1956—2016年黃河流域徑流及其影響因素的變化分析

劉昌明，王愷文，王 冠，田 巍，于靜潔

(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）

1 引言

黃河是我國的第二大河,也是華北和西北地區的重要水源,在國家發展大局和社會主義現代化建設全局中具有十分重要的戰略地位[1］。黨的十八大以來,習近平總書記多次實地考察黃河流域生態保護和經濟社會發展情況,就黃河流域生態保護和高質量發展的重大意義、巨大成就、突出問題、目標方向等作出了重要指示批示。2021年10月8日,中共中央、國務院印發了《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》,為當前和今后一個時期黃河流域生態保護和高質量發展提供了綱領性文件,為制定實施相關規劃方案、政策措施和建設相關工程項目提供了重要依據。

《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》明確指出,黃河流域最大的矛盾是水資源短缺。黃河流域位于我國北中部,屬大陸性氣候區,多年平均降水量為446 mm,僅為長江流域的40%；多年平均天然徑流量約為580億m3,不到長江的7%；地表水資源開發利用率和消耗率高達86%和71%,遠超流域水資源承載能力[1］。20世紀70—90年代,在人類無序用水和氣候變化的疊加影響下,黃河干流出現斷流現象,流域水資源的可再生性和可更新性面臨嚴峻危機[2］。自1999年黃河水利委員會實施黃河水量統一調度以來,黃河干流連續20多a未再出現斷流,流域水資源可再生性和可更新性逐漸恢復[3］。近年來,隨著生態修復工程的實施、水土保持工作的推進、水利基礎設施的完善等,黃河流域生態環境明顯改善,水沙治理成效顯著,水旱災害防御能力穩步提升,水資源保障能力持續增強[4-5］。在黃河治理取得顯著成績的同時,氣候變化和人類活動的加劇給流域水循環過程和水資源帶來了新的影響和挑戰[6-7］。不斷升高的氣溫,一方面會加速黃河上游冰川融化和凍土退化,有利于徑流形成,另一方面會導致蒸散發量增大,不利于徑流集聚[8-9］。不斷增加的林草植被,一方面可以改善區域氣候條件,通過增大降水量促進徑流形成,另一方面可以改變區域水循環過程,通過增大蒸散發量和土壤水消耗量導致徑流量下降[10-12］。

筆者長期關注氣候變化和人類活動對黃河流域徑流的影響,近年來圍繞影響黃河流域生態保護和高質量發展的缺水問題,使用長期觀測的干流水文測站數據進行了相關分析和探討[13-15］。為進一步分析黃河不同子流域徑流的變化,本文收集1956—2016年黃河流域84個子流域的氣象和水文資料,回顧黃河流域徑流及其影響因素的變化特征,分析徑流變化的可能原因,探討徑流變化的區域分異規律,旨在為研究氣候變化和人類活動對黃河徑流的影響提供參考。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

河川徑流數據來源于黃河水利委員會提供的84個子流域1956—2016年的逐月還原徑流資料；氣象數據來源于中國氣象數據共享服務網提供的黃河流域及周邊的125個國家氣象站1956—2016年的逐月氣象數據,包括降水量、氣溫、相對濕度、風速、日照時數等。

2.2 趨勢和突變點分析

本文采用Theil-Sen Median趨勢分析方法和Mann-Kendall檢驗方法進行氣象和水文要素的趨勢分析,通過Theil-Sen Median趨勢分析方法計算序列增加或減少的趨勢,通過Mann-Kendall檢驗計算Z統計量,把顯著性水平設定為0.05,判斷序列變化趨勢的顯著性；利用非參數Pettitt檢驗方法,識別徑流序列的突變年份。

2.3 基于Choudhury-Yang流域水熱耦合平衡方程的徑流變化歸因分析

清華大學楊大文等[16］提出了徑流變化歸因方法,Choudhury-Yang流域水熱耦合平衡方程為

式中:E為多年平均的年實際蒸散發量；P為多年平均的年降水量；E0為多年平均的年潛在蒸散發量,本文采用考慮CO2濃度影響的參考作物蒸散發公式進行計算[17］；n為反映流域下墊面特征的參數。

根據流域多年平均水量平衡方程和Choudhury-Yang方程,得到:

式中:εP、εE0、εn分別為徑流的降水、潛在蒸散發、下墊面彈性系數,即,三者的表達式可由式(1)推求。

根據突變點識別的結果,研究時段可以劃分為兩個子時段,兩個子時段徑流深之差記為徑流變化量ΔQ。根據式(2),ΔQ能夠分解為由降水變化(ΔP)、潛在蒸散發變化(ΔE0)、下墊面變化(Δn)引起的徑流變化3個部分,即

由降水變化和潛在蒸散發變化引起的徑流變化之和被近似作為氣候變化引起的徑流變化,由下墊面變化引起的徑流變化被近似作為人類活動引起的徑流變化；由于流域下墊面的地形和土壤條件相對穩定,因此下墊面變化主要是流域植被條件的變化[16］。

3 主要研究結果

3.1 徑流及其影響因素的變化趨勢

1956—2016年黃河流域徑流及其影響因素變化趨勢的空間分布見圖1。

圖1 1956—2016年黃河流域徑流及其影響因素變化趨勢的空間分布

由圖1可知,除黃河上游的湟水、黑河等子流域外,其他子流域年徑流普遍下降,其中洮河、渭河、沁河、大汶河等子流域下降明顯。在研究的84個子流域中,24%的子流域年徑流下降小于-1.5 mm/a,69%的子流域年徑流變化介于-1.5～0 mm/a,7%的子流域年徑流變化介于0～0.5 mm/a(見圖1(a))。約19%的子流域年降水呈增加趨勢,主要分布在黃河源區和湟水、洮河、黑河、白河等子流域,其余81%的子流域年降水呈下降趨勢,其中汾河、沁河等子流域下降較為明顯(見圖1(b))。除湟水、洮河上游部分子流域氣溫下降外,黃河流域氣溫普遍顯著上升(約90%的子流域),黃河中游氣溫上升最為明顯(見圖1(c))。潛在蒸散發在黃河上游和中游窟野河等32%的子流域下降,在潼關以下17%的子流域顯著上升(見圖1(d))。

3.2 徑流突變前后氣象水文要素的統計特征

黃河流域徑流突變年份和突變前后氣象水文要素的統計特征見圖2。

圖2 黃河流域徑流突變年份和突變前后氣象水文要素的統計特征

由圖2(a)可知,黃河大部分子流域徑流突變發生在1980—2000年。該結果與已有研究結果一致,突變年份與20世紀80—90年代三北防護林建設、黃土高原水土流失治理以及改革開放后為保證工農業發展的水利基礎設施建設等有重要關系[16,18］。在突變年份識別的基礎上,進一步繪制了突變前后徑流及其影響因素的概率密度曲線,計算了表征數據離散程度的變差系數(CV)和表征數據分布對稱性的偏態系數(CS),用以分析徑流突變前后氣象水文要素統計特征的變化。在徑流突變后,年徑流的概率分布變化較大,低徑流年份集中且增多,高徑流年份減少,數據離散程度和偏斜程度減弱(見圖2(b))；年降水的概率分布變化較小,平均降水的年份略增,高降水的年份略減,數據偏斜程度減弱(見圖2(c))；年均氣溫和潛在蒸散發的概率分布變化較大,低溫和低潛在蒸散發年份減少,高溫和高潛在蒸散發年份增加,數據離散程度變化不大,但偏斜程度變化明顯(圖2(d)、(e))。總之,黃河流域徑流突變后,年徑流概率分布向低徑流方向集中,年降水無顯著變化,年均氣溫和潛在蒸散發向高值方向傾斜。

3.3 徑流變化的歸因分析

在本文采用的歸因分析方法中,徑流彈性系數是衡量徑流對相關影響因素變化響應敏感性的重要參數。黃河流域徑流彈性系數的空間分布見圖3。

圖3表征了1%的降水、潛在蒸散發、下墊面彈性系數變化引起的徑流變化百分比。由圖3(a)可知,降水彈性系數為正數,高值主要分布在黃河中游渭河和汾河流域,這些流域1%的降水增加能夠引起2.8%～4.1%的徑流增加。由圖3(b)、(c)可知,潛在蒸散發和下墊面彈性系數均為負數,且后者小于前者,表明單位下墊面參數變化能夠引起更多的徑流變化；兩者的低值主要分布在黃河中游的不同子流域,約32%和50%的研究流域1%的潛在蒸散發、下墊面彈性系數增加能夠引起大于1.8%的徑流下降。

需要進一步說明的是,圖3降水彈性系數大于0,潛在蒸散發和下墊面彈性系數小于0的主要原因是Choudhury-Yang方程結構對彈性系數進行了限定,這種限定能夠保證徑流彈性系數滿足一般條件下的水文學規律,可靠性和適用性強,但難免簡化某些水文現象,如潛在蒸散發增加引起的冰川凍土融水增加,下墊面改善對區域降水的促進作用,以及年儲水量持續消耗導致的多年平均水量平衡方程儲水項不宜忽略等。目前的研究認為,上述水文現象的簡化不會對大尺度、多流域比較分析產生嚴重的影響,若對特殊流域進行精細化分析,則提倡進一步采用水文模型、陸面模型、區域氣候模型等技術手段深入刻畫流域水文過程。

圖3 黃河流域徑流彈性系數的空間分布

不同影響因素對黃河流域徑流變化貢獻率的空間分布見圖4。由圖4可知,降水和下墊面變化是徑流變化的主導因素,潛在蒸散發變化的貢獻率相對較小,歸因分析方法的誤差相對可控。在湟水、北洛河、汾河等子流域,降水主導了徑流變化(貢獻率大于50%,圖4(a)),在黃河源區、洮河、黑河、白河和中游的大部分子流域,下墊面主導了徑流變化(貢獻率大于75%,圖4(c)),黃河下游子流域的徑流變化是下墊面、降水和潛在蒸散發共同作用的結果。

以河口鎮和桃花峪為界將所有研究子流域劃分為上中下游流域,分別統計不同影響因素對流域徑流變化的貢獻率(圖4(e))。對于黃河上游流域,下墊面平均貢獻率及相應95%置信區間為70%±39%、降水為40%±31%、潛在蒸散發為-3%±5%；對于黃河中游流域,下墊面平均貢獻率及相應95%置信區間為70%±13%、降水為35%±9%、潛在蒸散發為6%±12%；對于黃河下游流域,下墊面平均貢獻率及相應95%置信區間為45%±19%,降水為36%±18%,潛在蒸散發為17%±6%。可見,下墊面變化是黃河流域徑流變化的主要原因,降水變化次之,潛在蒸散發的貢獻較小；下墊面和降水的作用在上游流域較為分散、不確定性大,在中游流域比較突出和集中。

圖4 不同影響因素對黃河流域徑流變化貢獻率的空間分布

4 結論

黃河流域生態保護和高質量發展是重大國家戰略,在氣候變化和人類活動加劇的背景下,河川徑流發生了顯著變化,黃河流域生態環境保護和可持續發展面臨重要挑戰。筆者收集了黃河84個子流域1956—2016年的氣象和水文資料,回顧了黃河流域徑流及其影響因素的變化特征,分析了徑流變化的可能原因,探討了徑流變化的區域分異規律,得到了以下主要結論。

(1)除黃河上游湟水、黑河等部分流域的徑流和降水增加、氣溫下降、潛在蒸散發減小外,黃河中下游流域徑流和降水普遍減小,氣溫普遍上升、潛在蒸散發普遍增大。

(2)黃河流域徑流突變主要發生在1980—2000年,突變后徑流、氣溫、潛在蒸散發的概率統計特征變化明顯,年徑流的概率分布向低值方向集中,年均氣溫和潛在蒸散發向高值方向傾斜,年降水的概率分布無顯著變化。

(3)黃河中游流域徑流彈性系數較高,徑流對各影響因素變化的響應相對敏感。下墊面變化是黃河流域徑流變化的主要原因,降水變化次之,兩者對上游流域的作用較為分散、不確定性大,對中游黃土高原流域的作用明顯且突出。潛在蒸散發對下游流域徑流變化的貢獻大于對上游的,但總體貢獻較小。

為推動黃河流域成為我國大江大河流域治理的重要標桿、國家生態安全的重要屏障和高質量發展的重要區域,明確黃河流域徑流及其影響因素的演變趨勢,把握氣候變化和人類活動對河川徑流的影響強度,對保障黃河水資源安全、推動流域可持續發展有重大意義,應作為水文水資源研究和流域管理實踐長期關注和深入探索的重要課題。