測流量呈現較為明顯的三階段特征，20 世紀60—70 年代是全省豐水期，80—90 年代流量有下降趨勢，2000 年后流量下降趨勢減緩，部分地區流量稍有回升。

海河流域河南段位于豫北平原，是河南省的糧食主產區和重要的工業基地，20 世紀80 年代我國進入高速發展期，徑流受農業、工業等取用水影響程度巨大，人類活動對流域水循環影響劇烈［16］。 進入21 世紀，受黨中央出臺的水資源三條紅線、嚴控總用水量等因素影響［17］，海河流域徑流減少趨勢減緩伴有回升態勢。 海河流域的已有研究表明，1970 年以來實測徑流量大幅度減小（海河觀臺站1970—2010 年實測年徑流深較前期減少79.6 mm［18］），其結論與本研究總體一致。 但本研究計算的流量變化幅度相對較小，其主要原因是采用的基準期和對比期不同。

近年來黃河流域氣溫顯著升高，降水減少，對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小［19］，鮑振鑫等［1］研究發現黃河流域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的伊洛河黑石關站流量的變化，其演變態勢與黃河流域的總體一致，但變化幅度相對較小，盡管基準期和對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境變化影響較小是其徑流變化小的另一重要原因［20］。

長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，長江干流實測徑流量趨勢和突變均不明顯［5］，主要原因是長江流域面積較大，徑流自身調節能力和對外界影響的抗干擾能力較強，而唐河以上面積較小，唐河站實測徑流對上游水利工程修建及其運行調度非常敏感。

河南省內大部分地區處于淮河流域，區域內以農業、工業為主，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，蒸散發增加，導致徑流減少［21］。 相關研究表明，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），其中降水減少是導致上游徑流減少的主要原因［23-24］。

3 結 論

（1）近60 a 河南省主要流域河川年平均流量呈現不同程度的下降趨勢，2000 年后略有回升。 安陽站、黑石關站、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 突變檢驗表明，近60 a 河南省6 個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。 海河流域河南段、黃河流域河南段月平均流量下降趨勢顯著，長江流域河南段月平均流量有4 個月下降趨勢顯著，淮河流域河南段月平均流量變化趨勢總體上不顯著。

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