1998-2020年黃河流域徑流與降水演變規律研究

李 鋒

（山東農業大學，山東 泰安 271018）

1 研究背景

工業革命以來，由于經濟的快速發展，城鎮化快速推進導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建設對于自然環境影響的加劇，全球范圍內主要河流的水文情勢發生了顯著改變。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，進而影響到農業、工業的發展。聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在第四次評估報告中指出，21 世紀中期，高緯度地區河流徑流量將得到顯著增加，中低緯度的一些干旱地區徑流量將有所降低。河流的水文情勢具有多重屬性，對于維持河流流域內的生態平衡，地貌特征以及當地的經濟發展起到了至關重要的作用。隨著氣候變化以及人類活動影響的日益增強，全球范圍內主要河流的水文情勢發生了顯著的變化，對流域內水資源的時空分布，生態系統的建設等產生了深刻的影響。徑流變化是氣候因素與人類活動等多因素綜合作用的結果，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，人類活動對于徑流量的影響也十分顯著，水利工程的修建，流域內人類生產生活用水等，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濟發展息息相關，因此成為近年來研究的熱點問題。

本文擬對黃河流域1998-2020年的徑流量以及降水量進行分析，通過數據擬合分析徑流量與降水量之間的相關關系，找出徑流量與降水量的大致變化趨勢，利用M-K 檢驗模型尋求突變年份，通過距平累積法尋找突變原因并計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發展、生態平衡的恢復和環境的建設提供依據，為黃河地區的水資源規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，自西向東流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東等九省區（自治區），全長5 464 km，流域橫貫中國東西，主要位于中國西北部地區，地勢上西高東低，西部河源地區以高原，山地為主，常年積雪；中游流經黃土高原，水流迅急，坡降大，水土流失嚴重；下游地區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三個氣候帶，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。流域大部分地區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 數據來源和研究方法

3.1 數據來源

本文所用的徑流量與降水量等水文數據均來自1998-2020年黃河水利委員會發布的《黃河水資源公報》。

3.2 研究方法

3.2.1 M-K 檢驗法

M-K 檢驗法是由H.B.Mann 和M.G.Kendall 兩位科學家提出并發展的用于提取序列變化趨勢的一種方法，由于其不受個別異常值的干擾以及準確度高，反映客觀等優點，在氣候參數以及水文序列的分析中得到了廣泛的應用。水文數據運用M-K 法檢驗后可以尋找出分析時段的突變時間點，以此為基準將時間序列分為基準期和變化期，為后期定量分析引起突變的不同因素提供依據。

利用M-K 統計值UFk和UBk，繪出UFk和UBk曲線圖，若UFk曲線大于零且位于置信區間之內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。當超過信度線時，表明序列呈明顯的上升或下降趨勢且表現顯著，超過信度線的區域確定為出現突變的時間區域，如果UFk和UBk兩條曲線在信度線之間出現交點，則交點對應的時間點便是突變開始的時間。本文采用置信度α=0.05，對應的臨界值為±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，而且根據轉折點可以判斷出突變點。

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性變化，甚至還可以診斷出發生突變的大致時間，從曲線小的波動變化可以考察其短期的距平值變化。

目前，設施園藝景觀大多以休閑農業為主要載體，在景觀內容初具規模后，再不斷發掘設施園藝景觀所具有的深層次功能，以科學合理的設計理念將設施園藝景觀的設計內容展示出來。在目前農業旅游的大背景下，優秀的設計理念會涉及到觀光游玩、娛樂放松、健康休閑、體驗樂趣、感悟生活等方面，設計師可以圍繞這5個大主題進行一些設施園藝景觀的設計，將景觀的價值和功能體現出來[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率的方法。該方法分別計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率為：

4 結果和討論

4.1 降水量、徑流量變化的基本特征

以4 a 為一個時間范圍對時間序列進行分段，計算各時間段平均值、極值比、變異系數等統計量，可以發現各時間段內2018-2020年降水量均值最大，為518.47 mm，對應時間段的徑流量平均值為335.20×108m3，是分析時段的第二位，表現出一定的同期性。黃河流域降水量變化在2002-2005年時間段變化較大，極值比為0.37，變異系數為0.15。徑流量在2002-2005年時間段變化較其他時間段變化極為顯著，極值比達到了3.94，變異系數為0.49，均為分析時段內最大。整體來看，各時段徑流量的極值比以及變異系數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致的變化。

表1 黃河流域不同時段年均降水量、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）；降水擬合曲線為：y=4.1040x-7.7859×103（R2=0.3346），可以發現在1998-2020年時間內，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，運用距平累積法繪制徑流量與降水量時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。可以發現，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。同時觀察曲線可知，降水量的波動性要明顯強于年徑流量的波動性，說明降水量與徑流量之間整體存在一定的差異性，存在人為原因導致兩者整體變化不同步。

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

運用M-K 模型對黃河流域徑流量與降水量發生突變的年份進行檢驗，計算出UFk和UBk值，繪制出M-K 統計量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，說明年徑流量在2004年發生突變后整體呈現不顯著上升趨勢。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年發生突變后呈顯著上升趨勢。徑流量與降水量突變發生時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 降水量和人類活動對徑流量影響的定量分析

經過以上分析，可以得出1998-2020年整體上徑流量與降水量均呈現上升趨勢，但是突變時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對徑流量產生影響。根據M-K 突變檢驗得出的以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對于徑流量的影響程度。

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

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

根據公式，降水量變化對于徑流的貢獻率為4.38%，人類活動對于徑流量的影響為95.62%。

5 結束語

對黃河流域1998-2020年徑流量與降水量等數據，在采用統計學方法分析徑流和降水變化特征的基礎上，運用距平累積曲線以及M-K 模型進行突變檢驗以及變化趨勢分析，尋找出突變點發生的時間以及突變前后的變化趨勢，利用累計斜率變化率比較法定量分析降水與人類活動對于徑流量的影響程度，得到結果為：

（1）黃河流域徑流量與降水量變化呈現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）經過距平累積曲線以及M-K 趨勢檢驗，可以得出1998-2020年間黃河流域徑流量在2004年發生突變，降水量在2010年發生突變，且突變后均呈現上升趨勢，其中降水上升趨勢明顯快于徑流量的上升趨勢。

（3）在突變檢驗的基礎上，運用累計斜率變化率比較法定量分析人類活動與降水量對于徑流的影響程度。結果表明，1998-2020年間，人類活動對徑流量影響貢獻率為95.62%，降水對徑流量的影響貢獻率為4.38%。說明黃河流域徑流量在增加的過程中人類活動的影響越來越大。

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對徑流的影響程度，但是并未考慮環境氣溫、下滲、蒸發等因素，接下來將采用分布式模型進一步量化徑流變化及開展原因分析。