引用格式：刘昌明，王恺文，王冠，等.1956—2016年黄河流域径流及其影响因素的变化分析[J］.人民黄河，2022，44（9）：1-5，16.
作者简介：刘昌明（1934—），男，湖南汨罗人，中国科学院院士，主要从事水文水资源研究工作
摘要：水资源短缺是黄河流域最大的矛盾。近年来，气候变化和人类活动的加剧给黄河流域水循环过程和水资源利用带来了新的影响和挑战。基于黄河84个子流域1956—2016年的气象水文资料，回顾了黄河流域径流及其影响因素的时空变化特征，分析了径流变化的可能原因和区域差异。结果表明：①除黄河上游部分流域外，中下游流域径流和降水普遍减小，气温普遍上升、潜在蒸散发普遍增大。②黄河流域径流突变主要集中在1980—2000年，突变后年径流的概率分布向低值方向集中，年均气温和潜在蒸散发向高值方向倾斜，年降水的概率分布无显著变化。③下垫面变化是黄河流域径流变化的主要原因，降水变化次之，两者对上游流域的作用较为分散、不确定性大，对中游黄土高原流域的作用明显且突出；潜在蒸散发对下游流域径流变化的贡献大于对上游的，但总体贡献较小。明确黄河流域径流及其影响因素的演变趋势，把握气候变化和人类活动对河川径流的影响强度，对保障黄河水资源安全、推动流域生态保护和高质量发展有重大意义，是水文水资源研究和流域管理实践应该长期关注和深入探索的重要课题。
关键词：河川径流；水资源；时空变化特征；归因分析；黄河流域
1 引 言
黄河是我国的第二大河,也是华北和西北地区的重要水源,在国家发展大局和社会主义现代化建设全局中具有十分重要的战略地位[1］。党的十八大以来,习近平总书记多次实地考察黄河流域生态保护和经济社会发展情况,就黄河流域生态保护和高质量发展的重大意义、巨大成就、突出问题、目标方向等作出了重要指示批示。2021年10月8日,中共中央、国务院印发了《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》,为当前和今后一个时期黄河流域生态保护和高质量发展提供了纲领性文件,为制定实施相关规划方案、政策措施和建设相关工程项目提供了重要依据。
《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》明确指出,黄河流域最大的矛盾是水资源短缺。黄河流域位于我国北中部,属大陆性气候区,多年平均降水量为446 mm,仅为长江流域的40%；多年平均天然径流量约为580亿m3,不到长江的7%；地表水资源开发利用率和消耗率高达86%和71%,远超流域水资源承载能力[1］。20世纪70—90年代,在人类无序用水和气候变化的叠加影响下,黄河干流出现断流现象,流域水资源的可再生性和可更新性面临严峻危机[2］。自1999年黄河水利委员会实施黄河水量统一调度以来,黄河干流连续20多a未再出现断流,流域水资源可再生性和可更新性逐渐恢复[3］。近年来,随着生态修复工程的实施、水土保持工作的推进、水利基础设施的完善等,黄河流域生态环境明显改善,水沙治理成效显著,水旱灾害防御能力稳步提升,水资源保障能力持续增强[4-5］。在黄河治理取得显著成绩的同时,气候变化和人类活动的加剧给流域水循环过程和水资源带来了新的影响和挑战[6-7］。不断升高的气温,一方面会加速黄河上游冰川融化和冻土退化,有利于径流形成,另一方面会导致蒸散发量增大,不利于径流集聚[8-9］。不断增加的林草植被,一方面可以改善区域气候条件,通过增大降水量促进径流形成,另一方面可以改变区域水循环过程,通过增大蒸散发量和土壤水消耗量导致径流量下降[10-12］。
笔者长期关注气候变化和人类活动对黄河流域径流的影响,近年来围绕影响黄河流域生态保护和高质量发展的缺水问题,使用长期观测的干流水文测站数据进行了相关分析和探讨[13-15］。为进一步分析黄河不同子流域径流的变化,本文收集1956—2016年黄河流域84个子流域的气象和水文资料,回顾黄河流域径流及其影响因素的变化特征,分析径流变化的可能原因,探讨径流变化的区域分异规律,旨在为研究气候变化和人类活动对黄河径流的影响提供参考。
2 数据来源与研究方法
河川径流数据来源于黄河水利委员会提供的84个子流域1956—2016年的逐月还原径流资料；气象数据来源于中国气象数据共享服务网提供的黄河流域及周边的125个国家气象站1956—2016年的逐月气象数据,包括降水量、气温、相对湿度、风速、日照时数等。
本文采用Theil-Sen Median趋势分析方法和Mann-Kendall检验方法进行气象和水文要素的趋势分析,通过Theil-Sen Median趋势分析方法计算序列增加或减少的趋势,通过Mann-Kendall检验计算Z统计量,把显著性水平设定为0.05,判断序列变化趋势的显著性；利用非参数Pettitt检验方法,识别径流序列的突变年份。
清华大学杨大文等[16］提出了径流变化归因方法,Choudhury-Yang流域水热耦合平衡方程为
式中:E为多年平均的年实际蒸散发量；P为多年平均的年降水量；E0为多年平均的年潜在蒸散发量,本文采用考虑CO2浓度影响的参考作物蒸散发公式进行计算[17］；n为反映流域下垫面特征的参数。
根据流域多年平均水量平衡方程和Choudhury-Yang方程,得到:
式中:εP、εE0、εn分别为径流的降水、潜在蒸散发、下垫面弹性系数,即,三者的表达式可由式(1)推求。
根据突变点识别的结果,研究时段可以划分为两个子时段,两个子时段径流深之差记为径流变化量ΔQ。根据式(2),ΔQ能够分解为由降水变化(ΔP)、潜在蒸散发变化(ΔE0)、下垫面变化(Δn)引起的径流变化3个部分,即
由降水变化和潜在蒸散发变化引起的径流变化之和被近似作为气候变化引起的径流变化,由下垫面变化引起的径流变化被近似作为人类活动引起的径流变化；由于流域下垫面的地形和土壤条件相对稳定,因此下垫面变化主要是流域植被条件的变化[16］。
3 主要研究结果
1956—2016年黄河流域径流及其影响因素变化趋势的空间分布见图1。
注：图中斜线表示趋势显著,图例色块内的数字表示相应变化范围的子流域占比(%)
图1 1956—2016年黄河流域径流及其影响因素变化趋势的空间分布
由图1可知,除黄河上游的湟水、黑河等子流域外,其他子流域年径流普遍下降,其中洮河、渭河、沁河、大汶河等子流域下降明显。在研究的84个子流域中,24%的子流域年径流下降小于-1.5 mm/a,69%的子流域年径流变化介于-1.5～0 mm/a,7%的子流域年径流变化介于0～0.5 mm/a(见图1(a))。约19%的子流域年降水呈增加趋势,主要分布在黄河源区和湟水、洮河、黑河、白河等子流域,其余81%的子流域年降水呈下降趋势,其中汾河、沁河等子流域下降较为明显(见图1(b))。除湟水、洮河上游部分子流域气温下降外,黄河流域气温普遍显著上升(约90%的子流域),黄河中游气温上升最为明显(见图1(c))。潜在蒸散发在黄河上游和中游窟野河等32%的子流域下降,在潼关以下17%的子流域显著上升(见图1(d))。
黄河流域径流突变年份和突变前后气象水文要素的统计特征见图2。
注：在图2(b)～图2(e)中,蓝色曲线为突变前气象水文要素的概率密度曲线,红色曲线为突变后的概率密度曲线,其中深颜色表示所有站点的平均曲线,浅颜色表示每个站点的曲线。黑色竖线表示突变前气象水文要素的平均值,灰色竖线表示突变前气象水文要素平均值±1倍方差；蓝色、红色CV和CS值分别对应图中相同颜色的深颜色曲线
图2 黄河流域径流突变年份和突变前后气象水文要素的统计特征
由图2(a)可知,黄河大部分子流域径流突变发生在1980—2000年。该结果与已有研究结果一致,突变年份与20世纪80—90年代三北防护林建设、黄土高原水土流失治理以及改革开放后为保证工农业发展的水利基础设施建设等有重要关系[16,18］。在突变年份识别的基础上,进一步绘制了突变前后径流及其影响因素的概率密度曲线,计算了表征数据离散程度的变差系数(CV)和表征数据分布对称性的偏态系数(CS),用以分析径流突变前后气象水文要素统计特征的变化。在径流突变后,年径流的概率分布变化较大,低径流年份集中且增多,高径流年份减少,数据离散程度和偏斜程度减弱(见图2(b))；年降水的概率分布变化较小,平均降水的年份略增,高降水的年份略减,数据偏斜程度减弱(见图2(c))；年均气温和潜在蒸散发的概率分布变化较大,低温和低潜在蒸散发年份减少,高温和高潜在蒸散发年份增加,数据离散程度变化不大,但偏斜程度变化明显(图2(d)、(e))。总之,黄河流域径流突变后,年径流概率分布向低径流方向集中,年降水无显著变化,年均气温和潜在蒸散发向高值方向倾斜。
在本文采用的归因分析方法中,径流弹性系数是衡量径流对相关影响因素变化响应敏感性的重要参数。黄河流域径流弹性系数的空间分布见图3。
注：图例色块内数字为子流域占比
图３ 黄河流域径流弹性系数的空间分布
图3表征了1%的降水、潜在蒸散发、下垫面弹性系数变化引起的径流变化百分比。由图3(a)可知,降水弹性系数为正数,高值主要分布在黄河中游渭河和汾河流域,这些流域1%的降水增加能够引起2.8%～4.1%的径流增加。由图3(b)、(c)可知,潜在蒸散发和下垫面弹性系数均为负数,且后者小于前者,表明单位下垫面参数变化能够引起更多的径流变化；两者的低值主要分布在黄河中游的不同子流域,约32%和50%的研究流域1%的潜在蒸散发、下垫面弹性系数增加能够引起大于1.8%的径流下降。
需要进一步说明的是,图3降水弹性系数大于0,潜在蒸散发和下垫面弹性系数小于0的主要原因是Choudhury-Yang方程结构对弹性系数进行了限定,这种限定能够保证径流弹性系数满足一般条件下的水文学规律,可靠性和适用性强,但难免简化某些水文现象,如潜在蒸散发增加引起的冰川冻土融水增加,下垫面改善对区域降水的促进作用,以及年储水量持续消耗导致的多年平均水量平衡方程储水项不宜忽略等。目前的研究认为,上述水文现象的简化不会对大尺度、多流域比较分析产生严重的影响,若对特殊流域进行精细化分析,则提倡进一步采用水文模型、陆面模型、区域气候模型等技术手段深入刻画流域水文过程。
不同影响因素对黄河流域径流变化贡献率的空间分布见图4。由图4可知,降水和下垫面变化是径流变化的主导因素,潜在蒸散发变化的贡献率相对较小,归因分析方法的误差相对可控。在湟水、北洛河、汾河等子流域,降水主导了径流变化(贡献率大于50%,图4(a)),在黄河源区、洮河、黑河、白河和中游的大部分子流域,下垫面主导了径流变化(贡献率大于75%,图4(c)),黄河下游子流域的径流变化是下垫面、降水和潜在蒸散发共同作用的结果。
以河口镇和桃花峪为界将所有研究子流域划分为上中下游流域,分别统计不同影响因素对流域径流变化的贡献率(图4(e))。对于黄河上游流域,下垫面平均贡献率及相应95%置信区间为70%±39%、降水为40%±31%、潜在蒸散发为-3%±5%；对于黄河中游流域,下垫面平均贡献率及相应95%置信区间为70%±13%、降水为35%±9%、潜在蒸散发为6%±12%；对于黄河下游流域,下垫面平均贡献率及相应95%置信区间为45%±19%,降水为36%±18%,潜在蒸散发为17%±6%。可见,下垫面变化是黄河流域径流变化的主要原因,降水变化次之,潜在蒸散发的贡献较小；下垫面和降水的作用在上游流域较为分散、不确定性大,在中游流域比较突出和集中。
图４ 不同影响因素对黄河流域径流变化贡献率的空间分布
4 结论
黄河流域生态保护和高质量发展是重大国家战略,在气候变化和人类活动加剧的背景下,河川径流发生了显著变化,黄河流域生态环境保护和可持续发展面临重要挑战。笔者收集了黄河84个子流域1956—2016年的气象和水文资料,回顾了黄河流域径流及其影响因素的变化特征,分析了径流变化的可能原因,探讨了径流变化的区域分异规律,得到了以下主要结论。
(1)除黄河上游湟水、黑河等部分流域的径流和降水增加、气温下降、潜在蒸散发减小外,黄河中下游流域径流和降水普遍减小,气温普遍上升、潜在蒸散发普遍增大。
(2)黄河流域径流突变主要发生在1980—2000年,突变后径流、气温、潜在蒸散发的概率统计特征变化明显,年径流的概率分布向低值方向集中,年均气温和潜在蒸散发向高值方向倾斜,年降水的概率分布无显著变化。
(3)黄河中游流域径流弹性系数较高,径流对各影响因素变化的响应相对敏感。下垫面变化是黄河流域径流变化的主要原因,降水变化次之,两者对上游流域的作用较为分散、不确定性大,对中游黄土高原流域的作用明显且突出。潜在蒸散发对下游流域径流变化的贡献大于对上游的,但总体贡献较小。
为推动黄河流域成为我国大江大河流域治理的重要标杆、国家生态安全的重要屏障和高质量发展的重要区域,明确黄河流域径流及其影响因素的演变趋势,把握气候变化和人类活动对河川径流的影响强度,对保障黄河水资源安全、推动流域可持续发展有重大意义,应作为水文水资源研究和流域管理实践长期关注和深入探索的重要课题。
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