黃河流域天然徑流量評價探討

賈紹鳳，梁 媛,2，張士鋒

(1.中國科學院地理科學與資源研究所陸地水循環及地表過程重點實驗室，北京 100101；2.中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049)

黃河是我國北方基礎性供水水源之一[1]。黃河流域是我國極為重要的經濟帶與文化帶，涵蓋了多個重要工農業生產基地和國家重點生態功能區。同時，黃河流域也是我國水資源極其短缺的地區之一[2]。水是制約黃河流域發展的一個關鍵因素，水資源合理利用是黃河流域高質量發展的核心[3]。摸清水資源量是合理利用水資源的基礎和前提。當前，黃河流域水資源開發利用率高達80%，遠超一般河流公認的40%閾值[4]。由此可見，黃河流域水資源量評價結果直接影響著黃河流域水資源規劃、黃河水量分配方案調整、南水北調后續工程規劃等重大決策及區域相關戰略調整。

根據全國水資源評價結果，1919—1975年系列黃河地表水資源量為580億m3[5]，1956—2000年系列為535億m3[6]，第三次水資源調查評價結果表明1956—2016年系列為490億m3[7]。流域下墊面變化通常導致徑流的大幅度改變。由于森林對徑流具有調節轉換作用，隨著城市化進程中森林面積和植被覆蓋度增加[8]，流域下墊面發生改變，流域產流系數趨勢性下降，對以前的徑流進行下墊面還現以后徑流量會有所減少，但減少程度和所用的水資源評價方法值得探討。

地表水資源量是按天然徑流量來評價的[9]。天然徑流量是指一定下墊面條件下未受人類干擾的天然狀態下的徑流量，其數值等于實測河川徑流量加上人類水資源開發利用引起的徑流消耗量(在存在外調水的情況下還應減去外調水增加的徑流量)。在下墊面變化顯著的情況下，為保證水文系列的前后一致性，還應把歷史徑流系列進行下墊面還現，即用現狀年下墊面條件下的徑流系數替代歷史下墊面條件下的徑流系數，利用歷史降水資料來估算歷史降水在現狀下墊面條件下的徑流量。

天然徑流量計算方法包括流域產流法和河流斷面法。流域產流法是把各子流域或區間的天然徑流量相加得出流域天然徑流量。河流斷面法是把流域的產流量匯流到入海口斷面的水量作為天然徑流量。兩者的差別是天然情況下的流域匯流損失包括流域水系水面蒸發損失和河道滲漏損失，即河流斷面法天然徑流量等于流域產流法天然徑流量減去天然情況下流域水系水面蒸發量和河道滲漏量。

天然徑流量的本義應該是坡面降水或冰雪融化產流以及地下泉水匯入河道后未被人類活動減損的河流徑流量。但目前的天然徑流量還原計算方法不夠全面，早期只針對地表水取水進行還原，認為河流斷面天然徑流量等于斷面實測徑流量加地表水耗水量(等于斷面以上地表水取水量減河流回歸水量)再加上水庫蓄變量[10]。這其中存在兩個問題：①對地表水取水的還原不完全，沒有考慮地表水取水中回歸到地下水的部分；②沒有考慮地表水取水以外的人類活動對河流徑流量的損耗，例如，由于地下水開采改變地表水與地下水的補排關系所引起的地表徑流量的損耗、修建水庫和塘壩增加水面面積所造成的水面蒸發增加。盡管SL/T 278—2020《水利水電工程水文計算規范》對徑流還原計算方法有所完善，包括了凈耗水量、蓄水工程的蓄水變量、水面蒸發增損量、城鎮化及地下水開發等對徑流的影響水量，但具體計算方法比較籠統，應用時仍需視實際情況自行選擇合理的方法。

本文針對黃河流域徑流系列的一致性處理問題，提出了一種更為具體的天然徑流量還原還現算法，并根據黃河流域入海口利津站的實測徑流、流域地表水消耗量、地下水耗水量、地下水超采量、水庫水面蒸發量、水庫蓄變量等數據，對利津站的天然地表徑流量進行還原分析，并進一步估算對下墊面進行還現的天然徑流量。

1 對人類用水進行還原的利津站天然徑流量評價

1.1 評價方法

本文采用河流斷面法估算天然徑流量。將人類用水行為引起的河流徑流減少量還原，天然徑流量等于實測徑流量加上實測斷面以上人類用水行為引起的地表水變化量。這里的人類用水行為應包括蓄水、引水、提水、地下水開采、用水、排水等行為，不包括水土保持、城市建設等改變下墊面而影響產流的行為。人類修建水庫蓄水，水面面積增加，水面蒸發相應增加造成天然徑流量的損失；跨流域引水(以及非人為的大堤決口造成的跨流域外泄)會直接造成本流域水量損失；而本流域內的生產、生活、生態用水，除了有一部分退水回歸河道，往往有大部分由于蒸發、轉移到產品中被消耗或入滲到地下水中等原因回不到河道；地下水開采，尤其是傍河開采，會造成地表徑流的損失；這些由于人類用水行為引起的地表徑流的損失在天然徑流量還原時都應該被考慮。

根據斷面年實測徑流量推求年天然徑流量的公式如下：

Rn=Ra+D1+D2+D3+D4

(1)

式中：Rn為年天然徑流量；Ra為年實測徑流量；D1為當年實測斷面以上地表水取水中沒有回到河流的水量；D2為當年實測斷面以上流域地下水開采改變地表水和地下水的補排關系所減少的河流水量；D3為當年實測斷面以上水庫(湖泊)水面增減引起的水面蒸發增減量；D4為當年斷面以上流域水庫(湖泊)蓄變量。

利津站位于黃河口附近，該站下游用水很少，可以認為利津站的實測徑流量就是入海徑流量，還原利津斷面以上的人類用水引起的徑流減少量，就可以得到黃河的入海天然徑流量。因為全國統一安排做了3次水資源評價工作，采用的水文系列分別為1956—1979年、1956—2000年和1956—2016年，因此，為了保證對比的一致性，以下分析主要依據此3個水文系列。

1.2 利津站實測徑流量

根據歷年黃河流域水文資料，利津站具有1956年以來的連續實測徑流量，1956—1979年、1956—2000年和1956—2016年3個系列的年均徑流量分別為411.49億m3、315.35億m3和275.06億m3。

1.3 斷面以上地表水取水中沒有回到河流的水量

利津斷面以上地表水取水中沒有回到河流的水量包括2個部分：①本流域內地表水取水引起的河流徑流減少量，包括地表水用水量中的耗水量和地表水退水量中入滲補給地下水且沒有通過地下水補給地表水的水量；②取水到外流域且回不到本流域的水量，包括黃河下游兩岸淮河流域和海河流域的引黃水量，以及甘肅景電揚水工程輸送到河西走廊民勤盆地的水量。

黃河流域水資源公報給出的地表水耗水數據是本流域地表水耗水量和外流域引水量之和。1956—1979年、1980—2000年、1956—2000年、2001—2016年、1956—2016年水文系列的利津斷面以上年均地表水耗水量分別為207.40億m3、296.60億m3、249.00億m3、304.30億m3和263.50億m3。其中，1956—1979年、1980—2000年、1956—2000年年均耗水量來自張學成等[6]和潘啟民等[11]的研究成果；2001—2016年年均耗水量根據歷年黃河流域水資源公報中的數據計算；1956—2016年年均耗水量是對1956—2000年和2001—2016年2個時段的年均耗水量進行時間加權平均得到。因為缺乏地表水退水量中入滲補給地下水且沒有通過地下水補給地表水的水量的觀測統計數據，因此暫且忽略該項，但可以判斷該項的忽略會造成還原量被低估因而造成天然徑流量被低估。

1.4 斷面以上流域地下水開采所減少的河流水量

地下水開采會引起河流水位與地下水水位(或水頭)相對落差的改變，從而引起地表水與地下水之間補排關系的改變。尤其是傍河開采地下水，會直接引起地表徑流的損失。因此，根據河流斷面實測徑流量還原天然徑流量，必須考慮斷面以上流域地下水開采所減少的河流徑流量。

潘啟民等[11]對黃河流域花園口以上地下水開采引起的黃河徑流減少量進行了估算，認為與1980年相比，2012年地下水開采使黃河徑流減少量增加了26.2億m3，采用的公式為

ΔW=ΔWh-|ΔE|

(2)

式中：ΔW為計算期相對于參照期地下水開采引起的地表徑流量減少量的增量；ΔWh為計算期相對于參照期的地下水耗水量增量；ΔE為計算期相對于參照期的潛水蒸發量增量。

式(2)存在以下問題：①ΔE是地下水開采引起的潛水蒸發變化量，在地下水位下降時，潛水蒸發減少，這個減少量可看作地下水可以持續開采的部分，因此要先從地下水耗水量中扣除，再計算地下水開采引起的地表徑流減少量。從式(2)對于潛水蒸發變化量的表述可以看出，不論水位上升還是下降，地下水開采減少地表徑流量的估算都應該扣除潛水蒸發增量的絕對值，這顯然忽略了地下水位上升與下降兩種不同情況的本質區別。潛水蒸發變化對地下水消耗的影響應該有正有負，不應該用絕對值。②地下水耗水量增量并不都來自地表水的補充，除了文中已經排除的降水補給的差異和扣除的潛水蒸發增量，還可能來自地下水超采，在地下水變動較大時，必須考慮超采量的影響。

在計算期和參照期降水基本一致、下墊面入滲條件基本一致的前提下，降水入滲對地下水的補給可以假設不變，式(2)可以修改為

ΔW=ΔWh+ΔE-ΔG0

(3)

式中ΔG0為計算期地下水超采量相對于參照期地下水超采量的增量。

黃河流域桃花峪以上的中上游河段除局部地段河水補給地下水外，一般情況下地下水向黃河及其支流排泄，黃河接受地下水補給段占黃河干流總長度的80%～85%[12]。也就是說，大部分河段的地下水開采，并不會引起河流上游來水的損失，而只會減少本河段地下水對河流的補給量。在黃河中上游地區，地下水開采引起地表徑流損失的主要區域包括烏拉山以西河套平原、汾河平原和渭河平原。

根據潘啟民等[11]的研究，1980年和1985年兩年平均地下水耗水量為48.93億m3，2007—2011年年均地下水耗水量為83.84億m3。21世紀初相對于1997年的地下水年超采量達10.09億m3[13]，2000—2008年黃河流域地下水年均不合理開采量(主要為淺層地下水超采量及深層地下水開采量)約22.0億m3[14]。

除了黃河中上游地下水開采引起的黃河徑流量減少之外，黃河下游兩岸附近的地下水開采也會引起河道滲漏量的增加，這部分滲漏量也應該還原到利津天然徑流量中。據何宏謀等[15]的研究，與1999年相比，2009年黃河兩岸地下水開采使河道滲漏量增加了4.34億m3，2000—2009年因傍河開采地下水增加的年均滲漏量達到2.79億m3。

1970年以前黃河流域對地下水的開采很少，其對黃河徑流的影響可以忽略不計。以1970年以前的情況為基準可計算其他時間段的地下水開采引起的黃河徑流減少量，具體結果見表1。1956—1969年作為比較基準，各項數據均為0。1980—1989年的上中游地下水耗水量增量采用潘啟民等[11]1980和1985年的平均數據，2000年以后的上中游地下水耗水量增量根據黃河流域水資源公報數據計算，其他時段采用線性插值方法計算。根據潘啟民等[11]的研究結果，2007—2011年平均潛水蒸發量增量相對于1980年和1985年的平均值減少了8.71億m3，按此增長率估算此前其他時段的數據，并根據2010年以后地下水位基本穩定的情況，認為潛水蒸發基本保持穩定。2000—2009年上中游地下水超采量近似采用張新海等[14]對2000—2008年的估算結果，并認為2010年以后基本不變，其他時段采用線性插值方法獲得。2000—2009年下游地下水開采引起滲漏增加量采用何宏謀等[15]的研究成果，并認為2010年以后基本不變，其他時段按線性插值估計。

表1 黃河流域地下水開采引起的黃河徑流變化量 單位：億m3

對于1956—2016年長系列，因地下水開采引起的年均還原量達到26.2億m3，可見地下水開采對水資源評價結果的影響不容忽視。王浩等[16]曾評估了2000年有無人類用水的地表水資源量和地下水資源量的變化，發現地表水資源量從沒有人類用水情景時的583.9億m3減少到有人類用水情景時的548.7億m3，減少了35.2億m3，相應的地下水資源量從381.1億m3增加到404.2億m3，增加了23.1億m3。雖然本研究與他們的研究目的不同，時段不盡一致，但結果有一定可比性，數值較為接近。

1.5 斷面以上水庫水面增減引起的水面蒸發增減量

流域內修建水庫，因人為增加水面面積而造成水面蒸發增加，這部分因人類開發利用水資源帶來的蒸發損失造成的河流徑流量減少，也應該進行還原。

根據田景環等[17]的研究，截至1997年，黃河流域有大中型水庫186座，庫容達到633.4億m3，年均水面蒸發7.7億m3，小型水庫和淤地壩年均蒸發約5億m3。2016年黃河流域有大中型水庫264座，庫容達到795億m3[18]。以1997年水面蒸發12.7億m3[17]為參照，并參考歷年黃河流域大中型水庫正常水位水面面積、淤地壩數量、土地利用數據中的水域面積的變化趨勢，估算出1956—1979年、1980—2000年、1956—2000年、2001—2016年、1956—2016年人工水庫塘壩的水面蒸發量分別為1.20億m3、12.00億m3、6.24億m3、13.00億m3和8.01億m3。

1.6 水庫蓄變量

根據張學成等[6]的研究成果和黃河水資源公報歷年水庫蓄變量數據，得到1956—1979年、1980—2000年、1956—2000年、2001—2016年、1956—2016年花園口以上水庫蓄變量分別為1.43億m3、9.04億m3、4.98億m3、4.86億m3和4.95億m3。

1.7 利津斷面天然徑流量還原結果

根據式(1)和以上各分項估計結果，計算得到還原后的利津斷面天然徑流量如表2所示。

表2 天然徑流量還原結果 單位：億m3

2 對下墊面進行還現的利津站天然徑流量評價

2.1 評價方法

由于下墊面的劇烈改變，長系列徑流資料對于下墊面而言已經不再具有一致性，為了保持不同年份徑流數據的一致性，對天然徑流進行下墊面還現是合理的。下墊面還現是指用現狀年下墊面條件下的徑流系數替代歷史下墊面條件下的徑流系數，利用歷史降水資料來估算歷史降水在現狀下墊面條件下的徑流量，即把歷史上各年的當時下墊面條件下的天然徑流量還現到所評價的現狀下墊面條件下的天然徑流量。這對于黃河流域而言具有現實意義。因為梯田、魚鱗坑等坡面水土保持工程可以攔截大量水和沙，天然植被恢復也可以達到驚人的減水減沙效果。只要不被人類破壞，黃土高原的植被覆蓋度可以達到80%以上，盡管南部以森林為主、北部鄂爾多斯一帶以草原為主，植被恢復后黃河泥沙相對于原來年均16億t可以減少90%以上[19]，同時徑流量也會明顯減少。

本文以2016年的下墊面為基準，把以前的天然徑流還現到此下墊面條件下的徑流。對于內部空間差異性很大的流域，有必要劃分為內部相對均一的子流域來進行還現。

劉紅珍等[20]采用降雨-徑流雙累積曲線方法，根據雙累積曲線的拐點判斷下墊面變化的轉折年份，以此為參考劃分黃河流域各區間的3種下墊面情景，并對各區間的天然徑流量進行了下墊面還現，研究表明下墊面變化主要發生在唐乃亥站以下，尤其是黃河中游。史輔成等[21]認為唐乃亥以上黃河河源區降雨-徑流關系變化不顯著，通過中游地區渭河、伊洛河、沁河2003年汛期徑流量和汛期多年徑流量的對比表明，中游中小型水利水保工程并沒有造成徑流明顯減少，發現20世紀90年代以來連續多年徑流偏少的主要原因是連續降水偏少，即一定量級的暴雨偏少不利于產流，而與下墊面變化關系不大，因而提出黃河流域不需要進行下墊面還現。雖然上述兩項研究對于黃河中游是否需要進行下墊面還現觀點不同，但一致認為唐乃亥以上河源區不需要進行下墊面還現。

2.2 利津斷面天然徑流量還現結果

綜合各研究成果，對下墊面還現作以下處理：以2001—2016年的下墊面為參照下墊面，此時段的徑流不需要還現，即徑流還現系數(下墊面還現后與還現前的徑流量之比)為1；1980—2000年的下墊面相對于參照下墊面，徑流主要來源區黃河源區的徑流系數不變，蘭州—三門峽區段徑流系數平均減少約7.5%，全流域徑流下墊面還現系數為0.960；1956—1979年的下墊面相對于參照下墊面，徑流主要來源區黃河源區的徑流系數不變，蘭州—三門峽區段徑流系數平均減少約15%，全流域徑流下墊面還現系數為0.925。據此得到利津站下墊面還現后的天然徑流量評價結果如表3所示。

表3 天然徑流量還現結果

2.3 討 論

對于黃河天然徑流量還原還現的分析計算采用了多種數據來源，在數據選取過程中特別注意了數據的一致性問題：①實測徑流量、流域地表取用水的消耗量、地下水開采引起的地表徑流減少量、人工水庫塘壩水面面積增加引起的水面蒸發增加量等，滿足定義的一致性和分類的完備性，所采用的數據符合定義要求；②本文所用利津斷面實測徑流量、地表水耗水量、水庫蓄變量等基本數據是幾次黃河流域水資源評價所采用的數據，具有權威性；③本文引用的主要數據，例如地表水耗水量、地下水開采引起的地表徑流減少量、黃河下游傍河開采引起的黃河徑流減少量等，都來自編制黃河流域水資源評價報告和《黃河流域水資源公報》的專門機構和專家，這也有利于保證數據的一致性；④本文參考了不同來源的數據進行相互印證，保證了數據的一致性和可靠性，所得評價結果可信度較高。

3 結 論

a.通過黃河流域天然徑流量還原、還現分析發現，行業規范關于徑流一致性處理的方法在具體流域應用方面應該繼續補充完善。

b.黃河流域降水長期變化不大，但地表徑流確實因為下墊面的改變(植被變好和水保設施增加)而呈趨勢性減少，但減少幅度沒有此前一些評估結果所顯示的那么大。本文估算的1956—2000年、1956—2016年利津站下墊面還現年均流量分別為557.92億m3和551.72億m3，相比流域機構第二次、第三次水資源評價結果535億m3和490億m3，明顯減少的趨勢要低很多，尤其是1956—2016年系列本文評價結果要多61.72億m3，多出12.60%。

c.即便是降水偏少的2001—2016年時段，在下墊面已經被大幅度改變后的現狀條件下，天然徑流量也多達534.42億m3，比流域機構第三次水資源評價的黃河流域1956—2016年長系列地表水資源量490億m3，也多出44.42億m3，這進一步說明流域機構給出的水資源量評價成果有低估傾向。

d.第三次水資源評價結果中黃河流域地表水資源量被低估的主要原因是沒有考慮地下水開采對地表徑流的損耗、水面蒸發損失以及下墊面還現調減太多。1956—1979年、1956—2000年和1956—2016年3個時段的地下水開采引起的地表徑流年均損耗分別為3.15億m3、21.77億m3和26.20億m3，2001—2016年高達55.36億m3。如此大的地下水開采量對地表徑流的損耗，應該在水資源評價中加以考慮，否則會造成水資源評價結果失真。

e.對徑流進行還原、還現都是為了保持各年份徑流數據的一致性、可比性。黃河流域水資源量評價結果的偏差，尤其是低估，將直接影響流域水量分配與水資源規劃，關乎黃河流域高質量發展及南水北調后續工程規劃等國家發展重大戰略決策，因此對天然徑流量的評價必須慎重。