黃河主要子流域徑流及其同旱概率變化研究

劉昌明，王 冠，王愷文，羅秋雨

（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.中國南水北調集團東線有限公司，北京 100070）

黃河是我國第二大河，干流全長5 464 km，流域面積79.5 萬km2，以占全國2%的河川徑流量支撐著全國12%人口的生活用水和17%耕地的灌溉用水，承擔著北方地區50 多座大中型城市的供水任務［1］。 受氣候變暖和人類活動的影響，黃河徑流量明顯減少，干旱發生的強度上升、頻率提高、范圍擴大，加劇了黃河水資源短缺情勢、嚴重影響徑流量的穩定并威脅流域水資源安全，使黃河流域生態環境保護和高質量發展面臨嚴峻挑戰［2-5］。 2021 年中共中央、國務院印發的《黃河流域生態保護和高質量發展規劃綱要》和2023年4 月1 日起施行的《中華人民共和國黃河保護法》，為加強黃河流域生態環境保護、實現水資源可持續開發利用提供了綱領性文件和法律依據。

干旱是加劇黃河水資源短缺的極端氣象水文災害，長期以來對流域各省（區）社會經濟發展和人民生活帶來巨大影響［6］。 大量學者根據降水、氣溫、徑流等氣象和水文觀測數據，利用多種干旱指標，評估了黃河流域氣象和水文干旱的特征及變化趨勢。 已有研究結果表明，黃河絕大部分子流域氣象和水文干旱加劇，且下游較上游、旱季較濕季干旱加劇的情況更為明顯。隨著氣候持續變暖，空間復合極端干旱事件引起了廣泛關注［7-10］。 空間復合極端干旱是指多個區域同時發生干旱，是一種災害嚴重的極端干旱，若全球產糧區同時發生干旱則會嚴重影響國際糧食安全［11］，若調水工程的水源區和受水區同時發生干旱則會影響調水工程效用等［12］。 作為我國華北和西北地區主要水源的黃河，多個子流域同時發生干旱的空間復合干旱可能引發流域性水資源短缺，危及流域及沿黃城市的用水安全，但此前少有研究關注黃河主要子流域同旱的情況。因此，筆者選擇黃河的15 個子流域，依據1956—2016年實測年徑流量，采用藤Copula 函數等，分析了多子流域徑流及其同旱概率變化情況，以期為應對黃河流域性干旱提供參考。

1 數據來源與分析方法

1.1 數據來源

本研究采用的黃河15 個子流域1956—2016 年河川徑流實測數據由黃河水利委員會提供。 15 個子流域及其控制水文站分別為：黃河上游白河唐克站、黑河若爾蓋站、湟水民和站、洮河紅旗站、清水河泉眼山站、大黑河三兩站，中游窟野河溫家川站、無定河白家川站、汾河河津站、涇河張家山站、渭河林家村站、北洛河頭站、沁河武陟站、伊洛河黑石關站，下游大汶河戴村壩站。

1.2 分析方法

1）趨勢分析。 采用Theil-Sen Median 斜率估計法［13］分析年徑流量序列的變化（增加或減少）趨勢，采用Mann-Kendall 趨勢檢驗法［14］分析年徑流量序列變化的顯著程度（將顯著性水平設定為0.05）。

2）同旱概率分析。 藤Copula 函數被廣泛應用于多維變量的聯合分布函數計算［10，15］，其包含RVine、CVine、DVine 等3 種藤結構，計算過程中的邊緣分布函數從正態分布、伽馬分布、韋伯分布中篩選得到。 本研究采用藤Copula 函數分析不同子流域發生同旱的概率，其能夠考慮不同子流域年徑流量的相關性。 根據15個子流域年徑流量邊緣分布F1（Q1）、F2（Q2）、…、F15（Q15）（其中Qi為第i個子流域年徑流量），建立聯合分布函數：

當F1（Q1）、F2（Q2）、…、F15（Q15）連續時，藤Copula 函數是唯一的。 研究中采用R 語言的CDVineCopula Conditional、Copula、Vine Copula 等函數包實現藤Copula 函數的計算，從而得到15 個子流域的同旱概率。

2 主要結果分析

2.1 徑流量及其變化趨勢

如圖1（a）所示，在15 個子流域中，洮河、伊洛河多年平均徑流量較大（均超過25 億m3），白河、湟水、涇河、渭河多年平均徑流量為15 億～25 億m3，無定河、汾河、北洛河、沁河、大汶河多年平均徑流量為7 億～15 億m3，黑河、窟野河多年平均徑流量為2 億～7 億m3，清水河、大黑河多年平均徑流量較小（均不足2 億m3）。 如圖1（b）所示，1956—2016 年除清水河、黑河這2 個子流域實測年徑流量呈增長趨勢（增長速率在0.1 億m3／a 以下）外，其他13 個子流域實測年徑流量呈減少趨勢（白河、湟水、大黑河、北洛河、大汶河減少速率為0～0.1 億m3／a，窟野河、無定河、沁河減少速率為0.1 億～0.2 億m3／a，汾河、涇河減少速率為0.2億～0.3 億m3／a，洮河、渭河、伊洛河減少速率為0.3 億～0.4 億m3／a），其中10 個子流域（圖中畫斜線的子流域，占比為66.7%）呈顯著減少趨勢，即多年平均徑流量較大的子流域徑流量減少趨勢明顯。

圖1 各子流域多年平均徑流量及其變化速率

2.2 子流域同旱年數統計

對15 個子流域相互配對，可形成105 個子流域對。以年徑流量的10%分位數為閾值定義干旱，采用計數的方式統計得到各子流域對同旱年數，見表1。 由表1 可知：1956—2016 年子流域兩兩同旱年數最多為4 a，即同旱頻率不超過7%；子流域兩兩同旱年數為4 a 的有4 對，分別為黑河-白河、窟野河-大黑河、北洛河-涇河、沁河-渭河；同旱年數為3 a 及以上的共16 對，除清水河、大汶河外，其他13 個子流域均發生過3 a 及以上的兩兩同旱；分別與黑河、湟水、伊洛河同旱年數≥3 a 的子流域均為1個，分別與白河、無定河、汾河、涇河、沁河同旱年數≥3 a的子流域均為2 個，分別與窟野河、渭河同旱年數≥3 a的子流域均為3 個，分別與洮河、北洛河同旱年數≥3 a的子流域均為4 個，與黑河同旱年數≥3 a 的子流域有5 個。

表1 兩兩子流域間的徑流量相關系數及同旱年數統計

對每對子流域進行年徑流量相關性分析（結果見表1），顯著相關的有74 對（占69.5%），相關系數≥0.6的有29 對（占27.6%），表明各子流域年徑流量間相關性較強，以計數方式統計得到的同旱頻率可能會低估黃河各子流域同旱的概率。

2.3 同旱概率及其變化

已有研究［5］表明，黃河流域徑流量發生突變的時間為1990 年前后，因此本研究以1990 年為界，把研究期（1956—2016 年）分為1956—1989 年、1990—2016年兩個時段，分析子流域同旱概率的變化。 采用藤Copula 函數計算的不同時段子流域同旱概率（見表2）表明：不發生干旱、僅有1 個子流域發生干旱的概率，1956—2016 年分別為42%、21%，1956—1989 年分別為52%、25%，1990—2016 年分別為24%、17%（較1956—1989 年明顯減小）；2 個及以上多子流域發生同旱的概率，1956—2016 年為37%，1956—1989 年為23%，1990—2016 年為59%，1990 年后2 個及以上多子流域同旱的概率明顯增大。

表2 不同時段子流域同旱概率統計

3 結論

1）1956—2016 年黃河各子流域實測年徑流量普遍呈減少趨勢，其中多年平均徑流量較大的洮河、伊洛河等子流域年徑流量減少趨勢顯著。

2）黃河各子流域年徑流量間存在顯著的相關關系，按同旱年數計算的同旱頻率可能會低估大范圍同旱的概率。

3）2 個及以上多子流域發生同旱的概率，1956—2016 年為37%，1956—1989 年為23%，1990—2016 年為59%，1990 年后多子流域同旱的概率顯著增大，意味著黃河流域遭受大范圍同旱災害的形勢變得嚴峻。因此，為保障黃河水資源安全和流域可持續發展，應合理規劃和利用河川徑流，加強水資源集約節約利用，推動南水北調后續工程建設和發展，提升流域水安全保障能力。